CN109062303B - 一种高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置，包括蓄电池组、磁体、串联电阻R₀、调节旁路、实时控制器及观测电流传感器CT₀；其中，调节旁路由调控半导体Q，瞬态抑制二极管TVS，监测电流传感器CT及旁路二极管D_b组成。蓄电池组正极通过串联电阻同磁体一端连接，磁体一端同调节旁路正极端连接，蓄电池组负极、磁体另一端及调节旁路负极端相互连接，实时控制器的磁体输入端同观测电流传感器的输出端连接，实时控制器的旁路输出端同调节旁路的控制端连接，观测电流传感器用于采集磁体电流信号，实时控制器根据磁体电流信号变化趋势输出控制信号，控制调节旁路中电流实现连续调节磁体电压，使磁体产生无纹波高稳定度平顶脉冲强磁场。

Description

一种高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置及控制方法

技术领域

本发明属于脉冲功率领域，更具体地，涉及一种高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置及控制方法。

背景技术

随着科技的飞速发展，脉冲强磁场作为一种极端的实验环境，已经成为基础前沿科学研究必不可少的研究条件。比热测量、核磁共振等众多科学实验不但对磁场强度有较高要求，同时对磁场稳定度有极高要求，例如磁场稳定度直接决定了核磁共振测量信号信噪比，比热测量实验中要求样品热弛豫时间内磁场保持不变，故磁场稳定度和持续时间是决定许多科学实验成败的关键因素。平顶脉冲强磁场兼具高磁场强度和高稳定度的优点，可以满足多种科学实验对极端磁场环境的需求，因此一直是研究的重难点之一。

产生脉冲强磁场的电源主要包括：飞轮储能交流脉冲发电机，电容器组和铅酸蓄电池组。飞轮储能交流脉冲发电机输出电压可控，在储能足够的情况下，可以通过调控输出电压产生多种脉冲波形。利用脉冲发电机供电，美国通过调控输出电压实现了60T/100ms、45T/850ms和27T/2.6s的平顶脉冲强磁场；中国采用类似的方式实现了50T/100ms的平顶脉冲强磁场。但是交流脉冲发电机本质上纹波是不可避免的，所以难以获得高稳定度平顶脉冲磁场，目前该方式产生的平顶脉冲磁场稳定度大约为0.5％。专利“脉冲磁场产生装置”(CN101387694B)采用双磁体结构，外磁体采用脉冲发电机供电，内磁体采用电容器供电。放电时，先触发电容器回路对磁体放电，当电容器电压降落时触发脉冲发电机对磁体放电，并且通过PID控制脉冲发电机输出电压达到稳定磁场的目的。基于上述叙述，该方法所产生的平顶磁场含有高频纹波。

目前在脉冲磁场领域，电容器组是应用最广的供电方式，其优点是输出功率没有限制，可以利用其高电压的优势使磁体电流快速上升，从而减少磁体的发热。但是电容器储能有限，输出电压不可控，放电过程输出电压迅速跌落，所以难以在放电过程中保持平顶。为了利用电容器组产生平顶脉冲强磁场，许多研究者进行了诸多研究。专利“一种平顶脉冲磁场产生装置及平顶脉冲电流产生装置”(ZL201310728223.5)利用电容器对双回路耦合放电，通过辅助回路对耦合变压器的原边放电，在主回路中感应出辅助电压，从而使磁体电压一定时间内保持稳定，该方法利用了电容器高电压的优势，使电流快速上升，大大减小了磁体体积。但是由于主回路感应电压是由辅助回路电流变化率决定的，因此难以精确控制，需要经过试验反复调节以匹配放电时序，而且由于辅助回路放电时间限制，电流上升时间很短，所以平顶时间很短。日本采用电容器作为主电源，利用多线圈结构实现了高稳定度平顶脉冲强磁场。其中，使用电容器对60T主磁体放电，在主磁体内放置一个小磁体，并使用蓄电池对小磁体供电，根据磁场叠加原理通过调节小磁体的磁场，使合成磁场保持稳定，以此实现高稳定度平顶脉冲磁场。该方法需要精确设计外加磁体防止外加磁体与主磁体相互耦合，而且需要额外的供电电源，因此实现较为复杂。

蓄电池电源兼具脉冲发电机电源储能高和电容器电源无纹波的优点，是产生长脉冲磁场的最佳选择。但是由于单个脉冲无法耗尽蓄电池内部的能量，所以该供电方式需要在大电流下强制关断电路。为了解决直流大电流关断问题，武汉国家脉冲强磁场科学中心自主研制了2kV/40kA直流开关，建成蓄电池电源系统：输出电压1000V，最大电流为40kA。蓄电池电源下，磁场不能保持平顶的原因是由于磁体通以大电流后产生焦耳热，热效应使磁体电阻逐渐增大，从而使磁场达到最大值后缓慢下降。为此，武汉国家脉冲强磁场中心的科研人员提出了采用并联旁路，通过PWM控制IGBT通断多个并联电阻支路的调节形式，以产生平顶脉冲强磁场，通过该方法武汉国家脉冲强磁场中心已实现指标参数为25T/200ms/250ppm的平顶脉冲强磁场。但是PWM的控制方式引入了高频纹波，损失了蓄电池无纹波的供电优势，高频纹波对很多科学实验产生干扰，影响实验效果。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高稳定度的平顶脉冲强磁场装置及控制方法，旨在解决目前平顶磁场发生装置中磁场纹波大的问题，产生高稳定度的平顶磁场，为精密核磁共振实验和比热测量实验提供合适实验环境。

为了产生高稳定度的平顶脉冲强磁场，本发明采用了以下技术方案：

一种高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置，包括蓄电池组、磁体、串联电阻、调节旁路、实时控制器及观测电流传感器；调节旁路包括调控半导体，调控半导体漏极和源极依次作为调节旁路的正极端和负极端，调控半导体门极作为调节旁路的控制端；

蓄电池组正极通过串联电阻同磁体一端连接，磁体一端同调节旁路正极端连接，蓄电池组负极、磁体另一端及调节旁路负极端相互连接，实时控制器的磁体输入端同观测电流传感器的输出端连接，实时控制器的旁路输出端同调节旁路的控制端连接，观测电流传感器用于采集磁体电流信号，实时控制器根据磁体电流信号变化趋势输出控制信号，调控半导体工作于恒流状态，作为可连续控制调节的受控电流源，通过连续调节调控半导体电流变化实现连续调节磁体电压，使磁体产生无纹波高稳定度平顶脉冲强磁场。

优选地，调节旁路还包括瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管反向并联在调控半导体的门极和源极之间，用于防止门极控制电压超过设定的阈值以保护调控半导体。

优选地，调节旁路还包括输出端同实时控制器旁路输入端连接的监测电流传感器，监测电流传感器用于检测调节旁路电流并将电流输入至实时控制器，实时控制器将调节旁路电流同电流阈值比较输出控制信号，控制调控半导体开关状态，实现对调控半导体过流保护。

优选地，设有多个相互并联的调节旁路，用于提高调节旁路电流调节能力。

优选地，装置还包括连接于实时控制器旁路输出端和调节旁路控制端之间的隔离驱动器，用于对实时控制器输出的控制电压功率放大，同时使得调控半导体和实时控制器电气隔离。

优选地，装置还包括续流支路和旁路二极管。

优选地，装置还包括连接于蓄电池组和串联电阻之间直流控制开关，直流控制开关的控制端同实时控制器的开关输出端连接，直流控制开关根据实时控制器控制信号切换其开关状态。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种基于上述的高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置的控制方法，包括如下控制步骤：

S110判断磁体电流是否达到设置值，若是，则控制信号使调节旁路导通，并转入步骤S120；否则，控制信号使调节旁路电流截止；

S120判断磁体电流信号是否增大趋势，若是，则控制信号使调节旁路电流增大，否则，控制信号使调节旁路电流减少，实现磁体电流保持恒定。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，存在如下有益效果：

1、本装置采用蓄电池组作为供电电源，在磁体两端并联可控半导体器件，将半导体器件作为可连续控制调节的受控电流源，通过连续调节其电流变化，可使磁体和分压电阻的电压比连续变化，从而达到连续调节磁体电压的目的，产生无纹波高稳定度平顶脉冲强磁场。

2、本装置结构相对简单，只需单个磁体，单个电源供电；其控制系统相对简单，不需要复杂的时序控制。

附图说明

图1为本发明提供的高稳定度脉冲平顶磁场发生装置的结构图；

图2为采用调控旁路调控前和调控后电流输出波形；

包括：蓄电池组(U_b为蓄电池组输出电压，R_b为蓄电池组内阻)；S₁为直流控制开关；S₂为直流断路器；R₀串联电阻；D_c为续流二极管(A为其阳极，K为其阴极)；R_c为续流电阻；磁体(R_m为磁体电阻，L_m为磁体电感)；CT₀为观测电流传感器；D_b为旁路二极管(A为其阳极，K为其阴极)；Q为调控半导体(G为其门极，D为其漏极，S为其源极)；TVS为瞬态抑制二极管；CT为监测电流传感器；实时控制器和隔离驱动器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高稳定度的平顶脉冲强磁场装置及控制方法，旨在解决目前平顶磁场发生装置中磁场纹波大的问题，产生高稳定度的平顶磁场，为精密核磁共振实验和比热测量实验提供合适实验环境。

如图1所示，本发明提供了一种高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置，包括：蓄电池组，直流控制开关S₁、直流断路器S₂、串联电阻R₀、续流支路、磁体、调节旁路、观测电流传感器CT₀、监测电流传感器CT、实时控制器和隔离驱动器。

续流二极管D_c和续流电阻R_c串联组成续流支路，由旁路二极管D_b，调控半导体Q，瞬态抑制二极管TVS构成调节旁路。续流二极管D_c的阳极与续流电阻R_c的一端相连，串联电阻R₀的一端与直流断路器S₂相连，串联电阻的另一端与续流二极管D_c的阴极K、旁路二极管D_b的阳极A和磁体的一端连接于节点a；续流电阻R_c的另一端与磁体的另一端、蓄电池负极和调控半导体Q的源极S连接与节点b；旁路二极管D_b的阴极K与调控半导体Q漏极D相连，瞬态抑制二极管TVS并联在调控半导体Q的门极G和源极S。续流支路与磁体并联构成续流回路；蓄电池组依次与直流开关S₁、直流断路器S₂、串联电阻R₀、磁体串联构成主磁场回路；蓄电池组内阻R_b和串联电阻R₀组成分压电阻。其中，U_b为蓄电池组输出电压，R_b为蓄电池组内阻；R_m为磁体电阻，L_m为磁体电感。

实时控制器的输入端连接观测电流传感器CT₀和监测电流传感器CT，以采集磁体电路和调控半导体Q的电流；实时控制器的某一输出端与直流开关S₁控制端相连，用于控制直流开关S₁的开通与关断；实时控制器的另一输出端与经过隔离驱动器连接至调控半导体Q的门极G，用于控制控半导体Q的门极电压。

蓄电池组由阀控式铅酸蓄电池串并联组成，单节蓄电池电压为12.85V，内阻为3.3mΩ，储能200A·h。通过77串19并，共1463节蓄电池，组成以提供最大输出电压1000V，最大输出电流40kA的蓄电池组，作为本发明所提供装置的供电电源，可计算的其内阻为R_b：13.37mΩ。

直流控制开关S₁由主晶闸管T₁，电容器C₀，副晶闸管T₂，电感器L₀组成。其作用为实现电路的可控制通断。其工作过程为：电容器C₀预先充电。当开通时，给主晶闸管T₁一个触发信号，使主晶闸管T₁导通，此时电路导通。当关断时，预先给副晶闸管T₂一个触发信号，副晶闸管T₂导通，电容器C₀放电使主晶闸管T₁关断。考虑耐压水平和通流能力，本发明选用的主晶闸管T₁和副晶闸管T₂型号为ABB-5STP38N4200，耐压4200V，最大通流能力40kA；电容器C₀和电感器L₀的值分别为81mF和10μH。

直流断路器S₂作用为保护开关，即电路发生故障直流开关S₁不能及时关断时断开电路，防止意外事故的发生；或在损失已经发生后避免更大的损失；实验完成后断开电路防止电路误触发。本发明选用的直流断路器的型号为Gerapid 4207，其耐压4200V，最大通流能力40kA。

磁体用于将电路电流转换为磁场。本发明选用的磁体几何参数为：高度180mm，内径21mm，外径400mm；磁体电参数为：电感值3.4mH，77k温度下电阻值为3.8mΩ。线圈磁场电流比常数为1.08T/kA，即每1kA电流产生1.08T磁场。磁体参数无固定要求，通过仿真和实验能满足要求即可。

续流回路由续流二极管D_c和续流电阻R_c共同组成，其作用为：放电结束时，当直流控制开关闭后，对磁体电流进行续流，以泄放磁场能量，防止磁体产生过高的反向感应电压。考虑耐压水平和通流能力，本发明选用的续流二极管型号为：5SDD60N2800，当通流能力不够时，可并联多个；续流电阻阻值为：1.5mΩ，续流电阻大小决定了放电结束后电流衰减的速度，其阻值无严格要求。

调节旁路：其由旁路二极管D_b，调控半导体Q，瞬态抑制二极管TVS和监测电流传感器CT共同组成。调控半导体Q的作用为：其工作在恒流区，通过控制其门极电压可使其流通电流连续变化，从而达到连续调节分压电阻和磁体电压比的目的，使磁体电流保持稳定，具体工作过程见下文。瞬态抑制二极管TVS的作用为：限制调控半导体Q的门极电压，防止其电流过大而烧毁。电流阈值根据调控半导体Q的门极电压确定。旁路二极管D_b的作用为：当调节结束，调控半导体Q关断后，防止磁体电流通过调节旁路进行续流。考虑耐压水平、通流能力和功耗水平，选择调控半导体Q的型号为FZ3600R17HP4，耐压1700V，通流能力3600A，最大功耗21kW；旁路二极管D_b的型号为DZ2600S17K3，耐压1700V，通流能力3600A。为了保证调控半导体Q的安全，瞬态抑制二极管TVS击穿电压应为10V。监测电流传感器CT的作用为采集通过调控半导体Q的电流，作为监测量，并将其送至实时控制器，当监测电流超过设定的电流阈值时，关闭调控半导体Q以保证调控半导体Q不被烧毁，设定的电流阈值根据半导体Q的通流能力确定。观测电流传感器CT₀为量程40kA精密霍尔电流传感器，监测电流传感器CT为量程2kA霍尔电流传感器。

更近一步地，根据调节旁路所需功率大小，可选择多个调节旁路并联。

分压电阻由蓄电池内阻R_b和串联电阻R₀组成。其的作用是当调节旁路电流电流改变时，分压电阻和磁体电压比发生变化，由于电源电压不变，所以磁体电压得到调节，使磁体电流保持稳定，具体工作过程见下文。通过仿真计算可得分压电阻的值为17.55mΩ，故串联电阻R₀为4.17mΩ。

观测电流传感器CT₀的作用为采集磁体电流信号作为控制量，并将其送至实时控制器，控制调控半导体Q的门极电压，门极电压大小决定了流过调控半导体的电流。

隔离驱动器的作用为对实时控制器输出的控制电压功率放大，以满足调控半导体Q的驱动要求，同时使得调控半导体Q和实时控制器电气隔离，避免发生故障时高压打坏实时控制器。隔离驱动器采用隔离驱动放大器ISO120和运算放大器THS4281制作而成。

实时控制器的作用为：控制直流开关S₁的开通和关断；采集观测电流传感器CT₀和监测电流传感器CT的信号，根据采集的信号，输出调控半导体Q门极控制信号；实现系统的时序控制，并保证系统安全可靠运行。本实施例采用的实时控制器为CompactRIO9030实时控制系统。

蓄电池组作为磁体供电电源时，磁场不能保持平顶的原因是：磁体通以大电流后产生焦耳热，热效应使磁体电阻发生变化。因此如果不加以调控，磁体电流不能保持恒定，即磁场不能保持恒定。

本发明工作原理及控制方法叙述如下：

首先闭合直流断路器S₂；在t＝0时刻，触发直流开关S₁使电路导通，此时，旁路的调控半导体器件Q处于关闭状态。随后在蓄电池组作用下，磁体电流上升，可用方程描述为：

其中，i_m为磁体电流，R_m(t)为磁体电阻，由于热效应的作用其为时变值。

根据磁体的电流磁场转换关系：

B_m＝Ki_m

其中：B_m为磁体产生的磁场，K为电流磁场比例系数，本实施例K＝1.08T/kA。所以磁场和电流变化趋势一致。

当电流上升到所需设定值时，设定值根据所需磁场强度确定。ComPactRIO9030控制器开始起调节作用，根据观测电流传感器CT₀得到磁体电流大小，通过内部的PI控制算法，输出调控半导体Q门极控制电压，经过隔离驱动器到达调控半导体Q门极。根据调控半导体Q的特性，其门极电压决定了流通的电流I_b大小。

根据观测电流传感器CT₀得到磁体电流大小，当磁体电流I_m上升到设定值时，根据PI控制算法ComPactRIO9030控制器，输出调控半导体Q门极控制电压控制信号，经过隔离驱动器到达调控半导体Q门极，使得旁路流过电流I_b，使分压电阻电压增大，理想状况下使

突变为零，磁体电压突然减小，I_m完全保持稳定。随后，由于磁体发热磁体电阻逐渐上升，ComPactRIO9030控制器检测磁体电流变化，根据PI控制算法的闭环调节，控制半导体Q门极电压，使旁路电流I_b减小，故分压电阻电压下降，磁体电压上升，使得磁体电流保持稳定。当磁体电流上升时，通过控制半导体Q门极电压，使半导体Q门极电流变大，分压电压上升，时磁体电压下降，保持磁体电流恒定。通过电流I_b的变化使分压电阻改变，从而使磁体电压跟随磁体电阻变化，使得磁体电流保持稳定。

在t＝t₁时刻关闭直流开关S₁和调控半导体Q，调节结束，t₁时间由电路参数决定，实际中通过实验确认，本实施例为70ms。为保证安全断开直流断路器S₂。磁体电流通过续流回路进行续流，直至电流衰减为零。

本发明由于采用蓄电池组作为供电电源，在磁体两端并联可控半导体器件，将半导体器件作为可连续控制调节的受控电流源，通过连续调节器其电流变化，可使磁体和分压电阻的电压比连续变化，从而达到连续调节磁体电压，产生无纹波高稳定度平顶脉冲强磁场的目的。

根据上述电路参数的选取，且并联五个调节旁路支路。本实施里可实现电流30kA/70ms，稳定度40ppm的平顶电流波形，调控前后电流波形如图2所示。即对应平顶磁场为：30*1.08T＝30.24T。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，包括蓄电池组、磁体、串联电阻、调节旁路、实时控制器及观测电流传感器；调节旁路包括调控半导体，调控半导体漏极和源极依次作为调节旁路的正极端和负极端，调控半导体门极作为调节旁路的控制端，所述调控半导体为IGBT开关管；

蓄电池组正极通过串联电阻同磁体一端连接，磁体一端同调节旁路正极端连接，蓄电池组负极、磁体另一端及调节旁路负极端相互连接，实时控制器的磁体输入端同观测电流传感器的输出端连接，实时控制器的旁路输出端同调节旁路的控制端连接，观测电流传感器用于采集磁体电流信号，实时控制器根据磁体电流信号变化趋势输出控制调控半导体门极电压大小的信号，使得调控半导体工作于恒流状态，作为可连续控制调节的受控电流源，通过连续调节调控半导体电流变化实现连续调节磁体电压，使磁体产生无纹波高稳定度平顶脉冲强磁场。

2.如权利要求1所述的高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，调节旁路还包括瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管反向并联在调控半导体的门极和源极之间，用于防止门极控制电压超过设定的阈值以保护调控半导体。

3.如权利要求1所述的高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，调节旁路还包括输出端同实时控制器旁路输入端连接的监测电流传感器，监测电流传感器用于检测调节旁路电流并将电流输入至实时控制器，实时控制器将调节旁路电流同电流阈值比较输出控制信号，控制调控半导体开关状态，实现对调控半导体过流保护。

4.如权利要求1所述的高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，设有多个相互并联的调节旁路，用于提高调节旁路电流调节能力。

5.如权利要求1所述的高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，装置还包括连接于实时控制器旁路输出端和调节旁路控制端之间的隔离驱动器，用于对实时控制器输出的控制电压功率放大，同时使得调控半导体和实时控制器电气隔离。

6.如权利要求1所述的高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，装置还包括续流支路和旁路二极管。

7.如权利要求1所述的高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，装置还包括连接于蓄电池组和串联电阻之间直流控制开关，直流控制开关的控制端同实时控制器的开关输出端连接，直流控制开关根据实时控制器控制信号切换其开关状态。

8.一种基于如权利要求1至7任一项所述的高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置的控制方法，其特征在于，包括如下控制步骤：

S110.判断磁体电流是否达到设置值，若是，则控制信号使调节旁路导通，并转入步骤S120；否则，控制信号使调节旁路电流截止；

S120.判断磁体电流信号是否增大趋势，若是，则控制信号使调节旁路电流增大，否则，控制信号使调节旁路电流减少，实现磁体电流保持恒定。

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