一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法，主要包括：高压电容器电源，由高压电容器组和晶闸管构成；蓄电池电源，由蓄电池组、第一直流断路器和换流开关构成；超级电容器电源，由超级电容器组、第二直流断路器和多相交错并联DC/DC变换器构成；高压隔离单元；续流支路；磁体；工作过程如下，首先高压电容器电源对磁体放电，使其电流快速上升，然后当高压电容器组电压低于蓄电池组电压时，二者换流，换流后超级电容器电源和蓄电池电源同时对磁体供电，通过多相交错并联DC/DC变换器对磁体电流进行负反馈控制产生平顶磁场，放电结束后，由续流回路释放磁体能量。综上，产生高稳定度、长持续时间、高平顶占比平顶脉冲磁场。

【技术实现步骤摘要】
一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法
本专利技术属于脉冲功率
，更具体地，涉及一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法。
技术介绍
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（NuclearMagneticResonance，NMR）、大功率回旋管太赫兹源等众多科学实验和前沿技术不但对磁场强度和磁场稳定度有极高要求，同时磁场持续时间越长越有利于科学研究的实现。例如：在NMR和比热测量中磁场持续时间需分别大于10倍的分子持续时间和样品热弛豫时间，因此，磁场持续时间直接决定了NMR技术可研究的分子种类和比热测量技术可研究的物质；在大功率回旋管太赫兹源中，磁场持续时间直接决定了太赫兹波的发射持续时间，对于其应用场景有着决定性作用，目前，受脉冲磁场波形限制，现有基于脉冲磁场的回旋管太赫兹源的辐射时间小于0.5ms，且稳定性较差，严重制约了其应用。综上，提升平顶脉冲强磁场的平顶持续时间，并保证其高稳定度和高场强对于基础前沿科学研究和大功率回旋管太赫兹源技术的发展具有重要意义。现有平顶脉冲磁场参数如表1所示。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。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5000ppm，稳定度不能满足回旋管、NMR等的应用需求。表1现有平顶脉冲磁场类型及参数高压电容器组的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。但是，其储能较低，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。中国强磁场和日本固体物理研究所提出了利用高压电容器供电产生平顶脉冲磁场的方法，分别产生了64T/2000ppm/6ms和60.64T/82ppm/2ms的平顶脉冲磁场，但是难以解决平顶持续时间较短的问题，分别见中国专利ZL201310728223.5和英文论文“Generationofflat-toppulsedmagneticfieldswithfeedbackcontrolapproach”，中文名称为：采用反馈控制产生平顶脉冲磁场。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，较为适合产生长脉冲磁场。但是，蓄电池输出功率低，磁场上升时间长，大电流作用下磁体产生焦耳热，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PWM调节旁路，参见英文论文：“DevelopmentofaHigh-StabilityFlat-TopPulsedMagneticFieldFacility”中文名称为：一种高稳定度平顶脉冲磁场设备的研制和中国专利：ZL201810411004.7基于IGBT有源区的线性调节旁路，以产生平顶脉冲强磁场。通过旁路调控改变磁体与磁体串联阻抗的分压比，可以在磁场峰值处产生一定时间的平顶，但是调节能力有限，实现大范围调控难度大。另外，现有平顶脉冲磁场普遍存在平顶时间相对于脉宽时间占比较小，即平顶占比较小，效率低下的问题。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法，旨在解决现有平顶脉冲磁场在稳定度和平顶持续时间难以兼顾和平顶占比较小、效率低下的问题。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置，包括：蓄电池电源、超级电容器电源、高压电容器电源、续流支路以及磁体；所述蓄电池电源输出端的正极与超级电容器电源的正极均与高压电容器电源正极的第一输出端连接；所述高压电容器电源正极的第二输出端分别连接续流支路的一端和磁体的一端；所述蓄电池电源的负极、超级电容器电源的负极、高压电容器电源的负极、续流支路的另一端以及磁体的另一端共同接地；对磁体放电前，对蓄电池电源、超级电容器电源和高压电容器电源充电储能；对磁体放电时，首先控制高压电容器电源对磁体放电，此时处于磁体电流上升阶段，当高压电容器电源内高压电容器组的电压低于蓄电池电源内蓄电池组的电压时，蓄电池电源开始对磁体放电，高压电容器电源和蓄电池电源进行换流，换流结束后由蓄电池电源单独对磁体放电；当换流结束后检测到磁体电流达到设定值时，进入磁体电流平顶阶段，超级电容器电源开始工作，以高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，通过改变超级电容器电源中多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，随着磁体内阻的增加而增大超级电容器电源的输出电压，对磁体端电压形成钳位，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定；当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，先断开超级电容器电源，继而断开蓄电池电源，进入磁体电流下降阶段，磁体通过续流支路释放磁场能量；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数。在一个可选的示例中，所述蓄电池电源包括：蓄电池组、第一直流断路器以及换流开关；所述蓄电池组的正极通过第一直流断路器和换流开关的正极相连，换流开关的负极和蓄电池的负极为蓄电池电源的输出端，其中换流开关的负极为蓄电池电源输出端的正极；所述蓄电池组的负极作为蓄电池电源的负极；所述蓄电池组为蓄电池电源的储能部件，第一直流断路器为蓄电池电源的保护开关，换流开关用于控制蓄电池电源的开通和关断。在一个可选的示例中，所述超级电容器电源包括：超级电容器组、第二直流断路器以及多相交错并联DC/DC变换器；所述超级电容器组的正极通过第二直流断路器连接至多相交错并联DC/DC变换器的输入端，多相交错并联DC/DC变换器的输出端即为超级电容器电源的输出端；所述超级电容器组的负极作为超级电容器电源的负极；所述超级电容器组为超级电容器电源的储能部件，第二直流断路器为超级电容器电源的保护开关，多相交错并联DC/DC变换器用于控制超级电容器电源的输出电压；所述超级电容器的输出端与蓄电池电源的输出端并联。在一个可选的示例中，所述高压电容器电源包括：高压电容器组和晶闸管；所述高压电容器组的正极连接晶闸管的阳极；所述高压电容器组的正极为高压电容器电源正极的第一输出端，所述晶闸管的阴极为高压电容器电源正极的第二输出端；所述高压电容器组的负极作为高压电容器电源的负极；所述高压电容器组为高压电容器电源的储能部件，晶闸管为高压电容器电源的控制开关。在一个可选的示例中，该装置还包括：高压隔离单元；所述高压隔离单元的阳极连接蓄电池电源输出端的正极；所述高压隔离单元的阴极连接高压电容器电源正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置，其特征在于，包括：蓄电池电源、超级电容器电源、高压电容器电源、续流支路以及磁体；/n所述蓄电池电源输出端的正极与超级电容器电源的正极均与高压电容器电源正极的第一输出端连接；/n所述高压电容器电源正极的第二输出端分别连接续流支路的一端和磁体的一端；所述蓄电池电源的负极、超级电容器电源的负极、高压电容器电源的负极、续流支路的另一端以及磁体的另一端共同接地；/n对磁体放电前，对蓄电池电源、超级电容器电源和高压电容器电源充电储能；/n对磁体放电时，首先控制高压电容器电源对磁体放电，此时处于磁体电流上升阶段，当高压电容器电源内高压电容器组的电压低于蓄电池电源内蓄电池组的电压时，蓄电池电源开始对磁体放电，高压电容器电源和蓄电池电源进行换流，换流结束后由蓄电池电源单独对磁体放电；当换流结束后检测到磁体电流达到设定值时，进入磁体电流平顶阶段，超级电容器电源开始工作，以高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，通过改变超级电容器电源中多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，随着磁体内阻的增加而增大超级电容器电源的输出电压，对磁体端电压形成钳位，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定；当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，先断开超级电容器电源，继而断开蓄电池电源，进入磁体电流下降阶段，磁体通过续流支路释放磁场能量；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置，其特征在于，包括：蓄电池电源、超级电容器电源、高压电容器电源、续流支路以及磁体；
所述蓄电池电源输出端的正极与超级电容器电源的正极均与高压电容器电源正极的第一输出端连接；
所述高压电容器电源正极的第二输出端分别连接续流支路的一端和磁体的一端；所述蓄电池电源的负极、超级电容器电源的负极、高压电容器电源的负极、续流支路的另一端以及磁体的另一端共同接地；
对磁体放电前，对蓄电池电源、超级电容器电源和高压电容器电源充电储能；
对磁体放电时，首先控制高压电容器电源对磁体放电，此时处于磁体电流上升阶段，当高压电容器电源内高压电容器组的电压低于蓄电池电源内蓄电池组的电压时，蓄电池电源开始对磁体放电，高压电容器电源和蓄电池电源进行换流，换流结束后由蓄电池电源单独对磁体放电；当换流结束后检测到磁体电流达到设定值时，进入磁体电流平顶阶段，超级电容器电源开始工作，以高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，通过改变超级电容器电源中多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，随着磁体内阻的增加而增大超级电容器电源的输出电压，对磁体端电压形成钳位，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定；当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，先断开超级电容器电源，继而断开蓄电池电源，进入磁体电流下降阶段，磁体通过续流支路释放磁场能量；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数。


2.根据权利要求1所述的多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置，其特征在于，所述蓄电池电源包括：蓄电池组、第一直流断路器以及换流开关；
所述蓄电池组的正极通过第一直流断路器和换流开关的正极相连，换流开关的负极和蓄电池的负极为蓄电池电源的输出端，其中换流开关的负极为蓄电池电源输出端的正极；
所述蓄电池组的负极作为蓄电池电源的负极；
所述蓄电池组为蓄电池电源的储能部件，第一直流断路器为蓄电池电源的保护开关，换流开关用于控制蓄电池电源的开通和关断。


3.根据权利要求1所述的多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置，其特征在于，所述超级电容器电源包括：超级电容器组、第二直流断路器以及多相交错并联DC/DC变换器；
所述超级电容器组的正极通过第二直流断路器连接至多相交错并联DC/DC变换器的输入端，多相交错并联DC/DC变换器的输出端即为超级电容器电源的输出端；
所述超级电容器组的负极作为超级电容器电源的负极；
所述超级电容器组为超级电容器电源的储能部件，第二直流断路器为超级电容器电源的保护开关，多相交错并联DC/DC变换器用于控制超级电容器电源的输出电压；
所述超级电容器的输出端与蓄电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：张绍哲，韩小涛，潘垣，姜涛，王正磊，肖后秀，谢剑峰，丁同海，李亮，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42