一种适用于超导磁体的电源系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于超导磁体的电源系统及其控制方法，检测一超导磁体的输出电流，并将该输出电流与预先设定的电流稳态工作值做差，将差值作为PID控制的输入；利用预先设定的电流稳态工作值、电流充放电速率以及另一超导磁体的电流充放电速率进行解耦控制，得到输出S

【技术实现步骤摘要】
一种适用于超导磁体的电源系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及大功率超导磁体，特别是一种适用于超导磁体的电源系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]大功率超导磁体的作用主要是产生强大的磁场，用于约束等离子体，使其稳定地运行，超导磁体在核聚变等高能物理实验中具有非常重要的作用，是实验顺利进行的关键组成部分之一。在核聚变实验中，通过加热氢等离子体，使其达到足够高的温度和密度，从而在磁场的约束下进行核聚变反应。超导磁体能够产生极高的磁场强度，提供足够强的约束力，保持反应区域内的等离子体稳定并避免其与材料接触，从而保护设备并将反应维持在合适的条件下进行。然而，其工作过程中常常受到自感和互感作用的影响。这些问题会导致电流的变化、能量损耗和浪费，同时也会影响超导磁体的稳定性和可靠性。
[0003]首先是自感作用。当超导磁体内部的电流发生变化时，它会产生一个反向电势，从而产生自感作用。自感作用会阻碍电流的变化，限制了超导磁体的运行能力，并会引起能量损耗和浪费。此外，在放电时，自感作用还会减缓能量的转移速度，不能快速地将能量转移到其他负载或存储设备中，增加了系统设计的复杂度和成本。
[0004]其次是互感作用。当超导磁体与其他磁场相互作用时，会产生互感作用。互感作用不仅会引起电流的变化，还会对超导磁体内部产生剩余磁场，使得超导磁体失去超导状态。一旦超导磁体失去超导状态，将会产生较大的热能和电阻损耗，同时可能会引起机械破坏或火灾等严重后果，给核聚变等高能物理实验带来极大的风险和困难。
[0005]目前，对于核聚变等高能物理实验中超导磁体电源系统的研究并不多见，现有技术常采用磁阻抗调节法、软开关技术等方法来控制超导磁体的充放电的电流的大小和时间，而这些方法的控制较为复杂，不易实现。因此，设计一种简便的用于核聚变等高能物理实验中能够控制超导磁体充放电速率的电路拓扑及控制方法显得尤为重要。
[0006]在实际应用中，超导磁体主要用于电力、能源、医学、科学研究等领域。以MRI(磁共振成像)为例，常见的超导磁体功率通常在数千瓦至数十千瓦之间。而在核聚变等高能物理实验中使用的大型超导磁体，其功率可达到数百兆瓦。以下本专利技术所称的大功率超导磁体是运用于核聚变等高能物理实验，因此功率在几百千瓦以上。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种适用于超导磁体的电源系统及其控制方法，有效地解决两个超导磁体在充电、稳定运行和放电过程中受自感和互感影响的问题。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种适用于超导磁体的电源系统，其特征在于，包括两个结构相同的电源单元；其中第一电源单元包括AC
‑
DC变换器，所述AC
‑
DC变换器输入侧连接电网，输出侧连接隔离型DC
‑
DC变换器的输入侧；所述隔离型DC
‑
DC变换器包括隔离变压器，隔离变压器原边两个线圈串联，且原边两个线圈分别接单相全桥结构的输出，隔离变压器副边两线圈各接一桥式不控整流输出电路，且两个桥式不控整流输出电路并联；两个桥式不控整流输出电路均与第一超导磁体连接；第一电源单元的第一超导磁体和第二电流单元的第二超导磁体相互耦合。
[0009]本专利技术中，AC
‑
DC变换器和DC
‑
DC变换器结构简单，易于实现，两种变换器采用电力电子器件较少，成本较低，同时也具有较高的能量传输效率。
[0010]所述AC
‑
DC变换器输入侧通过LCL滤波器接入电网。
[0011]本专利技术还提供了一种上述电源系统的控制方法，其包括以下步骤：
[0012]检测一超导磁体的输出电流，并将该输出电流与预先设定的电流稳态工作值做差，将差值作为PID控制的输入；
[0013]利用预先设定的电流稳态工作值、电流充放电速率以及另一超导磁体的电流充放电速率进行解耦控制，得到输出S
1*
；
[0014]将输出S
1*
与PID控制的输出相加，并对相加结果进行PWM调制，得到隔离型DC
‑
DC变换器前级单向全桥结果开关管的驱动信号。
[0015]本专利技术通过解耦控制算出占空比，进行占空比前馈，消除了自感和互感的影响。
[0016]本专利技术中，第一超导磁体、第二超导磁体对应的解耦控制输出S1*、S2*的表达式为：
[0017][0018]其中，n为隔离变压器变比，U
dc
为隔离型DC
‑
DC变换器输入电压，L1、R1为第一超导磁体的电感和电阻，L2、R2为第二超导磁体的电感和电阻，M为第一超导磁体和第二超导磁体的互感，i
1ref
、i
2ref
分别为第一超导磁体和第二超导磁体对应的预先设定的电流稳态工作值。
[0019]本专利技术中，解耦控制简单有效，通过电感自感和互感的关系，直接可以计算出占空比，然后与单电流环PID控制器算出的占空比信号做差，控制开关管，以此可以实现两个超导磁体在工作时不受自感和互感的影响，控制精度较高。
[0020]本专利技术还提供了一种适用于大功率超导磁体电源系统的控制系统，其包括：
[0021]一个或多个处理器；
[0022]存储器，其上存储有一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现本专利技术上述方法的步骤。
[0023]与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：
[0024]1、本专利技术有效地解决了两个超导磁体在充电、稳定运行和放电过程中受自感和互感影响的问题，同时可以控制两个超导磁体充电和放电的速率。
[0025]2、本专利技术采用大功率PWM整流器、隔离型DC
‑
DC变换器为超导磁体供能，拓扑结构简单的同时也具有较高的传输效率。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例大功率PWM整流器的结构图；
[0027]图2为本专利技术实施例隔离型DC
‑
DC变换器结构图；
[0028]图3为本专利技术实施例两个超导磁体预期工作波形图；
[0029]图4为采用本专利技术实施例控制方法的效果图。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0031]图1为典型的大功率三相全桥PWM整流电路，通常分为电压型结构和电流型结构，电流型结构是指三相桥式PWM整流电路中负载侧采用电感滤波方式的结构。这种结构具有输出电流稳定、谐波低等优点，因此在对输出电流精度要求较高的场合中得到广泛应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于超导磁体的电源系统，其特征在于，包括两个结构相同的电源单元；其中第一电源单元包括AC
‑
DC变换器，所述AC
‑
DC变换器输入侧连接电网，输出侧连接隔离型DC
‑
DC变换器的输入侧；所述隔离型DC
‑
DC变换器包括隔离变压器，隔离变压器原边两个线圈串联，且原边两个线圈分别接单相全桥结构的输出，隔离变压器副边两线圈各接一桥式不控整流输出电路，且两个桥式不控整流输出电路并联；两个桥式不控整流输出电路均与第一超导磁体连接；第一电源单元的第一超导磁体和第二电流单元的第二超导磁体相互耦合。2.根据权利要求1所述的适用于超导磁体的电源系统，其特征在于，所述AC
‑
DC变换器输入侧通过LCL滤波器接入电网。3.一种权利要求1所述电源系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：检测一超导磁体的输出电流，并将该输出电流与预先设定的电流稳态工作值做差，将差值作为PID控制的输入；利用预先设定的电流稳态工作值、电流充放电速率以及另一超导磁体的电流充...

【专利技术属性】
技术研发人员：马伏军，范锐，范陕渭，彭巧玲，刘帅，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：