一种类平顶波脉冲强磁场发生装置及方法与流程

pulsed power supply.industry applications conference,1997以及l.j.campbell,h.j.boenig，d.g.rickel,j.d.rogers,et al,design and analysis of high
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field quasi
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continuous magnets.ieee trans.on magnetics,1994,30(4):2222
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2225。
7.以上这两种方案都需要大容量的脉冲发电机、大功率的12脉冲整流桥，还需要制造多线圈组成的脉冲磁体，采用复杂的反馈控制结构，总体造价很高，而且由于采用整流桥的原因使得平顶波纹波也比较大，总的来说，波形质量不高。
8.日本东京大学强磁场实验室采用纯电容性电源驱动脉冲磁体线圈，辅助以外施加补偿线圈l1，补偿线圈l1采用铅酸电池b供电，通过反馈控制器(fpga、mos管m1至m4)以2.5us的调节速度调节1.3t补偿线圈磁场，最终实现60t/2ms的脉冲平顶波磁场。
9.如图5和图6所示，在主磁体l孔径中螺线管绕制一补偿线圈其电感30μh,主磁体l线圈采用900kj电容c储能对其供电，反馈控制采用mos管，通过24v铅酸电池b供电，采用pid控制算法控制栅极电压来使mosfet管工作在可变电阻区，是其电阻在几毫欧到几兆欧级间变化，以控制补偿线圈l1的电流变化，从而实现对磁场的反馈控制。这种方案需要单独绕制补偿线圈，并为其提供能量，同样需要复杂的反馈控制算法来对磁场的补偿来实现平顶波，其结构也较为复杂，且其平顶波段维持时间较短，具体参阅文献yoshimitsukohama，koichi kindo.generation of flat
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top pulsed magnetic fields with feedback control approach.review of scientific instruments 2015 86,104701。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题在于现有技术平顶波脉冲强磁场发生装置多采用双线圈或多线圈结构，采用较为复杂反馈控制结构来实现平顶波，存在系统造价高，磁体能量转移慢、波形质量不高或者平顶波段维持时间较短的问题。
11.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种类平顶波脉冲强磁场发生装置，包括低压电容器组、低压续流支路、高压电容器组、高压续流支路、过零直流开关以及单线圈磁体，所述单线圈磁体包括磁体线圈l以及电阻r，所述低压电容器组与低压续流支路并联，高压电容器组和高压续流支路并联，所述低压续流支路与高压续流支路串联，所述高压续流支路的非串联端通过过零直流开关、电阻r以及磁体线圈l与低压续流支路的非串联端连接；
12.初始阶段，串联的低压续流支路与高压续流支路组合为磁体线圈l供电，高压电容器组起到形成脉冲前沿短即陡升的脉冲波，此阶段，低压电容器组与高压电容器组一起供电形成脉冲波形，并维持脉冲波形顶部较平稳变化，从而实现类平顶波；脉冲波形下降后期，切换过零直流开关，磁体线圈l聚集的能量通过低压续流支路、高压续流支路以及过零直流开关快速释放转移。
13.本发明低压电容器组与高压电容器组形成的储能放电结构就可以得到类似平顶波的波形，结构简单，大大减小整个系统的造价，低压电容器组电压低且容值高，放电周期长，与高压电容器组一起供电形成脉冲波形，平顶波段维持时间较长，并且低压电容器维持脉冲波形顶部较平稳变化，从而使得波形质量较高。
14.进一步地，所述低压电容器组包括电容组c1和晶闸管t1，所述电容组c1的一端与
晶闸管t1的阳极连接，所述晶闸管t1的阴极与低压续流支路的一端连接，所述电容组c1的另一端与低压续流支路的另一端连接。
15.更进一步地，所述低压续流支路包括二极管d1和电阻r
d1
，所述二极管d1的阴极与晶闸管t1的阴极连接，二极管d1的阳极与电阻r
d1
的一端连接，电阻r
d1
的另一端与电容组c1的另一端连接并接地。
16.更进一步地，所述高压电容器组包括电容组c2和晶闸管t2，所述电容组c2的一端分别与晶闸管t1的阴极、二极管d1的阴极以及高压续流支路的一端连接，电容组c2的另一端与晶闸管t2的阳极连接，晶闸管t2的阴极与高压续流支路的另一端连接。
17.更进一步地，所述高压续流支路包括二极管d2和电阻r
d2
，所述电阻r
d2
的一端与电容组c2的一端连接，电阻r
d2
的另一端与二极管d2的阳极连接，二极管d2的阴极与晶闸管t2的阴极以及过零直流开关连接。
18.更进一步地，所述过零直流开关包括压敏电阻rv、电容c0、开关s0、电感l0、电阻r0以及真空开关vb，所述电容c0、开关s0、电感l0及电阻r0顺次串联连接，所述电容c0的非串联端、真空开关vb的一端以及压敏电阻rv的一端连接并与二极管d2的阴极连接，所述电阻r0的非串联端、真空开关vb的另一端以及压敏电阻rv的另一端连接并与电阻r的一端连接，电阻r的另一端通过磁体线圈l与电阻r
d1
的另一端与电容组c1的另一端连接。
19.进一步地，所述类平顶波脉冲强磁场发生装置还包括充电电源，所述低压电容器组、高压电容器组及过零直流开关分别通过一个充电电源单独供电，所述充电电源包括顺序连接的三相不控整流桥cd1、滤波器lc、逆变全桥ig、高频变压器t、高频整流桥cd2以及负载电容cc，所述三相不控整流桥cd1的输入端接交流电网电压380vac。
20.本发明还提供一种类平顶波脉冲强磁场发生装置的方法，初始阶段，串联的低压续流支路与高压续流支路组合为磁体线圈l供电，高压电容器组起到形成脉冲前沿短即陡升的脉冲波，此阶段，低压电容器组与高压电容器组一起供电形成脉冲波形，并维持脉冲波形顶部较平稳变化，从而实现类平顶波；脉冲波形下降后期，切换过零直流开关，磁体线圈l聚集的能量通过低压续流支路、高压续流支路以及过零直流开关快速释放转移。
21.进一步地，所述低压电容器组包括电容组c1和晶闸管t1，低压续流支路包括二极管d1和电阻r
d1
，高压电容器组包括电容组c2和晶闸管t2，高压续流支路包括二极管d2和电阻r
d2
，过零直流开关包括压敏电阻rv、电容c0、开关s0、电感l0、电阻r0以及真空开关vb；电容组c1的一端与晶闸管t1的阳极连接，二极管d1的阳极与电阻r
d1
的一端连接，电阻r
d1
的另一端与电容组c1的另一端连接并接地；电容组c2的一端分别与晶闸管t1的阴极、二极管d1的阴极以及电阻r
d2
的一端连接，电阻r
d2
的另一端与二极管d2的阳极连接，电容组c2的另一端与晶闸管t2的阳极连接；电容c0、开关s0、电感l0及电阻r0顺次串联连接，电容c0的非串联端、真空开关vb的一端以及压敏电阻rv的一端连接并与二极管d2的阴极以及晶闸管t2的阴极连接，电阻r0的非串联端、真空开关vb的另一端以及压敏电阻rv的另一端连接并与电阻r的一端连接，电阻r的另一端通过磁体线圈l与电阻rd1的另一端与电容组c1的另一端连接并接地；
22.初始阶段，放电回路为电容组c1～晶闸管t1～电容c2～晶闸管t2～真空开关vb～电阻r～磁体线圈l，此阶段高低压电容器组串联同时为磁体负载放电，由于组合的电容器组电压很高，所以其形成脉冲前沿短即陡升的脉冲波，但是由于高压电容器组电容值较小，
放电周期短，即其能量很快通过放电转移到磁体线圈l中，当高压电容器组c2完成放电后，由于低压电容器组电压低但其电容值高，放电周期长，仍然维持着对磁体相对平缓的放电过程，与此时高压电容器组处于续流阶段的脉冲波形叠加，维持了脉冲波形顶部相对较平稳变化，从而实现类平顶波，此时放电回路为电容组c1～晶闸管t1～电阻r
d2
～二极管d2～真空开关vb～电阻r～磁体线圈l。
23.更进一步地，脉冲波形下降后期，通过过零直流开关，将原先闭合的真空开关vb断开，使得磁体线圈l聚集的能量通过低压续流支路、高压续流支路以及压敏电阻rv得到快速释放转移，此时泄放回路为电阻r～磁体线圈l～电阻r
d1
～二极管d1～电阻r
d2
～二极管d2～压敏电阻rv。
24.本发明的优点在于：本发明采用单线圈磁体结构，高压电容组和低压电容器组组合的放电拓扑结构，综合利用其各自放电波形的特点，高压电容器组电压高放电快，脉冲波形上升快，磁体初始热量聚集少，低压电容器组电压低且电容值高，放电波形变化慢且持续时间长，两者叠加组合可以实现类平顶脉冲波磁场，波形质量相对较高，无需复杂的反馈控制结构且脉冲后期的磁体能量通过过零直流开关能得到迅速转移释放，系统总体结构相对简单，大大减小整个系统的造价。
附图说明
25.图1为现有技术武汉华中科大脉冲强磁场实验室实现平顶磁场装置的电路图；
26.图2为图1提供的平顶磁场装置生成的脉冲平顶波形示意图；
27.图3为现有技术美国国家强磁场实验室实现平顶磁场装置的电路图；
28.图4为图3的平顶磁场装置实现60t/100ms平顶磁场波形的示意图；
29.图5为现有日本东京大学强磁场实验室实现平顶磁场装置的电路图；
30.图6为图5的平顶磁场装置实现60t/2ms平顶波波形的示意图；
31.图7为本发明实施例所提供的一种类平顶波脉冲强磁场发生装置的电路原理图；
32.图8为本发明实施例所提供的一种类平顶波脉冲强磁场发生装置中充电电源的电路原理图；
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.如图7所示，一种类平顶波脉冲强磁场发生装置，包括低压电容器组、低压续流支路、高压电容器组、高压续流支路、过零直流开关以及单线圈磁体，所述单线圈磁体包括磁体线圈l以及电阻r，所述低压电容器组与低压续流支路并联，高压电容器组和高压续流支路并联，所述低压续流支路与高压续流支路串联，所述高压续流支路的非串联端通过过零直流开关、电阻r以及磁体线圈l与低压续流支路的非串联端连接。低压续流支路以及高压续流支路主要起到放电通路、续流和保护电容的作用。高压电容器组和低压电容器组串联，先进行组合放电，然后低压电容器组再持续对磁体放电维持波形从而实现类平顶波。以下
详细介绍各电路组成部分的结构以及装置的工作过程。
35.继续参阅图7，所述低压电容器组包括电容组c1和晶闸管t1，低压续流支路包括二极管d1和电阻r
d1
，高压电容器组包括电容组c2和晶闸管t2，高压续流支路包括二极管d2和电阻r
d2
，过零直流开关包括压敏电阻rv、电容c0、开关s0、电感l0、电阻r0以及真空开关vb；电容组c1的一端与晶闸管t1的阳极连接，二极管d1的阳极与电阻r
d1
的一端连接，电阻r
d1
的另一端与电容组c1的另一端连接并接地；电容组c2的一端分别与晶闸管t1的阴极、二极管d1的阴极以及电阻r
d2
的一端连接，电阻r
d2
的另一端与二极管d2的阳极连接，电容组c2的另一端与晶闸管t2的阳极连接；电容c0、开关s0、电感l0及电阻r0顺次串联连接，电容c0的非串联端、真空开关vb的一端以及压敏电阻rv的一端连接并与二极管d2的阴极以及晶闸管t2的阴极连接，电阻r0的非串联端、真空开关vb的另一端以及压敏电阻rv的另一端连接并与电阻r的一端连接，电阻r的另一端通过磁体线圈l与电阻rd1的另一端与电容组c1的另一端连接并接地。
36.如图8所示，所述类平顶波脉冲强磁场发生装置还包括充电电源，所述低压电容器组、高压电容器组及过零直流开关分别通过一个充电电源单独供电，所述充电电源包括顺序连接的三相不控整流桥cd1、滤波器lc、逆变全桥ig、高频变压器t、高频整流桥cd2以及负载电容cc，所述三相不控整流桥cd1的输入端接交流电网电压380vac，详细的电路组成以及连接关系参阅图8，在此不做赘述。给电容组c1充电时，将电容组c1作为负载电容cc接入充电电源所在电路中，给电容c2充电时，同理，将电容组c2作为负载电容cc接入充电电源所在电路中。测得电容实际电压v，将际电压v和目标电容电压v
ref
输入误差比较器er补偿偏差量,通过控制器pid以及igbt开关的驱动器drv输出驱动脉冲到逆变全桥ig的各个开关管的栅极。
37.本发明提供的一种类平顶波脉冲强磁场发生装置的工作过程为：
38.电容对磁体线圈l放电初始阶段时，高压电容器组与低压电容器组串联组合为磁体线圈l供电，忽略续支路的续流电阻，此时放电回路为电容组c1～晶闸管t1～电容c2～晶闸管t2～真空开关vb～电阻r～磁体线圈l，由于高压电容器组电压高且容值较小，脉冲电流波形上升速度快，放电快，高压电容器组能量很快转移到磁体线圈l中，其主要起到形成脉冲前沿短即陡升的脉冲波，此阶段，由于低压电容器组电压低且容值高，放电周期长，与高压电容器组一起供电形成脉冲波形，同时维持脉冲波形顶部较平稳变化，从而实现类平顶波，此时放电回路为电容组c1～晶闸管t1～电阻r
d2
～二极管d2～真空开关vb～电阻r～磁体线圈l。
39.脉冲波形下降后期，脉冲波形对科学实验而言，没有太大的实际意义，通过过零直流开关，将原先闭合的真空开关vb断开，使得磁体线圈l聚集的能量通过低压续流支路、高压续流支路以及压敏电阻rv得到快速释放转移，从而降低磁体线圈发热和下次实验冷却等待时间，也大大提高了脉冲磁体的寿命，此时泄放回路为电阻r～磁体线圈l～电阻r
d1
～二极管d1～电阻r
d2
～二极管d2～压敏电阻rv。通过过零直流开关切换真空开关vb的状态主要过程是，手动闭合开关s0，产生了反向电流，使得通过真空开关vb的电流强迫到零点，然后断开真空开关vb。
40.通过以上技术方案，本发明低压电容器组与高压电容器组形成的储能放电结构就可以得到类似平顶波的波形，结构简单，大大减小整个系统的造价，低压电容器组电压低且
容值高，放电周期长，与高压电容器组一起供电形成脉冲波形，平顶波段维持时间较长，并且低压电容器维持脉冲波形顶部较平稳变化，从而使得波形质量较高。
41.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。