CN103259447B - 超导磁体升降场控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核磁共振领域中对超导磁体的升降场控制技术，其公开了一种新型的超导磁体升降场控制系统，解决传统技术中的超导磁体升降场控制采用两个独立的功能模块完成，造成成本高、占用空间大、集成化程度低的问题。该系统包括开关主回路单元、采样电路单元、控制单元及人机界面单元；开关主回路单元连接超导磁体及控制单元；采样电路单元连接超导磁体及控制单元；人机界面单元连接控制单元。由于该系统为基于三相全桥相控整流拓扑结构实现的升降场控制系统，既能实现对升降场速率的精确控制，又减小了整个系统的体积不再需要单独的降场模块，同时可将能量反馈回电网，适用于核磁共振成像系统中。

Description

超导磁体升降场控制系统

技术领域

本发明涉及核磁共振领域中对超导磁体的升降场控制技术，具体的说，是涉及超导磁体升降场控制系统。

背景技术

在核磁共振成像系统中，磁体是整个系统的核心部件，而超导磁体凭借其高场强低能耗的特点逐渐取代了永磁体成为了市场上的主流磁体。升场过程是指超导磁体从电源端获取能量，从而上升到期望的场强的过程，降场与其相反，是指磁体向外释放能量，同时场强随之下降为零的过程。而在此升降场的过程中，磁体线圈需要稳定的维持在超导的状态下，因此对于整个升降过程的精确控制就显得非常重要。

目前大部分的超导磁体生产商通常是分别针对升场与降场两个过程设计单独的功能模块，此时升场所需的励磁电源需要工作在第一象限，向超导磁体输送能量；而降场模块通常由泄能电阻构成，将超导线圈内的电能以热能的形式释放，其中GE公司的专利（US8027139）提出了一种以电磁阀并联大功率二极管作为泄能负载的方案，此方案较传统的降场方法相比能够加速降场的过程，并且可以通过控制电磁阀来选择作为负载的二极管的数目,从而选择不同的降场速度；但此方案还存在相应缺陷：其一是电磁阀开关与二极管堆的体积庞大，并且需要为其提供良好的散热，因此整个系统体积庞大，占用空间较大；其二是系统的降场速率完全取决于功率二极管的伏安特性及线路内的寄生电阻，难以实现精确控制降场速率。此外，将升场与降场通过两个独立的功能模块完成，这样则需要两套控制系统，既增加了成本与体积，也使得整个系统的集成化程度降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种新型的超导磁体升降场控制系统，解决传统技术中的超导磁体升降场控制采用两个独立的功能模块完成，造成成本高、占用空间大、集成化程度低的问题。

本发明解决上述技术问题采用的方案是：超导磁体升降场控制系统，包括开关主回路单元、采样电路单元、控制单元及人机界面单元；所述开关主回路单元连接超导磁体及控制单元；所述采样电路单元连接超导磁体及控制单元；所述人机界面单元连接控制单元；

所述开关主回路单元，用于在升场过程中接受控制单元的控制将电网输入的能量进行转换并输出给超导磁体或在降场过程中接受控制单元的控制对超导磁体进行泄能并将能量反馈给电网；

所述采样电路单元，用于在升场过程中或在降场过程中检测超导磁体的线圈的当前相关参数并反馈给控制单元；

所述人机界面单元，用于在升场过程中或在降场过程中向控制单元提供超导磁体的线圈相关参数的参考值，并进行直观化显示；

所述控制单元，用于在升场过程中或在降场过程中接收采样电路单元反馈的超导磁体的线圈的当前相关参数并与来自人机界面单元给定的参考值进行比较，根据比较的差值大小对所述开关主回路单元进行控制，从而控制超导磁体的升场速率或降场速率。

进一步，所述开关主回路单元包括变压器、三相全桥相控整流拓扑、滤波电路；所述变压器的输入端接电网，其输出端连接所述三相全桥相控整流拓扑的输入端；所述三相全桥相控整流拓扑的输出端连接滤波电路；该所述三相全桥相控整流拓扑由六个晶闸管组成，每两个晶闸管为一组，以60度导通角为周期交替导通，通过调节导通角可控制输出电压的有效值。

具体的，所述滤波电路包括平波电抗器及电容组，所述平波电抗器由两个串联且中间节点连接电容组的电感组成，所述电容组由两个反向串联且中间节点接地的电解电容组成；电容组是用于将三相全桥相控整流拓扑输出的300HZ纹波过滤为平滑的直流电压，其中间节点接地时为了保证电路有输出负压的能力，平波电抗器中的电感用于滤除电流中所含的高次谐波分量。

进一步，所述采样电路单元包括输入电压检测电路、输出电压检测电路、霍尔电流传感器、模数转换电路；所述输入电压检测电路连接变压器的输出端与控制单元，用于检测换相点，并将输出信号传递给控制单元；所述输出电压检测电路与所述霍尔电流传感器均连接在平波电抗器与超导磁体之间并连接模数转换电路，分别用于检测超导磁体端的电压与电流，并将检测到模拟的电压或电流信号传递给模数转换电路；所述模数转换电路连接控制单元，用于将模拟的电压或电流信号转换为数字信号，传递给控制单元。

进一步，所述控制单元包括处理器模块、数模转换器、触发角控制电路、通讯接口；所述处理器模块通过数模转换器连接触发角控制电路，并通过通讯接口连接人机界面单元，用于接收来自采样电路单元检测到的电压与电流值并与从人机界面单元接收到的给定的电压、电流参考值进行比较，并计算触发角，将触发角信号传递给所述数模转换器；所述数模转换器，用于将来自处理器模块的触发角信号转换为模拟信号，传递给触发角控制电路；所述触发角控制电路，用于从数模转换器接收经过转换后的触发角信号，从输入电压检测电路接收换相点信号，从处理器模块接收同步信号，并通过运算生成六个晶闸管的驱动脉冲来控制三相全桥相控整流拓扑。

进一步，所述人机界面单元包括显示器、按键、微处理器；所述显示器、按键均与微处理器连接；所述按键，用于将外界输入转换为按键信号传递给微处理器，用户可通过按键录入超导磁体线圈的相关参数的参考值；所述微处理器，用于对按键信号进行解析处理，同时提交给显示器进行直观化显示，并实现将用户录入的超导磁体的线圈相关参数的参考值传递给控制单元。

本发明的有益效果是：基于三相全桥相控整流拓扑结构实现的超导磁体升降场控制系统，由于采用了同一模块进行升场和降场控制，与传统技术中采用单独的两个模块来实现升降场控制相比在很大程度上减小了整个系统的体积，降低成本，提高系统的集成化，并且实现了对升降场速率的精确实时控制，此外，还可以将超导磁体的相关参数的参考值提前录入系统从而进一步实现升降场的全自动化控制，提高控制效率，节约人力资源。

附图说明

图1为本发明中的超导磁体升降场控制系统结构框图；

图2为本发明实施例中的超导磁体升降场控制系统结构示意图；

图中，1为变压器、2为三相全桥相控整流拓扑、3为滤波电路、4为霍尔电流传感器、5为超导磁体、6为模数转换电路、7为人机界面单元、8为通讯接口、9为处理器模块、10为触发角控制电路、11为输入电压检测电路。

具体实施方式

为解决传统技术中的超导磁体升降场控制采用两个独立的功能模块完成，造成成本高、占用空间大、集成化程度低的问题，本发明提出一种新型的超导磁体升降场控制系统，参见图1，该系统包括开关主回路单元、采样电路单元、控制单元及人机界面单元；所述开关主回路单元连接超导磁体及控制单元；所述采样电路单元连接超导磁体及控制单元；所述人机界面单元连接控制单元；

对于升场过程，开关主回路单元将三相交流输入的能量进行转换并输出给超导磁体，是提供能量的电源，采样电路单元用于检测超导磁体线圈的相关参数并反馈给控制单元，控制单元同时接收来自于人机界面单元的给定信号与采样电路单元的反馈信号并进行比较，根据其差值对开关主回路单元进行控制，从而实现对超导磁体升场速率的控制。

对于降场过程，开关主回路单元将超导磁体内的能量返回给电网，可视作工作在第二象限的电源，采样电路单元依然用于检测超导磁体线圈的相关参数并反馈给控制单元，控制单元同时接收来自于人机界面单元的给定信号与采样电路单元的反馈信号并进行比较，根据其差值对开关主回路单元进行控制，从而实现对超导磁体降场速率的控制。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述：

图2示意了本例中的超导磁体升降场控制系统的结构，其由开关主回路单元、采样电路单元、控制单元及人机界面单元四大部分组成，下面对各个部分的具体组成结构及功能协调进行介绍：

一、开关主回路单元：

开关主回路单元包括变压器1、三相全桥相控整流拓扑2、滤波电路3；其中变压器1的输入端接电网，在将三相交流输入降压后提供给三相全桥相控整流拓扑2，三相全桥相控整流拓扑2由六个晶闸管组成，六个晶闸管分为三组，以60度为周期交替导通，通过调节导通角可以控制输出电压的有效值；三相全桥相控整流拓扑2的输出与滤波电路3相连，其中，滤波电路3包括平波电抗器及电容组，所述平波电抗器由两个串联且中间节点连接电容组的电感组成，所述电容组由两个反向串联且中间节点接地的电解电容组成；电容组是用于将三相全桥相控整流拓扑输出的300HZ纹波过滤为平滑的直流电压，其中间节点接地时为了保证电路有输出负压的能力，平波电抗器中的电感用于滤除电流中所含的高次谐波分量。

对于升场过程，晶闸管的导通角的调节范围为0O-90O，给超导磁体充电，其电流电压均可以通过调节触发角来控制，对于降场过程，晶闸管的导通角调节范围为90°-180°，由于超导磁体本身可视为大容量电感，有续流能力，因此在每个导通周期内电压波形连续，此拓扑有输出负电压的能力，可以以有源逆变的形式工作在第二象限，向电网回馈能量，此时磁体向电源放电，通过调节晶闸管的导通角可以控制磁体降场的速率。

二、采样电路单元：

采样电路单元包括输入电压检测电路11、输出电压检测电路（图中未画出）、霍尔电流传感器4、模数转换电路6；输入电压检测电路11位于变压器1的输出端，其作用是检测换相点，其输出信号直接传递给控制单元；输出电压检测电路与霍尔电流传感器4都位于平波电抗器的输出端，用于检测超导磁体5的电压与电流，检测信号经过模数转换电路6变为数字信号传递给控制单元。

三、控制单元：

控制单元包括处理器模块9、数模转换器（图中未画出）、触发角控制电路10、通讯接口8；处理器模块9是整个系统的核心，它负责接收从采样电路单元传递回来的实际电流电压值，将其与从人机界面单元接收到的电流电压参考值进行对比，再结合系统其它的控制条件来计算触发角，随后将触发角的数字信号通过数模转换器转换为模拟信号提供给触发角控制电路10；触发角控制电路10分别从数模转换器接收触发角信号，从输入电压检测电路11接收换相点触发信号，从处理器模块9接收同步信号，通过运算生成六个晶闸管的驱动脉冲，通过驱动电路扩容最终连接到晶闸管的门级控制晶闸管的导通，从而对三相全桥相控整流拓扑进行控制。

四、人机界面单元：

人机界面单元7包括显示器，按键与微处理器，按键直接连接到微处理器的输入输出接口，液晶显示器由微处理器的输入输出口来驱动，而显示信息与按键的状态通过串口通讯传递给控制单元，用户可以利用按键录入超导磁体5的电流电压的参考值（给定值），由微处理器对按键信号进行解析处理，并将该参考值传递给控制单元，显示器用于对用户录入的信息进行直观化显示。

需要说明的是，本申请所要求保护的方案包含但不仅限于上述实施例，本领域技术人员根据上述实施例的描述所作出的不脱离本发明精神实质下的改进/替换，皆在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.超导磁体升降场控制系统，其特征在于，包括开关主回路单元、采样电路单元、控制单元及人机界面单元；所述开关主回路单元连接超导磁体及控制单元；所述采样电路单元连接超导磁体及控制单元；所述人机界面单元连接控制单元；

所述开关主回路单元，用于在升场过程中接受控制单元的控制将电网输入的能量进行转换并输出给超导磁体或在降场过程中接受控制单元的控制对超导磁体进行泄能并将能量反馈给电网；

所述采样电路单元，用于在升场过程中或在降场过程中检测超导磁体的线圈的当前相关参数并反馈给控制单元；

所述人机界面单元，用于在升场过程中或在降场过程中向控制单元提供超导磁体的线圈相关参数的参考值，并进行直观化显示；

所述控制单元，用于在升场过程中或在降场过程中接收采样电路单元反馈的超导磁体的线圈的当前相关参数并与来自人机界面单元给定的参考值进行比较，根据比较的差值大小对所述开关主回路单元进行控制，从而控制超导磁体的升场速率或降场速率；

所述开关主回路单元包括变压器、三相全桥相控整流拓扑、滤波电路；所述变压器的输入端接电网，其输出端连接所述三相全桥相控整流拓扑的输入端；所述三相全桥相控整流拓扑的输出端连接滤波电路；该所述三相全桥相控整流拓扑由六个晶闸管组成，每两个晶闸管为一组，以60度导通角为周期交替导通，通过调节导通角可控制输出电压的有效值；

所述采样电路单元包括输入电压检测电路、输出电压检测电路、霍尔电流传感器、模数转换电路；所述输入电压检测电路连接变压器的输出端与控制单元，用于检测换相点，并将输出信号传递给控制单元；所述输出电压检测电路与所述霍尔电流传感器均连接在平波电抗器与超导磁体之间并连接模数转换电路，分别用于检测超导磁体端的电压与电流，并将检测到模拟的电压或电流信号传递给模数转换电路；所述模数转换电路连接控制单元，用于将模拟的电压或电流信号转换为数字信号，传递给控制单元；

所述控制单元包括处理器模块、数模转换器、触发角控制电路、通讯接口；所述处理器模块通过数模转换器连接触发角控制电路，并通过通讯接口连接人机界面单元，用于接收来自采样电路单元检测到的电压与电流值并与从人机界面单元接收到的给定的电压、电流参考值进行比较，并计算触发角，将触发角信号传递给所述数模转换器；所述数模转换器，用于将来自处理器模块的触发角信号转换为模拟信号，传递给触发角控制电路；所述触发角控制电路，用于从数模转换器接收经过转换后的触发角信号，从输入电压检测电路接收换相点信号，从处理器模块接收同步信号，并通过运算生成六个晶闸管的驱动脉冲来控制三相全桥相控整流拓扑。

2.如权利要求1所述的超导磁体升降场控制系统，其特征在于，所述滤波电路包括平波电抗器及电容组，所述平波电抗器由两个串联且中间节点连接电容组的电感组成，所述电容组由两个反向串联且中间节点接地的电解电容组成。

3.如权利要求1所述的超导磁体升降场控制系统，其特征在于，所述人机界面单元包括显示器、按键、微处理器；所述显示器、按键均与微处理器连接；所述按键，用于将外界输入转换为按键信号传递给微处理器，用户可通过按键录入超导磁体线圈的相关参数的参考值；所述微处理器，用于对按键信号进行解析处理，同时提交给显示器进行直观化显示，并实现将用户录入的超导磁体的线圈相关参数的参考值传递给控制单元。