CN105823934B - 一种超导电缆交流损耗补偿测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种超导电缆交流损耗补偿测量装置，所述装置包括屏蔽箱和补偿部件，补偿部件包括：上端板、下端板、固定支架、导轨、导轨固定背板、横向导杆、直线电机、直线电机连接件、初级线圈和次级线圈；补偿部件均放置在所述屏蔽箱内；初级线圈置于下端板的环氧底座上，通过两个接线端口与外电路连接；次级线圈通过横向导杆固定在直线电机连接件上；采用电机驱动机构控制直线电机连接件沿导轨上下运动，带动次级线圈在初级线圈的中心垂直上下移动。该装置通过在电路中串联能承载上千安培的初级线圈，并通过调节次级线圈与初级线圈的互感产生的反向感应电压去抵消超导电缆上的感性电压分量，从而测量超导电缆阻性电压分量，获得交流损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用超导技术领域的装置，具体涉及一种超导电缆交流损耗补偿测量装置。
背景技术
近些年来，随着高温超导材料制备技术的不断进步，一系列性能优异的超导材料被制造出来，为应用超导技术的发展奠定了基础。然而，当超导体传输交流电流或处于交变磁场中时，超导体内部会产生交流损耗，从而增加了制冷系统的功率消耗，在某些情况下更会抵消超导技术在节能降耗方面的优势，影响了超导材料的实际应用与发展。因此对于高温超导交流损耗的研究工作就变的至关重要了。而在交流损耗的实际测试研究中，如何设计实用高精度的测量系统，准确给出交流损耗值就成了一个很重要的课题。
现有技术中，超导电缆交流损耗测量方法通常包括电测法和热测法两种，比较常用的是电测法。其中，电测法的原理是通过测量传输电流及高温超导电缆两电压引线接点与传输电流同相位的基频电压分量来计算传输交流损耗。
传统的电测量装置一般通过锁相放大器得到超导电缆上的电压和电流的相位差，然后算出超导电缆的交流损耗。此装置结构简单，易实现，但由于在大电流工作情况下，锁相放大器参考信号的稳定性较差，从而不易得到一个准确的相位差，造成测量结果的精确度下降。
因此，需要提供一种能够在大电流工作状态下，测量超导电缆阻性电压分量及交流损耗的装置。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种新型的超导电缆交流损耗补偿测量装置。
实现上述目的所采用的解决方案为：
一种超导电缆交流损耗补偿测量装置，所述装置包括屏蔽箱和补偿部件，所述补偿部件包括：上端板、下端板、环氧底座、固定支架、导轨、导轨固定背板、横向导杆、直线电机、直线电机连接件、初级线圈和次级线圈；所述补偿部件均放置在所述屏蔽箱内；
所述上端板和所述下端板通过四根所述固定支架固定；一侧相邻的两根所述固定支架间放置有垂直于所述上端板和所述下端板的所述导轨固定背板；所述导轨固定背板上放置安装有所述直线电机连接件的所述导轨，所述导轨垂直穿过所述上端板，且与所述导轨固定背板平行；所述直线电机安装于所述导轨顶部，所述直线电机连接件垂直连接所述横向导杆；
所述初级线圈置于所述下端板的环氧底座上，通过两个接线端口与外电路的超导电缆连接；所述次级线圈通过所述横向导杆固定在所述直线电机连接件上，位于所述初级线圈的中心。
优选地，所述补偿部件安装于具有良好磁导率的双层屏蔽箱内，使环境磁场能够在屏蔽箱中闭合，隔绝环境磁场对测量信号的干扰。
优选地，所述上端板和下端板采用绝缘材料构造。
优选地，所述初级线圈为一个采用紫铜材料的非闭合圆环；
所述初级线圈通过上千安培的电流，产生对称的轴向磁场。
优选地，所述次级线圈为一个采用紫铜导线密绕的线圈，其匝数根据需要进行调节。
优选地，所述初级线圈的两个所述接线端口通过连接两个铜柱引出到所述屏蔽箱外，所述铜柱的另一端连接所述超导电缆。
优选地，所述铜柱选用紫铜材质。
优选地，所述直线电机控制所述直线电机连接件在所述导轨上垂直上下运行，所述直线电机连接件控制所述横向导杆带动所述次级线圈垂直上下运动，实现所述次级线圈的定位；通过改变所述次级线圈与所述初级线圈的轴向相对位置，从而改变互感和调节感应电压。
优选地，通过LABVIEW软件控制所述直线电机来自动调节次级线圈的位置，使所述次级线圈在所述初级线圈中心垂直上下运动，并采集运动过程中所述次级线圈的端电压信息和电流信息，根据所述电压信息和电流信息判定所述次级线圈的位置，产生所需的补偿电压。
与现有的锁相法测量技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明提供的新型测量装置利用电压补偿原理，通过在电路中串联一个能够承载上千安培的初级线圈，然后利用次级线圈与初级线圈的互感作用产生的反向感应电压去抵消超导电缆上的感性电压分量，从而达到测量超导电缆阻性电压分量，获得交流损耗的目的。
2、本发明提供的初级线圈能通过几百至几千安培的电流，特别适用于超导电缆交流损耗的电测量，并且在测量过程中不影响超导电缆的正常工作。
3、本发明的次级线圈采用电机驱动控制位置的方式来精确定位，能够精确、有效地调整次级线圈补偿电压的大小，而且基于NI公司的运动控制卡和数据采集卡，将运动控制和数据处理通过LABVIEW软件集成在一起，达到自动调节次级线圈位置实现感性电压补偿的目的，大大提高了测量效率和精度。
4、本发明提供的测量装置采用屏蔽箱设计，可进一步提高测量精度和实验系统的可靠性。
附图说明
图1为本实施例中超导电缆交流损耗补偿测量装置的结构图；
图2为本实施例中屏蔽箱及初级线圈接线端子结构图；
附图标记：1-直线电机；2-导轨；3-次级线圈；4-初级线圈；5-接线端口；6-环氧底座；7-端板；8-直线电机连接件；9-横向导杆；10-支架；11-导轨固定背板；12-屏蔽箱；13-环氧树脂(绝缘垫)；14-铜板；15-接线端；16-铜柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
图1为本实施例中超导电缆交流损耗补偿测量装置的结构图。
本实施例中，超导电缆交流损耗补偿测量装置包括屏蔽箱和补偿部件，所述补偿部件包括：端板、固定支架、导轨、导轨固定背板、横向导杆、直线电机、直线电机连接件、初级线圈和次级线圈，所述端板包括上端板和下端板；所述部件均放置在所述屏蔽箱内；所述上端板和下端板采用绝缘材料构造。
所述上端板和所述下端板通过四根所述固定支架固定；一侧相邻的两根所述固定支架间放置有垂直于所述上端板和所述下端板的所述导轨固定背板；所述导轨固定背板上放置安装有所述直线电机连接件的所述导轨，所述导轨垂直穿过所述上端板，且与所述导轨固定背板平行；所述直线电机安装于所述导轨顶部，所述直线电机连接件垂直连接所述横向导杆；
所述下端板上设置有环氧底座，所述初级线圈置于所述环氧底座上，通过两个接线端口与外电路连接；所述次级线圈通过所述横向导杆固定在所述直线电机连接件上，位于所述初级线圈的中心。
所述直线电机控制所述直线电机连接件在所述导轨上垂直上下运行，所述直线电机连接件通过横向导杆带动所述次级线圈垂直上下运动，实现对所述次级线圈的精确定位，通过改变所述初级线圈和所述次级线圈之间的轴向相对位置来改变互感和调节感应电压。
测试过程中，通过LABVIEW软件控制所述直线电机来自动调节次级线圈的位置，使所述次级线圈垂直上下运动，在运动过程中，LABVIEW软件采集所述次级线圈产生的电压信息和产生的电流信息，根据所述电压信息、电流信息实时判断电压信息和电流信息是否满足系统要求，直至满足要求，确定此时次级线圈的运动位置信息，从而使该次级线圈产生所需的补偿电压。
对于初级线圈，由于其连接在超导电缆主回路中，需通过几百至几千安培的电流，其横截面需足够大，常规的缠绕线圈不能胜任。但也因为其通过大电流，并以高频率变化，因此无需很多匝即可产生较大的磁通变化，所以，仅需合理设计次级线圈的匝数即可得到满足要求的补偿电压。
本实施例中，初级线圈设计为一匝，为保障磁场的轴对称性，初级线圈做成一个圆形的结构，同时将圆环设计有一条切口缝，切口宽度为3mm。该线圈采用紫铜材质。为使圆环中的电流尽可能分布均匀，接头采用上下端布置方案，圆环即可看做一个大的单匝线圈。为了保证良好的绝缘性，下端板底座采用绝缘材料制成，并用一个圆形的绝缘固定板将初级线圈固定在下端板上。对于次级线圈，由于需要补偿的超导电缆上的感性电压值是未知的，因此实验过程中需要通过调节次级线圈上的感应(补偿)电压来达到补偿的目的。
本实施例中，次级线圈为一个采用紫铜导线密绕的线圈，通过选择合理的次级线圈匝数，从而提供一个足够补偿超导电缆感性电压的互感电压量程。
次级线圈通过横向导杆固定在直线电机连接件上，采用电机驱动机构控制直线电机连接件沿导轨上下运动，带动次级线圈上下移动，通过从而改变初级线圈、次级线圈之间的轴向相对位置来达到改变互感，从而调节感应电压的目的。采用该方法可调电压整裕度大，操作方便，精度高。
由于超导电缆的电感值很小，一般在几微亨左右，因此其在工频下的感性电压也很小，通常在毫伏级，这也正是次级线圈需要提供的补偿电压大小。对于这种微小的电压信号，必须采取一定的抗电磁干扰措施。在次级线圈引线出头处即开始采用8字形绕线方式接入测量系统，同时引线接头处采用焊锡焊接，保证线路的优良导电性，从而最大限度地减少干扰磁场和接触电阻对次级线圈补偿电压的影响。同时，各个补偿部件需装于具有良好磁导率的双层屏蔽箱内，使环境磁场能够在屏蔽箱中闭合，隔绝环境磁场对测量信号的干扰。
图2为本实施例中屏蔽箱及初级线圈接线端子结构图。
本实施例中，初级线圈的两个接线端口通过连接两个铜柱引出到所述屏蔽箱外，所述铜柱的另一端连接所述超导电缆。由于铜柱在通过屏蔽箱时不能与箱体相接触，屏蔽箱上开孔尺寸必须略大于铜柱的直径。为了使铜柱固定，将其焊接在一块铜板上，铜板固定在一个绝缘板上，最后再把绝缘板固定在屏蔽箱上，从而满足铜柱的结构强度与箱体的绝缘要求。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超导电缆交流损耗补偿测量装置，其特征在于：所述装置包括屏蔽箱和补偿部件，所述补偿部件包括：上端板、下端板、环氧底座、固定支架、导轨、导轨固定背板、横向导杆、直线电机、直线电机连接件、初级线圈和次级线圈；所述补偿部件均放置在所述屏蔽箱内；
所述上端板和所述下端板通过四根所述固定支架固定；一侧相邻的两根所述固定支架间放置有垂直于所述上端板和所述下端板的所述导轨固定背板；所述导轨固定背板上放置安装有所述直线电机连接件的所述导轨，所述导轨垂直穿过所述上端板，且与所述导轨固定背板平行；所述直线电机安装于所述导轨顶部，所述直线电机连接件垂直连接所述横向导杆；
所述初级线圈置于所述下端板的环氧底座上，通过两个接线端口与外电路的超导电缆连接；所述次级线圈通过所述横向导杆固定在所述直线电机连接件上，位于所述初级线圈的中心；
所述直线电机控制所述直线电机连接件在所述导轨上垂直上下运行，所述直线电机连接件控制所述横向导杆带动所述次级线圈垂直上下运动，实现所述次级线圈的定位；
通过改变所述次级线圈与所述初级线圈的轴向相对位置，从而改变互感和调节感应电压。
2.如权利要求1所述的一种超导电缆交流损耗补偿测量装置，其特征在于：所述补偿部件安装于具有良好磁导率的双层屏蔽箱内，使环境磁场能够在屏蔽箱中闭合，隔绝环境磁场对测量信号的干扰。
3.如权利要求1所述的一种超导电缆交流损耗补偿测量装置，其特征在于：所述上端板和下端板采用绝缘材料构造。
4.如权利要求1所述的一种超导电缆交流损耗补偿测量装置，其特征在于：所述初级线圈为一个采用紫铜材料的非闭合圆环；
所述初级线圈通过上千安培的电流，产生对称的轴向磁场。
5.如权利要求1所述的一种超导电缆交流损耗补偿测量装置，其特征在于：所述次级线圈为一个采用紫铜导线密绕的线圈，其匝数根据需要进行调节。
6.如权利要求1所述的一种超导电缆交流损耗补偿测量装置，其特征在于：所述初级线圈的两个所述接线端口通过连接两个铜柱引出到所述屏蔽箱外，所述铜柱的另一端连接所述超导电缆。
7.如权利要求6所述的一种超导电缆交流损耗补偿测量装置，其特征在于：所述铜柱选用紫铜材质。
8.如权利要求1所述的一种超导电缆交流损耗补偿测量装置，其特征在于：通过LABVIEW软件控制所述直线电机来自动调节次级线圈的位置，使所述次级线圈在所述初级线圈中心垂直上下运动，并采集运动过程中所述次级线圈的端电压信息和电流信息，根据所述电压信息和电流信息判定所述次级线圈的位置，产生所需的补偿电压。
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