CN108802499B - 一种测量超导磁体交流损耗的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量超导磁体交流工况下的交流损耗的测量装置及方法，该装置主要包括数据采集模块和处理及显示模块。数据采集模块的核心组件是数据采集卡，用其来采集待检超导磁体工作时的电压电流信号；通过LabVIEW软件实现数据采集卡与处理及显示模块的软硬件联机控制，将采集到的电压电流信号传送到处理及显示模块中；在处理及显示模块中利用能量计算公式，即电压电流积分公式处理接收到的数据，利用计算得到的超导磁体总的能量变化减去待检超导磁体等效电感的能量变化，即可以得到待检超导磁体的交流损耗测量结果。通过本发明解决了现有的交流损耗测量方法速度慢、操作复杂、只能测量小线圈等问题。

Description

一种测量超导磁体交流损耗的装置及方法

技术领域

本发明属于超导电力技术领域，更具体地，涉及一种用于在任意电流波形工作条件下，高温超导磁体交流损耗的测量装置及方法。

背景技术

超导电力技术在实现电力装置的轻量化、小型化、低能耗和提高电力系统的安全性、稳定性和电能质量等方面具有重要意义和广阔应用前景，其广泛应用将带来传统电力工业的重大革新。

传输直流电流的超导体，没有焦耳热损耗。当超导体处于随时间变化的磁场中，或传输随时间变化的电流时，超导体会产生损耗，这种损耗称为超导体的交流损耗。交流损耗是高温超导电力应用中不可避免的问题：工作在交流情况下的超导磁体，会产生交流损耗；工作在准静态下的超导磁体，如超导储能磁体，在快速充放电过程中，会产生交流损耗；即便对于稳态磁体，如强磁场磁体，在升流和降流过程中，也会产生交流损耗。

交流损耗会加重制冷系统的负担，若热损耗不能及时被冷却系统带走，就会导致磁体温度升高，温升会引起临界电流的降低，进而增大交流损耗，最终使磁体局部温度迅速上升，从而在超导导体中诱发生成正常态(即常导态)。如果正常态产生的热量不能被有效冷却和分散吸收，正常态的温度不断升高，沿导线传导的热量将使得相邻的超导态生成新的正常态，即导线将不能稳定在超导态。当超导磁体在热扰动条件下其运行参数超过临界参数，将导致超导体失去超导特性，即超导磁体失超。图1显示了超导装置中热扰动带来的稳定性问题。

现有的交流损耗测量方法包括电测法、磁测法和热测法；其中，电测法具有灵敏度高、测量范围广、设备相对简单的优势，因此被广泛应用。传输交流电流时，超导磁体的电压可分解为与电流相位相差90°的感性电压和与电流同相的阻性电压；超导磁体电感较大，其感性电压远远大于阻性电压，在使用锁相放大器测量超导磁体时，由于锁相放大器的最大输入为1V，为了精确测量阻性电压分量以及满足锁相放大器对电压的输入限制条件，必须采取措施补偿磁体的感性电压。用此种方法测量超导磁体的交流损耗有以下几点局限：(1)超导磁体往往都有较大的电感值，因此其感性电压分量往往很大，在实际测量过程中很难能将其补偿掉，因此只能测量一些小电感值的线圈；(2)由于补偿过程中的信号都是正弦信号，所以这种测量方法只能用于测量超导磁体工作于正弦电流工况下的交流损耗；(3)使用锁相放大器测量阻性分量时，需要将参考信号和超导磁体电压信号在锁相放大器的输入通道进行来回切换，操作过程十分繁琐；(4)补偿电路都是直接或间接的接入了主电路中，难免会给系统增添负担或带来别的麻烦。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种测量超导磁体交流损耗的装置及方法，由此解决电测法测量超导磁体交流损耗存在局限性的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种测量超导磁体交流损耗的装置，包括：电源模块、分流器R、第一分压电阻R₁、第二分压电阻R₂、数据采集模块和处理及显示模块；

所述电源模块，用于为所述装置提供电源；

所述分流器R，用于与待检超导磁体串联后并联在所述电源模块的两端，以测量线路中的电流；

所述第一分压电阻R₁与所述第二分压电阻R₂串联后用于并联在所述待检超导磁体的两端，以在所述待检超导磁体两端的总电压超过所述数据采集模块的最大量程电压时，对所述待检超导磁体的总电压进行分压处理；

所述数据采集模块的第一端与所述分流器R的第一端连接；所述数据采集模块的第二端与所述分流器R的第二端连接；所述数据采集模块的第三端与所述第二分压电阻R₂的第一端连接；所述数据采集模块的第四端与所述第二分压电阻R₂的第二端连接，其使用差分输入的形式，分别采集所述分流器R两端的电压值和所述待检超导磁体的磁体电压值，以得到所述待检超导磁体的电压信号和电流信号；

所述处理及显示模块与所述数据采集模块连接，用于根据所述数据采集模块传输的所述待检超导磁体的电压信号和电流信号得到所述待检超导磁体的总能量变化，进而由所述总能量变化减去所述待检超导磁体的等效电感的能量变化，得到所述待检超导磁体的交流损耗，并显示测量结果。

优选地，所述电源模块包括：信号发生器、功率放大器及保护电阻R₃；

所述信号发生器与所述功率放大器连接，用于控制所述功率放大器的输出，以使所述功率放大器为所述装置提供电源；

所述保护电阻R₃并联在所述功率放大器的两端，用于保护所述功率放大器。

优选地，所述处理及显示模块包括人机交互界面；

所述人机交互界面包括通道创建、采样率设置、时间间隔输入以及分流器系数设置。

优选地，在所述待检超导磁体两端的总电压超过所述数据采集模块的最大量程电压时，所述待检超导磁体的磁体电压值为所述待检超导磁体两端的总电压值在所述第二分压电阻R₂两端的分压值，在所述待检超导磁体两端的总电压没有超过所述数据采集模块的最大量程电压时，所述待检超导磁体的磁体电压值为所述待检超导磁体两端的总电压值。

按照本发明的另一方面，提供了一种测量超导磁体交流损耗的方法，包括：

设置数据采集时的参数，其中，所述参数包括：采样率设置、辟内存空间大小、选用数据采集卡通道、时间间隔设置、文件名称输入、输入信号最大值和最小值设置以及分流器系数输入；

分别采集将所述分流器两端的电压值和待检超导磁体的磁体电压值，以得到待检超导磁体的电压信号和电流信号；

根据所述待检超导磁体的电压信号和电流信号得到所述待检超导磁体的总能量变化，进而由所述总能量变化减去所述待检超导磁体的等效电感的能量变化，得到所述待检超导磁体的交流损耗，并显示测量结果。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明只需要测量超导磁体的电压和电流就可以计算得到超导磁体的交流损耗，没有使用锁相放大器时对于电压必须小于1V的条件限制，不需要对超导磁体的电压进行补偿，操作过程十分简单。

2、本发明对于超导磁体的电压没有必须小于1V的限制，因此只要超导磁体总电压的最大值小于数据采集卡的最大输入量程即可，如此本发明就可以测量拥有比较大电感值的超导磁体的交流损耗，具有很大的实际工程应用价值，而传统的测量方法只能测量小磁体的交流损耗，只能用作实验室研究。

3、传统的测量方法由于超导磁体电压太高都需要补偿装置，因此只能测量正弦电流工况下的交流损耗，但实际使用超导电力装置时，装置往往都不是工作在标准正弦电流工况下的，本发明规避了传统方法只能测量超导磁体工作于正弦电流下的交流损耗，而是能在任意波形的电流甚至非周期电流的工况下进行测量。

综上，从操作、速度、应用场景等各方面来讲，本发明所提供的用于测量超导磁体交流损耗的新方法都超过了传统的测量方法。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于积分法原理测量超导磁体交流损耗的测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种NI数据采集卡与上位机联机原理示意图；

图3是本发明实施例提供的一种上位机操作软件实现方法流程示意图；

图4是本发明实施例提供的一种装置和锁相放大器分别测量超导磁体工作产生的交流损耗的结果对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种用于检测超导磁体工作于任意波形下交流损耗的装置，其能够直接快速地测出超导磁体的交流损耗，并且避开了利用锁相放大器测量时繁琐的操作流程。利用本发明的检测装置测量超导磁体的交流损耗，当超导磁体由于交流损耗过热时，本发明装置可以及时测量出过高的交流损耗并进行报警，为超导磁体的可靠工作提供了基础保障。

图1所示，是实施例提供的基于积分法原理测量超导磁体交流损耗的测量装置的原理示意图；本实施例中，待测量超导磁体由图1中的L表示；实施例提供的这种超导磁体交流损耗测量装置包括信号发生器、功率放大器、数据采集模块、分流器R、分压电阻R₁和R₂、保护电阻R₃；其中，信号发生器用于控制功率放大器的输出，功率放大器给整个电路提供电源；保护电阻R₃并联在功率放大器的两端用于保护电源；分流器R与待检超导磁体L串联后并联在保护电阻的两端，用于测量线路中的电流；当待检超导磁体L上的总电压超过数据采集卡的最大量程电压时，需要对待检超导磁体L上的总电压进行分压处理以便采集，R₁和R₂为分压电阻，经过分压操作后，实际采集到的电压值U₁用以下公式计算：

其中，U_L为待检超导磁体L的总电压，在处理及显示模块中按积分公式求得待检超导磁体的交流损耗之后只需要乘上相应的比例(R₁+R₂)/R₂就可以得到实际的损耗值；需要注意的是，若待检超导磁体的电压U_L在测量范围内，R₁和R₂将不将投入电路使用。

数据采集模块使用差分输入的形式，分别将分流器R两端的电压值和磁体电压值(或经过分压之后的电压)接入数据采集卡(可以采用PXIE4305)的两个通道中，就可以分别得到待检超导磁体L的电压和电流信号；然后需要将采集到的数据送入处理及显示模块进行处理，优选地，本发明实施例中选用的控制软件可以为LabVIEW，图2所示为NI数据采集卡与处理及显示模块的联机原理示意图，只需要在LabVIEW程序中调用图2中的NI-DAQmx软件驱动就可以实现处理及显示模块与数据采集模块的联机，实现数据通信。

其中，在处理及显示模块使用LabVIEW的编程方法流程图如图3所示，流程图中的创建设备和初始化操作等基本程序可以直接调用；利用LabVIEW编写的人机界面中可以包括：“文件名称”、“采样率设置”、“通道选择”、“内存调整”、“最大值和最小值”、“时间间隔”、“分流器参数”及“损耗结果”显示单元。

其中，界面上“文件名称”用于输入用户想要保存的文件名，“采样率设置”用于控制数据采集卡的采样率，“通道选择”用于创建用户想要使用的采集设备的通道，“内存调整”用于在处理及显示模块中开辟一个临时存储数据的缓存空间，“最大值和最小值”用于选择数据采集卡所能输入的最大电压值，“时间间隔”用于输入上述积分时长T，即测量的是待检超导磁体在T时间段内的交流损耗，“分流器参数”用于输入使用的分流器电压电流间的转换系数，最终将计算所得的超导磁体的交流损耗结果显示在“损耗结果”中。

在本发明实施例中，处理及显示模块根据待检超导磁体的电压信号和电流信号得到待检超导磁体的总能量变化，进而由总能量变化减去待检超导磁体的等效电感的能量变化，得到待检超导磁体的交流损耗，可以通过以下方式实现：

使用电压电流积分公式用于在测量得到待检超导磁体电压及电流信号之后，进一步计算得到待检超导磁体的交流损耗。当待检超导磁体工作于交流工况下产生交流损耗时，将待检超导磁体等效于一个电感和一个极其小的电阻串联于线路中，由于电感只有电磁能量的交换，而没有转换成热能量的损失，所以此时待检超导磁体的有功功率的测量问题就变成了该小电阻的功率测量问题了。为了测量该小电阻的功率，假设待测超导磁体的总的有功能量为W，该小电阻的能量变化为W_R，等效电感上的能量变化为W_L，待检超导磁体的电压为u(t)，等效电路中电感的电压分量为u_L(t)，小电阻的阻性电压分量为u_R(t)，线路中的电流为i(t)，则可以得到以下公式：

其中，τ为积分起点时刻，T为总积分时长。特别的，当待检超导磁体的工作电流是周期电流时，将T设置为电流的周期长度，此时由于电感的特性，电感的能量变化为0即W_L＝0，此时将待检超导磁体的电压电流按照式(2)进行积分运算，就可以直接得到待检超导磁体的交流损耗结果，即此时待检超导磁体的能量变化就等于超导磁体等效小电阻的能量变化W＝W_R.。若待检超导磁体工作于非周期电流工况时，待检超导磁体的能量变化由两部分构成，一部分为等效电感中存储或释放的能量，另一部分则为待检超导磁体的交流损耗。通过式(2)可以很容易得到待检超导磁体在时间段T内总的能量变化，只需要求得电感在这段时间内的能量变化，即可以用总能量减去电感能量变化得到交流损耗，可以通过下述计算公式计算电感的能量变化以及超导磁体的交流损耗。

式中L为待检超导磁体的电感，I_a和I_b分别为待检超导磁体在时间段T内的首末电流值，为了减小由于电流信号中噪声带来的测量误差，在得到待检超导磁体的电流后需要对其进行软件滤波，之所以采用软件滤波而不用硬件滤波是为了防止硬件滤波带来的相位漂移。

本发明实施例中测量待检超导磁体交流损耗时，由于待检超导磁体电压中的感性分量较小，因此需要精度较高的数据采集模块。本发明实施例中优选了美国国家仪器公司生产的PXIE4305数据采集卡作为待检超导磁体的数据采集模块的核心部分，该采集卡拥有32个通道、24位分辨率、51.2KS/s采样率以及±42伏输入电压范围。此类数据采集卡只能测量电压信号，所以在测量待检超导磁体的电流时需要将其转换为电压信号，本发明实施例中使用分流器来实现此功能。将分流器和待检超导磁体同时串联接入主线路中，由于分流器的电压与其电流成正比，而其电流与待检超导磁体的电流相等。且因为分流器的电阻值非常小且是无感的，所以即使串入了分流器也不会给系统带来不良影响，其无感性也使测得的电流信号与线路的电流不会有相位漂移，因此通过分流器电压可以获得待检超导磁体的电流。

以下以具体实例对本发明进行详细说明。

本实施例中使用超导带材绕制成的超导磁体，实施例中将会用传统的锁相放大器与本发明提供的测量装置分别测量该超导磁体的交流损耗，并将其结果进行对比。为满足锁相放大器的输入电压需求，本实施例中使用的超导磁体匝数为25，77K下自场临界电流为95A，进行测量时超导磁体浸泡于液氮(77K)中，采用本发明提供的测量装置测量上述超导磁体的交流损耗方法具体如下：

(1)首先需要将数据采集模块运行需要的参数通过LabVIEW人机界面输入到处理及显示模块，本实施例中关键参数为：采样率设置为20000KS/s，开辟内存空间大小为20000个点，选用的是数据采集卡的0通道和1通道，时间间隔设置为通入超导磁体电流的周期，文件名称输入为“shiyan”，输入信号最大值和最小值设置为正负5V，分流器系数为206.2；

(2)通过信号发生器控制功率放大器进行输出，频率为50Hz，也即(1)中的时间间隔设置为20ms，功率放大器输出后按下程序的运行按钮，内部计算得到超导磁体的交流损耗测量结果就可在窗口上显示出来。

通过信号发生器控制功率放大器逐渐增大输出电流，并测量超导磁体在不同工作电流下的交流损耗，将传统测量方法和本发明测量装置的测量结果进行对比，对比图如图4所示。通过图4中的结果对比可以看出，超导磁体的交流损耗随着运行电流的增加而快速增大，且本发明提供的测量装置与传统锁相放大器法的测量结果的重合度非常高，说明了本发明提出的测量装置的有效性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测量超导磁体交流损耗的装置，其特征在于，包括：电源模块、分流器R、第一分压电阻R₁、第二分压电阻R₂、数据采集模块和处理及显示模块；

所述电源模块，用于为所述装置提供电源；

所述分流器R，用于与待检超导磁体串联后并联在所述电源模块的两端，以测量线路中的电流；

所述第一分压电阻R₁与所述第二分压电阻R₂串联后用于并联在所述待检超导磁体的两端，以在所述待检超导磁体两端的总电压超过所述数据采集模块的最大量程电压时，对所述待检超导磁体的总电压进行分压处理；

所述数据采集模块的第一端与所述分流器R的第一端连接；所述数据采集模块的第二端与所述分流器R的第二端连接；所述数据采集模块的第三端与所述第二分压电阻R₂的第一端连接；所述数据采集模块的第四端与所述第二分压电阻R₂的第二端连接，其使用差分输入的形式，分别采集所述分流器R两端的电压值和所述待检超导磁体的磁体电压值，以得到所述待检超导磁体的电压信号和电流信号；

所述处理及显示模块与所述数据采集模块连接，用于根据所述数据采集模块传输的所述待检超导磁体的电压信号和电流信号得到所述待检超导磁体的总能量变化，进而由所述总能量变化减去所述待检超导磁体的等效电感的能量变化，得到所述待检超导磁体的交流损耗，并显示测量结果。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源模块包括：信号发生器、功率放大器及保护电阻R₃；

所述信号发生器与所述功率放大器连接，用于控制所述功率放大器的输出，以使所述功率放大器为所述装置提供电源；

所述保护电阻R₃并联在所述功率放大器的两端，用于保护所述功率放大器。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述处理及显示模块包括人机交互界面；

所述人机交互界面包括通道创建、采样率设置、时间间隔输入以及分流器系数设置。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，在所述待检超导磁体两端的总电压超过所述数据采集模块的最大量程电压时，所述待检超导磁体的磁体电压值为所述待检超导磁体两端的总电压值在所述第二分压电阻R₂两端的分压值，在所述待检超导磁体两端的总电压没有超过所述数据采集模块的最大量程电压时，所述待检超导磁体的磁体电压值为所述待检超导磁体两端的总电压值。

5.一种测量超导磁体交流损耗的方法，应用于如权利要求1-4中任一一项所述的装置，其特征在于，包括：

设置数据采集时的参数，其中，所述参数包括：采样率设置、开辟内存空间大小、选用数据采集卡通道、时间间隔设置、文件名称输入、输入信号最大值和最小值设置以及分流器系数输入；

分别采集所述分流器两端的电压值和待检超导磁体的磁体电压值，以得到待检超导磁体的电压信号和电流信号；

根据所述待检超导磁体的电压信号和电流信号得到所述待检超导磁体的总能量变化，进而由所述总能量变化减去所述待检超导磁体的等效电感的能量变化，得到所述待检超导磁体的交流损耗，并显示测量结果。