CN113595432B - 一种产生平顶脉冲磁场的电路及方法 - Google Patents

一种产生平顶脉冲磁场的电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种产生平顶脉冲磁场的电路及方法，属于强磁场技术领域。该电路包括主回路与磁控回路。主回路包括依次串联的第一电容器、第一开关、双绕组磁控电抗器以及脉冲磁体。主回路中的双绕组磁控电抗器包括串联的第一绕组与第二绕组，其中第一绕组与第二绕组绕制匝数相同，绕制方向相反。磁控回路包括依次串联的第二电容器、第二开关以及电抗器，并连接在磁控电抗器第二绕组的两端。主回路还包括并联在第一电容器两端的续流回路。续流回路包括连接在第一电容器两端的电阻与单向导通元件。本发明通过调控双绕组磁控电抗器的电感以产生平顶脉冲磁场，具有电路结构简单、控制可靠、造价低、产生的平顶脉冲磁场场强高、稳定度好等特点。

Description

一种产生平顶脉冲磁场的电路及方法
技术领域
本发明属于强磁场技术领域，更具体地，涉及一种产生平顶脉冲磁场的电路及方法。
背景技术
强磁场已成为现代科学研究中越来越重要的实验条件之一。而在比热测量、核磁共振以及大功率太赫兹源等科学实验中，不仅需要脉冲磁场的场强达到实验的要求，还需要脉冲磁场的位型以及稳定度满足一定的条件。因此，平顶脉冲强磁场的概念被提出并逐步得到广泛应用。
平顶脉冲磁场可通过多种方法实现，其中较为常见的是利用脉冲形成网络(PFN)来获得平顶脉冲磁场。在有限级数的PFN中，每级电容器通过电感向脉冲磁体放电，由于每个放电回路通过的总电感值不同，造成每级网络的放电时间不一致，最后这些放电波形叠加而形成平顶脉冲电流。该平顶脉冲电流流经电路中的脉冲磁体后形成平顶脉冲磁场。但该方法存在显著的缺点，即脉冲磁场的平顶部分并不平滑，磁场稳定度较低。
为了获得更加平滑的平顶脉冲磁场，美国国家强磁场实验室(NHMFL)利用1430MVA/650MJ的脉冲发电机产生了多种不同形状的平顶脉冲磁场，并在60T/100ms的平顶脉冲磁场下进行了比热测量实验，获得了极好的实验效果。但脉冲发电机附带的整流系统会给平顶脉冲磁场带来纹波干扰，并且该纹波无法通过滤波器完全消除。这些纹波会使得一些科学实验的微弱信号受到干扰进而使科学实验的结果受到一定影响。为了进一步提高平顶脉冲磁场的稳定度，武汉国家脉冲强磁场科学中心开发了一种蓄电池型脉冲电源。利用可控的旁路系统，该脉冲电源实现了25T/400ms的平顶脉冲磁场，其稳定度达100ppm。但由于蓄电池的功率密度较低，该电源可产生的磁场场强一般较低。为同时产生高场强、无纹波的平顶脉冲磁场，专利CN103715938A提出了利用空心变压器原副边绕组耦合两个放电回路以产生平顶脉冲磁场的方案。该方案可产生52T/10ms无纹波的平顶脉冲磁场，但该平顶脉冲磁场的稳定度较低，为0.5％左右。
总体来看，现已有的平顶脉冲磁场产生方案尚存在一些不足，无法同时产生高场强、高稳定度的平顶脉冲磁场。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种产生平顶脉冲磁场的电路及方法，其目的在于以更低的成本产生更高场强、更高稳定度的平顶脉冲磁场，以解决现有平顶脉冲磁场产生方案中存在的无法同时产生高场强、高稳定度平顶脉冲磁场的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种产生平顶脉冲磁场的电路，其中产生平顶脉冲磁场的电路包括主回路与磁控回路。
更进一步地，所述主回路包括依次串联的第一电容器、第一开关、双绕组磁控电抗器以及脉冲磁体。
更进一步地，所述主回路中的双绕组磁控电抗器包括串联的第一绕组与第二绕组，其中第一绕组与第二绕组的绕制匝数相同，绕制方向相反。
更进一步地，所述磁控回路包括依次串联的第二电容器、第二开关以及电抗器。
更进一步地，所述磁控回路并联在所述磁控电抗器第二绕组的两端。
更进一步地，所述主回路还包括并联在第一电容器两端的续流回路。
更进一步地，所述续流回路包括连接在第一电容器两端的电阻与单向导通元件。
更进一步地，所述单向导通元件为二极管，所述二极管的阳极连接至所述第一电容器与所述脉冲磁体的连接端，所述二极管的阴极通过所述电阻连接至所述第一开关与所述双绕组磁控电抗器的连接端。
更进一步地，所述主回路中第一电流i1的脉宽大于所述磁控回路中第二电流i2的脉宽。
优选地，所述双绕组磁控电抗器具有铁芯。
优选地，所述电抗器用于调节脉冲磁场的平顶时间。
本发明另一方面提供了一种基于上述电路的产生平顶脉冲磁场的方法，包括以下步骤：
断开第一开关和第二开关，对第一电容器与第二电容器进行充电，直至充电电压到达设定电压；
闭合第一开关，在主回路电流i1上升的过程中，根据设定的触发时刻闭合第二开关，在磁控回路电流i2上升的过程中，流过脉冲磁体的脉冲电流上升被抑制以形成平顶脉冲磁场。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术方案相比，能够取得以下有益效果。
(1)本发明提供的电路结构简单，无需高储能电源，无需整流系统、旁路系统或者其他有源补偿装置；当本发明中的S2断开时，双绕组磁控电抗器的两个绕组流过相等的电流，由于两个绕组绕制的匝数相等且方向相反，二者产生的磁通相互抵消，使得电路中的电感很小，故该电路产生的脉冲场强可达到很高。当S2闭合时，两个绕组流过不相等的电流，二者产生的磁通不能再相互抵消，且由于铁芯的存在，使得电路中的电感迅速增大，迅速增大的电感使得流过脉冲磁体的脉冲电流上升趋于平缓以形成平顶脉冲磁场。由于电路中的电感很大，使得产生的平顶脉冲磁场更趋于光滑，有效地提高了平顶脉冲磁场的稳定度。
(2)本发明提供的电路中的电感主要由双绕组磁控电抗器进行调控，可减小脉冲磁体的尺寸、降低其整体重量，进一步降低了本方案成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的产生平顶脉冲磁场的电路的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的平顶脉冲磁场上升过程中主回路的等效电路图；
图3是本发明实施例提供的平顶脉冲磁场平顶过程中主回路的等效电路图；
图4是本发明实施例提供的平顶脉冲磁场产生方法的电流仿真结果。
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。
本发明提出了一种产生平顶脉冲磁场的电路及方法，与其他技术方案不同的是，本发明创新性地使用了双绕组磁控电抗器来调控电路中的电感，可产生高场强、高稳定度的平顶脉冲磁场。本发明中的电路结构简单，无需高储能电源，无需整流系统、旁路系统或者其他有源补偿装置；同时，电路中的电感主要由双绕组磁控电抗器进行调控，可减小脉冲磁体的尺寸、降低其整体重量，进一步降低了本方案成本。
图1示出了本发明实施例提供的产生平顶脉冲磁场的电路的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
产生平顶脉冲磁场的电路由主回路11与磁控回路12构成。主回路11由第一电容器C1、第一开关S1、双绕组磁控电抗器MCR以及脉冲磁体PM依次串联构成。主回路11中的双绕组磁控电抗器MCR由第一绕组与第二绕组串联构成，其中第一绕组与第二绕组绕制匝数相同，绕制方向相反。
在本发明实施例中，磁控回路12由第二电容器C2、第二开关S2以及电抗器L串联构成并连接在磁控电抗器MCR第二绕组的两端。
主回路11还包括并联在第一电容器两端的续流回路。其中，续流回路包括连接在第一电容器C1两端的电阻R与单向导通元件，单向导通元件为二极管D，二极管D的阳极连接至第一电容器C1与脉冲磁体PM的连接端，二极管D的阴极通过电阻R连接至第一开关S1与双绕组磁控电抗器MCR的连接端。
在本发明实施例中，主回路11中第一电流i1的脉宽大于磁控回路12中第二电流i2的脉宽。
在本发明实施例中，双绕组磁控电抗器MCR具有铁芯，第一绕组与第二绕组均匀的绕制在铁芯上，且第一绕组与第二绕组绕制匝数相同，绕制方向相反。当两个绕组流过相等的电流时，由于两个绕组绕制的匝数相等且方向相反，二者产生的磁通相互抵消，使得电路中的电感很小，故该电路产生的脉冲场强可达到很高。当两个绕组流过不相等的电流时，二者产生的磁通不能再相互抵消，且由于铁芯的存在，使得电路中的电感迅速增大，迅速增大的电感使得流过脉冲磁体的脉冲电流上升趋于平缓以形成平顶脉冲磁场。由于电路中的电感很大，使得产生的平顶脉冲磁场更趋于光滑，有效地提高了平顶脉冲磁场的稳定度。
在本发明实施例中，电抗器L用于调节脉冲磁场的平顶时间。
在本发明实施例中，根据平顶脉冲磁场波形中平顶阶段的持续时间，可确定各电容器的容量；再根据平顶阶段的磁场强度，可使用仿真软件确定各电容器的充电电压和回路中开关的闭合时刻。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的平顶脉冲磁场方法能够产生高场强、高稳定度的平顶脉冲磁场波形，现参照附图并结合具体实施例详述如下：
如图1所示，本发明由主回路11与磁控回路12构成。主回路由第一电容器C1、第一开关S1、双绕组磁控电抗器MCR以及脉冲磁体PM串联构成。主回路11中的双绕组磁控电抗器MCR由第一绕组与第二绕组构成，其中第一绕组与第二绕组绕制匝数相同，绕制方向相反，目的在于当两个绕组流过相等的电流时，可使两个绕组产生的磁通相互抵消，而当两个绕组流过不相等的电流时，两个绕组产生的磁通不能相互抵消，使得电路中的电感迅速增大，进一步使得流过脉冲磁体PM的脉冲电流上升趋于平缓以形成平顶脉冲磁场。其中，磁控回路12由第二电容器C2、第二开关S2以及电抗器L串联构成并连接在磁控电抗器MCR的第二绕组两端，电抗器L用于调节脉冲磁场的平顶时间。
主回路11还包括并联在第一电容器C1两端的续流回路，续流回路的作用是避免第一电容器C1承受过高的反压而损坏。其中，续流回路包括连接在第一电容器C1两端的电阻R与单向导通元件，单向导通元件为二极管D，二极管D的阳极连接至第一电容器C1与脉冲磁体PM的连接端，二极管D的阴极通过电阻R连接至第一开关S1与双绕组磁控电抗器MCR的连接端。
主回路11中第一电流i1的脉宽大于磁控回路12中第二电流i2的脉宽。
可通过选择主回路11中C1的容值以及磁控回路12中C2的容值与L的电感值以匹配不同的平顶脉冲磁场需求。
在本发明实施例中，产生平顶脉冲磁场的方式如下：
储能阶段：对第一电容器C1与第二电容器C2进行充电，直至充电电压到达设定电压。所设定的充电电压根据待产生的平顶脉冲磁场强度予以确定。
主回路11放电：闭合第一开关S1，第一电容器C1对脉冲磁体PM放电，主回路11中的电流i1逐渐上升，该过程的电路等效图如图2所示。
磁控回路放电：在主回路电流i1上升的过程中，第二开关S2根据设定的触发时刻闭合，第二电容器C2开始放电。磁控回路12中的电流i2快速上升，并依次经过电抗器L、双绕组可控电抗器MCR的第二绕组回到第二电容器C2的负极。由于i2的存在，双绕组可控电抗器MCR中两个绕组流过的电流不再一致，产生的磁通也不能再相互抵消，同时由于铁芯的存在，电路中的电感迅速增大，使得流过脉冲磁体PM的脉冲电流上升趋于平缓以形成平顶脉冲磁场。该过程的电路等效图如图3所示。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的平顶脉冲磁场产生方法能够产生高场强、高稳定度的平顶脉冲磁场波形，现通过实例详述如下：
主回路11：电容器C1容值为15mF、续流电阻R阻值为0.02Ω、双绕组磁控电抗器MCR的铁芯材质为软铁、双绕组磁控电抗器MCR的第一绕组与第二绕组绕制匝数均为4匝且绕制方向相反、脉冲磁体PM的电感值为100μH、脉冲磁体PM的电阻值为50mΩ。
磁控回路12：电容器C2容值为3mF、电抗器L的电感值为20μH。
电容器C1充电电压为500V，电容器C2充电电压为4.4kV，开关S1在t＝0.5ms时刻闭合，开关S2在t＝1.5ms时刻闭合。
在本发明实施例中，脉冲磁体所产生的脉冲磁场位型与流经该磁体的电流波形一致。故本发明实施例只示出了仿真得到的脉冲平顶电流结果，详见图4。如图4所示，在无磁控回路作用时，主回路电流i1为典型的脉冲电流波形。当磁控回路作用于主回路时，主回路放电波形将变为一个平顶脉冲电流波形，其平顶持续时间约为1ms左右。经计算可得，该平顶脉冲电流在平顶阶段的稳定度为700ppm左右，即本发明实施例所产生的平顶脉冲磁场在平顶阶段的稳定度为700ppm左右。
本发明中主回路以及磁控回路的电路参数均可调，可通过仿真软件进行进一步地参数优化以产生场强更高、稳定度更好的平顶脉冲磁场。
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 (9)

1.一种产生平顶脉冲磁场的电路，其特征在于，所述产生平顶脉冲磁场的电路包括主回路(11)与磁控回路(12)；
所述主回路(11)包括依次串联的第一电容器C1、第一开关S1、双绕组磁控电抗器MCR以及脉冲磁体PM；
所述磁控回路(12)包括串联的第二电容器C2、第二开关S2以及电抗器L；
所述双绕组磁控电抗器MCR包括串联的第一绕组与第二绕组，所述磁控回路(12)并联在所述第二绕组的两端。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，第一绕组与第二绕组的绕制匝数相同，绕制方向相反。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述主回路(11)还包括并联在第一电容器C1与第一开关S1两端的续流回路。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述续流回路包括串联的电阻R与单向导通元件。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述单向导通元件为二极管D，所述二极管D的阳极连接至所述第一电容器C1与所述脉冲磁体PM的连接端，所述二极管D的阴极通过所述电阻R连接至所述第一开关S1与所述双绕组磁控电抗器MCR的连接端。
6.如权利要求1-5任一项所述的电路，其特征在于，所述主回路(11)中第一电流i1的脉宽大于所述磁控回路(12)中第二电流i2的脉宽。
7.如权利要求1-5任一项所述的电路，其特征在于，所述双绕组磁控电抗器MCR具有铁芯。
8.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电抗器L用于调节脉冲磁场的平顶时间。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的电路的产生平顶脉冲磁场的方法，其特征在于，包括以下步骤：
断开第一开关S1和第二开关S2，对第一电容器C1与第二电容器C2进行充电，直至充电电压到达设定电压；
闭合第一开关S1，在主回路电流i1上升的过程中，根据设定的触发时刻闭合第二开关S2，在磁控回路电流i2上升的过程中，流过脉冲磁体PM的脉冲电流上升被抑制以形成平顶脉冲磁场。
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