CN113852216B - 一种高效率重频脉冲磁场系统 - Google Patents

一种高效率重频脉冲磁场系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效率重频脉冲磁场系统，包括依次电连接的充电系统、极性转换模块、磁场产生系统，还包括与所述极性转换模块、所述磁场产生系统分别电连接的控制系统，所述极性转换模块能在所述控制系统控制下匹配所述充电系统与所述磁场产生系统的电连接极性关系。本发明解决了现有技术存在的磁场系统的能量利用效率低、体积较大、笨重等问题。

Description

一种高效率重频脉冲磁场系统
技术领域
本发明涉及高功率微波系统技术领域，具体是一种高效率重频脉冲磁场系统。
背景技术
高功率微波源系统需要产生与脉冲电子束同步的脉冲磁场，实现对电子束的约束，用以产生高功率微波信号。随着高功率技术的发展，对系统体积、重复频率、重量和效率等也提出了苛刻的要求。随着重复频率提高，磁场耗能和体积急剧增加。
图1为一个典型的常规重频脉冲磁场系统的电路图。
图1中，PS通过S1控制给储能电容C1充电，但C1充电到额定电压值后，控制系统根据时序控制放电开关Q2导通，此时C1及L2以及磁场线圈电阻R2组成RLC阻尼振荡，当第一个振荡正半周通过L2后，磁场线圈电流为零及储能电容出现最大反压，此时关闭Q2，导通Q1，此时L1与C1及电感内阻R1形成新的振荡回路，当新振荡第一个正半周结束后，Q1截止，此时储能电容与充电电源同极性，充电开关导通对储能电容充电，此时Q1、Q2截止，完成一个脉冲磁场产生周期。其一个脉冲磁场产生周期由放电时间、能量回收时间及充电时间组成。
常规重频脉冲磁场系统存在能量利用效率低下、体积较大、笨重等问题。因此需要降低磁场耗能和体积，提高磁场系统的能量利用效率，从而达到减小系统体积重量、提高系统效率的目的。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种高效率重频脉冲磁场系统，解决现有技术存在的磁场系统的能量利用效率低、体积较大、笨重等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种高效率重频脉冲磁场系统，包括依次电连接的充电系统、极性转换模块、磁场产生系统，还包括与所述极性转换模块、所述磁场产生系统分别电连接的控制系统，所述极性转换模块能在所述控制系统控制下匹配所述充电系统与所述磁场产生系统的电连接极性关系。
作为一种优选的技术方案，所述磁场产生系统包括储能电容、放电开关装置、磁场线圈，所述放电开关装置与所述磁场线圈串联后与所述储能电容并联组成并联体，所述储能电容的两端分别与所述极性转换模块电连接。
作为一种优选的技术方案，所述放电开关装置采用具有可控关断特性或电流过零自关断特性的半导体开关。
作为一种优选的技术方案，所述放电开关装置包括三极管Q50、三极管Q60，三极管Q50与三极管Q60互锁电连接后与所述磁场线圈串联。
作为一种优选的技术方案，所述磁场产生系统还包括与所述储能电容并联的放电电流检测装置，所述放电电流检测装置与所述控制系统电连接。
作为一种优选的技术方案，所述放电电流检测装置包括耦合装置。
作为一种优选的技术方案，所述极性转换模块包括由若干半导体开关管构成的开关矩阵。
作为一种优选的技术方案，所述极性转换模块采用若干半导体开关管构成桥式电路与所述充电系统电连接。
作为一种优选的技术方案，所述半导体开关管为三极管。
作为一种优选的技术方案，所述极性转换模块包括均为NPN型的三极管Q10、三极管Q20、三极管Q30、三极管Q40，三极管Q10的集电极与三极管Q20的集电极电连接，三极管Q20的发射极与三极管Q30的集电极电连接，三极管Q30的发射极与三极管Q40的发射极电连接，三极管Q40的集电极与三极管Q10的发射极电连接，所述充电系统为直流的充电电源，三极管Q10的集电极、三极管Q20的集电极之间的节点与充电电源的正极电连接，三极管Q30的发射极、三极管Q40的发射极之间的节点与充电电源的负极电连接。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
本发明在磁场电源系统中去除常规重频脉冲磁场系统的能量回收支路，避免了回收支路带来的能量损失和能量回收时间的需求，同时减小了系统的体积和重量；系统充电时间得到有效提升，减少了系统供电功率需求，系统能量利用效率得到大幅提高，同时还可以提高脉冲磁场重复频率上限限制；本发明具有较高的能量利用率；在相同线圈及充电电源情况下，产生更高频率的脉冲磁场；产生相同磁场强度和重频的磁场，系统供电功率更低，体积重量更小。
附图说明
图1为现有技术的一个典型的常规重频脉冲磁场系统的电路图；
图2为本发明所述的一种高效率重频脉冲磁场系统的一种实施方式的电路图；
图3为本发明所述的一种高效率重频脉冲磁场系统的另一种实施方式的电路图。
附图中标记及相应的零部件名称：1、充电系统，2、极性转换模块，3、磁场产生系统，4、控制系统，10、充电电源，21、三极管Q10，22、三极管Q20，23、三极管Q30，24、三极管Q40，31、储能电容，32、放电开关装置，33、磁场线圈，321、三极管Q50，322、三极管Q60，323、第一晶闸管Q70，324、第二晶闸管Q80。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图2所示，一种高效率重频脉冲磁场系统，包括依次电连接的充电系统1、极性转换模块2、磁场产生系统3，还包括与所述极性转换模块2、所述磁场产生系统3分别电连接的控制系统4，所述极性转换模块2能在所述控制系统4控制下匹配所述充电系统1与所述磁场产生系统3的电连接极性关系。
本发明采用极性转换模块2能通过改变所述充电系统1与所述磁场产生系统3的连接极性匹配关系，确保充电系统1给磁场产生系统3保持同极性；相比较于图1，在磁场电源系统中去除常规重频脉冲磁场系统的能量回收支路，避免了回收支路带来的能量损失和能量回收时间的需求，同时减小了系统的体积和重量；系统充电时间得到有效提升，减少了系统供电功率需求，系统能量利用效率得到大幅提高，同时还可以提高脉冲磁场重复频率上限限制。
作为一种优选的技术方案，所述磁场产生系统3包括储能电容31、放电开关装置32、磁场线圈33，所述放电开关装置32与所述磁场线圈33串联后与所述储能电容31并联组成并联体，所述储能电容31的两端分别与所述极性转换模块2电连接。图2中储能电容31为C10。
通过所述极性转换模块2在所述控制系统4控制下匹配所述充电系统1与所述磁场产生系统3的储能电容31极性，确保充电系统1给磁场产生系统3的储能电容31充电时保持同极性。
作为一种优选的技术方案，所述放电开关装置32采用具有可控关断特性或电流过零自关断特性的半导体开关。
这便于根据充电电压和时序，控制放电开关装置32进行储能电容放电，产生重频脉冲磁场。
优选的，所述放电开关装置32直接与所述控制系统4电连接，更加便于控制。
作为一种优选的技术方案，所述放电开关装置32包括三极管Q50 321、三极管Q60322，三极管Q50 321与三极管Q60 322互锁电连接后与所述磁场线圈33串联。
作为一种优选的技术方案，所述磁场产生系统3还包括与所述储能电容31并联的放电电流检测装置34，所述放电电流检测装置34与所述控制系统4电连接。
放电电流检测装置34便于根据磁场产生系统3中电流检测装置测得的电流流向，从而在所述控制系统4下控制极性转换模块2，所述控制系统4发送命令给充电系统1对储能电容31进行充电。
作为一种优选的技术方案，所述放电电流检测装置34包括耦合装置。
这便于通过耦合装置电压进行极性判断和微分运算可以判断储能电容31电压极性和放电电流过零时刻，避免了使用电流传感器。
实施例2
如图2所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
作为一种优选的技术方案，所述极性转换模块2包括由若干半导体开关管构成的开关矩阵21。
半导体开关管性能较好，占用空间小。
作为一种优选的技术方案，所述极性转换模块2采用若干半导体开关管构成桥式电路与所述充电系统1电连接。
若干半导体开关管构成桥式电路便于控制和调节所述充电系统1与磁场产生系统3的储能电容31的连接极性匹配关系。
作为一种优选的技术方案，所述半导体开关管为三极管。
三极管应用范围广，便于采购。
作为一种优选的技术方案，所述极性转换模块2包括均为NPN型的三极管Q10 21、三极管Q20 22、三极管Q30 23、三极管Q40 24，三极管Q10 21的集电极与三极管Q20 22的集电极电连接，三极管Q20 22的发射极与三极管Q30 23的集电极电连接，三极管Q30 23的发射极与三极管Q40 24的发射极电连接，三极管Q40 24的集电极与三极管Q10 21的发射极电连接，所述充电系统1为直流的充电电源10，三极管Q10 21的集电极、三极管Q20 22的集电极之间的节点与充电电源10的正极电连接，三极管Q30 23的发射极、三极管Q40 24的发射极之间的节点与充电电源10的负极电连接。
采用NPN型的三极管组成了开关矩阵21，占用空间小。
优选的，所述控制系统4还与所述充电系统1电连接。以便通过所述控制系统4控制所述充电系统1。
实施例3
如图2所示，本实施例包含实施例1、实施例2的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，提供更细化的实施方式。
本发明公布了一种高效重频脉冲磁场系统，为了解决常规重频脉冲磁场能量利用效率低下、体积笨重的难题。系统采用四个开关组成开关矩阵21，利用电流过零检测装置检测励磁电流流向，根据励磁电流流向变化控制开关矩阵21的不同状态，确保充电电源给电容器充电保持同极性。从而可以在磁场电源系统中去除常规重频脉冲磁场系统的能量回收支路，避免了回收支路带来的能量损失和能量回收时间的需求。这样系统储能电容31充电时间得到有效提升，减少了系统供电功率需求，系统能量利用效率得到大幅提高，同时还可以提高脉冲磁场重复频率上限限制。该技术可以广泛应用于重频脉冲磁场系统设计。
本发明组成描述：所述一种高效脉冲磁场系统，由充电系统1、开关矩阵21(极性转换模块2)、磁场产生系统3和控制系统4组成。
所述充电系统1中，采用零电压零电流开关技术将输入交流电变换为直流电，输出特性为恒流源，其输入输出隔离，用于提供产生磁场所需的直流电能。
所述开关矩阵21采用半导体开关管，在不同时刻进行导通和关断，引导充电电压与储能电容31电压同极性。
所述磁场产生系统3主要由磁场线圈33、储能电容31、放电开关装置32和放电电流检测装置34组成主要用于产生脉冲磁场。
所述控制系统4根据磁场产生系统3中电流检测装置测得的电流流向，控制开关矩阵21中开关管的导通或关断，并发送命令给充电电源对储能电容31进行充电。同时根据充电电压和时序，控制放电开关装置32实现储能电容31对磁场线圈33放电，产生重频脉冲磁场。
本发明工作原理：所述一种高效重频脉冲磁场，利用高功率微波源系统只与磁场轴向的强度有关，而与磁场轴向上磁场方向无关的特点。同时，根据磁场产生系统3的储能电容31放电电流流向反向时刻，储能电容31剩余能量最大即反向电压最大的特性，通过采用开关矩阵21进行组合，将同极性的电能在产生脉冲磁场后储能电容31反向电压最高时刻进行充电，可以快速再次达到预定储能电压，实现高效快速产生重频脉冲磁场的目的。
首先导通Q10、Q30关断Q20、Q40对储能电容31正向充电至额定电压值后，关断Q10、Q30，通过放电开关装置32对磁场线圈33进行正向放电。当放电电流到零(放电电流检测装置34电压变化率为零)时，储能电容31反向电压最高，导通Q20、Q40对储能电容31反向充电。
放电开关装置32采用具有电流过零自关断特性或可关断特性的半导体开关实现，通过控制系统4产生相应的控制信号控制放电开关装置32单向导通，当放电电流减小到零后，放电开关装置32关断或自行截止。当放电电流检测装置34检测到电流为零时，控制开关矩阵21和充电系统1对储能电容31进行反向充电补能，达到预定电压后，根据系统工作时序进行第二次放电。这样重复工作产生重频脉冲磁场。
本发明有如下技术特点：
(1)无需能量回收支路；
(2)采用开关矩阵21，单电源悬浮充电；
(3)采用双极性交替工作方式对储能电容31进行充放电产生脉冲磁场；
(4)通过放电电压变化率检测判断放电电流是否到0。
本发明具有众多技术优势：具有较高的能量利用率；在相同线圈及充电电源情况下，产生更高频率的脉冲磁场；产生相同磁场强度和重频的磁场，系统供电功率更低，体积重量更小。
本发明实例：
某高功率微波系统需要一套磁场强度为0.8T均匀区长度为500mm，中心孔径100mm的磁场系统。根据设计，励磁线圈电阻值为0.8Ω，电感量为110mH，励磁电压为3900V，励磁电流503A，重复频率10Hz。
本发明与常规脉冲磁场效果对比如下：
表1本发明与常规脉冲磁场效果对比
Figure SMS_1
Figure SMS_2
值得说明的是本发明中，所述开关矩阵21还可采用IGBT等半导体开关器件组成，所述放电开关装置32还可采用晶闸管、IGBT等半导体器件。如图3所示，图3展示了所述放电开关装置32采用晶闸管(第一晶闸管Q70 323，第二晶闸管Q80 324)的实施方式。本发明的具体电路结构并不限于以上实施例限定的具体电路结构。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高效率重频脉冲磁场系统，其特征在于，包括依次电连接的充电系统(1)、极性转换模块(2)、磁场产生系统(3)，还包括与所述极性转换模块(2)、所述磁场产生系统(3)分别电连接的控制系统(4)，所述极性转换模块(2)能在所述控制系统(4)控制下匹配所述充电系统(1)与所述磁场产生系统(3)的电连接极性关系；
所述极性转换模块(2)包括由若干半导体开关管构成的开关矩阵；
所述极性转换模块(2)采用若干半导体开关管构成桥式电路与所述充电系统(1)电连接；
所述半导体开关管为三极管；
所述极性转换模块(2)包括均为NPN型的三极管Q10(21)、三极管Q20(22)、三极管Q30(23)、三极管Q40(24)，三极管Q10(21)的集电极与三极管Q20(22)的集电极电连接，三极管Q20(22)的发射极与三极管Q30(23)的集电极电连接，三极管Q30(23)的发射极与三极管Q40(24)的发射极电连接，三极管Q40(24)的集电极与三极管Q10(21)的发射极电连接，所述充电系统(1)为直流的充电电源(10)，三极管Q10(21)的集电极、三极管Q20(22)的集电极之间的节点与充电电源(10)的正极电连接，三极管Q30(23)的发射极、三极管Q40(24)的发射极之间的节点与充电电源(10)的负极电连接。
2.根据权利要求1所述的一种高效率重频脉冲磁场系统，其特征在于，所述磁场产生系统(3)包括储能电容(31)、放电开关装置(32)、磁场线圈(33)，所述放电开关装置(32)与所述磁场线圈(33)串联后与所述储能电容(31)并联组成并联体，所述储能电容(31)的两端分别与所述极性转换模块(2)电连接。
3.根据权利要求2所述的一种高效率重频脉冲磁场系统，其特征在于，所述放电开关装置(32)采用具有可控关断特性或电流过零自关断特性的半导体开关。
4.根据权利要求3所述的一种高效率重频脉冲磁场系统，其特征在于，所述放电开关装置(32)包括三极管Q50(321)、三极管Q60(322)，三极管Q50(321)与三极管Q60(322)互锁电连接后与所述磁场线圈(33)串联。
5.根据权利要求4所述的一种高效率重频脉冲磁场系统，其特征在于，所述磁场产生系统(3)还包括与所述储能电容(31)并联的放电电流检测装置(34)，所述放电电流检测装置(34)与所述控制系统(4)电连接。
6.根据权利要求5所述的一种高效率重频脉冲磁场系统，其特征在于，所述放电电流检测装置(34)包括耦合装置。
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