CN114035647B - 一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置 - Google Patents

Abstract

一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，涉及脉冲功率技术领域。该装置能够在地球磁暴模拟实验中产生具有多时间尺度，且在空间指定距离产生磁场的磁感应强度最小值满足物理实验需求的扰动磁场，从而能够完成地球磁暴现象的模拟实验，同时要减小脉冲功率装置的使用风险，降低成本，提高其维护效率。本发明包块2套脉冲功率装置，每套脉冲功率装置均由脉冲电源、穿壁电极、对应线圈以及控制系统组成；脉冲电源采用模块化设计，并且两套脉冲电源在运行时都会借用一个共用模块组成完整的脉冲电源，减小了成本，本发明实现了在地球磁暴模拟实验中产生多时间尺度扰动磁场的功能。

Description

一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置

技术领域

本发明专利涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置。

背景技术

随着科技的进步，现代社会越来越多地依赖于先进的地球空间技术，如通信、导航、测绘等。作为这些技术载体的人造航天器运行在地球空间环境中都会受到其内部环境因素的影响，而地球空间环境主要受到携带等离子体和磁场的太阳风影响。地球磁层是地球空间环境的重要区域，同时也是太阳风和地球磁场相互作用的主要位置，这里是地球磁场控制的空间等离子体和电磁场的空间，绝大多数人造航天器都在这一区域运行。当太阳活动增强时，高速等离子体云从太阳日冕抛射出来，相对背景太阳风速度更高，携带着日冕磁场冲击地球磁层，使地球磁层的结构发生剧烈变形，地球磁层的电磁场环境受到强烈的干扰，所有运行在磁层空间的航天器将受到强烈甚至致命的影响。磁暴是有害影响的空间天气现象之一，例如，磁暴期间地球辐射带会产生扰动，影响航天器的安全；磁暴期间会出现电离层暴，可能干扰短波无线电通信；磁暴期间引起的地面感应电流可能会影响输油、输电线路的安全等。因此，磁暴对地球空间结构和人类活动产生的影响一直以来都是空间科学界的研究重点之一。

目前对于地球磁层中的磁暴现象最直接的研究手段是发射卫星进行深空探测，但是深空探测存在观测点单一、轨道受限、观测周期长、观测获取数据具有偶然性等方面的不足，所以单纯地采用卫星探测研究地球磁层中的磁暴现象存在一定的限制。由于采用地面模拟装置进行空间物理学有关实验具有过程/参数可控、整体演化过程可重复进行、可多点同时测量等优点，所以在使用卫星进行深空探测和在轨实验的同时，建设空间环境地面模拟装置开展空间科学实验和地面模拟研究，对空间科学理论的完善和航天强国的重大需求都具有重要的意义。

“空间等离子体环境模拟与研究系统”是国家重大科技基础设施建设中的“空间环境地面模拟装置”的分系统之一，其主要研究内容之一就是研究极端空间等离子体环境的特点及相关物理过程，加深对磁暴、高能粒子暴等灾害性空间环境的理解，为完善辐射带高能粒子模型、航天器安全评价和设计提供指导。为了实现这一研究内容，需要采用一套脉冲功率装置产生模拟磁暴扰动的磁场，并配合模拟的地球磁层磁场来实现研究模拟“地球辐射带”的电磁波与等离子体相互作用问题的背景磁场。地球磁暴发生时，这种全球性的剧烈扰动会在整个磁层持续几个小时到几十个小时的时间，并且在距地球表面4000 km的同步轨道上地球磁场的水平分量会产生数百nT的剧烈扰动变化。基于以上实际空间环境磁场因素，在空间等离子体环境模拟与研究系统需要模拟多种时间尺度的磁暴现象，通过磁流体力学的定标关系，在实验区距离模拟的地球磁层磁场中心点水平距离2米处，以开始产生扰动磁场的时刻为起始时刻，分别在0.12 ms、0.65 ms、0.9 ms、1.1 ms、1.3 ms和1.4 ms时刻产生磁感应强度不小于100 G的扰动磁场。

基于以上需求，通过采用脉冲功率装置来产生脉冲磁场是进行模拟实验的最佳的选择，因此，如何通过使用脉冲功率装置产生具有多时间尺度，且在空间指定距离产生磁场的磁感应强度最小值满足物理实验需求，从而更好地实现地球磁暴现象的模拟，是当前急需解决的问题。此外减小脉冲功率装置的使用风险，降低成本，提高维护效率也是本发明要实现的目标。

发明内容

本发明的目的是为了解决在地球磁暴模拟实验中如何通过使用脉冲功率装置产生具有多时间尺度，且在空间指定距离产生磁场的磁感应强度最小值满足物理实验需求的扰动磁场，从而能够完成地球磁暴现象的模拟实验，同时要减小脉冲功率装置的使用风险，降低成本，提高其维护效率。

本发明中的脉冲磁场采用脉冲功率装置产生，为了实现在实验区距离模拟的地球磁场中心点水平距离2米处，以开始产生扰动磁场的时刻为起始时刻，分别在0.12 ms、0.65ms、0.9 ms、1.1 ms、1.3 ms和1.4 ms时刻产生磁感应强度不小于100 G的扰动磁场，本发明中使用两套脉冲功率装置来产生以上6中情况下的磁场位形，两套脉冲功率装置都采用脉冲电源为负载线圈提供激励电流，由线圈接收激励电流产生脉冲磁场的方式。其中一套脉冲电源连接的线圈记为磁扰动Ⅰ型线圈，为直径2.6 m，单匝线圈，用来产生0.12 ms时刻的扰动磁场，另一套脉冲电源连接的线圈记为磁扰动Ⅱ型线圈，为直径2.6 m，8匝线圈，用来产生其余5种时刻的扰动磁场。为方便表述，两套脉冲功率装置分别标记为CRDⅠ和CRDⅡ脉冲功率装置,其内部的组成部分也分别使用CRDⅠ和CRDⅡ作为标记符号。

本发明采用的技术方案是：

一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，该装置包括2套脉冲功率装置、安全连锁设备，同步触发设备，数据交换机，远程控制系统和数据存储设备。

远程控制系统20用于与数据交换机19之间实现数据交互，完成远程控制；

数据交换机19用于与脉冲功率装置、安全连锁设备16和同步触发设备17实现数据交互；

同步触发设备17用于触发脉冲功率装置；

安全连锁设备16用于接收脉冲功率装置输出的故障信号，并发出锁定信号至同步触发设备17；

数据存储设备21用于与数据交换机19实现数据交互，实现数据存储。

本发明中，所述2套脉冲功率装置的负载线圈为2个，2个线圈直径相同，密封于同一个壳体中，其中一个为单匝线圈，另一个为8匝线圈，两个线圈的输入和输出端在壳体的不同位置，两种线圈需要根据实验所需的时间尺度轮流使用，即两个线圈共用一组输入输出引线5作为激励电流的输入和输出，通过更换引线5连接线圈的输入输出端来实现不同线圈之间的转换。2个线圈在工作时产生的热量均由冷却水管7中循环水来进行冷却。

本发明中，采用定于真空室法兰之上的穿壁电极6作为真空室内部磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈与真空室外部脉冲电源的连接中枢。

本发明中，所述2套脉冲功率装置中的主要部分为脉冲电源，其为磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈提供激励电流用于产生不同时间尺度的扰动磁场。2套脉冲功率装置分别包括一套脉冲电源，2套脉冲电源均采用模块化设计，从而分散能量的存储减小风险，同时采用模块化结构，在一个模块出现故障的情况下，通过更换故障模块的方式来大大提高运行效率，在定期固定集中地对故障模块进行检修从而达到提高维护效率的目的。

由于两个负载线圈的电阻和电感参数差异比较大，对脉冲电源输出电流波形的需求完全不同，使用一套脉冲电源为两个线圈提供激励电流无法实现，为了尽可能地减小成本，同时根据物理实验需求，两套脉冲电源并不会同时投入运行，所以使用一个模块作为共用模块10，当CRDⅠ脉冲电源或CRDⅡ脉冲电源投入运行时都会借用这一共用模块10作为其电源的组成部分。通过设计，CRDⅠ脉冲电源包括共用模块10共由2个模块组成，CRDⅡ脉冲电源包括共用模块10共由5个模块组成，其中CRDⅡ脉冲电源通过选择投入使用的模块来为CRDⅡ线圈提供5种时间尺度的激励电流波形，从而产生除0.12 ms时刻的另外5种时间尺度的扰动磁场。2套脉冲电源共有6个结构相同的模块，6个模块除了续流电阻的阻值不同外，其余元件的参数均相同。

本发明中，2套脉冲功率装置的结构相同，均由脉冲电源经穿壁电极为CRDⅠ线圈CRDⅡ线圈提供激励电流，但是2套脉冲功率装置中脉冲电源输出电缆的连接方式有所区别，CRDⅠ脉冲电源的共用模块10和自用模块11分别使用一根输出同轴电缆8和9在穿壁电极处并联连接后再通过引线5与CRDⅠ线圈的出入和输出端子3连接；CRDⅡ脉冲电源的所有模块都与共用模块10并联后由共用模块10使用一根输出电缆与穿壁电极连接后再通过引线与CRDⅡ线圈的输入和出处端子4连接，此外，在CRDⅡ脉冲可以根据投入使用的模块来改变输出电流波形，即通过连接或拆除并联导线12来实现5个模块不同数量的并联连接，从而调节模块投入使用的数量。

本发明中，两套脉冲电源的本地控制器24用于接收同步触发设备17发出的触发信号，还用于上报故障信号至安全连锁设备16，本地控制器24还用于控制双极性充电机组14和放电模块组工作，双极性充电机组14包括6台结构相同的双极性充电机，6台充电机分别与6个放电模块连接；

本发明中，该装置还包括UPS22，UPS22用于为数据交换机19、安全连锁设备16和同步触发设备17供电。

本发明中，该装置还包括放电模块货架13、充电机货架15和机柜18，所述充电机货架15用于放置6台双极性充电机14和2台本地控制器24；

所述放电模块货架13用于放置放电模块组；所述机柜18用于放置数据交换机19、同步触发设备17、安全连锁设备16以及UPS22。

本发明中，该装置还包括光纤23，所述远程控制系统20、数据存储设备21、数据交换机19、安全连锁设备16和同步触发设备17构成在地球磁暴模拟实验中产生扰动磁场的脉冲功率装置控制系统，远程控制系统20通过光纤23与数据交换机19连接，数据交换机19通过光纤23与2台本地控制器24、安全连锁设备16、同步触发设备17、数据存储设备21连接；安全连锁设备16和同步触发设备17分别通过光纤23与2台本地控制器24连接；安全连锁设备16和同步触发设备17之间通过光纤23连接。

本发明中，所述6个放电模块结构相同，均包括晶闸管组件25、熔断器26、分压器27、充电保护硅堆28、接地开关29、充电开关30、放电模块控制器31、高压脉冲电容器32、充电保护及泄放电阻33、续流电阻34、续流开关35、电压显示器36、主机电源插座37、双极性充电机连接端子38、控制电源插座39、光纤接口40、接地端子41、散热风扇42、负极输出43、正极输出44；

晶闸管组件25用作放电开关；熔断器26用作保护电容器免受短路电流冲击；分压器27中具有接地装置，用来平衡电容器两端正负；充电保护硅堆28用于在高压脉冲电容器32充电过程中出现提前放电故障而充电开关30未断开的情况下保护双极性充电机14；接地开关用于在脉冲电源未使用情况下闭合将高压脉冲电容器32上电荷完全释放掉；充电开关30用于控制双极性充电机给高压脉冲电容器32充电的物理开断；放电模块控制器31用于接收本地控制器控制命令、参数设置以及上传本放电模块状态参数；高压脉冲电容器32用作储能元件；充电保护及泄放电阻33内部含有泄放开关，用于在高压脉冲电容器32充电过程中出现提前放电故障而充电开关30未断开的情况下保护双极性充电机14，以及在正常情况下，高压脉冲电容器32充电完成后若不进行触发放电操作，而直通过充电保护及泄放电阻33释放能量；续流电阻34用来调节输出电流下降沿波形以及吸收负载上多余能量，续流开关35为二极管组件；电压显示器36用来实时显示放电模块中高压脉冲电容器上的电压；主机电源插座37和控制电源插座39连接电网配电系统用于给放电模块内部供电；双极性充电机连接端子38用于连接双极性充电机组14；光纤接口40通过光纤与本地控制器连接；接地端子41用来连接输出同轴电缆8或9的屏蔽层从而减小电磁干扰；散热风扇42用来快速为放电模块中的元件散热；负极输出43用来引出放电模块中高压脉冲电容器的负极并连接输出同轴电缆8或9的外芯；正极输出44用来引出放电模块中高压脉冲电容器的正极并连接输出同轴电缆8或9的内芯。

有益效果：本发明所述装置，能够在地球磁暴模拟实验中产生具有多时间尺度，且在空间指定距离产生磁场的磁感应强度最小值满足物理实验需求的扰动磁场，从而能够完成地球磁暴现象的模拟实验，同时通过模块化设计以及共用模块的方式减小了脉冲功率装置的使用风险，提高其维护效率，降低成本。

本发明中所述装置的有益效果是：1）2套脉冲功率装置各包含一套采用模块化设计的脉冲电源，由于2套脉冲功率装置负载参数的差异，2套脉冲电源通过共用一个模块来降低成本；2）采用模块化设计，能够分散能量的存储减小风险，同时采用模块化结构，在一个模块出现故障的情况下，通过更换故障模块的方式来大大提高运行效率，在定期固定集中地对故障模块进行检修从而达到提高维护效率的目的；3）使用该装置能够产生6种时间尺度，且在实验区距离模拟的地球磁场中心点水平距离2米处产生磁感应强度不小于100 G的磁场；4）CRDⅡ脉冲电源通过改变并联放电模块的数量并改变充电电压来输出5种不同时间尺度且电流峰值基本一致的脉冲电流波形；5）由于CRDⅠ脉冲电源输出电流峰值较大，采用每个放电模块连接一根输出同轴电缆的方式减小单根同轴电缆流过的电流，保证同轴电缆的耐流水平，而CRDⅡ脉冲电源输出电流较小，可以使用一根同轴电缆作为输出同轴电缆。6）使用该装置能够在地球磁暴现象的模拟实验中提供磁暴扰动磁场。

附图说明

图1-3为一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置的拓扑结构示意图；

其中：图1为该装置的拓扑结构示意图；图2是CRDⅠ脉冲功率装置的结构示意图；图3是CRDⅡ脉冲功率装置的结构示意图；

图4为一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置的立体结构图；

图5-6为一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置的两种负载线圈结构图；

其中图5为CRDⅠ型线圈示意图；图6为CRDⅡ型线圈示意图；

图7为放电模块及本装置的辅助结构图；；

图8为的放电模块的电路拓扑结构示意图；

图9为CRDⅠ脉冲电源输出电流波形；

图10为CRDⅡ脉冲电源输出电流波形；

上述附图中附图标记有：1、用于产生地球磁层磁场的线圈，2、磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈壳体，3、磁扰动Ⅰ型线圈输入输出端，4、磁扰动Ⅱ型线圈输入输出端，5、引线，6、穿壁电极、7、冷却水管，8、CRDⅠ脉冲电源自用放电模块输出电缆，9、共用放电模块输出电缆，10、共用放电模块，11、CRDⅠ脉冲电源自用放电模块，12、CRDⅡ脉冲电源并联导线，13、放电模块货架，14、双极性充电机组，15、充电机货架， 16、安全连锁设备，17、同步触发设备，18、机柜，19、数据交换机，20、远程控制系统，21、数据存储设备，22、UPS，23、光纤，24、本地控制器，25、放电开关，26、熔断器，27、分压器，28、充电保护硅堆，29、接地开关，30、充电开关，31、放电模块控制器，32 高压脉冲电容器，33、充电保护及泄放电阻，34、续流电阻，35、续流开关，36、电压显示器，37、主机电源插座，38、双极性充电机连接端子， 39、控制电源插座，40、光纤接口，41、接地端子，42、散热风扇， 43、负极输出，44、正极输出。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1至6具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，能够在地球磁暴模拟实验中在实验区距离模拟的地球磁场中心点水平距离2米处，以开始产生扰动磁场的时刻为起始时刻，分别在0.12 ms、0.65 ms、0.9 ms、1.1 ms、1.3 ms和1.4 ms时刻产生磁感应强度不小于100 G的扰动磁场，从而能够完成多时间尺度的地球磁暴现象的模拟实验，同时通过模块化设计以及共用模块的方式减小了脉冲功率装置的使用风险，提高其维护效率，降低成本。该装置包括2套脉冲功率装置、安全连锁设备16，同步触发设备17，数据交换机19，远程控制系统20和数据存储设备21。

远程控制系统20用于与数据交换机19之间实现数据交互，完成远程控制；

数据交换机19用于与脉冲功率装置、安全连锁设备16和同步触发设备17实现数据交互；

同步触发设备17用于触发脉冲功率装置；

安全连锁设备16用于接收脉冲功率装置输出的故障信号，并发出锁定信号至同步触发设备17；

数据存储设备21用于与数据交换机19实现数据交互，实现数据存储。

本实施方式中，所述2套脉冲功率装置的负载线圈为2个，2个线圈直径相同，密封于同一个壳体中，其中一个为单匝线圈，另一个为8匝线圈，两个线圈的输入和输出端在壳体的不同位置，两种线圈需要根据实验所需的时间尺度轮流使用，即两个线圈共用一组输入输出引线5作为激励电流的输入和输出，通过更换引线5连接线圈的输入输出端来实现不同线圈之间的转换。2个线圈在工作时产生的热量均由冷却水管7中循环水来进行冷却。

采用定于真空室法兰之上的穿壁电极6作为真空室内部磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈与真空室外部脉冲电源的连接中枢。

具体实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，所述2套脉冲功率装置中的主要部分为脉冲电源，其为磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈提供激励电流用于产生不同时间尺度的扰动磁场。2套脉冲功率装置分别包括一套脉冲电源，2套脉冲电源均采用模块化设计，从而分散能量的存储减小风险，同时采用模块化结构，在一个模块出现故障的情况下，通过更换故障模块的方式来大大提高运行效率，在定期固定集中地对故障模块进行检修从而达到提高维护效率的目的。

由于两个负载线圈的电阻和电感参数差异比较大，对脉冲电源输出电流波形的需求完全不同，使用一套脉冲电源为两个线圈提供激励电流无法实现，为了尽可能地减小成本，使用一个模块作为共用模块10，当CRDⅠ脉冲电源或CRDⅡ脉冲电源都会借用这一共用模块10作为其电源的组成部分。通过设计，CRDⅠ脉冲电源包括共用模块10共由2个模块组成，CRDⅡ脉冲电源包括共用模块10共由5个模块组成，其中CRDⅡ脉冲电源通过选择投入使用的模块来为CRDⅡ线圈提供5种时间尺度的激励电流波形，从而产生除0.12 ms时刻的另外5种时间尺度的扰动磁场。2套脉冲电源共有6个结构相同的模块，6个模块除了续流电阻的阻值不同外，其余元件的参数均相同。

本发明中，2套脉冲功率装置的结构相同，均由脉冲电源经穿壁电极为CRDⅠ线圈CRDⅡ线圈提供激励电流，但是2套脉冲功率装置中脉冲电源输出电缆的连接方式有所区别，CRDⅠ脉冲电源的共用模块10和自用模块11分别使用一根输出同轴电缆8和9在穿壁电极处并联连接后再通过引线5与CRDⅠ线圈的出入和输出端子3连接；CRDⅡ脉冲电源的所有模块都与共用模块10并联后由共用模块10使用一根输出电缆与穿壁电极连接后再通过引线与CRDⅡ线圈的输入和出处端子4连接，此外，在CRDⅡ脉冲可以根据投入使用的模块来改变输出电流波形，即通过连接或拆除并联导线12来实现5个模块不同数量的并联连接，从而调节模块投入使用的数量。

具体实施方式三、本实施方式时对实施方式三所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，两套脉冲电源的本地控制器24用于接收同步触发设备17发出的触发信号，还用于上报故障信号至安全连锁设备16，本地控制器24还用于控制双极性充电机组14和放电模块组工作，双极性充电机组14包括6台结构相同的双极性充电机，6台充电机分别与6个放电模块连接；

具体实施方式四、本实施方式时对实施方式三所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，该装置还包括UPS22，UPS22用于为数据交换机19、安全连锁设备16和同步触发设备17供电。

具体实施方式五、本实施方式时对实施方式四所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，该装置还包括放电模块货架13、充电机货架15和机柜18，所述充电机货架15用于放置6台双极性充电机14和2台本地控制器24；

所述放电模块货架13用于放置放电模块组；所述机柜18用于放置数据交换机19、同步触发设备17、安全连锁设备16以及UPS22。

具体实施方式六、本实施方式时对实施方式五所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，本实施方式中，该装置还包括光纤23，所述远程控制系统20、数据存储设备21、数据交换机19、安全连锁设备16和同步触发设备17构成在地球磁暴模拟实验中产生扰动磁场的脉冲功率装置控制系统，远程控制系统20通过光纤23与数据交换机19连接，数据交换机19通过光纤23与2台本地控制器24、安全连锁设备16、同步触发设备17、数据存储设备21连接；安全连锁设备16和同步触发设备17分别通过光纤23与2台本地控制器24连接；安全连锁设备16和同步触发设备17之间通过光纤23连接。

具体实施方式七、本实施方式时对实施方式六所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，本实施方式中，该装置还包括光纤23，所述远程控制系统20、数据存储设备21、数据交换机19、安全连锁设备16和同步触发设备17构成在地球磁暴模拟实验中产生扰动磁场的脉冲功率装置控制系统，远程控制系统20通过光纤23与数据交换机19连接，数据交换机19通过光纤23与2台本地控制器24、安全连锁设备16、同步触发设备17、数据存储设备21连接；安全连锁设备16和同步触发设备17分别通过光纤23与2台本地控制器24连接；安全连锁设备16和同步触发设备17之间通过光纤23连接。

具体实施方式八、本实施方式时对实施方式七所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，所述6个放电模块结构相同，均包括晶闸管组件25、熔断器26、分压器27、充电保护硅堆28、接地开关29、充电开关30、放电模块控制器31、高压脉冲电容器32、充电保护及泄放电阻33、续流电阻34、续流开关35、电压显示器36、主机电源插座37、双极性充电机连接端子38、控制电源插座39、光纤接口40、接地端子41、散热风扇42、负极输出43、正极输出44；

晶闸管组件25用作放电开关；熔断器26用作保护电容器免受短路电流冲击；分压器27中具有接地装置，用来平衡电容器两端正负；充电保护硅堆28用于在高压脉冲电容器32充电过程中出现提前放电故障而充电开关30未断开的情况下保护双极性充电机14；接地开关用于在脉冲电源未使用情况下闭合将高压脉冲电容器32上电荷完全释放掉；充电开关30用于控制双极性充电机给高压脉冲电容器32充电的物理开断；放电模块控制器31用于接收本地控制器控制命令、参数设置以及上传本放电模块状态参数；高压脉冲电容器32用作储能元件；充电保护及泄放电阻33内部含有泄放开关，用于在高压脉冲电容器32充电过程中出现提前放电故障而充电开关30未断开的情况下保护双极性充电机14，以及在正常情况下，高压脉冲电容器32充电完成后若不进行触发放电操作，而直通过充电保护及泄放电阻33释放能量；续流电阻34用来调节输出电流下降沿波形以及吸收负载上多余能量，续流开关35为二极管组件；电压显示器36用来实时显示放电模块中高压脉冲电容器上的电压；主机电源插座37和控制电源插座39连接电网配电系统用于给放电模块内部供电；双极性充电机连接端子38用于连接双极性充电机组14；光纤接口40通过光纤与本地控制器连接；接地端子41用来连接输出同轴电缆8或9的屏蔽层从而减小电磁干扰；散热风扇42用来快速为放电模块中的元件散热；负极输出43用来引出放电模块中高压脉冲电容器的负极并连接输出同轴电缆8或9的外芯；正极输出44用来引出放电模块中高压脉冲电容器的正极并连接输出同轴电缆8或9的内芯。

实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，包括2套脉冲功率装置、安全连锁设备16，同步触发设备17，数据交换机19，远程控制系统20和数据存储设备21；脉冲功率装置由远程控制系统20控制，同时远程控制系统20还具有主要元件状态监测和故障显示功能。

安全连锁设备16，同步触发设备17，数据交换机19，远程控制系统20和数据存储设备21构成一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置的控制系统，除控制系统外，该装置还包括2套脉冲电源、2套脉冲电源的本地控制器、穿壁电极、2个负载线圈（磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈）以及连接同轴电缆和导线。

2套脉冲电源均采用模块化设计，由于物理实验的需求，两套脉冲电源并不会同时使用，为减小成本，使用一个模块为共用模块，当两套脉冲电源其中一台投入运行时就会借用这一共用模块与该脉冲电源的自用模块构成一套完整的脉冲电源，2套脉冲电源分别由1个本地控制器下发远程控制系统发送的控制指令，并上传给远程控制系统各个模块的状态及自身状态参数。选择共用模块及投入运行的脉冲电源自用模块的功能在远程控制系统中进行操作。

如图2和图3所示，2套脉冲的模块结构相同，均包括放电模块和充电机，每套脉冲电源的所有放电模块和充电机均和该套脉冲电源的本地控制器通过光纤连接。

2套脉冲功率装置的结构相同，均由脉冲电源经穿壁电极为CRDⅠ线圈CRDⅡ线圈提供激励电流，但是2套脉冲功率装置中脉冲电源输出电缆的连接方式有所区别，CRDⅠ脉冲电源的共用模块10和自用模块11分别使用一根输出同轴电缆8和9在穿壁电极处并联连接后再通过引线5与CRDⅠ线圈的出入和输出端子3连接；CRDⅡ脉冲电源的所有模块都与共用模块10并联后由共用模块10使用一根输出电缆与穿壁电极连接后再通过引线与CRDⅡ线圈的输入和出处端子4连接，此外， CRDⅡ脉冲电源可以改变投入并联使用的模块的数量来改变输出电流波形，即通过连接或拆除并联导线12来实现5个模块不同数量的并联连接，从而调节模块投入使用的数量。

为了配合模拟的地球磁层场场来实现地球磁暴模拟实验，脉冲功率装置具有时序触发功能，采用同步触发设备17接收远程控制系统20设置的时序参数，然后再下发给脉冲电源的本地控制器24。脉冲电源其他控制，如：电压设置、充电、泄放等功能，以及状态参数的显示直接经数据交换机上传给远程控制系统。当有脉冲电源出现故障时，故障信息经安全连锁设备上传给远程控制系统，同时安全连锁设备锁定同步触发设备，使其不能执行触发命令，防止故障情况下的触发放电给人员和设备带来的损害，并且给本地控制器发送执行泄放动作命令，完成电容器能量的安全泄放。每次脉冲功率装置运行的数据都会在数据存储设备中进行存储，可以进行调阅查看。

如图4所示，图中包括用于产生地球磁层磁场的线圈1、磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈壳体2、磁扰动Ⅰ型线圈输入输出端3、磁扰动Ⅱ型线圈输入输出端4、引线5、穿壁电极6、冷却水管7、CRDⅠ脉冲电源自用放电模块输出电缆8、共用放电模块输出电缆9、共用放电模块10、CRDⅠ脉冲电源自用放电模块11、CRDⅡ脉冲电源并联导线12、放电模块货架13、双极性充电机组14、充电机货架15、安全连锁设备16、同步触发设备、机柜18、数据交换机19、远程控制系统20、数据存储设备21、UPS22、光纤23、本地控制器24。

磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈直径相同，密封于同一个壳体中，如图5和图6所示，磁扰动Ⅰ型线圈为单匝线圈，磁扰动Ⅱ型线圈为8匝线圈，两个线圈的输入和输出端在壳体的不同位置，两种线圈需要根据实验所需的时间尺度轮流使用，即两个线圈共用一组输入输出引线5作为激励电流的输入和输出，通过更换引线5连接线圈的输入输出端来实现不同线圈之间的转换。2个线圈在工作时产生的热量均由冷却水管7中循环水来进行冷却。

2套脉冲电源分别为对应的磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈提供激励电源，CRDⅠ脉冲电源由两个模块组成，包括一个自用模块和一个共用模块，两个放电模块内部元件参数一致；CRDⅡ脉冲电源由5个模块组成，包括4个自用模块和1个共用模块，自用放电模块内部元件参数与共用放电模块的略有差异。CRDⅠ脉冲电源投入运行时，两个放电模块分别由各自的输出同轴电缆8和9连接至穿壁电极6进行汇流后再与CRDⅠ线圈的出入输出端通过引线连接；CRDⅡ脉冲电源投入使用时，CRDⅠ脉冲电源自用放电模块不工作，需要断开其输出同轴电缆与穿壁电极6的连接，此时只有加入到CRDⅡ脉冲电源的共用模块10通过一根输出同轴电缆与穿壁电极连接后再与CRDⅡ线圈的出入输出端通过引线连接，当需要增加或减少CRDⅡ脉冲电源并联放电模块的数量时，通过安装或拆除并联CRDⅡ脉冲电源并联导线12来完成。

所有放电模块放置于放电模块货架上，2个本地控制器和所有双极性充电机放置于充电机货架上，双极性充电机的充电高压导线以及本地控制器的光纤通过货架上的线槽布线后与放电模块连接。数据交换机、同步触发设备、安全连锁设备以及UPS放置于机柜中，数据交换机使用光纤与远程控制系统连接，负责所有数据的中转工作，同步触发设备接收远程控制系统发送的触发时序参数，然后再下发给对应的脉冲电源的本地控制器来控制放电模块的触发时序。当出现故障时，安全连锁设备接收到脉冲电源的故障信息后锁定同步触发设备，并发送给各本地控制器执行泄放动作命令，同时故障信息上传给远程控制系统。2套脉冲电源的参数监测和其他控制功能均由远程控制系统经数据交换机直接与对应的本地控制进行通信来实现。远程控制系统放置于控制室，用来控制脉冲大电流发生器的充电电压、充电动作、停止充电动作、触发动作、泄放动作、复位动作，以及设置脉冲电源的触发时序和模块的使用数量，监测放电模块中关键元器件、充电机、本地控制器的相关状态，对出现的故障进行报警和定位。

所述的放电模块，基本结构如图7所示，包括使用晶闸管组件作为放电开关25，作为保护电容器免受短路电流冲击的熔断器26，用来平衡电容器两端正负电压的分压器27，充电过程中出现故障情况用来保护双极性充电机的充电保护硅堆28，装置不使用时，用来接地的接地开关，使双极性充电机和放电模块中高压脉冲电容性进行连接或断开的充电开关30，接收本地控制器控制命令、参数设置以及上传本放电模块状态参数的放电模块控制器31，作为储能元件的高压脉冲电容器32，充电过程中出现故障情况用来保护双极性充电机以及充电完成不进行触发放电操作，而通过电阻进行能量释放，且内部包含泄放开关的充电保护及泄放电阻33，调节输出电流下降沿波形以及吸收负载上多余能量的续流电阻34，使用二极管组件作为续流开关35，显示当前电容电压的电压显示器36，连接充电机的双极性充电机连接端子38。

电压显示器36，主机电源插座37，双极性充电机连接端子38，控制电源插座39，光纤接口40，接地端子41，风扇42，负极输出43，正极输出44，均为辅助设施。

通过整流器将市电转换为24V直流电压的电主机电源插座37，通过整流器将市电转换为5V直流电压控制电源插座39，散热风扇42，与本地控制器连接的光纤接口40，负极输出43，正极输出44，接地端子40。输出同轴电缆8或9的内芯与正极输出连接，外芯与负极输出连接，屏蔽层与接地端子连接。在上述结构中，由于单片晶闸管和二极管的耐压水平不满足放电模块额定电压20kV，所以均采用5片串联的方式来满足耐压水平，配合外围触发或保护、状态监测电路构成晶闸管组件和二极管组件的结构。

如图8所示，为所述的放电模块的基本原理，C为高压脉冲电容器32、F为熔断器26、T为放电开关晶闸管组件25、Rc为续流电阻34、Dc为续流开关二极管组件35。放电模块由保护电路和放电电路组成，保护电路包括充电保护硅堆28、充电继电器Sc30、充电保护泄放电阻33、接地开关29、分压器27。双极性充电机14首先与充电保护硅堆连接，然后经充电继电器Sc30、充电保护泄放电阻连接、接地开关、分压器27与熔断器26和高压脉冲电容器32连接，其中熔断器26和高压脉冲电容器32为串联连接。放电电路的基本原理为并联续流支路的RLC放电电路，高压脉冲电容器32的输出正端子串联熔断器26后与作为放电开关的晶闸管组件25连接，然后再与放电模块的正极输出44连接。续流支路为二极管组件35串联续流电阻34后再与高压脉冲电容器32并联，其中二极管组件35为续流开关。高压脉冲电容器32的输出负端子直接与放电模块的负极输出43连接。在分压器27中具有接地装置，用来平衡高压脉冲电容器32两端正负电压。

如图9和图10所示，为了满足在实验区距离模拟的地球磁场中心点水平距离2米处，以开始产生扰动磁场的时刻为起始时刻，在0.12 ms时刻产生磁感应强度不小于100 G的扰动磁场需求，CRDⅠ脉冲电源在额定充电电压20 kV的情况下，可以为CRDⅠ型线圈在0.12ms时刻，提供幅值不小于140 kA左右的脉冲电流，并且为了减少电流在负载线圈上的热积累，其电流波形从峰值电流下降到10%峰值电流的持续时间小于0.7 ms。

为了满足在实验区距离模拟的地球磁场中心点水平距离2米处，以开始产生扰动磁场的时刻为起始时刻，分别在0.65 ms、0.9 ms、1.1 ms、1.3 ms和1.4 ms时刻产生磁感应强度不小于100 G的扰动磁场需求，CRDⅡ脉冲电源通过调整充电电压，可以为CRDⅡ型线圈分别在0.65 ms、0.9 ms、1.1 ms、1.3 ms和1.4 ms时刻，提供幅值不小于16 kA左右的脉冲电流，并且为了减少电流在负载线圈上的热积累，其电流波形从峰值电流下降到10%峰值电流的持续时间小于4.5 ms。

两套脉冲电源在工作过程中，在必要时刻，需要直接进行泄放操作时，电容器额定电压20 kV可在30 s内泄放至安全电压36 V。当触发和泄放功能失效时，电容器额定电压20kV可在24小时内降低到安全电压36 V。

本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情况或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (8)

1.一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，其特征是：它是用于产生多时间尺度扰动磁场的脉冲功率装置，该装置采用安全连锁设备（16）、同步触发设备（17）、数据交换机（19）和远程控制系统（20）构成一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置的控制系统，除控制系统外，该装置还包括2套脉冲电源、2套脉冲电源的本地控制器、穿壁电极、2个负载线圈以及连接同轴电缆和导线，其中2个负载线圈分别为磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈；2套脉冲功率装置的结构相同，均由脉冲电源经穿壁电极为CRDⅠ线圈、CRDⅡ线圈提供激励电流，其中两套脉冲功率装置分别标记为CRDⅠ和CRDⅡ脉冲功率装置，其内部的组成部分也分别使用CRDⅠ和CRDⅡ作为标记符号，2套脉冲功率装置的负载线圈为2个，2个线圈直径相同，密封于同一个壳体中，其中一个为单匝线圈，另一个为8匝线圈，两个线圈的输入和输出端在壳体的不同位置，两种线圈根据实验所需的时间尺度轮流使用，即两个线圈公用一组输入输出引线（5）作为激励电流的输入和输出，通过更换引线（5）连接线圈的输入输出端来实现不同线圈之间的转换，具体地，2套脉冲功率装置中脉冲电源输出电缆的连接方式有所区别，

CRDⅠ脉冲电源的共用模块（10）和自用模块（11）分别使用一根输出同轴电缆（8）和（9）在穿壁电极处并联连接后再通过引线（5）与CRDⅠ线圈的输入和输出端子（3）连接；CRDⅡ脉冲电源的所有模块都与共用模块（10）并联后由共用模块（10）使用一根输出电缆与穿壁电极连接后再通过引线与CRDⅡ线圈的输入和输出端子（4）连接，此外，CRDⅡ脉冲电源可以改变投入并联使用的模块数量来改变输出电流波形，即通过连接或拆除并联导线（12）来实现5个模块不同数量的并联连接，从而调节模块投入使用的数量；

所述远程控制系统（20）用于与数据交换机（19）之间实现数据交互，完成远程控制；

所述数据交换机（19）用于与2套脉冲功率装置、安全连锁设备（16）和同步触发设备（17）实现数据交互；

所述同步触发设备（17）用于触发2套脉冲功率装置；

安全连锁设备（16）用于接收脉冲功率装置输出的故障信号，并发出锁定信号至同步触发设备（17）。

2.根据权利要求1所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，其特征在于，一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置的控制系统还包括数据存储设备（21），

所述数据存储设备（21）用于与数据交换机（19）实现数据交互，实现数据存储。

3.根据权利要求1所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，其特征在于，所述每套脉冲功率装置中的主要部分均为脉冲电源，其为磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈提供激励电流用于产生不同时间尺度的扰动磁场，每套脉冲功率装置分别包括一套脉冲电源，2套脉冲电源均采用模块化设计。

4.根据权利要求3所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，其特征在于每套脉冲电源的本地控制器（24）用于接收同步触发设备（17）发出的触发信号，还用于上报故障信号至安全连锁设备（16），还用于控制双极性充电机组（14）和放电模块组工作，双极性充电机组（14）包括6台结构相同的双极性充电机，6台充电机分别与6个放电模块连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，其特征在于，该装置还包括UPS（22），UPS（22）用于为数据交换机（19）、安全连锁设备（16）和同步触发设备（17）供电。

6.根据权利要求5所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，其特征在于，该装置还包括放电模块货架（13）、充电机货架（15）和机柜（18），所述充电机货架（15）用于放置6台双极性充电机和2台本地控制器（24）。

7.根据权利要求6所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，其特征在于，所述放电模块货架（13）用于放置放电模块组；所述机柜（18）用于放置数据交换机（19）、同步触发设备（17）、安全连锁设备（16）和UPS（22）；该脉冲功率装置还包括光纤（23），所述远程控制系统（20）、数据存储设备（21）、数据交换机（19）、安全连锁设备（16）和同步触发设备（17）构成在地球磁暴模拟实验中产生扰动磁场的脉冲功率装置控制系统，远程控制系统（20）通过光纤（23）与数据交换机（19）连接，数据交换机（19）通过光纤（23）与2台本地控制器（24）、安全连锁设备（16）、同步触发设备（17）、数据存储设备（21）连接；安全连锁设备（16）和同步触发设备（17）分别通过光纤（23）与2台本地控制器（24）连接；安全连锁设备（16）和同步触发设备（17）之间通过光纤（23）连接。

8.根据权利要求7所述的一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置，其特征在于，每套脉冲功率装置中包括6个放电模块，所述6个放电模块结构相同，均包括晶闸管组件（25）、熔断器（26）、分压器（27）、充电保护硅堆（28）、接地开关（29）、充电开关（30）、放电模块控制器（31）、高压脉冲电容器（32）、充电保护及泄放电阻（33）、续流电阻（34）、续流开关（35）、电压显示器（36）、主机电源插座（37）、双极性充电机连接端子（38）、控制电源插座（39）、光纤接口（40）、接地端子（41）、散热风扇（42）、负极输出（43）、正极输出（44）；

晶闸管组件（25）用作放电开关；熔断器（26）用作保护电容器免受短路电流冲击；分压器（27）中具有接地装置，用来平衡电容器两端正负；充电保护硅堆（28）用于在高压脉冲电容器（32）充电过程中出现提前放电故障而充电开关（30）未断开的情况下保护双极性充电机；接地开关用于在脉冲电源未使用情况下闭合将高压脉冲电容器（32）上电荷完全释放掉；充电开关（30）用于控制双极性充电机给高压脉冲电容器（32）充电的物理开断；放电模块控制器（31）用于接收本地控制器控制命令、参数设置以及上传本放电模块状态参数；高压脉冲电容器（32）用作储能元件；充电保护及泄放电阻（33）内部含有泄放开关，用于在高压脉冲电容器（32）充电过程中出现提前放电故障而充电开关（30）未断开的情况下保护双极性充电机，以及在正常情况下，高压脉冲电容器（32）充电完成后若不进行触发放电操作，而直通过充电保护及泄放电阻（33）释放能量；续流电阻（34）用来调节输出电流下降沿波形以及吸收负载上多余能量，续流开关（35）为二极管组件；电压显示器（36）用来实时显示放电模块中高压脉冲电容器上的电压；主机电源插座（37）和控制电源插座（39）连接电网配电系统用于给放电模块内部供电；双极性充电机连接端子（38）用于连接双极性充电机组（14）；光纤接口（40）通过光纤与本地控制器连接；接地端子（41）用来连接输出同轴电缆（8）的屏蔽层从而减小电磁干扰；散热风扇（42）用来快速为放电模块中的元件散热；负极输出（43）用来引出放电模块中高压脉冲电容器的负极并连接输出同轴电缆（8）或（9）的外芯；正极输出（44）用来引出放电模块中高压脉冲电容器的正极并连接输出同轴电缆（8）的内芯。

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