CN114531053A - 一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统，涉及脉冲功率技术及应用领域。它包括工程师站、操作员站、数据存储系统、光纤交换机、机柜、配电柜、A面电源阵列、B面电源阵列。工程师站用于设置投入运行脉冲电源的基本参数并发送给操作员站，操作员站进行电压设置及放电相关操作，数据存储系统用于查看并存储每次电源运行数据，以上设备通过控制室光纤交换机与电源室光纤交换机连接后再与机柜中的安全连锁系统和同步触发设备以及位于A面电源阵列和B面电源阵列上的18电源连接实现数据交换和控制功能，配电柜用于转换和分配电网AC380V电能。本发明能够为18个线圈提供满足物理实验需求的激励电流，构建模拟的地球磁层磁场及等离子体环境。

Description

一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统
技术领域
本发明专利涉及脉冲功率技术及应用领域，具体涉及一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源技术。
背景技术
随着航天技术的迅猛发展，越来越多的人造航天器活跃在地球近地空间从事着科学研究、技术服务等现代人类社会所需的实践活动，所以航天器的可靠运行是这些实践活动的重要保障，而空间环境因素直接关系到航天器的可靠运行，据统计，空间环境导致的航天器故障有40％以上是由等离子体直接或间接引起的，而在地球近地空间中的物质基本以等离子体状态存在，因此，研究近地空间中等离子体的基本物理过程以及极端空间等离子环境的特点和爆发性物理过程具有重要科学研究及工程应用意义。
地球磁层是地球近地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，所以研究这一区域中的空间等离子环境有关现象和物理过程有着重要意义。对于地球磁层中空间等离子体环境的研究手段通常分为卫星探测、地面观测、地面模拟实验和数值仿真计算。卫星探测是最直接的研究手段，多年来通过大量的卫星观测，人们已经在研究空间等离子体环境及其物理过程方面取得了巨大成就，但是卫星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空间等离子体环境存在一定的不足。地面观测会受到地球大气层天气环境的影响导致观测结果偏差，而数值仿真计算因为理论、模型、数值、程序等限制并不能准确地反应真实物理过程。由于在地面进行空间等离子体环境的模拟实验具有过程/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，因此在理解等空间等离子体中各类物理过程，提高人类探究空间环境演化规律的能力，提升对空间等离子体环境的认识水平具有重要意义。
空间等离子体环境模拟与研究系统就是在地面模拟地球磁层中的空间等离子体环境，其中近地空间等离子环境模拟系统用来模拟地球磁层环境，其主要研究内容包括两个方面：(1) 研究空间等离子体环境的基本物理过程，具体为与磁层顶磁重联相关的三维磁重联物理问题，从而深化对空间等离子体环境的认识，为航天器设计和安全运行提供理论指导；(2)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。为了实现以上研究内容，近地空间等离子环境模拟系统使用7类共18个线圈来实现地球磁层的磁场环境，7类线圈分别为磁鞘极向场线圈、磁鞘环向场线圈、磁层顶位形控制线圈、偶极场线圈、磁扰动Ⅰ型线圈、磁扰动Ⅱ型线圈、磁镜场线圈，上述7类线圈为表述方便依次标记为PF、TF、CK、 OJC、CRDⅠ、CRDⅡ、CJC线圈，其中PF线圈包括4个子线圈，分别记为PF-A、PF-B、PF-C、 PF-D，TF线圈包括4个子线圈，分别记为TF-A、TF-B、TF-C、TF-D，CK线圈包括两组共6 个子线圈，分别记为CK-A、CK-B、CK-C、CK-D、CK-E、CK-F，OJC、CRDⅠ、CRDⅡ分别由一个线圈构成，CJC线圈由2个子线圈串联构成且视为一个线圈。磁鞘极向场线圈、磁鞘环向场线圈和偶极磁场线圈配合，形成三维非对称磁重联的背景磁场，磁层顶位形控制线圈用来调控磁场的分布；偶极磁场线圈与磁扰动线圈配合，构建用于研究模拟“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；偶极磁场线圈与磁镜场线圈组配合，构建用于研究等离子体枪驱动的地球磁尾磁重联的背景磁场。根据近地空间等离子环境模拟系统的物理实验要求，磁鞘线圈组需提供距线圈组表面约0.4m～1m处磁感应强度为100G～200G的磁场，同时该线圈组还需提供“磁层顶电流片磁鞘侧”密度约为1012cm-3～1013cm-3的等离子体；偶极磁场线圈需要在距离线圈中心处2米远的位置产生不小于400G磁感应强度的磁场，且持续时间不小于10ms；两组磁层顶位形控制线圈上下同轴对称排布且相距3m时，在中心平面处需要产生磁感应强度不小于400G的磁场，且单个线圈截面电流爬升时间不大于0.2ms；磁扰动Ⅰ型线圈和磁扰动Ⅱ型线圈在实验区距离线圈中心点水平面2米处，以开始产生扰动磁场的时刻为起始时刻，需分别在0.12ms、0.65ms、0.9ms、1.1ms、1.3ms和1.4ms 时刻产生磁感应强度不小于100G的扰动磁场；磁镜场线圈的2个串联子线圈上下同轴对称排布且相距3m时，两个线圈中心轴线与中平面的交点处需产生磁感应强度不小于200G的磁场，且持续时间不小于10ms。
基于以上需求，所有线圈需要激励电流来产生磁场，这就需要一套电源系统为所有线圈供电，同时为了准确实现地球磁层磁场的拓扑结构，18个线圈在产生磁场时需要密切配合并按照一定的时序产生物理实验所需的背景磁场，同时可以通过改变激励电流波形来实现多种物理实验的背景磁场，所以采用脉冲电源为线圈提供脉冲电流来产生脉冲磁场是进行地面模拟实验的最佳选择。因此，如何通过研制一种脉冲电源系统为近地空间等离子环境模拟系统中的7类18个线圈提供满足物理实验需求的激励电流，从而构建出模拟的地球磁层磁场及等离子体环境，是当前急需解决的问题。此外减小脉冲电源系统的使用风险，降低成本，提高维护效率也是要尽快实现的目标。
发明内容
本发明的目的是为了解决在地面进行地球磁层环境模拟时，为近地空间等离子环境模拟系统中的7类18个线圈提供满足物理实验需求的激励电流，从而构建出模拟的地球磁层磁场及等离子体环境的问题，同时减小脉冲电源系统的使用风险，提高运行灵活性和维护效率的问题。
本发明采用的技术方案是：
一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统,该脉冲电源系统包括：工程师站 1、操作员站2、数据存储系统3、控制室光纤交换机4、光纤5、1号UPS6、2号UPS7、电源室光纤交换机8、同步触发设备9、安全联锁系统10、配电系统11、A面电源阵列12、B面电源阵列13、电源室14、控制室15。其中电源控制系统包括一套工程师站1和一套操作员站2。
工程师站1用于设置投入使用的脉冲功率电源和该电源的模块数量，并且还用于设置每个电源模块输出电流的时序，还用于设置每套电源放电模块内部泄放电阻和续流电阻的温度上限以及数据采集的采样时间间隔，当电源每次放电后泄放电阻和续流电阻的温度不超过设置上限时，电源方可继续进行下一次放电操作；
操作员站2用于选择投入使用的脉冲功率电源，还用于控制电源的充电、放电、泄放，以及设置投入运行的电源的充电电压和触发时序、显示电源实时电压、续流电阻实时温度、泄放电阻实时温度、本地控制器状态、同步触发设备状态、安全连锁设备状态、电源运行状态以及其他关键元件的状态参数。在出现故障情况下，远程控制系统接收安全连锁设备发送的保护信号，向本地控制器发送停止充电和泄放指令，各个模块断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量；
数据存储系统3用来存储脉冲功率电源每次放电的数据，并提供查询任意一次放电数据的功能；
控制室光纤交换机4通过网线与工程师站1、操作员站2、数据存储系统3连接，然后通过光纤5与放置电源室14中的机柜上的一台电源室光纤交换机8连接；
光纤5分别连接位于控制室的一台控制室光纤交换机4和位于电源室的一台电源室光纤交换机8，光纤共两条，分别用于接收数据和发送数据；
1号UPS6为配电系统11的一个部分，用于为电源室光纤交换机8、同步触发设备9、安全联锁系统10；
2号UPS7为配电系统11的一个部分，用于为A面电源阵列12和B面电源阵列13中各套电源的本地控制器16和放电模块19中的控制器供电；
电源室光纤交换机8在电源室14中通过光纤分别与同步触发设备9、安全联锁系统10 连接。通过使用光纤连接分别放置于控制室和电源室的两台光纤交换机，可以减小脉冲电源系统工作过程中对电源控制系统以及数据存储系统造成的电磁干扰。
同步触发设备9用于接收远程控制系统发送的各种时序参数和指令，根据具体时序，向投入使用的脉冲电源的本地控制器发送触发信号。另外在出现故障的情况下，接收安全连锁设备发送的保护信号，锁定同步触发设备，禁止触发信号的发送；
安全联锁系统10包括安全联锁设备、控制室急停按钮和电源室门禁开关，该系统在在脉冲电源系统工作过程中用来接收各套脉冲电源本地控制器在故障情况下上报的故障信号、控制室急停按钮的按下信号和电源室门禁开关的开启信号，当安全连锁设备接收到以上任意信号时，将向同步触发设备9、电源控制系统的操作员站2和配电系统11输出锁定保护信号，同步触发设备锁定触发放电功能，电源控制系统的操作员站2向各套电源的本地控制器16发送停止充电和泄放指令，各个放电模块19断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量，配电系统11断开与电网连接；
配电系统11包含3组配电柜、2个UPS以及相关线路和开关，用于将电网AC380V电能转换为脉冲电源系统各部分设备所需规格的电能并输送和分配给对应设备。三组配电柜中第一组为1号UPS7隔离供电，为电源室光纤交换机8、同步触发设备9、安全连锁系统10供电；第二组为2号UPS8隔离供电，为A面电源阵列12和B面电源阵列13中各套电源的本地控制器16和放电模块19中的控制器供电；第三组为A面电源阵列12和B面电源阵列13中的18 套电源供电；
A面电源阵列12和B面电源阵列13为该脉冲电源系统的放电主体，共18套脉冲电源，分别与近地空间等离子环境模拟系统中的7类18个线圈连接，为它们提供激励脉冲电流，18 套脉冲电源采用与18个线圈相同的标记，即为：PF-A电源、PF-B电源、PF-C电源、PF-D电源、TF-A电源、TF-B电源、TF-C电源、TF-D电源、CK-A电源、CK-B电源、CK-C电源、CK-D 电源、CK-E电源、CK-F电源、CRDⅠ电源、CRDⅡ电源、OJC电源、CJC电源；
电源室14用于放置1号UPS6、2号UPS7、电源室光纤交换机8、同步触发设备9、安全联锁系统10、配电系统11、A面电源阵列12、B面电源阵列13；
控制室15远离电源室14，用于放置工程师站1、操作员站2、数据存储系统3、控制室光纤交换机4；
所述电源室14和控制室15不包含于本发明中，只用于说明各部分位置关系。
本发明中，所述A面电源阵列12和B面电源阵列13中的18套电源都采用模块化结构，即各套脉冲功率电源由若干模块组成，这样不仅能够分散储能风险，还能够提高电源使用的灵活性和维护效率，其中PF-A、PF-B、PF-C、PF-D电源均由9个模块组成，TF-A、TF-B、TF-C、 TF-D电源均由4个模块组成，CK-A、CK-B、CK-C、CK-D、CK-E、CK-F电源均由10个模块组成，CRDⅠ电源由2个模块组成，CRDⅡ电源由5个模块组成，OJC电源由10个模块组成，CJC 电源由5个模块组成，其中OJC电源和CJC电源共用5个模块，当OJC电源单独运行而CJC 不投入使用时，OJC电源为10个模块，当OJC电源和CJC电源共同工作时，两套电源均为5 个模块。每个模块由充电机17和放电模块19组成，充电机17通过高压导线18与放电模块 19连接为其充电，放电模块19通过输出同轴电缆20输出脉冲电流，放电模块19的输出正和输出负分别连接同轴电缆的内芯和外芯。每个放电模块19都有一个模块控制器用来接收本地控制器发送的指令以及上传该放电模块的状态参数。每台电源的所有放电模块19中有1台为主放电模块，具有续流电流测量和电容电压测量的功能，其余放电模块除了不具有上述两个功能外其余结构和功能均与主放电模块相同。
各套脉冲电源还包括本地控制器16，所有本地控制器16功能相同，用于接收电源控制系统发送的各种参数和指令，向各个模块下发参数和指令，接收各个放电模块上传的电压、续流电流和温度采集数据以及工作状态信息，采集线圈电压和电源输出电流数据，融合处理各种数据和状态并存储，按照相应要求发送至远程控制系统，上报故障信号至安全连锁设备、上报故障信息至电源控制系统。
本地控制器16与电源室光纤交换机8、同步触发设备9、安全联锁系统10、充电机17、放电模块19均通过光纤进行数据传输。
本发明中，所述A面电源阵列12包括TF-A电源、TF-B电源、TF-C电源、TF-D电源、CK-A电源、CK-B电源、CRDⅠ电源、CRDⅡ电源、OJC电源、CJC电源以及辅助设备。其中TF-A 电源、TF-B电源、TF-C电源、TF-D电源、CK-A电源、CK-B电源、CRDⅠ电源、CRDⅡ电源为快脉冲电源，它们的每个放电模块由320μF高压脉冲电容器组成，可标记为320快脉冲放电模块21，而OJC电源和CJC电源为缓脉冲电源，它们的每个放电由3个560μF高压脉冲电容器并联组成，可标记为缓脉冲电放电模块26。
本地控制器16根据各个脉冲电源模块数量的多少分为2种尺寸规格的本地控制器，CK-A 电源、CK-B电源使用高度较高的大本地控制器23；TF-A电源、TF-B电源、TF-C电源、TF-D 电源、CRDⅠ电源、CRDⅡ电源使用高度较小的小本地控制器22；OJC电源和CJC电源采用共用模块模式，OJC电源全模块单独运行时需要将本身的5个模块与CJC电源的5个模块共同使用，所以OJC电源的5个模块拥有一个本地控制器，CJC的5个模块拥有一个本地控制器，因此OJC电源和CJC电源也使用高度较小的小本地控制器22。
辅助设备包括分线盘24、隔离变压器25、分光器27、空气开关控制组28。
分线盘24在A面电源阵列12上共5个，结构和功能均相同，分别为TF-A电源和TF-B电源分线盘、TF-C电源和TF-D电源分线盘、CK-A电源和CK-B电源分线盘、OJC电源和CJC 电源分线盘，分线盘的一端连接对应的隔离变压器25，另一端连接对应脉冲电源的各个充电机17，其作用是将配电系统11转换的电网AC380V电能经隔离变压器25分配给各个对应脉冲电源的充电机17。
隔离变压器25在A面电源阵列12上共5个，结构和功能均相同，分别为TF-A电源和TF-B电源隔离变压器、TF-C电源和TF-D电源隔离变压器、CK-A电源和CK-B电源隔离变压器、OJC电源和CJC电源隔离变压器，隔离变压器的一端连接配电系统11，另一端连接对应脉冲电源的本地控制器16、放电模块19和分线盘24，其作用是将配电系统11转换的电网 AC220V和AC380V电能在与对应设备进行连接时实现隔离，并实现滤波进而保证脉冲电源系统用电稳定性和安全性。
分光器27用于OJC电源和CJC电源中，由于这两种电源的放电模块由3个560μF高压脉冲电容器并联组成，而充电机17对应一台560μF高压脉冲电容器为其充电，为了保证3 台充电机17的充电一致性，使用分光器27将本地控制器16发送的一路光信号分为3路光信号下发给3台充电机17，共30路光信号以及10路备用光信号。
空气开关控制组28一端连接配电系统11，另一端连接所有脉冲电源的隔离变压器25，每套脉冲电源对应一个空气开关，控制由配电系统11转换的电网AC220V电能与本地控制器 16和放电模块19的连接。
本发明中，所述B面电源阵列13包括PF-A电源、PF-B电源、PF-C电源、PF-D电源、CK-C电源、CK-D电源、CK-E电源、CK-F电源以及辅助设备。B面电源阵列13中脉冲电源均为快脉冲电源，CK-C电源、CK-D电源、CK-E电源、CK-F电源的每个放电模块由320μF高压脉冲电容器组成，可标记为320快脉冲放电模块21，PF-A电源、PF-B电源、PF-C电源、PF-D 电源的每个放电模块由560μF高压脉冲电容器组成，可标记为560快脉冲放电模块29。
B面电源阵列13中的所有脉冲电源的本地控制器均为高度较高的大本地控制器23。辅助设备包括分线盘24、隔离变压器25、接地开关组30。分线盘24和隔离变压器25与A面电源阵列12中的功能和结构均相同。接地开关组30共18个旋钮开关，通过气阀控制各套脉冲电源的接地开合。
本发明中，所述320快脉冲放电模块21和560快脉冲放电模块29具有相同电路结构，而缓脉冲电放电模块26在320快脉冲放电模块21和560快脉冲放电模块29电路结构的基础上略有改进。
320快脉冲放电模块21和560快脉冲放电模块29均由保护电路和放电电路组成。保护电路可以在放电单元故障的情况下降低充电机损坏的风险，并通过使用主动或被动的方法耗散电容器中存储的能量。如果出现故障，模块中的电容器提前触发放电，这意味着充电机和电容器之间的充电继电器(Sc)出现故障，并且在放电之前没有断开连接，这可能会给充电机带来很大的反向电压，甚至损坏充电机。保护二极管(Dp)与充电机并联以降低这些风险。在正常充电情况下，保护二极管(Dp)是反向偏置的，不会传导可观的电流。如果故障情况下电容器提前触发放电，电容相对地的电压为负，充电机的两个输出端会出现较高的反向电压，保护二极管(Dp)变为正向偏置，保护二极管(Dp)中的电流随后受到反向保护电阻(Rrp) 的限制，充电机两个输出端的反向电压被限制为二极管的正向压降。保护电阻器(Rcp)安装在放电单元的两个输入端，与上述保护二极管(Dp)互补。如果电容器提前触发，保护电阻器(Rcp)可以限制流过充电机的反向电流。此外，如果沿充电电缆发生短路故障，保护电阻器(Rcp)可以限制故障电流。在接地故障的情况下，双极电容器将远离平衡电压，并可能使相对于接地的电压增加一倍。如果在充电继电器(Sc)仍连接到充电机时发生此类故障，充电保护二极管(Dcp)会反向偏置，从而提供与充电机输出匹配的压降，并防止升高的电压损坏充电机。
每个模块中的电容器通过反向保护电阻器(Rrp)与泄放电阻器(Rd)连接。如果在电容器充电后中止放电，电容器可以通过泄放电阻(Rd)和反向保护电阻(Rrp)安全放电。此外，放电后电容器上的残余电荷可以通过它们释放。当泄放开关(Sd)闭合时，电容器的最大初始电压(20kV)可在30s内降至安全值36V。泄漏电阻器(Rb)与电容器并联以在泄放电阻器和其他泄放措施发生故障的情况下缓慢释放电荷。泄漏电阻(Rb)可以在12小时内将电容器的最大初始电压降低到36V以下，这是一种被动保护机制，也是释放电容器能量的最后手段。模块外部镶嵌实时显示电压的指针式表头，其采用与泄放支路串联的电流表测量漏电流并转换成电压的方法来实现，这种方法实现的实时电压显示不会影响使用高阻泄放电阻的泄放支路电阻。为确保电容器上没有残留电荷，当脉冲电源不工作时，应关闭具有常闭触点的接地继电器(Sg)。
放电模块使用与电容器并联的续流支路来保护电容器免受振荡引起的大电压摆动。此外，续流支路通常由一个续流开关与续流电阻(Rc)串联组成。续流电阻(Rc)可以耗散负载的磁能并修改电流的下降沿。电容器与熔断器(F)串联，以防止电容器在短路故障时受到过流冲击而损坏。放电开关和续流开关分别使用晶闸管组件(T)和二极管组件(Dc)。
320快脉冲放电模块21和560快脉冲放电模块29内部所使用的元件除储能电容参数、续流电阻参数不同外，其他元件参数均相同。
缓脉冲电放电模块26的储能元件由三个560μF电容器并联组成，还在放电开关和输出端串联一个保护电感防止负载短路对放电模块的冲击，而放电开关还并联了二级管组件，防止负载的反压损坏放电开关，其他部分电路结构与320快脉冲放电模块21和560快脉冲放电模块29的电路结构相同，此外电路结构相同部分所使用的的元件除了储能电容参数、续流电阻参数不同外，其余均与320快脉冲放电模块21和560快脉冲放电模块29的相同。
所有脉冲电源模块中的充电机均为双极性充电机，可以使电容器每侧的电压为其总电压的一半，从而降低了元件的耐压条件。
本发明中，所述的工程师站1、操作员站2、数据存储系统3均各自在一台电脑上进行操作，每台电脑均有独立的操作软件进行对应功能的操作。
有益效果：本发明所述一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统，能够在地面进行地球磁层环境模拟时，为近地空间等离子环境模拟系统中的7类18个线圈提供满足物理实验需求的激励电流，从而构建出模拟的地球磁层磁场及等离子体环境，同时采用模块结构设计减小了脉冲电源系统的使用风险，提高使用灵活性和维护效率。
本发明中所述装置的有益效果是：1)使用该脉冲电源系统能够在地面进行地球磁层环境模拟时，为近地空间等离子环境模拟系统中的7类18个线圈提供满足物理实验需求的激励电流，从而构建出模拟的地球磁层磁场及等离子体环境；2)使用该脉冲电源系统可以通过调整投入使用脉冲电源的数量以及改变每套脉冲电源的放电时序产生多种结构的磁场位形，使得实验所需的背景磁场更加多样化；3)该脉冲电源系统的每套脉冲电源可以通过调整投入使用的放电模块数量来改变输出脉冲电流的波形，从而改变单个线圈产生的磁场位型；4)该脉冲电源采用模块结构设计，减小了脉冲电源系统的使用风险，提高使用灵活性和维护效率。
附图说明
图1为一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统的总体示意图；
图2为一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统拓扑结构示意图；
其中(a)为该系统的拓扑结构示意图；(b)为该系统的单套脉冲电源的拓扑结构示意图；
图3为一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统的电源阵列分布图；
其中(a)为该系统的A面电源阵列分布图；(b)为该系统的B面电源阵列分布图；
图4为单个放电模块的电路结构示意图；
其中(a)为快脉冲放电模块的电路结构示意图；(b)为缓脉冲放电模块的电路结构示意图；
图5为电源控制系统中工程师站界面图；
图6为电源控制系统中操作员站界面图；
其中(a)为操作员站界面中设置及控制功能界面图；(b)为操作员站界面中状态显示界面图；
图7为数据存储系统的操作及显示界面；
其中(a)为数据存储系统的数据查询及数据概览界面；(b)为数据存储系统的数据详细内容显示界面；
图8为电源控制系统的操作流程图；
其中(a)为工程师站操作流程图；(b)为操作员站操作流程图；
图9为18套脉冲电源输出电流波形图
其中(a)为PF电源、TF电源、CK电源、CRDⅠ电源输出电流波形图；(b)为CRDⅡ电源输出电流波形图；(c)为OJC电源和CJC电源输出电流波形图。
图中附图标记有：1、工程师站，2、操作员站，3、数据存储系统，4、控制室光纤交换机，5、连接光纤，6、1号UPS，7、2号UPS，8、电源室光纤交换机，9、同步触发设备，10、安全联锁系统，11、配电系统，12、A面电源阵列，13、B面电源阵列、14、电源室，15、控制室，16本地控制器、17、充电机、18、高压导线、19、放电模块、20、输出同轴电缆，21、 320快脉冲放电模块，22、小本地控制器，23、大本地控制器，24、分线盘，25、隔离变压器，26、缓脉冲电放电模块，27、分光器，28、空气开关控制组，29、560快脉冲放电模块， 30、接地开关组。
具体实施方式
具体实施方式一、参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统,该脉冲电源系统用于为近地空间等离子环境模拟系统中的7类18个线圈提供满足物理实验需求的激励电流，从而构建出模拟的地球磁层磁场及等离子体环境。该脉冲电源系统包括：工程师站1、操作员站2、数据存储系统3、控制室光纤交换机4、光纤5、1号UPS6、2号UPS7、电源室光纤交换机8、同步触发设备9、安全联锁系统10、配电系统11、A面电源阵列12、B面电源阵列13、电源室14、控制室15。其中电源控制系统包括一套工程师站1和一套操作员站2。
工程师站1用于设置投入使用的脉冲功率电源和该电源的模块数量，并且还用于设置每个电源模块输出电流的时序，还用于设置每套电源放电模块内部泄放电阻和续流电阻的温度上限以及数据采集的采样时间间隔，当电源每次放电后泄放电阻和续流电阻的温度不超过设置上限时，电源方可继续进行下一次放电操作；
操作员站2用于选择投入使用的脉冲功率电源，还用于控制电源的充电、放电、泄放，以及设置投入运行的电源的充电电压和触发时序、显示电源实时电压、续流电阻实时温度、泄放电阻实时温度、本地控制器状态、同步触发设备状态、安全连锁设备状态、电源运行状态以及其他关键元件的状态参数。在出现故障情况下，远程控制系统接收安全连锁设备发送的保护信号，向本地控制器发送停止充电和泄放指令，各个模块断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量；
数据存储系统3用来存储脉冲功率电源每次放电的数据，并提供查询任意一次放电数据的功能；
控制室光纤交换机4通过网线与工程师站1、操作员站2、数据存储系统3连接，然后通过光纤5与放置电源室14中的机柜上的一台电源室光纤交换机8连接；
光纤5分别连接位于控制室的一台控制室光纤交换机4和位于电源室的一台电源室光纤交换机8，光纤共两条，分别用于接收数据和发送数据；
1号UPS6为配电系统11的一个部分，用于为电源室光纤交换机8、同步触发设备9、安全联锁系统10；
2号UPS7为配电系统11的一个部分，用于为A面电源阵列12和B面电源阵列13中各套电源的本地控制器16和放电模块19中的控制器供电；
电源室光纤交换机8在电源室14中通过光纤分别与同步触发设备9、安全联锁系统10 连接。通过使用光纤连接分别放置于控制室和电源室的两台光纤交换机，可以减小脉冲电源系统工作过程中对电源控制系统以及数据存储系统造成的电磁干扰。
同步触发设备9用于接收远程控制系统发送的各种时序参数和指令，根据具体时序，向投入使用的脉冲电源的本地控制器发送触发信号。另外在出现故障的情况下，接收安全连锁设备发送的保护信号，锁定同步触发设备，禁止触发信号的发送；
安全联锁系统10包括安全联锁设备、控制室急停按钮和电源室门禁开关，该系统在在脉冲电源系统工作过程中用来接收各套脉冲电源本地控制器在故障情况下上报的故障信号、控制室急停按钮的按下信号和电源室门禁开关的开启信号，当安全连锁设备接收到以上任意信号时，将向同步触发设备9、电源控制系统的操作员站2和配电系统11输出锁定保护信号，同步触发设备锁定触发放电功能，电源控制系统的操作员站2向各套电源的本地控制器16发送停止充电和泄放指令，各个放电模块19断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量，配电系统11断开与电网连接；
配电系统11包含3组配电柜、2个UPS以及相关线路和开关，用于将电网AC380V电能转换为脉冲电源系统各部分设备所需规格的电能并输送和分配给对应设备。三组配电柜中第一组为1号UPS7隔离供电，为电源室光纤交换机8、同步触发设备9、安全连锁系统10供电；第二组为2号UPS8隔离供电，为A面电源阵列12和B面电源阵列13中各套电源的本地控制器16和放电模块19中的控制器供电；第三组为A面电源阵列12和B面电源阵列13中的18 套电源供电；
A面电源阵列12和B面电源阵列13为该脉冲电源系统的放电主体，共18套脉冲电源。

Claims (10)

1.一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统，其特征是：该脉冲电源系统用于为近地空间等离子环境模拟系统中的N类M个线圈提供满足物理实验需求的激励电流，从而构建出模拟的地球磁层磁场及等离子体环境，所述N和M均为正整数；该脉冲电源系统包括：工程师站(1)、操作员站(2)、数据存储系统(3)、控制室光纤交换机(4)、光纤(5)、一号UPS(6)、二号UPS(7)、电源室光纤交换机(8)、同步触发设备(9)、安全联锁系统(10)、配电系统(11)、A面电源阵列(12)、B面电源阵列(13)、电源室(14)和控制室(15)；
所述工程师站(1)用于设置投入使用的脉冲功率电源及其数量，还用于设置每个电源模块输出电流的时序，还用于设置每套电源放电模块内部泄放电阻和续流电阻的温度上限以及数据采集的采样时间间隔，当电源每次放电后，若泄放电阻和续流电阻的温度不超过预设上限时，电源能够继续进行下一次放电操作；
所述操作员站(2)用于选择投入使用的脉冲功率电源，还用于控制电源的充电、放电、泄放，以及设置投入运行的电源的充电电压和触发时序、显示电源实时电压、续流电阻实时温度、泄放电阻实时温度、本地控制器状态、同步触发设备状态、安全连锁设备状态、电源运行状态和其它关键元件的状态参数；在出现故障情况下，远程控制系统接收安全连锁设备发送的保护信号，向本地控制器发送停止充电和泄放指令，各个模块断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量；
所述控制室光纤交换机(4)通过网线与工程师站(1)和操作员站(2)连接，然后通过光纤(5)与所述电源室(14)中机柜上的一台电源室光纤交换机(8)连接；
所述光纤(5)分别连接位于控制室的一台控制室光纤交换机(4)和位于电源室(14)的一台电源室光纤交换机(8)，所述光纤共两条，分别用于接收数据和发送数据；
所述一号UPS(6)为配电系统(11)的一个部分，用于为电源室光纤交换机(8)、同步触发设备(9)和安全联锁系统(10)供电；
所述二号UPS(7)为配电系统(11)的另一个部分，用于为A面电源阵列12)中各套电源的本地控制器(16)、B面电源阵列13)中各套电源的本地控制器(16)和放电模块(19)中的控制器供电；
所述电源室光纤交换机(8)在电源室(14)中通过光纤分别与同步触发设备(9)和安全联锁系统(10)连接；
所述同步触发设备(9)用于接收远程控制系统发送的各种时序参数和指令，并根据具体时序，向投入使用的脉冲电源的本地控制器发送触发信号；还用于在出现故障的情况下，接收安全连锁设备发送的保护信号，锁定同步触发设备，禁止触发信号的发送；
所述安全联锁系统(10)包括安全联锁设备、控制室急停按钮和电源室门禁开关，该系统在在脉冲电源系统工作过程中用于接收各套脉冲电源本地控制器在故障情况下上报的故障信号、控制室急停按钮的按下信号和电源室门禁开关的开启信号，当安全连锁设备接收到以上信号之一时，将向同步触发设备(9)、电源控制系统的操作员站(2)和配电系统(11)输出锁定保护信号，同步触发设备锁定触发放电功能，电源控制系统的操作员站(2)向各套电源的本地控制器(16)发送停止充电和泄放指令，各个放电模块(19)断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量，配电系统(11)断开与电网的连接；
所述配电系统(11)包含三组配电柜、两个UPS以及相关线路和开关，用于将电网AC380V电能转换为脉冲电源系统各部分设备所需规格的电能并输送和分配给对应设备；三组配电柜中第一组为一号UPS(7)隔离供电，为电源室光纤交换机(8)、同步触发设备(9)、安全连锁系统(10)供电；三组配电柜中第二组为二号UPS(8)隔离供电，还用于为A面电源阵列(12)和B面电源阵列(13)中各套电源的本地控制器(16)和放电模块(19)中的控制器供电；三组配电柜中第三组为A面电源阵列(12)和B面电源阵列(13)中的各套电源供电；
所述电源室(14)用于放置一号UPS(6)、二号UPS(7)、电源室光纤交换机(8)、同步触发设备(9)、安全联锁系统(10)、配电系统(11)、A面电源阵列(12)、B面电源阵列(13)；
所述控制室(15)远离电源室(14)，用于放置工程师站(1)、操作员站(2)、和控制室光纤交换机(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统，其特征在于，它还包括数据存储系统(3)，
所述数据存储系统(3)用来存储脉冲功率电源每次放电的数据，并提供查询其中一次放电数据的功能；
所述数据存储系统(3)通过网线与控制室光纤交换机(4)连接；
所述数据存储系统(3)放置于所述控制室(15)。
3.根据权利要求1所述的一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统，其特征在于，所述A面电源阵列(12)和B面电源阵列(13)为该脉冲电源系统的放电主体，共18套脉冲电源，分别与近地空间等离子环境模拟系统中的N类M个线圈连接，为它们提供激励脉冲电流，18套脉冲电源，并采用与18个线圈相同的标记，即为：PF-A电源、PF-B电源、PF-C电源、PF-D电源、TF-A电源、TF-B电源、TF-C电源、TF-D电源、CK-A电源、CK-B电源、CK-C电源、CK-D电源、CK-E电源、CK-F电源、CRDⅠ电源、CRDⅡ电源、OJC电源、CJC电源。
4.根据权利要求3所述的一种用于空间等离子体环境模拟与研究的脉冲电源系统，其特征在于，所述A面电源阵列(12)和B面电源阵列(13)中的18套电源都采用模块化结构，即：各套脉冲功率电源由K个模块组成，K为正整数。其中：PF-A、PF-B、PF-C、PF-D电源均由9个模块组成，TF-A、TF-B、TF-C、TF-D电源均由4个模块组成，即：CK-A、CK-B、CK-C、CK-D、CK-E、CK-F电源均由10个模块组成，CRDⅠ电源由2个模块组成，CRDⅡ电源由5个模块组成，OJC电源由10个模块组成，CJC电源由5个模块组成，其中OJC电源和CJC电源共用5个模块，当OJC电源单独运行而CJC不投入使用时，OJC电源为10个模块，当OJC电源和CJC电源共同工作时，两套电源均为5个模块；每个模块均由充电机(17)和放电模块(19)组成，所述充电机(17)通过高压导线(18)与所述放电模块(19)连接，并为其充电，所述放电模块(19)通过输出同轴电缆(20)输出脉冲电流，放电模块(19)的输出正和输出负分别连接同轴电缆的内芯和外芯；每个放电模块(19)都有一个模块控制器用来接收本地控制器发送的指令以及上传该放电模块的状态参数；每台电源的所有放电模块(19)中有1台为主放电模块，具有续流电流测量和电容电压测量的功能，其余放电模块除了不具有上述两个功能外其余结构和功能均与主放电模块相同。
每套脉冲电源还包括一个本地控制器(16)，所有本地控制器(16)功能均相同，用于接收电源控制系统发送的各种参数和指令，还用于向各个模块下发参数和指令、接收各个放电模块上传的电压、续流电流和温度采集数据以及工作状态信息、采集线圈电压和电源输出电流数据，融合处理各种数据和状态并存储、按照相应要求发送至远程控制系统和上报故障信号至安全连锁设备、上报故障信息至电源控制系统。
所述本地控制器(16)与电源室光纤交换机(8)、同步触发设备(9)、安全联锁系统(10)、充电机(17)、放电模块(19)均通过光纤进行数据传输。
5.根据权利要求4所述的一种脉冲电源系统，其特征在于，所述A面电源阵列(12)包括TF-A电源、TF-B电源、TF-C电源、TF-D电源、CK-A电源、CK-B电源、CRDⅠ电源、CRDⅡ电源、OJC电源、CJC电源以及辅助设备。其中：TF-A电源、TF-B电源、TF-C电源、TF-D电源、CK-A电源、CK-B电源、CRDⅠ电源、CRDⅡ电源为快脉冲电源，它们的每个放电模块由320μF高压脉冲电容器组成，标记为320快脉冲放电模块(21)，而OJC电源和CJC电源为缓脉冲电源，它们的每个放电由3个560μF高压脉冲电容器并联组成，标记为缓脉冲电放电模块(26)。
本地控制器(16)根据各个脉冲电源模块数量的多少分为2种尺寸规格的本地控制器，CK-A电源、CK-B电源使用高度较高的大本地控制器(23)；TF-A电源、TF-B电源、TF-C电源、TF-D电源、CRDⅠ电源、CRDⅡ电源使用高度较小的小本地控制器(22)；OJC电源和CJC电源采用共用模块模式，OJC电源全模块单独运行时需要将本身的5个模块与CJC电源的5个模块共同使用，所以OJC电源的5个模块拥有一个本地控制器，CJC的5个模块拥有一个本地控制器，因此OJC电源和CJC电源也使用高度较小的小本地控制器(22)。
辅助设备包括分线盘(24)、隔离变压器(25)、分光器(27)、空气开关控制组(28)；
分线盘(24)在A面电源阵列(12)上共5个，结构和功能均相同，分别为TF-A电源和TF-B电源分线盘、TF-C电源和TF-D电源分线盘、CK-A电源和CK-B电源分线盘、OJC电源和CJC电源分线盘，分线盘的一端连接对应的隔离变压器(25)，另一端连接对应脉冲电源的各个充电机(17)，其作用是将配电系统(11)转换的电网AC380V电能经隔离变压器(25)分配给各个对应脉冲电源的充电机(17)；
隔离变压器(25)在A面电源阵列(12)上共5个，结构和功能均相同，分别为TF-A电源和TF-B电源隔离变压器、TF-C电源和TF-D电源隔离变压器、CK-A电源和CK-B电源隔离变压器、OJC电源和CJC电源隔离变压器，隔离变压器的一端连接配电系统(11)，另一端连接对应脉冲电源的本地控制器(16)、放电模块(19)和分线盘(24)，其作用是将配电系统(11)转换的电网AC220V和AC380V电能在与对应设备进行连接时实现隔离，并实现滤波进而保证脉冲电源系统用电稳定性和安全性。
分光器(27)用于OJC电源和CJC电源中，由于这两种电源的放电模块由3个560μF高压脉冲电容器并联组成，而充电机(17)对应一台560μF高压脉冲电容器为其充电，为了保证3台充电机(17)的充电一致性，使用分光器(27)将本地控制器(16)发送的一路光信号分为3路光信号下发给3台充电机(17)，共30路光信号以及10路备用光信号。
空气开关控制组(28)一端连接配电系统(11)，另一端连接所有脉冲电源的隔离变压器(25)，每套脉冲电源对应一个空气开关，控制由配电系统(11)转换的电网AC220V电能与本地控制器(16)和放电模块(19)的连接。
6.根据权利要求5所述的一种脉冲电源系统，其特征在于，所述B面电源阵列(13)包括PF-A电源、PF-B电源、PF-C电源、PF-D电源、CK-C电源、CK-D电源、CK-E电源、CK-F电源以及辅助设备。B面电源阵列(13)中脉冲电源均为快脉冲电源，CK-C电源、CK-D电源、CK-E电源、CK-F电源的每个放电模块由320μF高压脉冲电容器组成，可标记为320快脉冲放电模块(21)，PF-A电源、PF-B电源、PF-C电源、PF-D电源的每个放电模块由560μF高压脉冲电容器组成，可标记为560快脉冲放电模块(29)。
B面电源阵列(13)中的所有脉冲电源的本地控制器均为高度较高的大本地控制器(23)。辅助设备包括分线盘(24)、隔离变压器(25)、接地开关组(30)。分线盘(24)和隔离变压器(25)与A面电源阵列(12)中的功能和结构均相同。接地开关组30共18个旋钮开关，通过气阀控制各套脉冲电源的接地开合。
7.根据权利要求6所述的一种脉冲电源系统，其特征在于，所述320快脉冲放电模块(21) 和560快脉冲放电模块(29)具有相同电路结构，而缓脉冲电放电模块(26)在320快脉冲放电模块(21)和560快脉冲放电模块(29)电路结构的基础上略有改进。
8.根据权利要求7所述的一种脉冲电源系统，其特征在于，所述工程师站(1)、操作员站(2)、数据存储系统(3)均各自在一台电脑上进行操作，每台电脑均有独立的操作软件进行对应功能的操作。
9.根据权利要求1所述的一种脉冲电源系统，其特征在于，N＝7。
10.根据权利要求1所述的一种脉冲电源系统，其特征在于，M＝1。
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