CN117174342B - 工作在脉冲磁场环境中的设备及其控制方法和核聚变系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种工作在脉冲磁场环境中的设备及其控制方法和核聚变系统，设备包括设备本体，电源变化模块和储能模块，电源变化模块包括磁性器件，电源变化模块可用于对设备本体供电和/或对储能模块充电，储能模块可用于对设备本体供电，其中，脉冲磁场为核聚变装置在工作状态下产生的，控制方法包括：获取脉冲磁场的磁场强度值；在磁场强度值大于或等于预设磁场强度值时，控制电源变化模块关断，并控制储能模块对设备本体供电；在磁场强度值小于预设磁场强度值时，控制电源变化模块对储能模块充电。

Description

工作在脉冲磁场环境中的设备及其控制方法和核聚变系统

技术领域

本发明涉及电子电力技术领域，具体涉及一种工作在脉冲磁场环境中的设备及其控制方法和核聚变系统。

背景技术

磁约束核聚变装置，例如托卡马克装置，在运行过程中，需要产生强脉冲磁场来约束等离子体，通常通过在装置四周产生大电流来实现，为了产生电流，会在装置外部绕绕组线圈，托卡马克装置使用铜排作为绕组的导体，用以帮助产生所需要的强磁场。根据安培定则，电流通过导体时，会产生磁场。

铜排上强的感应磁场会对周围的设备或器件造成影响，尤其是磁性器件如变压器，电感器，扼流环等，环境中的磁场强度超过了磁性器件的饱和磁感应强度时，磁性器件就会失效并影响设备的正常工作。尤其是在大电流导体附近运行的情形下，大电流会产生大磁场，从而影响设备的运行，严重的甚至导致设备损坏。

在现有的技术下，为了避免磁场环境对周围的设备的影响，往往使用屏蔽或隔离的方式，而屏蔽或隔离的方式会造成体积的占用，或者将易受到磁场干扰的设备搬移至强磁场环境外，但是会导致测量结果的不精确，无法满足使用需求。

因此，如何在保证脉冲磁场环境下工作的设备能够正常运行的同时减少磁场对设备的影响成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请提供一种工作在脉冲磁场环境中的设备及其控制方法和核聚变系统，至少解决相关技术中存在的如何在保证脉冲磁场环境下工作的设备能够正常运行的同时减少磁场对设备的影响的技术问题。

根据第一方面，本申请实施例提供一种工作在脉冲磁场环境中的设备的控制方法，设备包括设备本体，电源变化模块和储能模块，电源变化模块包括磁性器件，电源变化模块可用于对设备本体供电和/或对储能模块充电，储能模块可用于对设备本体供电，其中，脉冲磁场为核聚变装置在工作状态下产生的，控制方法包括：获取脉冲磁场的磁场强度值；在磁场强度值大于或等于预设磁场强度值时，控制电源变化模块关断，并控制储能模块对设备本体供电；在磁场强度值小于预设磁场强度值时，控制电源变化模块对储能模块充电。

在一种实施例中，电源变化模块包括电源开关，用于导通/断开电源变化模块与设备本体和储能模块的连接，在电源变化模块和储能模块通过切换开关与设备本体连接；在磁场强度值大于或等于预设磁场强度值时，控制电源开关断开，并控制切换开关切换至储能模块对设备本体供电。

在一种实施例中，在磁场强度值小于预设磁场强度值时还包括：检测磁场强度变化状态；基于磁场强度变化状态和磁场强度值控制电源变化模块的工作状态。

在一种实施例中，基于磁场强度变化状态和磁场强度值控制电源变化模块的工作状态包括：判断磁场强度变化状态是否为强度增大状态；当磁场强度变化状态为强度增大状态时，基于磁场强度变化状态和磁场强度值确定稳态磁场预测强度值；当稳态磁场预测强度值大于或等于预设磁场强度值时，控制电源变化模块关断，并控制储能模块对设备本体供电；当稳态磁场预测强度值小于预设磁场强度值时，保持电源变化模块的工作状态。

在一种实施例中，当磁场强度变化状态为强度减小状态时，控制电源变化模块对储能模块充电。

在一种实施例中，设备还包括磁场强度检测装置，靠近设备本体放置，用于检测设备本体所处环境的磁场强度值作为脉冲磁场的磁场强度值。

根据第二方面，本申请实施例提供一种工作在脉冲磁场环境中的设备，其特征在于，包括：设备本体，电源变化模块、储能模块和处理器，电源变化模块包括磁性器件，电源变化模块可用于对设备本体供电和/或对储能模块充电，储能模块可用于对设备本体供电，其中，脉冲磁场为核聚变装置在工作状态下产生的，处理器用于执行第一方面任一项的控制方法。

在一种实施例中，电源变化模块包括电源开关，用于导通/断开电源变化模块与设备本体和储能模块的连接，在电源变化模块和储能模块通过切换开关与设备本体连接，处理器分别与电源开关和切换开关的控制端链接，电源开关用于在磁场强度值小于预设磁场强度值时断开，切换开关用于在磁场强度值小于预设磁场强度值时，切换至储能模块对设备本体供电。

在一种实施例中，设备还包括：磁场强度检测装置，与处理器连接，且靠近设备本体放置，用于检测设备本体所处环境的磁场强度值作为脉冲磁场的磁场强度值。

根据第三方面，本申请实施例提供一种核聚变系统，包括核聚变装置，以及第二方面任意一项的设备，核聚变装置在工作状态下产生脉冲磁场。

本申请至少具有如下有益效果：

在本申请中，工作在脉冲磁场环境中的设备，包括设备本体，电源变化模块和储能模块，电源变化模块包括磁性器件，电源变化模块可用于对设备本体供电和/或对储能模块充电，储能模块可用于对设备本体供电，针对脉冲磁场环境，当磁场强度值大于或等于预设磁场强度值时，控制电源变化模块关断，即将容易受到磁场影响的模块或器件关断，对设备的屏蔽和隔离装置的要求降低，设备所占用的空间减小，并且，在脉冲磁场环境中的设备可以靠近核聚变装置，无需搬移至磁场环境外，设备运行可靠性更高，无论采集信号或检测信号，可以使得信号的准确度更高。同时为保证设备能够与核聚变装置同步工作，控制储能模块对设备本体供电。在磁场强度值下降至预设磁场强度值以下，或未达到预设磁场强度值时，可以控制电源变化模块对储能模块充电，以使储能模块对下一次周期内脉冲磁场的磁场强度值大于或等于预设磁场强度值时，能够为设备运行提供充足的电能，以随时满足使用需求。进而保证设备在脉冲磁场中运行时，达到对磁性器件的保护的同时，能够满足设备的运行的效果。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的一种示例性的工作在脉冲磁场环境中的设备的示意图；

图2为本申请实施例中的另一种示例性的工作在脉冲磁场环境中的设备示意图；

图3为本申请实施例中的一种示例性的工作在脉冲磁场环境中的设备的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

参见背景技术的描述，现有技术中工作在磁场环境中的设备，例如往往需要采用屏蔽或隔离的方式，而屏蔽或隔离装置往往体积较大，而申请人发现，间歇式（脉冲式）的磁约束核聚变装置，其产生的磁场为脉冲磁场，因此，可以针对脉冲磁场的特点，在磁场发生时，对设备进行保护，而在磁场消失时，可以不对设备进行保护，并且，在对设备进行保护的同时还需保证设备与磁约束核聚变装置同步工作。

基于此，本申请实施例提供了一种工作在脉冲磁场环境中的设备的运行控制方法，该设备可以为工作在脉冲磁场环境中的设备，例如可以包括核聚变装置的监测系统中的设备，如图1所示，该设备可以包括设备本体30、电源变化模块10、储能模块20和处理器40。电源变化模块10包括磁性器件，电源变化模块10可用于对设备本体30供电和/或对储能模块20充电，储能模块20可用于对设备本体30供电。处理器40可通过获取核聚变装置产生的脉冲磁场的磁场强度值对设备的运行状态进行控制，以避免设备被强脉冲磁场干扰甚至破坏。

在一种实施例中，电源变化模块10的输入端可以为电网，自电网取电，向设备本体30供电，同时，由于本申请中涉及的核聚变装置为间歇式的核聚变装置，即以工作一段时间，停止一段时间的方式工作，因此，设备也可以通过储能模块20供电，即，在核聚变装置工作期间，通过储能模块20存储的电能供电，在停止工作期间，对储能模块20进行充电，以在下一工作期间进行供电。在本实施例中，储能模块20可以包括电容模块，飞轮储能模块等，在本实施例中可以以电容模块为例进行说明。

工作在脉冲磁场环境中的设备的运行控制方法适用于处理器40，该处理器40可以采用MCU，CPU，单片机等形式的处理器，参见图3所示，该运行控制方法包括如下步骤：

S10.获取脉冲磁场的磁场强度值。作为示例性的实施例，核聚变装置可以包括仿星器和托卡马克装置中的脉冲磁场发生装置，以托卡马克装置中的环向场线圈为例进行说明。

对于脉冲磁场的磁场强度值的获取可以通过在托卡马克装置和设备之间设置信号同步装置，通过采集托卡马克装置工作参数，例如，可以采集设定的环向场线圈的磁场强度，或者设定的环向场线圈的工作电流或工作电压等参数，或者实时的工作电流或工作电压等参数，并将工作参数通过信号同步装置传输至设备，以使设备获取其工作期间的磁场强度值。

如图2所示，对于磁场强度值的获取还可以通过磁场强度检测装置50对设备所处的工作环境中的磁场强度值进行实时测量，示例性的，可以采用霍尔传感器和/或磁通门传感器等磁场强度测量装置对磁场强度进行测量。

在一种实施例中，为了减少设备安装或布置的复杂程度，同时能够更为真实的反映出设备所处的磁场的磁场强度值，在本实施例中可以采用磁场强度检测装置50测量磁场强度，将磁场强度检测装置50布置在设备本体30附近或者布置在需要保护的磁性器件附近，无需在设备和托卡马克装置之间设置有线的信号同步装置，可以减小现场布线，降低现场布置复杂度，并且，由于直接通过磁场强度检测装置50测量设备附近的实时的磁场强度值，其更能直接反映出设备所受到的真实的磁场强度值。

在获取到磁场强度值之后，可以判断磁场强度值是否大于或等于预设磁场强度值，该预设磁场强度值可以基于磁性器件的饱和磁场进行设置，例如，预设磁场强度值可以小于或等于所有磁性器件中最小的饱和磁场强度。当磁场强度值大于或等于预设磁场强度值时进入步骤S20，当磁场强度值小于预设磁场强度值时，进入步骤S30。

S20.控制电源变化模块关断，并控制储能模块对设备本体供电。

在一种实施例中，电源变化模块10可以包括AC/DC电路和DC/DC电路，在本实施例中，在检测到磁场强度值达到或超过预设磁场强度值后，可以控制AC/DC电路和/或DC/DC电路关断，例如，对于开关型的AC/DC电路，通过控制AC/DC电路中的开关的占空比来关断AC/DC电路的输出，使电源变化模块10处于失能状态，避免因磁场影响变压器或电感等磁性件，而造成的输出不稳定或输出电压过大而影响设备正常运行。

在另一种实施例中，如图2所示，电源变化模块10还可以包括电源开关11，用于导通/断开电源变化模块10与供电电源的连接，在检测到磁场强度值达到或超过预设磁场强度值后，可以控制电源开关11断开，以使电源变化模块10的输入或输出断开，保证电源变化模块10不因磁场影响而影响设备运行。

在一种实施例中，在磁场强度值达到或超过预设强度值时，即托卡马克装置处于工作状态，因此，往往也需要设备处于同步的工作状态，因此，在本实施例中，为了保证设备能够正常运行，还需控制储能模块20对设备进行供电，以保证设备在托卡马克装置运行期间能够正常运行，并且，由于本申请中的托卡马克装置为间歇式或脉冲式运行，因此，可以基于托卡马克装置的运行时长配置储能模块20的储电能力，以保证储能模块20在托卡马克装置的运行期间能够为设备提供足够的电能，保证设备能够同步运行。

在一种实施例中，如图2所示，电源变化模块10和储能模块20还可以通过切换开关21与设备本体30连接，在需要储能模块20对设备本体30供电时，可以控制切换开关21切换至储能模块20与设备本体30连接，以实现储能模块20对设备本体30供电；在需要电源变化模块10对设备本体30供电时，可以控制切换开关21切换至电源变化模块10与设备本体30连接，以实现电源变化模块10对设备本体30供电。

在另一种实施例中，电源变化模块10与设备本体30之间，以及储能模块20与设备本体30之间均可以分别通过独立开关连接，以独立控制电源变化模块10与设备本体30之间和储能模块20与设备本体30之间的通断。

在一种实施例中，电源开关11，切换开关21和独立开关可以为可控开关，例如可以为继电器，MOS管，三极管等开关器件。

S30.控制电源变化模块对储能模块充电。为了保证下一周期工作期间能够维持设备的正常运行，因此，在磁场强度值小于预设磁场强度值时，控制电源变化模块10对储能模块20进行充电。进而可以在下一周期的工作期间通过储能模块20对设备进行供电。

在本申请中，工作在脉冲磁场环境中的设备，包括设备本体，电源变化模块和储能模块，电源变化模块包括磁性器件，电源变化模块可用于对设备本体供电和/或对储能模块充电，储能模块可用于对设备本体供电，针对脉冲磁场环境，当磁场强度值大于或等于预设磁场强度值时，控制电源变化模块关断，即，将容易受到磁场影响的模块或器件关断，这样一来，对屏蔽和隔离装置的要求降低，设备所占用的空间减小，并且，在脉冲磁场环境中的设备可以靠近在磁场环境下的核聚变装置，无需搬移至磁场环境外，设备运行可靠性更高，无论采集信号或检测信号，可以使得信号的准确度更高。同时为保证设备能够与核聚变装置同步工作，控制储能模块对设备本体供电。在磁场强度值下降至预设磁场强度值以下，或未达到预设磁场强度值时，可以控制电源变化模块对储能模块充电，以使储能模块对下一次周期内脉冲磁场的磁场强度值大于或等于预设磁场强度值时，能够为设备运行提供充足的电能，以随时满足使用需求。进而保证设备在脉冲磁场中运行时，达到对磁性器件的保护的同时，又能够满足设备的运行的效果。

在一种实施例中，磁场强度值小于预设磁场强度值的场景至少分为两种，其中，第一种场景为托卡马克装置停止工作期间，磁场强度值会小于预设磁场强度值，第二种场景为托卡马克装置在工作期间，稳定期间的磁场强度值也小于预设磁场强度值。

针对第一种场景，由于托卡马克装置处于停止工作期间，设备也无需工作，则无需对设备进行供电，可以控制电源变化模块10只需对储能模块20充电即可。

针对第二种场景，托卡马克装置处于工作期间，而稳定期间的磁场强度值小于预设磁场强度值，因此，可以无需电源变化模块10关断，控制电源变化模块10对设备本体30供电或者同时控制电源变化模块10对储能模块20充电。

在一种实施例中，磁场强度值小于预设磁场强度值时还可以包括托卡马克装置自启动至平稳运行期间，磁场强度值逐渐增大；或托卡马克装置自停止工作至线圈完全放电期间，磁场强度值逐渐减小。为了进一步减小磁场对设备或磁性器件的影响，可以在磁场强度值达到预设磁场强度值之前提前关断电源变化模块10，或者为了避免出现误判导致电源变化模块10延迟开启或误关断，进而导致储能模块20无法及时充电，在本实施例中，还可以检测磁场强度变化状态；基于磁场强度变化状态和磁场强度值控制电源变化模块10的工作状态。

在一种实施例中，可以判断磁场强度变化状态是否为强度增大状态；作为示例性的实施例，以预设的采样频率对磁场强度值进行采样，通过两个或两个以上连续采样值确定磁场强度变化状态是否强度增大状态还是强度减小状态，若采样值随时序增大，则磁场强度变化状态为强度增大状态，若采样值随时序减小，则磁场强度变化状态为强度减小状态。

当磁场强度变化状态为强度增大状态时，基于磁场强度变化状态和磁场强度值确定稳态磁场预测强度值。作为示例性的实施例，可以通过磁场强度采样值计算磁场强度变化速率，通过磁场强度变化速率和当前磁场强度值，以及对应的托卡马克装置自启动至稳态所需的时长，来预测稳态磁场预测强度值，以及当前时刻达到稳态磁场预测强度值所需的时长，在稳态磁场预测强度值大于或等于预设磁场强度值时，控制电源变化模块10关断，并控制储能模块20对设备本体30供电，以在预测出稳态磁场强度值较大时，提前关断电源变化模块10，防止磁场强度值达到或超过预设磁场强度之后，再关断而导致对电源变化模块10或对设备的影响。

当稳态磁场预测强度值小于预设磁场强度值时，保持电源变化模块10的工作状态。

当磁场强度变化状态为强度减小状态时，即磁场强度的采样值随时序减小时，且当前磁场强度减小至预设磁场强度时，则代表后续磁场强度会始终小于预设磁场强度值，进而可以控制电源变化模块10对储能模块20充电。

本申请实施例还提供了一种核聚变系统，包括上述实施例中描述的工作在脉冲磁场环境中的设备，以及核聚变装置，该核聚变装置可以包括间歇式（脉冲式）的磁约束核聚变装置，例如托卡马克装置或仿星器。以托卡马克装置为例，托卡马克装置在运行过程中，需要产生强脉冲磁场来约束等离子体，通常通过在托卡马克装置四周产生大电流来实现，为了产生电流，会在托卡马克装置外部绕绕组线圈，托卡马克装置使用铜排作为绕组的导体，帮助产生所需要的强磁场。根据安培定则，电流通过导体时，会产生磁场。随着托卡马克装置进入工作，线圈会产生脉冲磁场。该设备可以为核聚变装置的监测设备，例如，对等离子体的温度、密度、成分以及反应产物的能量和粒子数等进行监测的设备。

在设备运行时，通过获取脉冲磁场的磁场强度，在磁场强度值大于或等于预设磁场强度值时，控制设备中的电源变化模块关断，并控制储能模块对设备本体供电，以保持与核聚变装置同步工作，进而使得在脉冲磁场环境中的设备可以靠近在磁场环境下的核聚变装置，无需搬移至磁场环境外，设备运行可靠性更高，无论采集信号，检测信号，使得信号的准确度更高。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种工作在脉冲磁场环境中的设备的控制方法，其特征在于，所述设备包括核聚变装置的监测系统中的设备，所述设备包括设备本体，电源变化模块和储能模块，所述电源变化模块包括磁性器件，所述电源变化模块可用于对所述设备本体供电和/或对所述储能模块充电，所述储能模块可用于对所述设备本体供电，其中，脉冲磁场为核聚变装置在工作状态下产生的，所述控制方法包括：

获取所述脉冲磁场的磁场强度值；

在所述磁场强度值大于或等于预设磁场强度值时，控制所述电源变化模块关断，并控制所述储能模块对所述设备本体供电；

在所述磁场强度值小于所述预设磁场强度值时，控制所述电源变化模块对所述储能模块充电。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述电源变化模块包括电源开关，用于导通/断开所述电源变化模块与所述设备本体和所述储能模块的连接，所述电源变化模块和所述储能模块通过切换开关与所述设备本体连接；

在所述磁场强度值大于或等于所述预设磁场强度值时，控制所述电源开关断开，并控制所述切换开关切换至所述储能模块对所述设备本体供电。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述磁场强度值小于所述预设磁场强度值时还包括：

检测磁场强度变化状态；

基于所述磁场强度变化状态和所述磁场强度值控制所述电源变化模块的工作状态。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述基于所述磁场强度变化状态和所述磁场强度值控制所述电源变化模块的工作状态包括：

判断所述磁场强度变化状态是否为强度增大状态；

当所述磁场强度变化状态为强度增大状态时，基于所述磁场强度变化状态和所述磁场强度值确定稳态磁场预测强度值；

当所述稳态磁场预测强度值大于或等于所述预设磁场强度值时，控制所述电源变化模块关断，并控制所述储能模块对所述设备本体供电；

当所述稳态磁场预测强度值小于所述预设磁场强度值时，保持所述电源变化模块的工作状态。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当所述磁场强度变化状态为强度减小状态时，控制所述电源变化模块对所述储能模块充电。

6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述设备还包括磁场强度检测装置，靠近所述设备本体放置，用于检测所述设备本体所处环境的磁场强度值作为所述脉冲磁场的磁场强度值。

7.一种工作在脉冲磁场环境中的设备，其特征在于，包括核聚变装置的监测系统中的设备，所述设备包括：设备本体，电源变化模块、储能模块和处理器，所述电源变化模块包括磁性器件，所述电源变化模块可用于对所述设备本体供电和/或对所述储能模块充电，所述储能模块可用于对所述设备本体供电，其中，脉冲磁场为核聚变装置在工作状态下产生的，所述处理器用于执行权利要求1-6任一项所述的工作在脉冲磁场环境中的设备的控制方法。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电源变化模块包括电源开关，用于导通/断开所述电源变化模块与所述设备本体和所述储能模块的连接，所述电源变化模块和所述储能模块通过切换开关与所述设备本体连接，所述处理器分别与所述电源开关和所述切换开关的控制端链接，所述电源开关用于在所述磁场强度值小于所述预设磁场强度值时断开，所述切换开关用于在所述磁场强度值小于所述预设磁场强度值时，切换至所述储能模块对所述设备本体供电。

9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，还包括：磁场强度检测装置，与所述处理器连接，且靠近所述设备本体放置，用于检测所述设备本体所处环境的磁场强度值作为所述脉冲磁场的磁场强度值。

10.一种核聚变系统，其特征在于，包括核聚变装置，以及权利要求7-9任意一项所述的设备，所述核聚变装置在工作状态下产生脉冲磁场。