CN207835363U - 全储能脉冲电源及粒子加速器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及全储能脉冲电源及粒子加速器。其中全储能脉冲电源包括：多个功率单元，配置为与磁铁负载电极相连，各所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源连接至储能电容的两端，用于为所述储能电容充电；所述多个功率单元串并联连接后与磁铁电极连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。本实用新型采用全储能方式，针对性的解决了粒子加速器脉冲电源强激励电源的主要问题。

Description

全储能脉冲电源及粒子加速器

技术领域

本实用新型涉及粒子加速器领域，还涉及全储能脉冲电源及电流脉冲产生方法。

背景技术

粒子加速器是对带电粒子进行加速的一种装置，其中粒子是在约束磁场中运动的，磁铁与励磁电源共同构成加速器磁场系统。同步加速器是粒子加速器的一种，加速器在对带电粒子加速时，随着被加速粒子能量的提高，其约束磁场也需同步提高，因此励磁电流需同步提高，当一个加速周期完成后磁场需要降低至低位，被加速粒子束流注入加速器中，准备开始下一个加速周期，同步加速器励磁电源典型工作电流波形如图1上图所示。同步加速器励磁电源需要工作于脉冲模式，励磁电流周期决定了加速周期。同步加速器磁铁实际上是一个大电感，另外同步加速器中磁铁往往串联起来，总之励磁电源负载是一个小电阻的大电感。在一个很大电感上产生上升时间和下降时间很短的脉冲电流是比较困难的。目前针对大电感磁铁脉冲电流获得一般有两种方式，一种为谐振方式，即采用串联谐振或者并联谐振方式在磁铁线圈上得到脉冲电流，此种方式产生的脉冲电流频率一般可达几十赫兹至几百赫兹，但是谐振方式只能产生固定频率的正弦电流波形，频率不易调节，适用于固定输出的励磁电源中。另外一种方式为强激励方式，即电源产生很高的激励电压强行加在磁铁电感上，从而在电感上产生所需电流波形，此种方式电流波形、幅度、频率等可任意调节，但是当输出电流很大，或者磁铁电感很大时，因为所需强激励电压太高，输出电流频率不会太高。

因为磁铁是电感，而且还是很大电感负载，要产生高频率大电流脉冲，意味着很高的电流变化率，根据电磁感应定律，这必然要求励磁电源提供很高的强激励电压，高电压大电流意味着电源脉冲功率会非常大大。当电流上升时电源需要从电网抽取能量，电流上升时间很短时，因为电网回路存在各种感性元件导致能量不能及时从电网转到负载上，因此一般情况下电流上升时间不能太短，电流上升率不能太高；当电流下降时磁铁电感中的能量需从磁铁中转移出来，或者通过电阻消耗掉，这样电源效率很低，非常不经济。磁铁能量逆变回电网是很好的一种选择，但是电流下降时间越短，逆变峰值功率就越大，对电网的冲击就越大，对电网产生很大的扰动，严重时电网电能质量超标不能正常供电，影响电网可靠性和安全性。因此，为了减小各种冲击，强激励脉冲电源上升下降时间都比较长，也就是脉冲频率都比较低，一般不会超过1Hz。综上所述，在传统强激励电压的脉冲电源中，电流脉冲频率不可能太高，一般在1赫兹以内；电源工作时对电网影响比较大，一般要采取各种措施对电网波动进行补偿和调节；而且电源脉冲功率很大，要求配电功率也很大。

另外，如图1中间电压波形所示，在电流注入段和平顶段，电流为直流，此时电感电压为零，只有直流电压，也即注入段电压VP1和平顶段电压VP3较峰值电压VP2低几倍至几十倍，意味着电源输出需电压需要在大范围内连续变化，而且在每一个阶段都需保证电源输出精度，这对电源来说是非常困难的。一般情况是保证强励电压，这样在平顶段电源电压很低，对于开关电源来说，占空比就很小，严重影响电源性能。而直流段要么是注入段要么是束流储存等阶段，这种方式对平顶段束流造成不利影响。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种全储能脉冲电源及粒子加速器，以至少部分解决以上所述的技术问题。

(二)技术方案

根据本实用新型的一方面，提供一种电流脉冲产生的方法，包括：

采用储能电容器存储能量，在电流波形脉冲上升段所需能量全部由该储能电容提供；

在电流波形下降段磁铁负载电感中所存能量返回该储能电容中，为下一个脉冲做好准备，实现能量重复利用。

在进一步的实施方案中，应用开关整流器作为高压源，为所述储能电容充电。

在进一步的实施方案中，采用高压和低压两种电压源串联或并联的组合方式，为所述储能电容充电。

在进一步的实施方案中，采用多个功率模块串并联方法，实现输出电流脉冲。

根据本实用新型的再一方面，提供一种全储能脉冲电源，包括：

多个功率单元，配置为与磁铁负载电极相连，各所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源连接至储能电容的两端，用于为所述储能电容充电；所述多个功率单元串并联连接后与磁铁电极连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。

在进一步的实施方案中，所述电压源包括高压源，所述高压源连接至所述储能电容两端，用于分别给所述储能电容供电。

在进一步的实施方案中，还包括切换开关，所述切换开关设置于低压源与储能电容的回路上，控制低压源与所述储能电容的通断。

在进一步的实施方案中，还包括H桥变换器，设置于储能电容和磁铁之间，通过占空比控制实现对电流的控制。

在进一步的实施方案中，还包括控制部分，分别与各功率单元连接，用于向各功率单元输出脉宽占空比PMW控制信号。

在进一步的实施方案中，所述多个功率单元为并联和/或者串联，多个功率单元串联/并联后，再连接至磁铁负载两端。

根据本实用新型的又一方面，提供一种粒子加速器，包括：

磁铁负载，

以上任一所述的全储能脉冲电源，连接至所述磁铁负载的两端。

(三)有益效果

通过采用开关型脉宽调制整流器(PWM整流器)作为高压源的方法，对高压储能电容Cf2进行恒功率充电，实现能量从储能电容到电网的双向控制，减小电源脉冲工作时对电网的冲击，极大改善电网电能质量和供电可靠性、稳定性。

通过采用高压和低压两种电源有机组合的方式，可以采用串联也可以采用并联，通过切换开关，在需要低压时低压电源工作，需要高压时高压电源工作，解决了大动态范围连续变化的问题，使得占空比始终保持在在一个比较大的状态下，解决了高精度控制问题。

通过建立标准模块的概念，实现大功率电源模块化设计、安装，可以将开关工作方式引入大功率电源中，提高了电源性能。

本实用新型通过储能电容和开关型脉宽调制整流器的引入，以及以上其他措施的综合应用，能实现粒子加速器磁场电源在大电感负载情况下能够产生很短上升下降时间的大大电流脉冲，从而能够实现快循环工作模式，同时电源工作时对电网没有不利影响；

本实用新型主要针对大功率强激励式脉冲电源，采用本实用新型的技术后，可以有效提高磁铁电感上的大电流脉冲频率。

附图说明

图1为现有技术的快循环脉冲工作波形图；

图2为本实用新型实施例的多支路并联原理图；

图3为本实用新型实施例的支路内单元功率模块串联原理图；

图4为本实用新型实施例的单元功率模块工作原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

根据本实用新型的实施例，提供一种电流脉冲产生的方法，包括：采用储能电容器存储能量，在电流波形脉冲上升段所需能量全部由该储能电容提供；在电流波形下降段磁铁负载电感中所存能量返回该储能电容中，为下一个脉冲做好准备，实现能量重复利用。通过对高压储能电容进行恒功率充电，实现能量从储能电容到电网的双向控制，减小电源脉冲工作时对电网的冲击。

在一些实施例中，应用开关整流器作为高压源，为所述储能电容充电。电源采用多功率单元的串并联方式得到高的强激励电压，以在电感负载上产生大电流脉冲电流。

在一些实施例中，采用高压和低压两种电压源串联或并联的组合方式，为所述储能电容充电。

在一些实施例中，采用多个功率模块串并联方法，实现输出电流脉冲。

根据本实用新型实施例的再一方面，提供一种全储能脉冲电源，包括：多个功率单元，配置为与磁铁负载电极相连，各所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源连接至储能电容的两端，用于为所述储能电容充电；所述多个功率单元串并联连接后与磁铁电极连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。

在一些实施例中，所述电压源包括高压源，所述高压源连接至所述储能电容两端，用于分别给所述储能电容供电。每个功率单元采用全储能方式，控制能量在磁铁电感和储能电容之间的有序流动。

在一些实施例中，还包括切换开关，所述切换开关设置于低压源与储能电容的回路上，控制低压源与所述储能电容的通断。

在一些实施例中，还包括H桥变换器，设置于储能电容和磁铁之间，通过占空比控制实现对电流的控制。通过矢量整流变换器控制母线电压的有序波动，解决了电源脉冲工作时对电网的冲击问题。使得电源可以工作于较快的工作频率下，达到加速器的快循环工作模式。

在一些实施例中，还包括控制部分，分别与各功率单元连接，用于向各功率单元输出脉宽占空比PMW控制信号。

在一些实施例中，所述多个功率单元为并联和/或者串联，多个功率单元串联/并联后，再连接至磁铁负载两端。

以下结合附图对本实用新型实施例进行具体说明，根据本实用新型具体实施例提供的快循环全储能大功率高精度脉冲电源，其典型工作波形如图1所示。电源引入模块化结构概念，设计基本的功率单元，再通过基本功率单元的串/并联来达到电源输出要求，即通过较小的功率单元组合得到大功率输出，使得能够应用开关型工作原理。其电路拓扑结构如附图2所示，将多个单独的功率单元经过串联以得到所需高电压，串联的级数取决于电流上升时间、脉冲电流幅值、以及负载电感。串联后的功率单元形成一个臂，为了得到更大的电流可以将多个串联臂并联，图3就是多个串联臂并联示意图。通过建立标准单元功率模块的概念，通过单元功率模块的自由组合，极大方便大功率电源的实现，大大增加电源可靠性，经济性。

由图1可知，电源需输出宽范围变化的电压，因此如果采用一个强励电压源，很难同时保证平台/上升段稳定性指标要求和快速上升段的跟踪指标要求。故每个功率单元采用变前级强励电压设计，功率单元拓扑结构如图4所示。图4中功率单元由H桥变换器、高压源(满足电流上升所需电压，本实用新型实施例中可达900V以上)、储能电容、低压源、切换开关等几部分组成。H桥变换器是常规开关变换器，通过占空比控制实现对输出电流的精密控制。高压源为储能电容充电，同时可以将电容能量逆变回电网。低压源提供平顶能量，切换开关负责高低压源之间的切换。通过采用高压和低压两种电源有机组合的方式，可以采用串联也可以采用并联，通过切换开关，在需要低压时低压电源工作，需要高压时高压电源工作，解决了大动态范围连续变化的问题，使得占空比始终保持在在一个比较大的状态下，解决了高精度控制问题。

正常工作时，首先进入注入平台TP1段，也就是第一段直流平台，此时高压源开始给储能电容充电至所需高压值，上升段所需全部能量由此电容存储能量提供，但是此时切换开关断开，低压源首先投入工作，保证低压段正常工作。

当电流开始上升TR1段时，切换开关打开，高压源投入运行，低压源自然退出运行，H桥变换器将储能电容中的能量以电流形式传递给磁铁，储能电容上的电压同步下降，当电流上升至额定值进入平顶段TP2时，储能电容中的能量部分已转换为磁铁线圈的电感能量，此时电压只需要平台电压VP3，切换开关切断开，继续由低压源供电，以保持稳定的高性能的指标的电流输出。

当磁铁电流进入下降段TF1时，磁铁电感产生感生电压，反过来开始给储能电容充电，磁铁中所存电感能量又转移回储能电容Cf2中，此时储能电容电压逐步上升。随着电流脉冲上升和下降，能量就在电容和电感中往复流动，因为回路存在电阻，磁铁线圈也有电阻，因此每一个循环中，能量都会被电阻消耗掉一部分，在电流下降段回到电容里的能量比放出去的能量少了，这时储能电压比放电前低了，为了保证下一个周期正常工作，此时PWM开关整流器高压源开始投入工作，给储能电容充电，直至充电至所需高压值。高压和低压在主控制器控制下通过切换开关进行转换。

根据本实用新型实施例的又一方面，提供一种粒子加速器，包括：磁铁负载，和以上任一所述的全储能脉冲电源，连接至所述磁铁负载的两端。

通过本实用新型实施例的脉冲电源及电流脉冲产生方法，解决了大电感负载下的快循环高精度大电流脉冲电源实现问题。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全储能脉冲电源，其特征在于，包括：

多个功率单元，配置为与磁铁负载电极相连，各所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源连接至储能电容的两端，用于为所述储能电容充电；所述多个功率单元串并联连接后与磁铁电极连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。

2.根据权利要求1所述的全储能脉冲电源，其特征在于，所述电压源包括高压源，所述高压源连接至所述储能电容两端，用于分别给所述储能电容供电。

3.根据权利要求2所述的全储能脉冲电源，其特征在于，还包括切换开关，所述切换开关设置于低压源与储能电容的回路上，控制低压源与所述储能电容的通断。

4.根据权利要求1所述的全储能脉冲电源，其特征在于还包括H桥变换器，设置于储能电容和磁铁之间，通过占空比控制实现对电流的控制。

5.根据权利要求1所述的全储能脉冲电源，其特征在于，还包括控制部分，分别与各功率单元连接，用于向各功率单元输出脉宽占空比PMW控制信号。

6.根据权利要求1所述的全储能脉冲电源，其特征在于，所述多个功率单元为并联和/或者串联，多个功率单元串联/并联后，再连接至磁铁负载两端。

7.一种粒子加速器，其特征在于包括：

磁铁负载，

权利要求1-6任一所述的全储能脉冲电源，连接至所述磁铁负载的两端。