专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种平顶脉冲强磁场实现装置，属于脉冲强磁场技术领域。包括：由主电源、耦合变压器一次侧、磁体负载依次相连构成的主放电回路；由耦合变压器二次侧、交流补偿电源、补偿电容、磁体负载依次相连构成的补偿放电回路；由电阻与二极管串联后，并联在主电源两端构成的磁体负载的续流回路；其中，补偿放电回路，能够补偿磁场中的基频纹波分量、高频纹波和开关纹波分量，产生高稳定度平顶脉冲磁场。本发明通过无源磁通耦合滤波与有源滤波相结合的方法，抵消主电源电流的交流分量，可实现高稳定度的直流电流波形，进而在磁体负载上产生高稳定度平顶脉冲强磁场。

权利要求

1.一种平顶脉冲强磁场实现装置，其特征在于，包括：由主电源、耦合变压器一次侧、磁体负载依次相连构成的主放电回路；由耦合变压器二次侧、交流补偿电源、补偿电容、磁体负载依次相连构成的补偿放电回路；由电阻与二极管串联后，并联在主电源两端构成的磁体负载的续流回路；所述耦合变压器一二次侧同名端相互连接；

主放电回路，用于在磁体负载上产生磁场B；

补偿放电回路，用于补偿磁场B中的基频纹波分量、高频纹波和开关纹波分量，产生高稳定度平顶脉冲磁场；

续流回路，用于在主电源和交流补偿电源关闭后为磁体负载中的剩余能量提供泄放通路，以保护主电源和交流补偿电源。

2.根据权利要求1所述的一种平顶脉冲强磁场实现装置，其特征在于，所述主电源由直流有效电压源DC和交流有效电压源AC1组成，用于为磁体负载供电。

3.根据权利要求1或2所述的一种平顶脉冲强磁场实现装置，其特征在于，所述补偿电容C、耦合变压器二次侧电感L2和耦合变压器一二次侧互感M满足以下关系：

C*(L2-M)*(2πf)2＝1

其中，f为基频纹波频率。

4.根据权利要求3所述的一种平顶脉冲强磁场实现装置，其特征在于，交流有效电压源AC1和交流补偿电源AC2满足以下关系：

其中，L1为耦合变压器一次侧电感，f高为高频纹波频率。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种平顶脉冲强磁场实现装置，其特征在于，所述交流补偿电源AC2包括交流补偿电源主电路和交流补偿电源控制电路；

交流补偿电源主电路，用于将来自电网的三相电压转换成可控的单相交流电压，在控制电路的作用下向磁体负载输出补偿电流；

交流补偿电源控制电路，用于控制交流补偿电源主电路，使耦合变压器二次侧电流波形跟踪耦合变压器一次侧电流交流分量变化，输出在磁体负载上的总电流为高稳定度电流波形。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种平顶脉冲强磁场实现装置，其特征在于，所述交流补偿电源主电路包括三相不控整流桥RB1、输入LC滤波器IF、可控逆变桥IGBT、输出滤波电感L；所述交流补偿电源控制电路包括电流采集装置DCCT、控制板和IGBT驱动放大电路；交流补偿电源控制电路经IGBT驱动放大电路与交流补偿电源主电路中的可控逆变桥IGBT门极相连。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种平顶脉冲强磁场实现装置，其特征在于，所述耦合变压器为带气隙耦合变压器。

说明书

技术领域

本发明属于脉冲强磁场技术领域，更具体地，涉及一种平顶脉冲强磁场实现装置。

背景技术

强磁场技术现已成为现代科学实验越来越重要的实验条件之一，同时，大功率太赫兹源、核磁共振等大科学实验对磁场稳定度和持续时间的要求也越来越高，因此平顶脉冲磁场被提出并深入研究。对于磁体来说，高稳定度高场强的磁场位型要求即高稳定度大功率的电流波形要求。高稳定度大功率平顶脉冲电流还可以被用于电磁发射领域，在导轨型电磁驱动系统中，为了使固体电枢达到更高的出口速度，希望脉冲电流尽可能平顶。

现有的平顶脉冲磁场的波形调制可以通过脉冲发电机、蓄电池或电容器型电源实现。如武汉国家脉冲强磁场科学中心投入运行的100MVA/100MJ脉冲发电机和配套的整流器系统，实现了50T/100ms平顶磁场。但因为脉冲发电机输出端接两个6脉波整流器串联工作，存在12脉波电流纹波，磁场稳定度不高。专利CN 103715938B提出了基于电容器型电源的主/辅助放电回路电磁耦合产生52T/10ms平顶磁场的方案，但其稳定度不高，为0.5％。武汉国家脉冲强磁场科学中心还利用蓄电池型电源，通过在磁体两端并联IGBT开关旁路对磁体分流，进而调控磁体电流实现250ppm/25.6T平顶磁场。与前两种方法相比，其磁场稳定度提高，但由于蓄电池型电源本身功率密度不高，产生磁场场强较低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种平顶脉冲强磁场实现装置，其目的在于在低成本的基础上产生更高场强、更高稳定度的平顶脉冲强磁场。

为实现上述目的，本发明提供了一种平顶脉冲强磁场实现装置，包括：由主电源、耦合变压器一次侧、磁体负载依次相连构成的主放电回路；由耦合变压器二次侧、交流补偿电源、补偿电容、磁体负载依次相连构成的补偿放电回路；由电阻与二极管串联后，并联在主电源两端构成的磁体负载的续流回路；所述耦合变压器一二次侧同名端相互连接；

主放电回路，用于在磁体负载上产生磁场B；

补偿放电回路，用于补偿磁场B中的基频纹波分量、高频纹波和开关纹波分量，产生高稳定度平顶脉冲磁场；

续流回路，用于在主电源和交流补偿电源关闭后为磁体负载中的剩余能量提供泄放通路，以保护主电源和交流补偿电源。

进一步地，所述主电源由直流有效电压源DC和交流有效电压源AC1组成，用于为磁体负载供电。

进一步地，补偿电容C、耦合变压器二次侧电感L2和耦合变压器一二次侧互感M满足以下关系：

C*(L2-M)*(2πf)2＝1

其中，f为基频纹波频率。

进一步地，交流有效电压源AC1和交流补偿电源AC2满足以下关系：

其中，L1为耦合变压器一次侧电感，f高为高频纹波频率。

进一步地，所述交流补偿电源AC2包括交流补偿电源主电路和交流补偿电源控制电路；

交流补偿电源主电路，用于将来自电网的三相电压转换成可控的单相交流电压，在控制电路的作用下向磁体负载输出补偿电流；

交流补偿电源控制电路，用于控制交流补偿电源主电路，使耦合变压器二次侧电流波形跟踪耦合变压器一次侧电流交流分量变化，输出在磁体负载上的总电流为高稳定度电流波形。

进一步地，所述交流补偿电源主电路包括三相不控整流桥RB1、输入LC滤波器IF、可控逆变桥IGBT、输出滤波电感L；所述交流补偿电源控制电路包括电流采集装置DCCT、控制板和IGBT驱动放大电路；交流补偿电源控制电路经IGBT驱动放大电路与交流补偿电源主电路中的可控逆变桥IGBT门极相连。

优选地，所述耦合变压器为带气隙耦合变压器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本发明相对于其他平顶脉冲强磁场实现装置，使用无源磁通耦合滤波首先滤除掉电流的大部分基频纹波交流分量，再加入交流补偿电源补偿剩余的高频纹波交流分量和开关纹波，无源和有源滤波相结合，电流和磁场稳定度更高；交流补偿电源需要提供的功率很小，可降低系统整体造价；实现了主电流中直流分量和交流分量的有效分离，便于交流补偿电源进行补偿；

(2)本发明的主电源可以为电容器型电源、蓄电池型电源、脉冲发电机等，应用灵活；且因为补偿电源所需功率较小，主电源输出功率可以很大，实现更高场强的平顶脉冲磁场。

附图说明

图1是本发明实例提供的平顶脉冲强磁场实现装置电路图；

图2是本发明实例提供的交流补偿电源AC2主电路的详细电路图；

图3是本发明实施例提供的交流等效电路示意图；

图4是本发明实例提供的主电源经耦合变压器一次侧电感L1直接加在磁体负载两端时得到的磁场B、加入无源磁通耦合滤波并调整好参数后得到的磁场B1和加入交流补偿电源后得到的磁场B2的对比示意图，各磁场波形均选取平顶阶段。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明通过无源磁通耦合滤波与有源滤波相结合的方法，抵消主电源电流的交流分量，可实现高稳定度的直流电流波形，进而在磁体负载上产生高稳定度平顶脉冲强磁场。可用于蓄电池型电源、脉冲发电机、电容器型电源等装置的输出端，以提供高场强高稳定度的磁场波形，满足大功率太赫兹源、核磁共振等科学实验的需求。

如图1所示，本发明实施例提供的平顶脉冲强磁场实现装置，包括：由主电源、耦合变压器一次侧、磁体负载依次相连构成的主放电回路；由耦合变压器二次侧、交流补偿电源、补偿电容、磁体负载依次相连构成的补偿放电回路；由电阻R1与二极管D1串联后，并联在主电源两端构成的磁体负载的续流回路，同时起到保护主电源的作用；耦合变压器一二次侧同名端相互连接；其中，主放电回路，用于在磁体负载上产生磁场B；补偿放电回路，用于补偿磁场B中的基频纹波分量、高频纹波和开关纹波分量，产生高稳定度平顶脉冲磁场；

为防止铁芯饱和，耦合变压器为带气隙耦合变压器。主电源由直流有效电压源DC和交流有效电压源AC1组成，用于为磁体负载供电，任意波形主电源均可以分解成直流有效电压源和交流有效电压源的串联叠加。

交流补偿电源AC2包括交流补偿电源主电路和交流补偿电源控制电路；

交流补偿电源主电路，如图2所示，包括三相不控整流桥RB1、输入LC滤波器IF、可控逆变桥IGBT、输出滤波电感L；

交流补偿电源控制电路，包括电流采集装置DCCT、控制板和IGBT驱动放大电路。电流采集装置DCCT采集耦合变压器一次侧L1上的电流信号，送入控制板进行处理，经高通数字滤波算法后得到参考电流信号；参考电流信号经过控制板中误差比较器与耦合变压器二次侧L2上采集到的电流信号进行比较，得到误差信号送入控制板中PID模块进行计算，产生逆变桥IGBT驱动信号，经IGBT驱动放大电路送至交流补偿电路主电路中的可控逆变桥IGBT门极进行控制，使耦合变压器二次侧L2电流波形跟踪L1电流交流分量变化，输出在磁体负载上的总电流即为高稳定度电流波形，进而在磁体负载上产生高稳定度平顶脉冲强磁场。

上述平顶脉冲强磁场实现装置的交流等效电路如图3所示，磁体负载中无交流分量，负载两端等效为交流地，当未加交流补偿电源AC2时，AC2等效为短路，此时电路为无源磁通耦合滤波电路。

当耦合变压器一次侧电流增加时，为保证主磁通不变，耦合变压器二次侧感应出相应电流分量。如果满足一定参数要求，即可实现一定频率的交流补偿。经计算得出，如果满足：

C*(L2-M)*(2πf)2＝1 (1)

即可实现基频纹波频率f的无源补偿。因此选取补偿电容、耦合变压器的时候，要尽可能使其参数满足以上等式，还可以通过在耦合变压器二次侧支路串联可调电感器等方法，等效改变耦合变压器二次侧电感L2，使等式左边更加趋近于1。调整好C、L2、M等无源参数后，加入交流补偿电源AC2。交流补偿电源仅仅需要补偿剩余交流分量和开关纹波分量。此时经推导得出，

由于耦合变压器二次侧流经交流分量，所需匝数少，电感量小，L2-M<L1-M，补偿电源所补偿的主要是高次谐波分量， 因此补偿所需的交流电源输出有效幅值远小于主电源有效交流电压分量，输出功率相应大大降低。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的平顶脉冲强磁场实现装置能够产生高场强高稳定度平顶脉冲磁场波形，现通过实例详细计算参数如下：

主电源等效为100V直流与1.2V/110Hz、12V/50Hz交流电压源的串联，耦合变压器一次侧电感L1为10mH，二次侧电感L2为2mH，互感M为1mH，计算得电容参数为10.132mF，交流补偿电源有效输出电压幅值-0.105785V。

当主电源开通后，磁体负载磁场强度迅速增加，为平顶脉冲磁场的上升沿；若主电源经耦合变压器一次侧电感L1直接加在磁体负载两端时，得到的磁场波形为B；若调节L1、L2、M、C参数使其满足式(1)，此时未加交流补偿电源AC2，产生图4中磁场波形B1，可以看出，磁场波形B1已经滤除了磁场B中的大部分交流基频纹波分量；若加入交流补偿电源AC2，磁体负载由主电源和补偿电源同时供电，产生磁场波形B2，可以看出，B2补偿了B1中剩余的交流纹波分量和高频开关纹波等分量，实现了高稳定度平顶脉冲磁场波形；上述各磁场波形均选取平顶阶段。

本发明所需的主电源电压波形可以为任意，若主电源幅值继续增加，所得磁场场强还可以更高，实现高稳定度平顶脉冲强磁场。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种平顶脉冲强磁场实现装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。