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超导磁体电流源的设计与实现 摘要 随着超导技术和制冷技术的相互促进和共同发展，超导磁体系统已得 到越来越广泛的应用。电流源及保护控制系统是超导磁体系统的重要组成 部分，其主要任务是为超导磁体系统提供稳定电流并实现可靠的保护控制。 本文首先分析了超导磁体电流源的工作过程及其特殊的控制和保护要求， 然后提出了一种合理的电流源系统的实现方案，并设计了一个以单片机为 核心的自动保护控制系统。 本文是一篇不可多得的目前国内对超导磁体电流源的较详细的论著， 具有很高的参考价值。 关键词：超导磁体；电流源；失超保护；单片机控制； d e s i g n o fap o w e r s u p p l yf o rs u p e r c o n d u c t i n g m a n e ts y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs u p e r c o n d u c t i n gt e c h n i q u e a n dr e f r i g e r a t i n gt e c h n i q u e ，t h e s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e m h a sm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o na tp r e s e n t t h ep o w e rs u p p l yi sa n i m p o r t a n tp a r to ft h es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e m ，i ta f f o r d sb o t h s t e a d y c u r r e n ta n dr e l i a b l e p r o t e c t i o n f o rt h e s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e ts y s t e m f i r s t t h ep a p e ra n a l y s e st h ew o r k i n gp r o c e s sa n d s p e c i a lp r o t e c t i n gd e m a n d so ft h ep o w e rs u p p l y ，t h e ni ts u g g e s t sa p o s s i b l es c h e m ea n dd e s i g n s ak i n do fp r o t e c t i n gc o n t r o ls y s t e mb y m i c r o p r o c e s s o r t h i sp a p e ra n a l y s e si nd e t a i las u p e r c o n d u c t i n gm a g n e tp o w e r s u p p l ya n d i t i sr a r ep a p e ri n l a n da tp r e s e n t ，s oi th a sh i g h r e f e r e n c e k e y w o r d s ： s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t p o w e r s u p p l y q u e n c h o fas u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t m i c r o p r o c e s s o r c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知；除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金匿王些太堂 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均 已在论文中作丁明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：够姨 签字日期：汐弓年牛月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些叁堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅本人授权金匿王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关致据 库进行检索，可阻采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 龙t 炙 签字日期：矿岁年4 月1 日 导师签名 澎茅撩 签字日期：p 弓年讧碉日 工作单位：跣钾以配 通讯地址房瞄，。1 7 佬撬洲每绥治吲； 电话：1 弓，易一；铲即 邮编：z 弘口 致谢 我非常感谢中国科学院等离子体物理研究所的副研究员王福堂老师对 我的无私帮助和指导，尤其足王老师渊博的超导磁体方面的理论知识给了 我莫大的支持，使我受益非浅。我也真诚地感谢等离子体物理研究所的研 究员陈敬林老师对我的热情帮助。 我非常感谢我的指导老师合肥工业大学教授单承赣老师对我的支持和 鼓励，尤其是从开题至论文的撰写、修改，单老师都倾注了大量的心血， 给了我莫大的帮助。 在此，我也真诚地感谢十六所第十二研究室的同事们对我的工作给予 的合作与支持，同时感谢室领导、所领导对我工作的大力支持。 最后，我真诚地感谢我的家人对我的关心和支持，正是他们默默的体 贴与奉献才使我顺利地完成了学业。 龙瑛 2 0 0 2 年1 2 月 第一章概述 1 1 超导磁体系统电流源研究的意义 1 9 1 1 年物理学家卡末林昂尼斯第一个发现了超导电性的零电阻现象，即 将超导体冷却到某一临界温度( t c ) 以下时电阻突然降为零。随后，迈斯纳和 奥克森费尔特于1 9 3 3 年发现超导体具有完全抗磁性，即当超导体冷却到临界温 度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度， 超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感 应强度为零，称为“迈斯纳效应”。迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个基 本特性，它们既互相独立，又密切联系。也正是超导体的这些特性使人们对它 产生了浓厚的兴趣，从此科学家们开始进一步探索超导理论，发现新型超导材 料，并致力于超导技术的应用使之造福于人类。 从超导的研究、发展到现在的超导技术应用，超导技术与制冷技术都是密 不可分的，超导技术为制冷技术提出了更高的要求和发展方向，制冷技术的提 高也促进了超导技术的深入研究和应用普及。 1 2 在低温超导技术应用领域，低温超导磁体系统得到越来越广泛的应用。低 温超导磁体系统在生物医学中的应用包括超导核磁共振成像装置( m r j ) 和核 磁共振谱仪( n m r ) 。核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与外磁 场的共振现象来分析被测对象的内部状态。目前，核磁共振成像装置已广泛用 于医学诊断中，例如用于早期肿瘤和心血管疾病等的诊断，它能准确检查发病 部位，无损伤和辐射作用，并且诊断面非常广。核磁共振谱仪是基于核磁共振 原理而研制出来的，它目前已广泛用于物理、化学、生物、遗传和医药学等领 域的研究中，具有高分辨率、高频率、高磁场等优点。科学工程和实验室是超 导技术应用的一个重要方面，它包括高能加速器、核聚变装置等。在这些应用 中，超导磁体系统是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关键部件。 3 4 低温超导磁体系统的另一重要应用是超导储能装置。超导储能装置是利用 超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一 种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几 个部件组成。超导储能装置的工作原理是在电网运行处于其低谷时把多余的电 能储存起来，而在电网运行处于高峰时，将储存的电能送回电网。由于储能线 圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所储存的能量几乎可以无损耗地永久 储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷， 而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特 性，同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。因此，超 导储能装置可长期无损耗地储存能量，其转换效率可达9 5 ，它除了真空和制 冷系统外没有转动部分，使用寿命长，在建造时不受地点限制，维护简单、污 染小。目前美国、日本、德国等一些发达国家在超导储能装置方面的研究上投 入了大量的人力和物力，并且有许多在建的超导储能装置。据预测，到2 0 1 0 年全世界对超导储能装置的需求将在1 5 亿美元左右。 低温超导磁体系统是一涉及低温超导技术、低温制冷技术、低温容器、电 源及自动控制技术等跨学科技术难度大的综合系统，其应用长期以来遭受着许 多技术问题的困扰。因为采用液氦浸泡冷却超导磁体、液氮冷却辐射屏的低温 超导磁体系统中存在着固有的不便之处，使得超导磁体系统的结构非常复杂， 而且在无液氮或难于获得液氦的地区，使用超导技术就更加困难。而制冷机冷 却型超导磁体系统可以大大简化系统的复杂性，降低系统操作难度和运行费用， 提高低温超导磁体系统的实用化程度，因此成为国内外研究发展的方向。 5 国家超导中心在九五期间就确定研制各种小型低温超导磁体系统，中科院 合肥等离子体研究所、北京电工所及北京中科院低温中心等单位都已进行了开 创性的工作，分别研制了利用液氮浸泡和小型制冷机进行冷却的超导磁体系统， 并通过联合调试和整机实验积累了宝贵的经验。2 0 0 1 年我所承担国家下达的新 品项目制冷机冷却型超导强磁场系统，其目的在于进一步解决低温超导磁体 系统的实用化问题。 作为制冷机冷却型超导磁体系统的重要组成部分，电流源及保护控制系统 也期待着进一步的发展。最初的超导磁体电源只能为超导磁体提供一个稳定的 直流电流，对超导磁体的失超保护无法实现，需要专门做一失超保护仪，而且 自动化程度低，不能实现计算机控制，通用性和实用性较差。随着现代电子技 术的飞速发展，如何利用新技术来实现功能强、精度高、性能可靠且自动化程 度高的超导磁体电流源及保护控制系统已成为急待解决的问题。目前国外已出 现了功能强的系列化超导磁体电流源产品，为国内今后的发展指明了发展方向。 因此，为了适应低温超导磁体系统研究和发展的需要，跟上国际先进水平， 我们非常有必要对超导磁体电流源系统进行系统的分析和研究，提出合理的实 现方案，使其和国际接轨，以促进国内低温超导技术的应用和发展。 1 2 目前国外发展状况 目前国外产品主要有英国低温公司( c r y o g e n i c ) 生产的s m s 系列超导磁 体电流源产品，磁体可以用前面的控制面板直接操作，也可以通过简单易懂且 容易使用的驱动命令通过计算机来操作。电流的控制和监测采用带高精度差动 放大器的电流分流器和1 6 位的数，模转换器和1 6 位的模数转换器来实现。 s m s 系列超导磁体电流源的额定电流从最小1 0a 到最大6 0 0a 、功率最小 2 0 0 w 到最大5 6 0 0 w 可选，可带i e e e 4 8 8 接口或r s 2 3 2 接口，现将主要指标介 2 输电流： 设定范围：0 - - 额定电流 设定分辨率： 1 8 m a 设定的精确性：1 8 m a 控制的稳定性：2 0 p p m t 、, 时 读数的分辨率：0 0 0 输入电压： 设定范围：0 - - 额定电压( 5 v ) 设定分辨率：0 1 v 设定的精确性：2 0 m v 转换开关加热器： 设定范围：0 - - 8 o v 没定分辨率：0 1 v 最大电流： 1 0 0 m a 1 3 国内的研究状况和我们研究的主要内容 近年来，国内中科院多家单位对低温超导磁体系统的研究做了大量的工作， 但超导磁体电流源及保护控制系统这部分没有形成规模和系列化，并且在精度、 可靠性和自动化程度上与国外还存在着差距。因此，为了提高目前国内的超导 磁体电流源水平，适应低温超导磁体系统不断发展的需要，本课题主要对下列 内容进行了深入研究： 超导磁体失超保护的可靠实现 首先从理论上详细分析了桥路检测法及平衡条件，并根据对二阶低通滤波 器的设计计算和失超保护动作时间的要求，结合先进的单片机控制技术，设计 了一个完全满足失超保护闽值电压和动作时间的控制电路。 高精度、高可靠性的大电流源的研究 通过对电流源的几种常见实现方案的分析，设计了一个串联调整型稳流电 源电路，并从理论上进行了误差分析。该电流源的稳流精度可以达到0 5 9 6 以下， 还可以非常容易地实现系列化。 由单片机组成的自动保护控制系统的研究 针对超导磁体电流源的特殊性，采用先进的单片机控制技术来完成对超导 磁体的失超检测与保护、电流上升与下降速率的控制。此外还运用了光电隔离 技术和数字滤波等多种抗干扰措施，以提高系统的可靠性。 第二章超导磁体系统电流源的工作原理 2 1 制冷机冷却型超导磁体系统的结构 制冷机冷却型超导磁体系统主要由4 2 k 制冷机、磁体、杜瓦容器及电流 源系统等部分组成，其中制冷机包括膨胀机和压缩机两部分，超导磁体浸泡在 液氦杜瓦内，磁体骨架与杜瓦焊接一体。整个系统结构简图如下： 4 图2 1 制冷机冷却型超导磁体系统的结构 低压回气管高压排气管 压缩机膨胀机液氦杜瓦 电流源系统输液管电流引线真空及安全阀门电源线 磁体的冷却方式采用液氮浸泡n b t i 超导磁体，4 2 k 制冷机的一级冷头冷 却辐射屏，二级再冷却液氮蒸汽。其中4 2 k 制冷机的最低制冷温度为2 9 k ， 在4 2 k 时有l w 左右的冷量，这样使氦蒸汽再冷凝成为可能，而超导磁体冷 却系统的液氨蒸发率可以达到零蒸发率。 磁体用中0 5 m m 的n b t i c u 基多丝复合线绕制，磁体骨架同时为杜瓦内胆 组件，磁场强度从0 。3 5 特斯拉连续可调，工作时处于稳定的磁场值。 杜瓦的设计主要从三方面考虑：一是在保证系统所需的液氨储存量的情况 下，使杜瓦的体积最小；二是尽可能降低系统漏热；三是充分考虑系统维护的 方便性。 励磁电流引线是连接超导磁体线圈即低温端到室温端的引线部分，为纯铜 4 电流引线，为了解决铜电流引线的漏热问题，这里采用了可拔引线，即励磁时 将可拔引线插上，去磁后将可拔引线拔掉以减少漏热。目前已研制出高温超导 体电流引线，它的优点是可把电流引线的超导部分运行在低于临界温度的超导 态，消除了焦耳热量，另一方面，作为陶瓷材料的高温氧化物超导体的热导率 很低，从而大大降低了沿引线从高温区到低温区的传导漏热。但国内目前这方 面的技术还不够成熟。电流源及保护控制系统主要为超导磁体系统提供稳定的 电流以得到稳定的磁场，并可靠实现超导磁体的失超保护、电流上升下降速率 的控制。 6 7 这种超导磁体系统的结构比较简单，成本也较低，便于操作与维护，低温 液体能够维持一年以上，目前在m r i 系统中广泛采用，技术较成熟，可靠性高。 结合我所多年来在杜瓦容器、制冷机研制方面有着丰富的经验和技术成熟度， 因此该项目就采用了这种结构。 2 2 电流源及保护控制系统的工作过程及组成 2 2 1电流源及保护控制系统的工作过程 电流源的工作过程需要根据超导磁体系统的工作过程来决定，系统的工作 过程分为两部分，即超导磁体实现励磁和闭环运行的工作过程以及改变超导磁 体的闭环电流或结束工作过程。 超导磁体实现励磁和闭环运行的工作过程如下： 开制冷机使二级温度降至最低； 加液氦； 启动加热电流使超导开关处于正常态； 给超导线圈加电流励磁，并控制主电流上升速率； 励磁结束后关加热电流使超导开关处于超导态； 使电流源电流降为零控制电流下降速率，超导磁体实现闭环运行。 其中步骤为超导磁体系统的准备工作，准备工作完毕后电流源及保护 控制系统就可进入工作状态。为励磁工作过程，为实现闭环运行的工 作过程。 改变超导磁体的闭环电流和结束工作的过程类似，即需要将磁体闭环运行 的电流重新加载或卸载到需要值( 或降为零) ，其工作过程如下： 将电流源电流慢慢加载到原磁体运行电流，即实现闭环时的励磁电流； 启动加热电流使超导开关处于正常态； 将主电流升为( 或降为) 需要值( 或零) 并控制主电流上升( 或下降) 率。 由于超导磁体系统的工作过程与超导开关密切相关，这里结合超导开关的 工作原理来分析电流源的工作过程。 超导开关是用特殊超导线绕成的一种无感小线圈，它的稳定基材不是铜， 而是电阻值比较大的铜镍合金。超导开关存在超导态( 即电阻为零相当于开关 导通状态) 和正常态( 即电阻不为零相当于开关断开状态) ，其两端与超导磁体 线圈并联并构成回路。超导开关原理图如下所示： 图2 2 超导开关原理图 + 图中，l 是超导磁体线圈，k 是超导开关，r 是加热器。1 2 是0 。1 2 0 安培 主电流即励磁电流，i l 是0 。2 0 0 毫安加热电流，用于加热超导开关k 。在给超 导磁体线圈加电流励磁之前，需要先将超导开关加热，使它的温度在临界温度 ( 1 0 k ) 以上，即处于电阻状态( 正常态) ，而超导磁体线圈处于零电阻状态( 即 超导态) ，这样使主电流与超导磁体线圈形成回路，并对超导磁体线圈进行励磁： 当励磁电流达到所需磁场要求时，应切断超导开关的加热源，并等待3 分钟左 右，使超导开关冷却到它的临界温度以下，即处于零电阻状态( 即超导态) ，这 样电流在超导磁体线圈和超导开关之间形成回路，然后再慢慢将主电流降下来。 实际上，在降流的过程中，电流从主电流支路逐步转移到开关支路，当电流降 到零时，全部电流转移到开关上，就形成了全超导的闭环回路，从而得到稳定 永恒的磁场。当需要改变超导磁体的闭环电流或需要结束磁体工作时，必须将 主电流慢慢上升到前磁体运行电流，然后给超导开关加热使之处于正常态，再 慢慢升高或降低主电源电流直到需要值，结束工作时将主电流慢慢降为零。同 样，在升流的过程中，电流又从开关支路逐步转移到主电流支路，当电流升到 前磁体运行电流时，全部电流就转移到主电流支路上，这时才能给超导开关加 热，使开关支路断开( 即处于电阻状态) 。值得注意的是，若电流没有升到前磁 体运行电流就给超导开关加热，就会使超导磁体失超或放电，从而损坏磁体。 简单地说，超导开关的主要作用是在加励磁电流后与磁体线圈形成回路， 而此时磁体线圈与超导开关均处于超导态，电流在回路中无消耗运转，从而得 到稳定永恒的磁场。在给超导磁体升流或降流的过程中，是通过加热电源( 0 2 0 0 6 毫安) 对超导开关加热到其临界温度以上或用液氦冷却到其临界温度以下，来 实现正常态与超导态之间的相互转变的。 8 9 2 2 2电流源及保护控制系统的组成 电流源及保护控制系统主要包括以下几个部分： 电流o 一1 2 0 安培可调的主电流源， 电流o 一2 0 0 毫安可调的超导开关加热电流源， 超导磁体的失超保护控制部分， 超导磁体电流上升和下降速率控制部分， 计算机接口部分。 电流源系统不仅要求提供连续可调的高稳定的大电流，还要求实现对电流 上升与下降速率的控制。由于超导磁体线圈是感性负载，在电流通断时由于过 大的d i d t 会产生较高的感生电压，容易损坏电流源；另外更重要的是，过大的 d i d t 也容易引起超导磁体失超现象的发生。所以电流的上升与下降速率不宜太 大，一般最大为2 0 a 分。 励磁或去磁过程中，超导磁体某部分一旦发生由超导态向正常态转变时 ( 称之为失超) ，就会引起线圈温度骤然升高，液氦冷剂大量汽化，损坏磁体及 低温制冷系统，甚至给整个系统造成破坏。因此，超导磁体的失超保护问题是 低温超导磁体系统必须要考虑的内容，也是电流源系统的重要组成部分，以下 有详细分析。此外，电流源系统实现与计算机的通讯及控制功能更是现代电子 技术发展的需要和必然。实现过流、过压等一般保护功能也是必不可少的。 值得注意的是，用于超导磁体的电流源系统不同于一般的稳流源，主要表 现在以下几个方面： 用于超导磁体的电流源系统其工作过程比一般的稳流源复杂，尤其在操作 程序上应该根据超导磁体系统的需要按照严格的程序进行，否则会损坏磁 体系统。 用于超导磁体的电流源系统需要实现一些特殊的功能，如失超保护，电流 上升和下降速率的控制等，因此它不仅仅是一个稳流源，而是一个电流源 及保护控制系统。 由于超导磁体电流源的负载是超导磁体线圈，工作时超导磁体线圈处于临 界温度以下( 即处于超导态) ，所以电阻为零。也就是说，正常工作时，超 导磁体电流源的负载电阻为零( 不计导线损耗) ，即电流源一般工作在短路 状态。 由于超导磁体系统的各个部分都是价格昂贵的高科技产品，一旦电流源出 现问题会对整个系统造成损坏，所以对电流源的电流稳定度和可靠性要求 7 较高。 通过以上对超导磁体电流源系统的工作过程分析，了解了其特殊性要求， 就可以确定电流源系统的整体实现方案。 1 0 i i 2 3电流源系统的整机实现方案 2 3 1电流源的技术指标 根据制冷机冷却型超导强磁场系统总体项目的技术指标要求，对电流 源系统提出的技术指标如下： 主电流源： 电源电压：a c 2 2 0 v 1 0 电流可调范围：0 1 2 0 安培 最大输出电压：8 v 电流稳定度： 5 1 0 。 加热电流源： 加热电流可调范围：o 一2 0 0 毫安 输出电压范围：3 5 4 0 v 电流稳定度：1 1 0 。 控制要求： 主电流上升、下降速率控制要求i a 分。2 0 a 分可选； 超导磁体失超保护； 主电流9 v 过压、1 2 5 a 过流保护； 2 3 2电流源的实现方案 根据以上技术指标要求，将电流源系统分为主机部分和控制部分两部分， 整机相应分为主机箱和控制机箱两部分，相互之间用电缆线联结。主机部分主 要为超导磁体提供o 。1 2 0 安培稳定电流；控制部分由以单片机为核心的系统组 成，主要实现对超导磁体失超保护的控制、产生o 一2 0 0 毫安加热电流以及实现 对主电源电流上升和下降速率的控制等功能。 其中0 1 2 0 安培大电流稳流电源的实现主要有三种电路形式，以下分别进 行讨论： 参数稳流器 参数稳流电源电路结构比较简单，它主要分为恒流二极管稳流电源、恒流 三极管稳流电源、晶体管稳流电源等几种形式。恒流二极管组成的稳流源其稳 定电流不能调整，三极管稳流电源和晶体管稳流电源只能实现小范围电流的调 整，且稳流精度都不高。 串联线性稳流器 串联线性稳流电源也称为串联反馈调整型稳流电源，它的电路比参数稳流 器复杂的多，是一个闭环反馈系统。它包括调整管、采样电阻、基准电压、误 差比较放大器和辅助电源等部分。串联稳流器的特点是稳定度高、技术成熟、 可靠性高，但效率较低。 开关稳流器 近年来开关电源发展迅速，主要是因为开关电源具有体积小、重量轻和效 率高的优点，其控制方式一般采用p w m 控制方式( 即脉冲宽度调制方式) 。但 是开关式稳流器不仅电路复杂、元器件数量多；且输出纹波大、可靠性较差。 经过比较，我们采用了第二个方案，以达到超导磁体要求的高精度和高可 靠性的要求。 1 2 超导开关加热电流源的电流和功率比较小，可以采用集成恒流源来实现。 由三端可调集成稳压器构成的恒流源电路简单、性能可靠且稳定度高，在电子 测量仪器、通讯等领域得到了广泛的应用，因此我们采用这一方案实现o 2 0 0 毫安加热电流源。 控制部分由m c s - 5 1 系列单片机系统组成，主要包括c p u 及存储电路、a d 与d a 转换电路、键盘显示电路及接口电路组成。单片机系统通过改变主电流 源的基准电压来改变电流上升和下降的速率，并带计算机接口电路，以便实现 计算机遥控的功能。失超保护电路的实现是通过检测失超信号，由单片机控制 固态继电器通断来实现。为了保证控制部分的可靠性，在硬件和软件上都必须 采取抗干扰措施。 9 第三章超导磁体系统的失超保护 3 1 超导磁体系统的失超保护问题分析 3 1 1 桥路检测法原理 失超是超导磁体的特有现象，它在励磁和去磁过程中最容易出现。当超导 磁体线圈由超导态向正常态转变过程中，将发生：线圈电阻出现并增大，线圈 温度升高，同时磁体线圈上会产生递增的欧姆电压信号。因此，我们可以通过 检测磁体线圈上的电压信号来判断失超并实施保护。一般对失超保护的要求是 准确检测到失超信号，及时切断电源，让超导磁体向释能电阻放电，以达到减 小磁体温升，移除磁体储能的目的。 目前对失超信号的检测一般采用桥路检测法，因为桥路检测法的灵敏度和 准确性较高，因此得到了广泛应用。其原理图如下图示： i + k2 v 图3 1 桥路桂测原理图 图中l 是超导磁体，r 。为释能电阻，k 。为继电器j l 的常闭控制开关，v 。 是中间绕组抽头，r 。是平衡电位器，它的中间抽头为v 儿。由图可见，该桥路是 由电感元件和电阻元件组成，其中一个桥臂为磁体线圈即电感元件，一个桥臂 为电位器即电阻元件。磁体线圈在超导态其电阻为零，但电感不为零，一般磁 体线圈的电感有十几亨，在给磁体升流( 即励磁) 或给磁体降流( 即去磁) 过 程中会产生感生电压，升流时感生电压为正，降流时感生电压为负，下面以磁 体升流过程为例来推导桥路平衡条件。磁体升流时产生的感生电压为： u = l d i d t 1 0 第三章超导磁体系统的失超保护 其中d i d t 为电流上升速率，是由单片机来控制的常量，则有： ai = i i 。 = t u l i 。为电流初始值，而励磁电流的初始值为零，则励磁过程中磁体感抗为： x 。= u i = l a t 若将磁体线圈的电感l 按中间绕组抽头分为两部分： l = l 1 + l 2 + 2 m 其中l l 、l 2 为自感，m 为互感； 同时将平衡电位器r 。也按中间绕组抽头分成两部分： r 9 2 r 9 1 + r 9 2 则桥路如下图示： i + 图3 2 桥路分析图 若i 十端与i 一端的总电压为v ，则由图可见t v = v “一v i2 = l r “一1 2x l l 其中，i ，= v ( r 。+ r 。：) i2 = v ( x l + x l 2 ) 由公式 得：x 。= ( l i + m ) t x 。= ( l 2 + m ) t 代入公式 并化简得： v = r | 2 v ( r 。+ r 。2 ) 一( l + m ) v ( l i + l 2 + 2 m ) 由此可见，当r 。v ( r 。+ r 1 2 ) = ( l ：+ m ) v ( l 。+ l 2 + 2 m ) 时， v i l ( 3 - 3 ( 3 - 4 ) 有：v = 0 即：r 。( l ：+ m ) = ( r 。+ r 。：) ( l 。+ l 。+ 2 m ) 化简得电桥平衡条件： r 。，( l ，+ m ) = r 。：( l 2 + m ) ( 3 5 在磁体开始升流或降流时，调节r 。使v ，。、v ，。的输出电压为零，即使电桥处 于平衡状态。当磁体某部分开始出现正常态( 即磁体局部出现电阻电压) 时， 电桥失衡，即信号输入端v 。、v 。的电位差不为零，此时就发生了失超现象。 由于正常态在磁体里的传播速度很快，失超信号的阈值电压不能取得太大，一 般取l o o m v 。当检测到i v i 达到或超过设定的闽值电压时，控制电路就会切断 磁体电源，使磁体向释能电阻r 。放电，达到保护的目的。 8 1 3 1 4 3 1 2 二阶低通滤波器的设计 由于存在各种干扰信号，对失超信号的检测必须采取滤波措施，否则无法 实现正常的失超保护功能。常见的干扰信号有： 一磁体励磁过程中因导体运动产生的磁通跳跃信号，这种信号为尖峰干扰信 号，脉宽很窄，但幅值可以达到几百毫伏。 一5 0 h z 交流信号引起的干扰，这类干扰信号可能由地线引入或是由测量仪器 引入，其幅值可以达到几百毫伏至几伏。 一空间电磁辐射干扰。由于磁体本身是个大电感元件，对于用杜瓦做实验的 磁体，会吸收来自其他用电器电磁辐射。 失超信号最明显的特点是，它随时间单调地增长，是一种直流信号。而其 他干扰信号为交流信号，针对这一特点，采用一个有源低通滤波器来加以抑制 可以得到良好效果。我们采用巴特沃思型二阶低通滤波器，它的原理如下图示： v v 图3 3巴特沃思型二阶低滤波器原理图 1 2 第三章超导磁体系统的失超保护 此电路具有元件少、增益稳定和频带宽等优点。其中c l 、c 2 和r l 、r 2 是反馈网络，而运算放大器接成电压跟髓器形式，因此在通带内其增益为1 ， 即h o = l 。 二阶低通滤波器的传输函数由下式给出： 瓣百i ) o2 甭h o c o ； 式中，。是截止频率，q 是滤波器的品质因数。令s = jc a ) ，并将h o = 1 代入 便可得到下面的传输函数： 蜘) _ 鲁2 两砝 由此可以得到该滤波器的幅频特性和相频特性 日朴引= 妒) = 一喀1 瓣0 ) 2 0 ) 2 甜 q l f 旦1 2 t o , oj 由 式可知，在阻带内幅频特性曲线约以一4 0 d b 1 0 倍频程的斜率衰减。 也就是说，低通滤波器存在一个截止频率f 。；对于频率高于f 。的信号有强衰减 作用，衰减斜率为- 4 0 d b ( 1 0 倍f 。) ，而对于f f 。的信号，输出值等于输入值。 低通滤波器的主要性能由q 和。决定，巴特沃思型二阶低通滤波器的q 值一般取0 7 0 7 ，q 值标志着低通滤波器的通带宽度。 巴特沃思型滤波器的幅频频率特性如下图示 1 5 ，其中氐为电压放大倍 数，a 。为通带放大倍数： 一2 4 6 8 一1 0 1 2 1 4 2 0 1 9 f a 。a 。fd b 0 5 12 。 f f o 圈3 4巴特沃思型滤波器幅频频率特性 可以证明，对于图3 3 所示电路，其。和q 分别由下式决定： 若取r 。= r ：= r ，则： 将。= 2 u f 。，0 = 0 7 0 7 代入式 ，化简得该滤波器的截止频率f o 与元 件参数关系为： 五= 压2 , w r c c 1 = 2 c 2 若滤波器的截止频率f o 选为6 3 赫兹，c t 取0 2 弘f ，c z 取0 1 uf ，则r 应取为： 1 4 荔 = = o _ 吐 ，一q ，_l_i_lj【ll-_l 靠 一q r-jf，【 r = 2 2 x l c l = 1 7 8 k o 截止频率厶取为6 3 赫兹的情况下，对5 0 赫兹交流信号衰减比为2 6 ， 对于1 0 0 0 m v 的干扰信号，通过滤波器后，其幅值只有2 6 m y ，远小于失超保护动 作阈值电压1 0 0 m v ，这样就保证了失超信号检测的准确性。 1 6 1 7 1 8 滤波器对信号有延时作用，r c 越大，滤波器的延时时间就越长，而同时 r c ，越大截止频率就越低。所以，低通滤波器截止频率的选择原则应该是在满足 对高频干扰信号抑制到可接受的限度内，适当提高截止频率，减少滤波器的延 时时间。据分析，保护动作时间在l o o m s 内都能满足磁体失超保护功能的要求。 放大部分采用差动比例放大器，差动放大器有高的共模抑制比，能有效抑 制共模干扰。放大后的信号经过a d 转换，由c p u 加以判断并输出控制信号， 控制继电器线圈吸合与断开，以实现保护功能。 另外值得注意的是，释能电阻r e 不能选得太大，一般不能超过2 欧姆，因 为一旦发现了失超保护并切断了主电源后，磁体与释能电阻就构成了回路，此 时会产生一个高电压，这个高电压的值为； u = i r e 若电流最大为1 2 0 a ，释能电阻r e 取2 q ，则将产生的最大电压为： u = 1 2 0 a 2 q = 2 4 0v 这个高电压会破坏后面的失超保护检测电路，因此要采取必要的保护措施 加以防范。除了采用释能电阻外，也可以用两个二极管正反接并联来实现保护， 因为电流最大有1 2 0 a ，所以不论是电阻或二极管并联保护，都需要特殊绕制和 定做。 桥路检测法是检测超导磁体失超最常见的一种方法，用这种方法检测超导 磁体失超的准确性和灵敏度较高，适用范围广，电路也不复杂，因此得到了广 泛的应用。另外还有一种更简单的检测方法，就是直接检测主电流源输出端的 电压，一旦该电压超过了某一阈值电压就切断主电源。我们知道，超导磁体在 升流或降流时会产生感生电压，感生电压的大小为： u = l d i d t 其中d i d t 是电流上升速率，有2 0 h 分、l o a 分、5 a 分、2 a 分、i a l 分的速率可选，l 为磁体电感，一般为十几亨。 若取d i d t 为2 0 a 分，l 为1 5 亨，则最大感生电压u i 。为； iu i 。= l d i d t = 1 5 亨x2 0 安培6 0 秒= 5 伏 由于电流较大，阈值电压的选取要考虑导线的损耗电压，如果导线的损耗 电压为2 伏，那么阈值电压可选为7 伏至8 伏之间。 3 2 失超保护的电路实现 通过对超导磁体系统失超保护问题的分析可知，失超保护电路的设计应该 考虑以下几个方面： 一采用桥路检测法检测失超信号。 - 采用二阶低通滤波器提高检测的准确性。 _ 超导磁体阈值电压的调节范围是o 一2 0 0 m y ，一般取l o o m y 。 _ 桥路检测电路在切断主电源之前先需要实施保护，以免被高压损坏。 根据设计要求设计的桥路检测电路如下图示： k 图3 5 桥路检测电路图 1 6 其中k 。k 。k ，。是继电器j 1 的常开触头，k 。k ，。是继电器j 1 的常闭触头，k z - 是继电器j 2 的常闭触头。滤波及放大用运算放大器选高速低漂移单运放o p 一3 7 ， 以保证快的响应速度和精度要求。当检测到发生失超现象时，继电器j 1 先吸合， 使k j ，k ，：常闭触头断开，同时常开触头k 。k j 。闭合，与二极管构成回路保护检 测电路。由于k 。闭合又使得j 2 吸合，然后如，断开，这样就切断了主电源。整 个动作过程是先切断检测电路，再切断主电源。 8 1 9 差动放大器的输出端接高速1 2 位的a d 转换器a d 5 7 4 a ，a d 转换器将模拟 信号转换成数字信号送入c p u ，再与设定的阈值电压比较判断，输出控制信号控 制s s r ( 固态继电器) 的输入端，进而控制输出端的继电器线圈。s s r 输出端一 端接a c 2 2 0 v 交流电的相线，另一头与继电器j l 线圈串联后接零线构成回路， 由单片机和s s r 组成的控制电路图如下所示： v a k 】5 图3 6 失超保护控制电路图 1 7 v 为了保证检测的准确性，c p u 在第一次检测到失超信号后，延时0 2 m s 再 进行一次检测，如果仍然超过闺值电压值再输出控制信号。 固态继电器s s r 是近年发展起来的一种新型电子继电器，其输入控制电流 小，用t t l 、c m o s 等集成电路或加简单的辅助电路就可直接驱动；其输出利用 晶体管或可控硅驱动，无触点，因此非常适合在微机测控系统中作为输出通道 的控制元件。它与普通的电磁式继电器相比，具有无机械噪声、无抖动和回跳、 开关速度快( 5 u s 以下) 、体积小、重量轻、寿命长、工作可靠等优点。固态继 电器按其负载类型分类，可分为直流型( d c s s r ) 和交流型( a c s s r ) ，交流型s s r 又可分为过零型和移相型两类，过零触发型s s r 的干扰小，因此一般选用过零 触发型s s r 。由于电路中负载是继电器线圈，是一个感性元件，需要在固态继 电器输出端并联m o v 压敏电阻，以抑制瞬时过电压及断电时产生韵感生电压。 一般可按电源电压有效值的2 - 3 倍来选取压敏电阻的标准电压值。 2 0 2 1 3 3 失超保护动作时间的计算 超导磁体失超保护动作时间要求在1 0 0 m s 内，在以上检测及控制电路中， 主要的延时环节有四方面： 滤波器产生的延时； 一继电器产生的延时； - a d 转换器产生的延时； - c p u 执行指令产生的延时。 巴特沃恩型低通滤波器为二阶系统，可以运用时域分析法来求解其时间响 应，二阶系统传输函数的一般形式为： 荆= 百e o = 瓦嘉 其中，芎为阻尼比，m 。为无阻尼振荡频率，二阶系统的时间响应就取决于 e 和( | ) 。这两个参量。由公式 ，将h 。= 1 ，q = o 7 0 7 代入化简得低通滤波器的 传输函数为： 荆= 鲁= 再斋岛 经过对照， = o 7 0 7 ，u 。= uo = 2 u f o ，也就是说o