【正文】 .......................................................................................................... 21 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................. 21 。 這種充電電路具有以下特點： ? 采用恒流且限功率充電方式，對電網(wǎng)的功率要求低，充電精度和充電重復(fù)精度高，充電重復(fù)精度為 %； ? 采用全數(shù)字控制技術(shù)，控制靈活，穩(wěn)定性和可靠性高； ? 具有完善的在線自動保護(hù)功能。整個電容器可以分為 16 個模塊，要實現(xiàn) 16 模塊與 11科學(xué)實驗站的合理有效靈活的配合，是要綜合考慮布局、距離、控制等各個方面的因素。要有效、靈活地管理運行這么多臺電容器，必須對之分組，實現(xiàn)模塊化。但是故障時放電是非常的快（ ms 以下），一般的保護(hù)是滿足不了要求的，而且電流非常的如果形成電弧很難切斷。重要是因為，在充電過程中如果某一臺電容器自擊穿短路 ，那么組內(nèi)其他的電容器的能量都會對之泄放，如下圖， 1MJ 的能量對一臺短路電容器放電，該電容器是不可能“消化 ”，就會引起爆炸，發(fā)生事故。如果串并聯(lián)的晶閘管有一個驅(qū)動失敗或者導(dǎo)通延時，那么其他開關(guān)的電流電壓會超過額定值，導(dǎo)致所有的開關(guān)都損壞，最終可能導(dǎo)致事故發(fā)生。對于大功率晶閘管的串并聯(lián)，這是一個關(guān)鍵的技術(shù)，它是電容器電源主要器件，可靠性要充分保證。從上表可以看出，要滿足脈沖強(qiáng)磁場對電壓電流的要求，必須要將多個SCR串并聯(lián)來實現(xiàn)。我校擬建的強(qiáng)磁場實驗室，開關(guān)要求是 25kV/引燃管，但它們都存在缺點：導(dǎo)通時電氣噪音大，而且開關(guān)的導(dǎo)通時間和電壓存在很大的分散性，這些缺點對所產(chǎn)生的強(qiáng) 磁場影響比較大，不是理想的開關(guān)。目前，在強(qiáng)磁場裝置中所使用的電容器使用比較多的是儲能在 － 1MJ，電壓在 510kV，這樣的一個電壓范圍對電容器和磁體的絕緣設(shè)計都比較容易。 電容器組電源 有 以下 幾個比較關(guān)鍵的技術(shù) ： [I] 高儲能密度電容 由于脈沖強(qiáng)磁場要求存儲的能量很大，一般都在 1MJ 以上，但是電容器的儲能密度不高，如果使用普通電容器，那么電容器組的造價和體積都會大大的升高的。每個模塊就是一個完整的單元，它主要包括多臺電容器、電容器的保護(hù)、雙刀雙擲開關(guān)、半導(dǎo)體 放電 開關(guān)、極性轉(zhuǎn)換開關(guān) 、 測量裝置 、 Crowbar 回路、泄能開關(guān)及電阻、 調(diào)整開關(guān)及電阻 和控制 模塊，可以參看圖 1圖 1。 7) 操作 自動化 ： 強(qiáng)磁場 用戶可以根據(jù)自己需要通過軟件平臺選擇自己需要模塊 1 模塊 2 模塊 3 模塊 4 模塊 5 模塊 6 模塊 7 模塊 8 電容器組控制模塊（ L C B ） 輸出母線 PH MF 中央控制單元 華中 科技大學(xué)研究生院 18 的 脈沖類型，磁場強(qiáng)度，以及脈寬。 5) 報告故障信息 ： 若有電容器被燒壞 （ fuse 燒壞） ，發(fā)出警報并記錄存檔，將不用此臺電容器（或電容器組）直至被修好。 2) 可靠性 ： 瞬間的脈沖電流產(chǎn)生等效的高頻磁場，會干擾控制回路，要注意電磁兼容問題，避免控制系統(tǒng) “誤動作 ”和 “不動作 ”，充 分保證控制系統(tǒng)的可靠性。為滿足各種實驗對電容器能量的不同要求，每個電容器組模塊的輸出都配備了電動雙刀雙擲開關(guān)以實現(xiàn)不同電容器組模塊的組合，如圖 18(以 8MJ 為例 )。此外，還可以根據(jù)實驗要求組成混合電源系統(tǒng)以實現(xiàn)對長短合成脈沖磁體等對磁場波形有特殊要求的磁體供電。磁體電阻的0 .0 1 0 .0 m 2 0 .0 m 3 0 .0 m 4 0 .0 m 5 0 .0 m 6 0 .0 m 7 0 .0 m 8 0 .0 m01k2k3k4k5k6k7k8k9k10k11k12k13kR (7 7 m o u ~51 0 m o u )R (7 7 m o u )I/kAT / m s華中 科技大學(xué)研究生院 16 非線性變化這給實現(xiàn)脈沖平頂波帶來了不少困難。 0 .0 1 0 .0 m 2 0 .0 m 3 0 .0 m 4 0 .0 m 5 0 .0 m0 .02 .0 k4 .0 k6 .0 k8 .0 k1 0 .0 k1 2 .0 kI / KAt / m s R f =10 0 m o u R f =20 0 m o u R f =30 0 m o u R f =40 0 m o u R f =50 0 m o u2300K 77K77K300K 77K400K 77K77K400K 77Ki R dt c m dT (1) RR R ( T 77) R ( 2)TTccc ( T 77) c (3)TT? ?? ?? ? ? ????? ?? ? ? ????華中 科技大學(xué)研究生院 15 圖 15 磁體電阻的 模擬電路 從圖 16 可以看出磁體電阻的 變化對磁體中的電流的影響是很大，圖中R 77 510mm?? ?曲線是變化電阻（ 77 510mm?? ?）的曲線， R77m? 是電阻（ 77m? ）不變時曲線。這一過程可以用以下三個方程描述 ： 方程（ 1）表示這一過程是絕熱過程，（ 2）電阻的線性變化規(guī)律，（ 3）比熱的線性變化規(guī)律?；芈穮?shù)：1C = 5 8 5 5 u F = 3 . 1 9 0 m F? ， L1 20uH ， R1 = 50m? 。 華中 科技大學(xué)研究生院 13 圖 12 磁體剖面圖 [18] 本課題研究 的是 電容器電源 系統(tǒng) ,其 等效電路圖如 下 圖： 圖 13 脈沖強(qiáng)磁場電路圖 C 是等效的電容器組， L1， R1 分別是整個回路的等效電感和電阻， U1 是高壓大電流開關(guān)。根據(jù) 華中科技大學(xué) 擬建的（脈沖強(qiáng)磁場實驗裝置） PHMFF 規(guī)劃： 脈沖磁體包括參數(shù)為 50T/45mm/65ms、 60T/22mm/30ms、70T/16mm/ 20ms和 80T/14mm/15ms 的短脈沖磁體各 3 個，參數(shù)為 50T/34mm/2250ms、60T/50mm/800ms 、 70T/24mm/150ms 的 長 脈 沖 磁 體 各 1 個 ， 以 及 參 數(shù) 為80T/18mm/600ms、 80T/18mm/1900ms 的長短合成脈沖磁體各 1 個 。由于電容 C 與磁體電感振蕩的作用在半個周期之后，電容電壓達(dá)到負(fù)的最大，由于二極管 D2 的作用，電容不會再對磁體放電；而是通過 D1 和 L1 回路振蕩，電容電壓會從負(fù)的最大變成正的最大， D1 起到與 D2 同樣的作用。 這種可重復(fù)脈沖磁場電源，可以參考 日本仙臺[17]設(shè)計的系統(tǒng)，如下圖 11。 從圖 10 可了解混合脈沖的實現(xiàn)方法，在外磁體（長脈沖磁體）上加一個脈沖寬度很長的電流形成磁場，稱為背景磁場；在背景磁磁場達(dá)到峰值時，在內(nèi)磁體（短脈沖）上通入短脈沖電流，在背景磁場上疊加了一個短的脈沖磁場，總的磁場強(qiáng)度等與兩個脈沖磁場之和。 [II] 脈沖 平頂電流波 脈沖平頂波，一種類似梯形的脈沖電流波。就目前世界研究的現(xiàn)狀來看，主要有以下幾種電流波形： [I] 普通的單脈沖電流波 這是最普通的情況，按照脈沖長度有可以分為短脈沖 ， 脈沖寬度一般幾十個ms；長脈沖，脈沖寬度一般幾百 ms；超長脈沖，脈沖寬度可達(dá)秒級。但是在與脈沖強(qiáng)磁場相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)方面，我國已具備較好的技術(shù)基礎(chǔ)。中科院等離子體物理所曾研制過一臺 40T的脈沖磁體。一般只適合于小功率磁體不適合于大磁體，有地域限制。 電容器組電源 造價不高，易于管理和維護(hù)，整個系統(tǒng)能量利用率高，電容器自身不損耗能量。擁有 14MJ 的電容儲能型電源和 40T－ 60T 的系列用戶型脈沖磁體。計劃建造 50T－ 70T 的系列脈沖磁場，并計劃沖擊 100T 的非破壞 性脈沖極限磁場。這種脈沖磁場的平頂波形，是通過控制磁體的電流波形得到的。而在整個脈 沖期間，通過調(diào)節(jié)勵磁發(fā)電機(jī)電壓維持不變。電機(jī)開始工作在電動機(jī)狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 1800rpm 時存儲的能量為 1260MJ。目前，該實驗室正在設(shè)計建設(shè) 100T 的非破壞性脈沖極限磁場。 美國脈沖強(qiáng)磁場實驗室建在位于新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室 [12]。 二、 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 脈沖強(qiáng)磁場電源的國內(nèi)外現(xiàn)狀 國外： 截至目前，全球共有 30 多個脈沖強(qiáng)磁場實 驗室 [11]， 如 表 1。先用可控整流對儲能電感充電，然后要通過 DCDC 變換才能對磁體供電。超導(dǎo)儲能系統(tǒng)沒有能量損失，但是目前還在研究階段，而且成本極高，還不適合作強(qiáng)磁場電源。若要對高能能量磁體供電，一般要求實驗室建在大電廠或變電站附近才可行。 電網(wǎng) 電網(wǎng)也是脈沖磁場的一種電源。 圖 4 脈沖交流發(fā)電機(jī)可控整流電源 這種系 統(tǒng)的最大優(yōu)點是功率大、存儲的能量大、控制靈活，電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，可以使用一臺電機(jī)同時對一個磁體（或者混合磁體的幾個部分）供電，如NHMF 的 60T 磁體長脈沖供系統(tǒng)。 不控整流交流發(fā)電機(jī) （如圖 3） 與直流電機(jī)一樣也是通過調(diào)節(jié)電機(jī)的勵磁來調(diào)節(jié)對磁體的供電電壓。 脈沖發(fā)電機(jī)可以分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)，直流發(fā)電機(jī)可以直接給磁體供電，而交流電機(jī)要通過可控整流或者不整流變成直流給磁體供電。圖中的 2mH 的電感起故障限流作用，保護(hù)放電開關(guān)。