毕业设计论文超导电感储能的脉冲功率检测系统设计

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1、SHANDONGSHANDONG毕业设计说明书超导电感储能的脉冲功率检测系统设计学 院： 电气与电子工程学院专 业： 电气工程及其自动化学生姓名： 学 号： 1111041230 指导教师： 2015 年 6月摘 要脉冲功率技术是在指较长时间内将能量储存在电容等储能元件中，然后快速的对储能元件中的能量进行压缩、整形，对负载进行脉冲放电得到各种需求的高功率、高电压、大电流、强脉冲输出。随着脉冲功率技术的不断研究和进步，脉冲功率技术越来越广泛的应用于各种领域。除了应用于最初的国防科研和高新技术领域，现在已经广泛的应用于农业、工业和医学等方面，并展现了很大的发展前途。检测系统是超导储能脉冲功率系统稳

2、定安全运行的关键部分，对脉冲功率技术的研究具有重要意义。本文主要针对以超导电感为中间储能的脉冲功率检测系统进行设计和研究。本文设计了基于LabVIEW的超导电感储能脉冲功率检测系统，主要包含超导储能磁体的运行状态检测和系统输出脉冲电流的检测设计。其中，超导储能磁体运行状态检测主要包括温度检测、磁体电流/电压检测和冷却介质的液面检测。首先，本文对当前文献中常见的超导电感储能的脉冲功率放电技术进行了分析，针对超导电感的运行特性和超导电感储能脉冲功率系统的特点，确定了其相关参数对检测系统的基本要求。然后，论文基于脉冲功率系统中各个物理参量及其对检测技术的要求，对硬件系统进行了设计，该系统主要由电压/

3、电流、温度和液面传感器、信号调理电路和PCI数据采集卡组成，对超导电感储能脉冲功率系统的电流、电压、温度等数据实现了精确采集。最后，本文对检测系统的软件部分进行了设计，主要是基于LabVIEW的数据处理和显示软件设计，通过LabVIEW强大的图形化编程，实现了对超导电感储能脉冲功率检测系统运行状态的实时检测和数据的实时显示。本文设计的检测系统能够满足超导电感储能脉冲功率系统检测的要求，实时准确的获取系统需要的各种数据。关键词：超导电感储能，脉冲功率，数据采集，LabVIEWAbstractPulsed power technology is a long time means the ener

4、gy stored in the capacitor and other energy storage device, and then quickly to the energy storage element is compressed, shaping, pulse discharge load to get the various needs of high power, high voltage, high current, high pulse output. As the pulse power technology continues to research and progr

5、ess, pulsed power technology becomes more widely used in various fields. In addition to the initial apply to defense-related research and high-tech fields, it is now widely used in agriculture, industry and medicine, and show great development prospects. SMES pulse detection system is a key part of

6、the power system is stable and secure functioning has important significance of pulsed power technology. This paper mainly deals with Superconducting Magnet Energy Storage intermediate pulse power detection system design and research.This article is designed to detect the operating state and system

7、output pulse current is detected based on superconducting inductive energy storage pulsed power detection system LabVIEW, mainly comprising SMES magnet. Among them, the SMES operating state detecting includes detecting the temperature of the liquid level detection, the magnet current / voltage sensi

8、ng and cooling medium. Firstly, the current literature in common superconducting inductive energy storage pulsed power discharge techniques are analyzed, the characteristics of the operating characteristics of the superconducting inductor and superconducting inductive energy storage pulsed power sys

9、tem, determine its parameters detection system basic requirements. Then, based on various physical parameters of the paper pulsed power system and its detection technology requirements of the hardware system is designed, the system consists of a voltage / current, temperature and level sensors, sign

10、al conditioning circuits, and PCI data acquisition card composition, superconducting inductive energy storage pulsed power system current, voltage, temperature and other data to achieve a precise acquisition. Finally, the software part of the detection system has been designed, mainly based on LabVI

11、EW data processing and display software design, through the powerful LabVIEW graphical programming, real-time detection of superconducting inductive energy storage pulsed power detection system running status and real-time data display.Detection system designed to meet the superconducting inductive

12、energy storage pulsed power system testing requirements, real-time and accurate access to a variety of data systems needed.Keywords: superconducting inductive energy storage；pulsed power；data acquisition；LabVIEW目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪 论11.1 论文的研究目的和意义11.2 国内外研究现状11.2.1脉冲功率技术的研究现状11.2.2 超导磁储能技术研

13、究现状21.2.3 超导储能脉冲功率技术的研究现状31.3 本论文研究的内容4第二章 超导储能脉冲功率系统特性分析52.1 超导储能系统分析52.1.1 超导磁体的基本特性52.1.2 超导磁体的临界参数62.1.3 超导磁体的稳定分析82.1.4 超导磁体的运行92.2 脉冲功率系统分析92.2.1 脉冲功率系统特征92.2.2 超导脉冲成形回路分析102.3 脉冲成形回路102.3.1 超导脉冲功率系统测试电路102.3.2 超导脉冲成形回路10第三章 检测系统硬件设计123.1 检测系统硬件设计分析123.2 检测系统总体方案设计123.3 超导储能磁体状态检测123.3.1 温度传感器

14、133.3.2 液面传感器143.3.3 充电电流/电压传感器143.4 输出脉冲电流的检测方案设计153.4.1 霍尔效应153.4.2 法拉第效应法163.4.3 罗柯夫斯基线圈法173.5 数据采集卡的选择183.6 信号调理电路19第四章 检测系统软件设计234.1 检测系统软件设计分析234.2 检测系统模块分析234.2.1 数据采集模块244.2.2 数据分析处理模块264.3 数据显示274.4 数据存储284.5 文件I/O284.6 数据读取294.7 实验结果31结论33致谢34参考文献35第一章 绪 论1.1 论文的研究目的和意义脉冲功率技术是在较长时间内将能量储存在电

15、容等储能元件中，然后快速的对储能元件中的能量进行压缩、整形，对负载进行脉冲放电得到各种需求的高功率、高电压、大电流、强脉冲输出。脉冲功率技术在技术上以其高功率脉冲、高电压、短脉冲持续时间、强脉冲的特点，在工业、农业领域和国防科研中有着举足轻重的作用，另其在生物医疗、环境保护、工业加工、目标探测等方面也有着重要的科学意义与应用价值。在工业上，对地下资源的分布状况和性质的勘察可使用微波功率雷达高速脉冲技术进行，还可用于岩石钻孔、水下目标探测、快速加热淬火等。在环境上，利用脉冲电晕使空气电离产生等离子体进行污染气体的净化，利用高压液相脉冲放电产生等离子体进行废水的处理，利用脉冲静电产生高压电场使烟气

16、产生电离进行除尘。在医疗上，研究对生物培养基的影响就是利用体外碎石机产生冲击波的技术。可见，脉冲功率技术作为一种新兴的技术在发展前途方面是非常光明的。高储能密度和高功率密度的脉冲功率储能系统一直以来都是是脉冲功率技术发展的核心问题，这就要求超导储能脉冲功率装置的体积和重量也要随着技术的发展而不断变小。超导电感储能具有电容等储能设备所没有的巨大储能优势，超导电感储能具有储存能量密度大、装置体积小、传输功率大、设备成本低的优点，其在脉冲功率技术中的发展潜力巨大。随着高温超导的不断发展，在国家的鼓励下，我国已经能够生产出运用于超导输电电缆、超导磁储能等项目的Bi系高温超导材料。超导线圈储能密度大，相

17、对其他的储能装置，超导储能装置的储能体积小，装置的重量轻，而且超导电阻为零，使得装置在能量上的浪费也很少。由于超导储能装置在脉冲功率技术的使用中还要进行高电压、强脉冲的冲击，会使超导储能系统的运行受到影响，因此，为了保证超导电感储能脉冲功率系统的安全运行，需要对超导磁体工作中的情况进行检测。所以，超导电感储能系统的状态检测系统是脉冲功率系统中不可缺少的重要环节，它对超导电感储能脉冲功率系统运行的稳定性起了关键作用。本文的目标是在现有的超导电感储能脉冲功率系统的运行方法的基础上进行探讨和比较，设计一个超导电感储能脉冲功率检测系统，检测超导电感运行中的电压、电流等，从而判断超导磁体运行的稳定性。通

18、过与虚拟仪器相结合组成的数据采集系统，使系统对状态参数的检测更加精确和直观。1.2 国内外研究现状1.2.1脉冲功率技术的研究现状脉冲功率技术是近几年发展起来的一门独立的科学。随着科学技术的不断进步和发展，脉冲功率技术在科学实验、农业、医学、国防等领域得到了广泛的应用，对社会的发展产生了重大的推动作用，对人类的生活提供的便捷。1938年，美国人Tanis和Kingdon第一次提出了用高压脉冲电源放电产生微秒级脉宽的闪光X射线。1947年，英国人A.D.Blumlein研究传输线波的折反射的原理，从中获得启发，利用脉冲放电获得了纳秒级的脉冲。20世纪60年是脉冲功率技术快速发展的时代，出于科学的

19、需要人们开始研究核爆炸，同时核聚变的实验也在进行中，为了更好的满足人们的需求，高电流粒子束加速器被发明出来，这对脉冲功率技术的发展产生了重大的促进作用。1962年，在J.C.Martin领导下，英国在原子能方面进行试验，顺利的将Marx发生器和脉冲形成线科技联系起来，产生了重大发现，在脉冲功率技术领域首次产生了高功率的脉冲，将脉冲宽度顺利的从微秒级提升到了纳米级，世界上第一台强电流相对论粒子束加速器SMOG由此产生，该加速器产生的能量高到TW量级。目前，美国和俄罗斯对脉冲功率技术的发展重视程度远远大于其他的发达国家，他们的脉冲功率技术也比其他发达国家更加成熟。脉冲功率技术的发展经历了好几个重大

20、的突破。第一阶段是Blumlein传输线的应用，建成强流相对论电子束加速器，脉冲功率达到TW量级；第二阶段是以“水”代替“油”发展了脉冲功率高达数十TW量级的低阻抗强流电子束加速器；第三阶段是激光开关的应用，实现了脉冲功率高达100TW的多台加速器并列运行；目前处于第四阶段，发展重复频率脉冲功率技术。当前，世界上的脉冲功率技术正向着更大脉冲电流、更高放电电压、更高功率和高重复频率的方向发展。1976年，第一届电气与电子工程师协会（IEEE)脉冲功率技术国际会议在美国举行，会议的主要内容是交流脉冲功率研究工作的进程和成果，之后来在1979年举行了第二届IEEE国际会议。脉冲功率技术的发展主要是为

21、了满足人们对国防建设的急切需求和对高新技术的渴望发展起来的。从20世纪70年代算起，在未来的几年里，美国以Sandia、LosAlamos、Lawrence、Livermore为代表的三大国家实验室，一直带领着当代脉冲功率技术领域的发展，代表了世界的最高水平。1967年，当时最大的脉冲功率装置Hermes在Sandia实验室建成，其输出脉宽为120ns，电流幅值l.6MA，输出电压为10MV。1986年Sandia实验室又取得了脉冲功率技术的重大突破，建成了世界上第一个闯过100TW大关的PBFA一口装置。我国脉冲功率技术的研究从20世纪60年代开始，我国的脉冲功率技术主要与我国可控核聚变研究

22、、新兴强激光、电子束与粒子束加速器等重大科学技术项目和国防的需要紧密结合而发展起来的。国内的中科院等离子体物理研究所、中科院电工技术研究所、中科院高能物理研究所、清华大学、华中科技大学、等单位在脉冲功率技术上的研究水平居于国内领先地位。中国工程物理研究院建成的6MeV“闪光-I”高阻抗强流相对论电子束加速器、20MeV感应直线加速器，中物院和上海光机所建成的用于激光核聚变的“神光二号”装置，中国原子能科学院研制的高功率准分子激光器，中国科学院合肥等离子体所建成的超导托克马克磁约束聚变研究装置，清华大学电机系与西北核技术研究所共同加成的DPF-200等离子体焦点脉冲X射线源，西北核技术研究所建成

23、的0.9MV、0.9MA“闪光II号”低阻抗相对论加速器等等，这都标志着我国在脉冲功率技术方面的研究取得的巨大成果。1.2.2 超导磁储能技术研究现状1911年，荷兰的物理学家昂里斯首次发现了超导电性，在这之后，人类提议了很多对超导电性在日常生活中的使用猜测，直到1969年，使用超导电感储存电能的定义被Ferrier提出。在1970年，Wisconsin大学开创了超导储能在电力系统应用的先例，使用用一个由三相交流/直流格里茨(Graetz)桥路和超导电感线圈构成的电能储存装置，研究能量在超导线圈中的储能跟电力系统的互相作用。70年代中期，LASL和BPA共同发明了一台能量高达30MJ/10MW

24、的超导磁储能装置，目的是为了降低输系统中的低频脉冲振荡，提高输电线路的传输容量。超导技术在美国第一次大规模的电力应用便是30MJ超导磁储能系统德应用，通过试验结果可以表明超导磁储能可以有效解决低频率振荡对输电线的影响。20世纪八九十年代,美国曾致力发展研究为大型建筑、重要研究基地和重要负荷提供高电能质量的大型超导储能装置，打算发明一台5000MWh等级的超导磁储能设备；在2010年，日本计划建造一台容量为10005000MWh的超导储能装置。因为造价花费巨大等因素，储能容量大的超导磁储能设备发展速度平缓，当前，世界上的超导磁储能装置主要集中在可移动性和小容量超导储能设备的的开发。美国现在己经有

25、多台微型超导磁储能设备在输电网中得到有效使用，美国还计划发明容量为100MJ/50MW的超导储能设备应用在海军全电舰船发展计划(CAPS)中。在最近的三十年里，超导电力技术研究的主要内容一直是超导磁储能的研究，自超导磁储能的定义在1970年被提出后，超导储能装置发展的重点就是储能能力，开始他是被希望能够成为一种平衡电力系统日负荷曲线的储能设备被提出来的。但是随着超导储能技术的日益进步，超导磁储能早已被期望成为一个具有主动进行电力系统功率补偿，进行电力系统宏观调控和工作，进行有功和无功功率补偿功能的装置，而不仅仅是一个储能装置。超导磁储能为增强电力系统稳定运行和传输能力、提高电能质量做出了巨大贡

26、献。在我国，中国科学院合肥分院、中国科学院电工研究所等离子体物理研究所等单位很早就开始了超导磁体的研究工作，在磁流体推进、超导磁体分离、核磁共振乃至磁约束核聚变托卡马克磁体等方面进行了大量的研究。进入21世纪后，随着高温超导技术的进步，清华大学研制了3.45kJBi-2223SMES磁体，研制了150kVA的低温超导磁体储能系统并将其用于改善电能质量的实验室研究。35kJ/7.5kW直接冷却高温超导SMES实验样机在2005年被华中科技大学研制成功。之后，中科院电工所提出了基于超导储能的限流器方案并研制了实验样机，1MJ/0.5MVA高温超导SMES的研究项目于2006年启动。1.2.3 超导

27、储能脉冲功率技术的研究现状1967年，美国的Edwarde等人在美国陆军下属的导弹设备司令部的赞助下对超导储能磁体在脉冲功率系统中的作用做了试验，实验中通过两个超导线圈进行放电，试验结论说明超导储能磁体在脉冲系统中发挥的作用巨大，并且跟传统的磁体相比能量使用效率更大。1975年，300kJ的超导储能脉冲线圈在美国磁公司设计建造完成，它为中空螺线管外形结构，临界运行电流是15kA，运行电流为10kA，运行时的中心磁通密度为2Wb/m2，磁体对外放电时的最大端压为40kV，这个超导储能线圈充电过程仅为10ms，而且能够在2ms内放电完成，重复进行充放电的周期为30s。而在此之前，美国空军所属的飞行

28、动力实验室利用美国磁公司生产的单芯小直径铜基超导体构建了超导储能脉冲线圈，它的脉冲输出频率为1秒钟5次。1987年，ETM超导储能磁体Micro一SME的战略防御计划在美国被提出，它的作用是保障电力的安全稳定输送。在2000年，将小型电网与ETM超导储能磁体结合在一起工作，目的是为了降低电网在运行中所受的干扰。1993年，德国在超导储能磁体方面取得了很大的成就，他们脉冲功率系统中超导储能磁体的运用进行了探究和试验，并且构建了平行式六螺管超导储能模块，其储能容量达0.5MJ，并对超导储能模块进行了充放电的模拟试验。除此之外，其他的国家对超导脉冲技术的探究也从来没有停止过。1996年，德国实现了超

29、导储能脉冲功率系统稳定性的功能，对电磁推进脉冲电源实行了超导化的实验，利用的中间电源是超导储能脉冲功率从系统。1997年，法国将超导储能磁体和脉冲功率变压器相联合，发明了500J的超导脉冲变压器，提高了超导储能磁体的脉冲功率。2003年，俄罗斯发明了的超导储能磁体，它的最大脉冲电流高达115KA。我国在超导储能脉冲功率技术方面的研究也从来没有停止过，中国科学院电工研究所、华中科技大学、高能物理所、等离子体物理研究所等单位的研究处于国内领先的地位。1995年第一台超导储能实验样机在我国中科院电工所研制成功。2005年华中科技大学在超导储能用于电力系统稳定，紧急备用电源和脉冲功率能量储存设备等方面

30、进行了研究，取得一定的研究成果，并研制成功了小型高温超导储能装置。但是目前我国在超导储能脉冲功率技术方面取得的成果，主要局限于仿真分析和理论分析，进行的大多是多类超导磁体的研究，部分研究涉及到超导磁体的快速充放电特性，这些研究大多采用低温超导体技术，对高温超导在脉冲功率技术方面的研究还处于起步阶段，真正关于高温超导脉冲功率技术的研究还很少，在实际应用中并未做大量的工作。1.3 本论文研究的内容由于超导储能脉冲功率技术的重要性日益被人们重视，它在其他方面的应用越来越广泛，这就使得超导储能脉冲功率系统运行稳定性显得极为重要，并且对超导磁体运行状态的检测也必不可少。论文完成了超导磁体运行状态检测设计

31、和基于LabVIEW的脉冲功率检测系统的设计，使用图形化编程软件LabVIEW在计算机上实现对实验数据的实时采集，并将数据直观的显示出来，最后对处理的数据进行存储，完成了整个设计的要求。本文的主要内容概括如下：（1） 对超导储能磁体的基本特性和临界状态参数进行了分析，并对脉冲形成回路进行分析，设计超导储能脉冲功率系统实验测试电路。（2） 分析设计检测系统硬件方案，利用传感器采集脉冲功率系运行的电流、电压、温度和液面等参数，对超导储能磁体的运行状态实现准确控制。（3） 对超导储能脉冲功率系统特征进行分析，分析了脉冲电流的特点，采用罗柯夫斯基法对脉冲电流进行检测。（4） 设计一个基于LabVIEW

32、的超导储能脉冲功率检测系统。第二章 超导储能脉冲功率系统特性分析2.1 超导储能系统分析超导储能(SMES)是超导磁场能量储存(Superconduetive Magnetic Energy Storage）的简称，电能通过超导线圈时以电磁能的方式储存起来，在负载需要的时候释放出来。超导储能装置的构成有超导储能线圈、冷却系统、磁体失超保护系统和检测系统等组成。2.1.1 超导磁体的基本特性超导体的三大基本特征为零电阻特性、迈斯纳(Meissner)效应和约瑟夫森(Josephson)效应。（1）零电阻特性1911年，卡麦林翁纳斯发现了零电阻现象，他将水银线浸泡在液氦中冷却，并向水银线通入几毫安

33、的电流，用电压表检测水银线两端的电压大小，然而发现温度略低于液体氦的正常沸点时，电压表度数为零，水银线电阻为零，这这种现象就是超导现象。超导体就是指具有超导电性的物体。当液氦温度变为一定数值的时候，电阻的阻值变为零，此时的温度叫做超导的转变温度。假设磁体外部的磁场强度、电流大小和作用力都满足一定的值，磁体从有阻状态变为电阻为零的状态时的温度叫做超导临界温度，用符号Tc表示。图2-1 汞在电阻4.2K完全消失假设电感L的值不变，当LR串联回路的的电流减少的越慢，时间常量= L/R增加的越快，这说明电路中的负载R越小。 （2）迈斯纳效应1933年，瓦尔特迈斯纳和罗伯特奥克森菲尔德两位科学家将锡和铅

34、的样板进行冷却，置于外部磁场中，等到温度降到它的转变温度之下，对他们的外部磁场进行测量。实验结果表明，锡和铅由正常状态变成超导状态的条件是TTc，跟外加磁场没有关系，当样品处于超导状态时，超导磁体内部的磁感应强度内B内总为零，B内=0。这个效应就是迈斯纳效应，说明超导体具有完全抗磁性。 图2-2 迈纳斯效应 （3）约瑟夫森效应1962年，英国的物理学家约瑟夫森(JoseDhsOn)在理论上对隧道效应做了推导和计算，结论表明：电子对可以穿过势垒层放出直流超导电流的条件是势垒层两端的电压变为零。在有交流超导电流和势垒两端有电压两种情况同时存在时，在这种条件下回会出现多种超导情况，约瑟夫森根据这些超

35、导情况进行了具体的推导，从推导结论中总结了很多预言和成果，形成了著名的约瑟夫森效应。绝缘层也有可能成为超导体，当绝缘层处于两块超导体的中间时，这样就会造成低电阻连接，此时，绝缘层中会有电子对穿过形成电流，但绝缘层使得两端没有电压，说明绝缘层变成了超导体。当超导电流大于某一值时，在绝缘层的两端就会产生电压U，此时，直流超导电流转换为高频交流电，并且电压与频率成反比。利用费恩曼算法能够推出约瑟夫森关系式 I=Icsin （2-1）2.1.2 超导磁体的临界参数超导体并非一种新的物质，许多元素、氧化物、化合物、合金在一定条件下，均能处于超导态，表现出超导现象。使超导体发生超导/正常转变的物理量有临界

36、温度、临界磁场和临界电流三个临界值。（1）临界温度临界温度指的是超导体处于零电流和磁场的环境下从正常状态变为超导状态态时的温度。临界温度Tc，通常用相对电阻率Rn和温度的关系曲线来表示的。超导体从正常态转变为超导态可能是在一定的温度范围内变化的，这主要是因为试验样品中含有杂质和样品构成不完整，电阻R刚要偏离线性正常态电阻Rn时的温度称做“起始转变温度”Tcon；电阻R的阻值下降到零时的温度称为“零电阻温度”用Tco表示；电阻R的阻值降低到0.9Rn的温度与0.1Rn的温度的差叫做“转变宽度”Tc。Tc的数值跟电阻材料中是否含有杂质、晶体结构是否完整和样品内部的受力情况等因素相关。Tc是物质常数

37、，相同条件的相同材料下有严格准确值。临界温度的变化跟质量热容和磁化率随温度的改变有关。图2-3 R-T曲线（2）临界磁场超导体要想满足其超导性使外加磁场小于某以固定的数值，否则导体的超导态将被破坏，变成正常态，使导体从超导态变为正常态的磁场大小叫做临界磁场，用Hc表示。其中Hc(0)属于物质常数，是温度等于零的临界磁场。通常情况下超导体的各个部位的临界磁场是不一样的，这主要是因为磁体的均匀度不同，正常情况下将R=Rn/2时对应的磁场称为临界磁场。也可以将90时的Rn或者10Rn称作Hc，也有将RH曲线中导体从超导态转变为正常态时直线部分延线跟主体部分转变时的延长线的交点对应的磁场称为Hc。第二

38、类超导体有下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2两个临界磁场。图2-4 R-H曲线（3）临界电流在给定的温度和磁场下，超导体保持超导态时所能传输的最大电流(Ic)。单位横截面超导体所能无阻传输的最大电流称为临界电流密度Jc。临界电流的测量一般用四端引线法，其判据有电场判据和电阻率判据。电场判据指用单位长度超导样品上的电压计算出来的电场强度所不能超过的给定值，常采用0.1V/cm或V/cm；电阻率判据指被测超导样品的电阻率所不能超过的给定值，常采用10-1210-9cm。第一类超导体的临界电流与温度的关系完全类似于临界磁场与温度的关系，有式中Ic（0）表示T=0K时的临界电流。图2-5 Tc，Ic，

39、Hc之间的关系如图所示，在由(Tc，Jc，Hc)组成的曲面和Tc，Jc、Jc，Hc、Hc，Tc3个平面围成的体积内，任一点的状态都是超导态，而这个体积的外部的任何一点的状态都是正常态，Tc，Jc，Hc曲面上任一点的状态为临界状态。 2.1.3 超导磁体的稳定分析超导储能脉冲功率系统的核心是超导储能磁体，其工作要求非常严格，受外界因素或本身结构变动的影响，例如磁体工作时局部放热，磁体工作环境的温度或者受到脉冲电流的冲击都会造成磁体工作的不稳定性，造成磁体失去超导性的重大影响，从而对超导储能脉冲功率系统的运行产生不良影响。在进行超导脉冲功率系统的设计时，为了保证整个超导储能磁体工作环境的稳定性，最

40、大可能的降低影响磁体工作的不稳定情况，一般运用多种稳定性的方法。如今，对超导磁体运行进行稳定的方法有三种：第一种稳定方法称为内部稳定法，超导体的内部禁止存在正常态区域；第二种稳定方法叫热稳定法超导磁体内部允许存在正常态区域，正常状态产生的热量必须在给定的次数之内；第三种是处于上面两种之间的临界超导电流余量原理，如导体稳定的条件是超导状态变化温度比导体的内壁温度与维持氦沸腾的池温的差大。2.1.4 超导磁体的运行超导的运行有电源供电模式和闭环运行模式两种基本模式。电源供电模式运行时间较短，励磁（充电）和退磁（放电）的操作比较繁琐，闭环运行模式运行时间长，励磁和退磁操作比较少。闭环运行模式下超导磁

41、体的稳定性和可靠性更高，超导开关结合超导磁体组成闭合回路能够实现无损耗储能，但是操作比较复杂。2.2 脉冲功率系统分析 2.2.1 脉冲功率系统特征脉冲功率技术又叫高功率脉冲技术，它实现的是将在很长时间里储存的能量在很短的时间进行压缩、整形和变换，最后将能量安稳的释放给负载。获得各种低脉冲宽度、高脉冲幅值和高功率的理想的电脉冲是脉冲功率技术研究的重要目标。它探讨的主要电参数范围通常是：电压103 107 V，电流103107 A，脉冲宽度10-10 10-3 s，脉冲功率大于106 W。高温超导储能系统具有无损耗储能，易于控制和储能密度高的优点，是理想的脉冲功率源。超导储能的储能密度为： （2

42、-3）下图是基本的脉冲功率系统的构成：图2-6 脉冲功率系统基本构成典型的脉冲功率系统是由两部分组成的：第一部分是低功率水平的能量存储系统；第二部分是高功率脉冲的产生和有效传输到负载。脉冲功率系统中，获取装置各项参数和进行判断分析的保证是测量系统。脉冲功率系统电压、电流等参数具有快过程、强干扰、暂态量的特点，这就要求测量得到的波形是准确的，而测量系统的性能指标则是测量准确性的关键，因此脉冲功率检测系统对测量传感器的灵敏度、稳定性、测量范围和响应时间都有较高的要求。脉冲电流的测量一般采用罗柯夫斯基线圈法。2.2.2 超导脉冲成形回路分析脉冲功率系统要求低功率储能部分能够储存较多的能量，这些能量可

43、以是化学能、电能或者其他形式的能量。能量通过较长的时间慢慢的存储在储能单元，然后在很短的时间内将能量快速的释放到脉冲成形回路，脉冲成形回路对脉冲进行整形，得到系统需要的幅值后释放给负载。脉冲成形回路的设计是整个脉冲功率系统的重要的组成部分，脉冲成形回路的重要作用就是产生维持毫秒级脉宽的脉冲电流和纳秒级的上升沿，将大的脉冲电流释放给负载。2.3 脉冲成形回路2.3.1 超导脉冲功率系统测试电路超导储能脉冲功率系统测试电路图如下图所示： 图2-7 超导储能脉冲变压器测试电路其中给电容充电的电压源选用WWL-LDG精密线性高压直流稳压电源，电容器选择为102F/10kV的脉冲电容器，负载R2选择为1

44、m的采样电阻，由于高温超导储能脉冲变压器副边绕组内组也为1m，所以副边回路的等效电阻可近似为2m。首先将IGBT2断开，IGBT1闭合，使电容充电至600V，然后断开IGBT1，闭合IGBT2，使电容器向高温超导储能脉冲变压器的超导储能原边Lp放电。二极管D的作用是当Lp中的电流达到最大值后为其提供续流回路，避免其在电路中进一步振荡。该脉冲变压器的优点是，集超导储能与脉冲成形于一体。2.3.2 超导脉冲成形回路如今，脉冲功率系统的功率水平仍不能满足需求，这主要是因为使用单个超导储能磁体对负载进行放电造成的。通常用超导储能磁体作为脉冲功率电源都要形成脉冲回路，常用的有超导脉冲变压器脉冲回路成行方

45、式。图2-8 实验测试电路实验中选用低压电流源对高温超导储能脉冲变压器原边绕组电感缓慢充电，闭合IGBT1原边电感Lp充电，达到预充电流后IGBT1断开，然后闭合IGBT2。预充电流100A，电容参数51F，负载用一个1m的采样电阻代替。由变压器的工作原理可推出以下公式： （2-4） （2-5） 图2-9 实验用高温超导储能脉冲变压器 实验用高温超导储能脉冲变压器原边电感Lp (mH)为13.18，副边电感Ls (H)为9.6，互感M (mH)为0.313，原边接头电阻Rp (m)为0.79，副边绕组电阻Rs (m)为0.1，原边临界电流Ic (A)为116。第三章 检测系统硬件设计3.1 检

46、测系统硬件设计分析本文依据脉冲功率系统的特点来确定检测系统硬件，系统设计以实现对脉冲功率系统的状态参数的测量和对数据的采集、处理、显示和存储为目的。硬件系统的主要功能是完成脉冲功率系统数据获取以及数据的转换，以实现计算机对系统的整体检测。为了保证设计的优良性，需要使得系统能够实时并且准确的获取脉冲功率系统中各项状态的电参数，然后将各个模拟电力参数，经过硬件系统的调理转换为数字信号，这样计算机才可以识别。接着将参数准确的输送到主机端，如此，在主机端方可实时直观的显示，方可实时准确的监控脉冲功率系统运行的状态。脉冲功率系统特殊的应用环境，要求检测系统必须能够安全稳定的运行，以尽可能避免发生不必要的

47、错误。同时脉冲功率系统可能受到复杂的电磁环境等恶劣条件的影响，在设计硬件采集系统的时候,需要充分考虑这些因素对系统产生不良影响并做出相应的解决方案，保障系统能够稳定和可靠的运行。系统还需要具有良好的兼容性，连接测试简单易行的特点，以便于实用化应用的要求。3.2 检测系统总体方案设计在进行脉冲功率系统硬件设计时，主要分为超导储能磁体运行状态检测和输出脉冲电流参数检测等部分。首先，通过传感器对超导脉冲功率系统的电流、电压、温度和液面等数据进行采集，通过罗柯夫斯基线圈法对脉冲电流进行采集，然后数据采集卡将信号调理电路调理后的信号传输到计算机，利用LabVIEW软件实现对超导脉冲功率系统的实时检测和数

48、据的采集、处理、显示、存储等。检测系统的步骤如下：图3-1检测系统构建步骤3.3 超导储能磁体状态检测 对超导磁体的状态检测主要有温度检测、液面检测、电流检测和电压检测。检测系统的测量精度直接受传感器的系统参数是否和性能参数指标相匹配的影响。所以传感器必须按照系统特性的标准来选择。3.3.1 温度传感器在超导储能脉冲放电系统中，温度测量时最基本的测量，超导磁体需在低温环境下运行，这就说明温度的检测至关重要，温度一旦超过上限，磁体就会失超，影响系统的运行。同时测量常温的原理和方法在低温条件下也变得苛刻，在常温下一些不被重视的问题在低温下也变的重要起来，例如接触热、辐射热、焦耳热和线漏热等。热电阻

49、型和热电偶型是低温下常用的传感器，在低温测量中常用电阻温度计和低温二极管。我们平时常用的低温温度传感器有两种，分别是碳电阻温度传感器和铂电阻温度传感器。以上所列举的这几种温度传感器的测温范围大致上覆盖了从液氦温区到常温。因为低温二极管温度传感器有着诸多的优点，比如较好的线性以及较小的体积，使得应用也逐渐增多。下图是各种低温温度传感器的特性及适用温度：图3-2各种低温传感器的特点因为超导脉冲功率系统使用的超导储能磁体工作在液氮浸泡77K温度环境下，根据上图实验选用铑铁电阻温度计和碳电阻温度计。由于碳电阻温度计拥有价格低廉以及高灵敏度的优势，使其被广泛应用在了低温试验中。到目前为止，市场上比较常见

50、的碳电阻温度计主要有两种型号：SpeeI碳电阻和Allen一Bradley碳电阻。10电阻测量电流为500A，其余为20A。但是碳电阻有着不可忽视的缺点，诸如比较差的热传导尤其是所产生的热量不容易散发，导致了测量误差的不可避免。其正常工作电流一般限制在几十微安之内。当温度变低时，电阻值会变大，比热会越来越小。下表即为一般碳电阻温度计的工作电流：图3-3碳电阻温度计工作电流铑铁电阻温度计是含铁量为0.5原子百分比的锗铁丝制成的，通常适用于0.32K一100K温度范围内的测量。铑铁电阻温度计测量稳定性好、精度高，但是灵敏度不如碳电阻温度计的高。3.3.2 液面传感器为了给超导磁体提供稳定的低温运行

51、环境，需要将磁体浸泡在液氮中，由于超导磁体处于低温密封的容器中，不方便直接观察磁体是否处于液氮浸泡中，所以需要实时检测液面的位置，确定磁体是否处于液面之下，以保证磁体的稳定运行，对液面的检测需要用到液面传感器。常用的液面传感器有激光式、超声波式和电容式等。激光式传感器其光学镜头容易受到污染影响测量结；超声波式传感器盲区大、测量数据不稳定；电容式传感器功耗大、安装不便。本检测系统液面传感器使用超导丝制成，利用电阻的变化计算出液面的高度来实现液面测量，其优点是热损耗低，安装方便。3.3.3 充电电流/电压传感器本设计采用霍尔模块获取脉冲功率系统的电流、电压信号，它是一种先进的可以隔离主电路与电子控

52、制电路的电流、电压传感器，具有响应快、精度高、频带宽、线性度好、不损失被测电路能量、过载能力强、可以测量任意波形的电流和电压等优点，其原理如下图：图3-4电流模块原理图实验选用磁补偿式电流传感器（闭环式CHB系列），磁场平衡是它的工作原理。也就是主回路电流IN在聚磁环所产生的磁场，经过次级线圈电流所产生的磁场来进行补偿，使霍尔元件的工作状态处于检测零磁通状态。其具体工作过程如上图所示，当主回路有一电流通过时，导线产生的磁场被磁芯凝聚，感应霍尔元件产生一个输出信号，这一信号驱动相应的功率管，获得补偿电流IM。这一电流经被测电流IN产生的磁场与多匝绕组所产生的磁场是正好相反的，从而补偿原磁场使霍尔

53、元件的输出减小。当被测电流I、与匝数相乘所产生的磁场与IM与匝数相乘所产生的磁场相等时，IM为零，霍尔元件输出为零。此时可以通过测试IM的大小来得知被测电流IN的大小，当平衡被破坏时，霍尔器件就有信号输出，模块便会重复上述过程使之重新到达平衡。传感器的动态平衡过程所需的时间小于1s动态平衡的过程可以看做是NNIN+NMIM=0一个过程，NN、NM为传感器原边、副边线圈匝数。实验所用模块主要性能参数如下图所示：图3-5传感器性能参数3.4 输出脉冲电流的检测方案设计脉冲功率技术中的一个非常重要的组成部分便是脉冲信号的测量，通过分析试验结果并与理论进行验证可以更加深入地了解脉冲功率装置的特点。要使

54、系统高效和稳定运行，需要准确且可靠地测量出放电电流的参数值。此外，对电流信号的波形进行分析，从而推导有关的物理过程，这种研究方法对于脉冲功率技术的研究是非常重要的，所以，脉冲电流的测量是十分重要的，更是脉冲功率技术中不可或缺的重要组成部分。高电压大电流测量的特点：第一个特点是快脉冲情况下的电磁干扰，第二个特点是被测脉冲前沿快，第三个特点是被测脉冲幅值高。常用的脉冲电流测量的方法主要有霍尔效应法、法拉第效应法以及罗柯夫斯基线圈(Rogowskicoil)法等。3.4.1 霍尔效应霍尔效应，指的是在磁场作用于载流金属导体和半导体中的载流子时，所产生的横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年

55、由美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，如果我们在垂直于电流的方向施加磁场，那么金属箔片的两侧面就会出现横向的电位差。而所产生的电压差U就称为霍尔电位差： （3-1）I为导体通过的电流；k为霍尔系数，通常是由导体中的载流子电量和载流子密度来决定的；d是导体的宽度；B为垂直于I的磁感应强度。图3-6 霍尔效应原理图由于通电导线的周围存在磁场，它的大小是与导线中的电流成正比的，所以可以利用霍尔元件来测量其磁场，从而确定导线中电流的大小。霍尔电流传感器就是利用这一原理设计成的。其优点是不会消耗被测电源的功率，不会影响被测电路，不会与被测电路发生电接触。理论上利用霍尔元件测量大电流时是没有上限

56、的，但是由于霍尔元件产生的电压差是比较小的，另外当实际测量时还会不可避免的受到其它因素的干扰，所以大电流测量的准确度决定于霍尔电压的精确测量。3.4.2 法拉第效应法1845年，法拉第通过实验发现了磁光效应，它指的是平面上的偏振光沿光方向传输通过磁化介质的时候，偏振面产生旋转的结果。偏振面发生旋转的方向仅与介质的磁化强度或者磁场方向有关，但是跟光的传输方向没有关系。测量脉冲电流使用法拉第磁光效应的方法时，不会产生磁耦合现象，它的工作原理是：电流运动生成磁场，使平面上的偏振光旋转角，然后通过解偏振器，让输出的发光强度发生角度抓转变，进而测量电流的变化。平面上的偏振光在有外界磁场加持下的介质中，旋

57、转角跟磁场的关系式： （3-2）Vd是费尔德常数，与材料的性质有关；H是磁场强度在光路平行方向上的分量；L为介质棒的长度。图3-7 法拉第效应3.4.3 罗柯夫斯基线圈法脉冲电流检测方法中应用最成熟和广泛的方法之一就是罗柯夫斯基线圈法。脉冲电流的测量中罗柯夫斯基线圈法属于间接测量。工作原理与电流互感器的工作原理相似，如下图所示，将线圈制成环状，将电流回落的导线从中穿过。初级线圈就是一匝的电流回路，回路中通过脉冲大电流；次级线圈为罗柯夫斯基线圈，则经过变换后产生的小电流会流入测量系统中进行测量。测量电流的方法是通过被测电流产生的磁场在线圈内感应的电压来测量的，测试线圈中不经过被测电流，整个测量线

58、路和放电回路之间是断开的。罗柯夫斯基线圈法测量范围广，便于转变为数字量，工作性能稳定，更多的用于测量高频大电流。超导储能脉冲功率系统产生脉冲频率高，电流大，在测试过程中容易受到电磁等的干扰，使实验数据产生变化，从而影响实验结果，罗柯夫斯基线圈法能够测量高频率脉冲和大电流，并且它的工作状况稳定，不易受到其他因素的干扰，适合测量脉冲功率系统的电流，这是其他测量方法不具备的优点，所以实验选用罗柯夫斯基线圈法测量脉冲电流。图3-8罗柯夫斯基线圈原理结构图Rogowski线圈的测量原理是：任何随时间变化的电流I(t)都会在其周围产生随时间变化的磁场环链，如果将环形线圈包围被测电流，则在线圈上会产生感应电

59、压V(t)。V(t)=MdI(t)/dt,其中M为线圈和载流导体之间的互感，下图3-9表示罗氏线圈测量脉冲电流的等效电路图。图3-9 罗柯夫斯基线圈测量的等效电路根据图3-9的等效电路由KVL定理，可以列出此回路满足的电压方程： （3-3）由公式3-3可知，获得被测电流值有两种方法，一种是使线圈的时间常数(L/R)远远小于电流脉冲宽度即，此时有采样电阻的电压可以写作： （3-4）通过公式3-3可以看出线圈中流过的电流和取样电阻上的电压与被测电流的关系是微分关系。这种状态下工作的Rogowski线圈成为微分状态。当线圈时间常数（L/R）远远大于电流脉冲宽度时：即时有： （3-5）3.5 数据采集

60、卡的选择实验中，检测系统要对电流、电压和温度等多路数据进行实时采集,这就要求采集系统的采样速度快、采集通道多，具有良好的通用性和扩展性。所以脉冲功率检测系统采用NI公司生产的M系列数据采集卡PCI一6251，此卡具有高速、高精度特点，它与计算机的连接是通过计算机的PCI总线扩展槽，这种连接方式能够实现数据的实时采集，它便于灵活控制，并且数据传输速度快。6251数据采集卡的性能指标如下:24路数字I/0和16位的数模变换精度、2路模拟输出和8路差分模拟输入/16路单端模拟输入，还有两个32位定时/计数器,最大采样频率1.25MS/s。上面的数据说明6251数据的采集功能齐全，能满足本文所设计的脉

61、冲功率系统对数据采集的要求。并且能够与该公司的数字化编程软件LabVIEW相结合,使得数据采集的过程大大简化。6251采集卡如下图所示：图3-10 6521数据采集卡3.6 信号调理电路传感器产生的电信号跟跟数据采集设备采集的信号类型不符合，必须经过信号调理才能满足数据采集端信号的要求。此外，还要对采集到的信号进行调理使得采集到更准确的测量信号。NI-PCI数据采集卡的信号调理电路具备以下一些基本功能：信号放大功能、信号隔离功能和信号滤波功能。(1)放大功能：放大是最普通的信号处理功能。对传感器输出的微弱信号进行放大处理的作用就是为了提高传感器输出信号的分辨率和降低噪声。对输出信号的放大是有一

62、定的要求的，要使输出信号进行放大的最大输出电压范围跟ADC的最大输入范围一致，这样才能得到最高的分辨率，并且经过放大后的传感器信号能够最大限度的降低噪声在传送过程中的影响。(2)隔离功能：被检测系统在运行过程中由于各种原因可能会产生瞬时的高压,为了测试系统计算机的安全，必须将传感器输出的信号与计算机系统隔离，以免对计算机系统造成损坏，同时也是为了不让接地电势差或共模电压对数据采集设备的读数产生影响。(3)滤波功能：简单的说就是将测量到的信号中对用户没有任何作用的信号除去，剩下对用户有用处的信号。电流传感器的调理电路接线图如下，待测电流从模块的穿芯孔穿过，然后就可以根据取样电阻上所得的电压换算出电流的大小。电压传感器与电流传感器类似，连接图如下：图3-11电流调理电路图3-12电压调理电路对脉冲电流信号进行调理时，罗柯夫斯基线圈工作于微分状态下，它的被测电流的微分值反比于开路电压的输出值，积