超导屏蔽磁场，超导磁体失超检测中电压隔离校正电路的设计

很多朋友对超导屏蔽磁场，超导磁体失超检测中电压隔离校正电路的设计不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

本文在超导储能混合磁体失超检测系统中，为系统设计了一套光耦隔离校正电路，用于检测串联超导磁体线圈的失超电压，并隔离电压同时免受干扰信号的影响。并相应地放大或降低单个线圈的电压，消除作为干扰因素的串联线圈的感应电压分量。该电路有效提高失超保护系统的可靠性，满足超导储能系统失超保护的要求。

1 失超检测装置设计原理及分析

淬灭检测流程如图1所示。

下面重点介绍电压隔离校正部分的机理：

在电压隔离校正环节，超导线圈L1、L2上的电压v1、v2经过电压隔离校正电路后，一方面隔离超导线圈端的干扰信号；另一方面，超导线圈L1、L2上的电压v1、v2经过电压隔离校正电路后，一方面隔离超导线圈端的干扰信号；另一方面，调整光耦隔离放大电路的参数，消除量上的电感差异。超导线圈沿纵轴方向串联，因此不考虑互感的影响。根据实际超导储能混合磁体的特点，采用有功功率检测方法，并对电压差测量环节进行修正，如图2所示。

r1和r2、L1和L2分别是超导线圈的电感和失超电阻。有功功率检测方法通过测量P=[(L1-L2)di/dt+(r1-r2)i]i=[(L1-L2)di/dt]i+(r1-r2)i2 的值来检测失超。由于误判是由感应电压差(L1-L2)di/dt引起的，因此将v2放大L1/L2倍，得到(L1/L2)v2，然后通过电压差测量环节与v1进行比较，得到v1 - (L1/L2)v2=0，消除感应电压的影响。

然后信号经过微分运算电路、绝对值运算电路、电流传感器电路、模拟乘法电路、滤波电路、低通滤波器、比较电路等处理，将比较电路得到的信号送入数字信号处理器DSP，判别超导线圈的状态，进一步找出失超线圈的具体位置。

进一步分析可得：

从以上三种情况可以看出，P1值不包含感应电压差分量。此时，可以将有功功率检测方法测得的P1值与阈值进行比较，来判断是否失超。

2 电压隔离电路的硬件电路设计与实现

根据上述失超检测系统的原理框图，进行了硬件电路设计。本文研究的电压隔离与校正电路有两个功能。一是检测超导磁体单个线圈的电压；另一种是按比例隔离和放大电压。

使用隔离装置将磁铁与检测电路和DSP隔离，以保护整个检测系统。线性光耦合器HCNR201可以实现更好的电路隔离。耦合器是由3个光电元件组成的器件。图3是HCNR201的外围电路结构。其中，Ipd1和Ipd2表示当LED的输入电流If和光敏二极管的反向电压为额定值时流过光敏二极管的电流。该电流的大小与If有关。

如果LED的输出光强发生变化，光耦的前端运算放大器N1就会调节If进行补偿，保持PD1和PD2上的电流稳定。将第3和第4输出端与第1和第2输入端一起连接到前端运放的N1电路中，其中第3和第4端的光电二极管充当反馈作用，可以将产生的输出电流反馈给前端运放。 LED 上的第1 和第2 端子用于输入信号的反馈控制。 Ipd1和Ipd2的大小与If的关系如下： Ipd1=K1If，Ipd2=K2If，K1和K2分别是Ipd1和Ipd2随If变化的参数。对于图3所示电路，其输入端Uin=Ipd1R1，输出端Uout=Ipd2R2，因此有Uout/Uin=K2R2/K1R1=R2/R1。隔离放大器的增益可以通过调节R2和R1的比值来实现。

根据HCNR201的工作特性，选择前置运算放大器的类型和阻值。本设计电路采用双电源供电的LM358集成运算放大器，输出电流可达40mA。 R2可根据所需放大倍数确定。另外，由于光耦会产生一些高频噪声，因此通常在R2处并联一个电容，构成低通滤波器。

单边信号接入电压隔离放大电路，通过图4所示的电压隔离放大电路，达到线性输出和隔离的目的。升压阶段，产生的电感电压为正，U1B不工作，通过U1A对输入电压进行线性或放大；降压阶段，电感感应电压为负，U1A不工作，输入电压通过U1B进行线性或放大。放大输出。当HCNR201的3、4端光敏二极管接收到光线时，其输出信号将反馈到放大器的输入端，以提高光耦的线性度，减少温度漂移。端子5、6输出的信号经运算放大器放大后输出。电容C1、C2为反馈电容，可以用来提高电路的稳定性，消除自激振荡，滤除电路中的毛刺信号，降低电路的输出噪声。通过调整R5和R1的值，可以将输出值放大一定倍数。

3 淬火检测系统校正电路实验

实验采用不同电感值的超导线圈YBCO和Bi2223。

3.1 实验装置

其主要实验装置及功能如下：YBCO带材缠绕的超导储能磁体由10个超导线圈串联组成，分为宽带和窄带，两者具有不同的电感量；制冷机是单级G-M 制冷机（600 W，77 kHz）；超导电源为超导磁体提供高精度、稳定的直流电源；真空装置为杜瓦瓶提供减压和冷却环境，并与散热器配合工作；空气压缩机为真空机组提供高压空气；冷水机为真空机组、超导电源、制冷机提供冷却水，保证设备长期运行；液氮罐是储存液氮的容器。将超导线圈放置在充满液氮的杜瓦瓶中，通过制冷机、冷水机和真空机组的共同作用将液氮的温度降低到65 K，并保持在这个低温，并进行淬火保护试验。

3.2 实验连接

根据实验目的，设计了如图5所示的实验电路，充电电源以一定的速度对超导线圈进行充电，测试系统采用虚拟仪器软件LabVIEW进行编程控制充电速度电流并可以检测超导磁体上的电压和温度的变化。将超导线圈上的电压和电流信号输入失超检测系统，通过示波器观察实验过程中的波形。

3.3 宽带线圈与窄带线圈对比测试波形图

宽带线圈和窄带线圈的测试波形如图6至图10所示。

3.4 实验结果分析

图6至图10是宽带和窄带比较时淬灭前后的电压和电流信号波形，其中v3和v4是电压隔离和校正电路后的电压。从图中可以看出，当充电电流未达到临界电流时，超导线圈上的电压v1v2，经过校正后，超导线圈具有接近相等的电压值，失超电压低于阈值电压几乎为零，输出电压很高，表明失超检测电路可以消除感应电压的影响，反映出线圈没有失超；当充电电流达到临界电流时，超导线圈开始失超，v3v4，失超电压开始上升，输出电压由高电平变为低电平，表明失超发生。

根据有功功率检测方法，可以将比较电路中的阈值设置为超导线圈上的失超电压差阈值与临界电流的乘积，检测电路得到的P1值为超导线圈的电压差和线圈电流的乘积。从示波器可以看出，超导磁体的充电过程受到各种扰动和误差的影响，检测电路中存在幅度在200 mV以内的扰动信号，因此阈值设置需要考虑扰动信号，根据实验经验值为2.2V。当失超电压大于2.2V时，输出信号从高电平跳变到低电平，表明失超发生。

由实验可知，失超检测系统不仅可以用于不同电感值的超导线圈之间的比较，还可以用于相同电感值的超导线圈之间的比较，从而实现失超检测的功能。

4 尾声

本文选择有功功率检测方法作为本课题的研究方法，对现有有功功率检测方法的电压差测量环节进行修正，设计了超导储能混合磁体的电压隔离修正系统。详细描述了系统的工作原理；并利用超导线圈进行实验，验证隔离校正的可靠性。结果表明，该系统不仅适用于超导线圈电感值不同的情况，而且在线圈电感值相等时也能准确、及时地检测到失超信号，从而保证失超保护装置及时准确动作，进而维持超导储能混合磁体安全稳定运行。

以上知识分享希望能够帮助到大家！