什么是校正电容,超导磁体失超检测中电压隔离校正电路的设计

本文在超导储能混合磁体失超检测系统中，为该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，将该电压从干扰信号中隔离出来，并相应放大或降低单个线圈电压，以消除串联线圈感应出的作为干扰因素的电压分量。该电路有效提高了失超保护系统的可靠性，满足了超导储能系统失超保护的要求。

1失超检测装置的设计原理及分析

检测外过程如图1所示。

下面重点介绍电压隔离校正的机制：

电压隔离校正步骤中，超导线圈L1和L2上的电压v1和v2通过电压隔离校正电路，一方面隔离超导线圈处的干扰信号；另一方面，调整光耦隔离放大电路的参数，消除电感引起的差异。超导线圈纵向串联，所以不考虑互感的影响。根据实际超导储能混合磁体的特点，采用有功功率检测法，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。由于误判断是由感应电压差(L1-L2)di/dt引起的，所以将v2放大L1/L2倍得到(L1/L2)v2，再通过电压差测量过程与v1比较得到v1-(L1/L2)v2=0，从而消除了感应电压的影响。

然后通过微分运算电路、绝对值运算电路、电流传感器电路、模拟乘法运算电路、滤波电路、低通滤波器和比较电路对信号进行处理，比较电路得到的信号送到数字信号处理器DSP，判断超导线圈的状态，进而找出失超线圈的具体位置。

进一步的分析表明：

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，通过有功功率检测方法测量的P1值可以与阈值进行比较，以确定是否发生失超。

电压隔离电路的硬件电路设计与实现

根据失超检测系统的原理框图，设计了硬件电路。本文研究的电压隔离校正电路有两个作用：一是检测超导磁体单个线圈的电压；二是隔离电压，按比例放大。

隔离装置用于将磁体与检测电路和DSP隔离，以保护整个检测系统。线性光耦HCNR201可以实现电路隔离。耦合器是由三个光电元件组成的装置。图3是HCNR201的外围电路配置。Ipd1和Ipd2表示当LED的输入电流If和光电二极管的反向电压处于额定值时流经光电二极管的电流。这个电流的大小与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会调整中频进行补偿，保持PD1和PD2上的电流稳定。第三和第四输出端与第一和第二输入端一起连接到前端运算放大器N1环，其中第三和第四端的光电二极管起反馈作用，它可以将产生的输出电流反馈到第一和第二端的发光二极管，从而反馈和控制输入信号。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所示的电路，其输入Uin=Ipd1R1，输出Uout=Ipd2R2，因此Uout/Uin=K2R2/K1R1=R2/R1。隔离放大器的增益可以通过调整R2与R1的比值来实现。

根据HCNR201的工作特性，选择前置放大器的类型和电阻。本设计电路采用双电源LM358集成运算放大器，其输出

单边信号连接到电压隔离放大电路，通过图4所示的电压隔离放大电路实现线性输出和隔离。在电流提升阶段，产生的电感电压为正，U1B不工作时，输入电压被U1A线性或放大；在降流阶段，电感电压为负，U1A不工作时，输入电压被U1B线性或放大。当HCNR201第三和第四端的光电二极管接收到光时，它们的输出信号将反馈到放大器的输入端，以提高光耦合器的线性度并降低温度漂移。从第5和第6端子输出的信号由运算放大器放大，然后输出。电容C1和C2是反馈电容，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，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。

失超检测系统校准电路实验

实验中使用了具有不同电感值的超导线圈YBCO和Bi2223。

3.1实验装置

主要实验装置和功能如下：YBCO带缠绕的超导储能磁体由10个超导线圈串联而成，分为宽带和窄带，它们具有不同的电感；冰箱为单级G-M冰箱(600 W，77 kHz)；超导电源为超导磁体提供高精度、稳定的DC电源；真空单元为杜瓦瓶提供减压冷却环境，与散热器协同工作；为空气压缩机的真空单元提供高压空气；为冷水机组真空机组、超导电源和制冷机提供冷却水源，保证设备长期运行；液氮罐是储存液氮的容器。将超导线圈置于充满液氮的杜瓦中，通过制冷机、冷水机和真空机组的共同作用，将液氮的温度降至65 K并保持在这个低温，进行失超检测实验。

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给超导线圈充电。该测试系统采用虚拟仪器软件LabVIEW编程，控制充电电流的速度，并能检测超导磁体上电压和温度的变化。超导线圈上的电压和电流信号输入失超检测系统，用示波器观察实验过程中的波形。

3.3宽带线圈和窄带线圈对比测试波形图

宽带线圈和窄带线圈的对比测试波形如图6 ~图10所示。

3.4实验结果分析

图6 ~图10为宽带与窄带比较时，失步后的电压和电流信号波形，其中v3和v4为电压隔离校正电路后的电压。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经过校正后几乎相等，失超电压低于阈值电压接近于零，输出电压较高，说明失超检测电路能够消除感应电压的影响，反映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，输出电压从高电平变为低电平，表明失超发生。

根据本发明，比较电路中的阈值可以设置为失超电压差的阈值与超导线圈上的临界电流的乘积，检测电路获得的P1值为超导线圈电压差与线圈电流的乘积。从示波器上可以看出，超导磁体在充电过程中受到各种干扰和误差的影响，检测电路中存在幅值在200 mV以内的干扰信号，所以阈值的设定也要考虑干扰信号的影响。根据实验，经验值为2.2 V，当失超电压大于2.2v时，输出信号从高电平跳变到低电平，表示发生失超。

从实验可知

本文选取有功功率检测法作为本课题的研究方法，对现有有功功率检测法的电压差测量环节进行了修正，设计了超导储能混合磁体电压隔离修正系统。详细介绍了该系统的工作原理。用超导线圈进行了实验，以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相等的情况，而且能够在线圈电感值相等时准确及时地检测到失超信号，保证失超保护装置及时准确地动作，从而维护超导储能混合磁体的安全稳定运行。