NBI緩沖器電源控制系統(tǒng)及可靠性設(shè)計(jì)

楊 路

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

NBI緩沖器電源控制系統(tǒng)及可靠性設(shè)計(jì)

楊 路

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

為了提高EAST系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，需要配備高功率輔助加熱系統(tǒng)。中性束注入(NBI)是目前公認(rèn)最為有效的加熱方式，該系統(tǒng)供電電壓高，功率大。采用緩沖器(Snubber)及其電源設(shè)備保護(hù)離子源加速極免受NBI系統(tǒng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的擊穿能量的影響。通過對緩沖器電源控制系統(tǒng)及可靠性的設(shè)計(jì)，滿足NBI控制要求，為離子源加速極安全運(yùn)行提供保障，并為下一步NBI束線優(yōu)先決策控制器的連鎖控制和故障保護(hù)奠定基礎(chǔ)。

NBI；緩沖器；可靠性

EAST[1-5]是我國建設(shè)的大型全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置HT-7裝置系統(tǒng)的升級(jí)版。其目標(biāo)是建造一個(gè)具有非圓小截面的大型超導(dǎo)托卡馬克裝置及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需的各項(xiàng)技術(shù)，進(jìn)行核聚變基礎(chǔ)問題的實(shí)驗(yàn)研究。該裝置及其附屬系統(tǒng)的建成將使我國以有力的地位加入國際熱核聚變領(lǐng)域，使我國在核聚變領(lǐng)域的研究進(jìn)入世界前列，意義十分重大。中性束注入加熱(NBI)是目前國際核聚變研究領(lǐng)域公認(rèn)的最為有效的加熱手段，適應(yīng)于我國現(xiàn)有條件。NBI實(shí)驗(yàn)環(huán)境工作電壓高，發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的能量會(huì)對強(qiáng)流離子源加速極造成不可逆的損壞，通過NI-FE材料的高壓緩沖器及其電源設(shè)備保護(hù)脆弱的離子源加速電極。國內(nèi)針對緩沖器電源設(shè)備操作控制基本還是用人工方式進(jìn)行，現(xiàn)代測控技術(shù)的應(yīng)用相對比較落后，這樣既造成了系統(tǒng)工作效率低下，又給研究人員帶來一定的危險(xiǎn)，鑒于此，以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，將數(shù)字化、光纖化的測控技術(shù)引入設(shè)備系統(tǒng)，為建立一個(gè)開放的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1. 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 控制板結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。為了滿足現(xiàn)場調(diào)試、接入NBI總控以及可能突發(fā)故障等情況，該系統(tǒng)提供三種控制模式：

(1)就地調(diào)試模式：依托上位機(jī)對電源設(shè)備進(jìn)行通信控制調(diào)試，使其相關(guān)參數(shù)滿足系統(tǒng)要求。若NBI總控發(fā)生故障，就地模式啟用，基于RXD、信號(hào)進(jìn)行通信。

(2)NBI總控模式：主要工作模式，此時(shí)電源系統(tǒng)在總控臺(tái)的控制下運(yùn)行，就地模式與手操器模式不起作用?；趕tart, ready, 輸出設(shè)置信號(hào)、電壓信號(hào)、電源信號(hào)進(jìn)行通信。

(3)手操器模式：通過電源面板上的控制旋鈕調(diào)節(jié)設(shè)備工況，在總控模式與就地模式均失效情況下啟動(dòng)，應(yīng)用于突發(fā)緊急狀況。

就地模式下：RXD信號(hào)表示下位機(jī)傳送給上位機(jī)的采樣參數(shù)。NBI總控模式下，START信號(hào)是來自總控的啟動(dòng)指令；READY信號(hào)是來自電源的狀態(tài)反饋；輸出設(shè)置信號(hào)是來自總控的電源輸出設(shè)置信號(hào)；電壓與電流信號(hào)是來自電源的實(shí)時(shí)采樣反饋；為了保證系統(tǒng)的可靠性，上述所有信號(hào)都以光信號(hào)形式傳輸。

控制板硬件如圖2所示，包括采樣電路，光耦隔離電路，光纖收發(fā)電路，信號(hào)調(diào)理電路，模式切換電路，狀態(tài)反饋電路，啟?？刂齐娐?，單片機(jī)等。信號(hào)調(diào)理電路，光耦隔離電路，采樣電路實(shí)現(xiàn)對電源實(shí)時(shí)輸出的測量；光纖接收電路，啟停控制電路實(shí)現(xiàn)對總控和上位機(jī)控制指令的接收；光纖發(fā)送電路，狀態(tài)反饋電路實(shí)現(xiàn)電源狀態(tài)和實(shí)時(shí)輸出對總控和上位機(jī)的反饋；單片機(jī)實(shí)現(xiàn)核心計(jì)算控制功能。

系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)與下位機(jī)。上位機(jī)為實(shí)驗(yàn)人員提供操作界面。包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，模式切換，輸出控制，數(shù)據(jù)保存等功能。通過基于光信號(hào)構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)控制電源的啟動(dòng)停止，實(shí)時(shí)輸出等。軟件功能組成圖如圖3所示。下位機(jī)接收來自上位機(jī)的指令，分析指令并執(zhí)行相關(guān)操作，上電復(fù)位，下位機(jī)程序開始運(yùn)行。首先進(jìn)行IO端口，串行口，AD，工作模式等的初始化，完成后系統(tǒng)處于就地模式，程序進(jìn)入大循環(huán)，串口標(biāo)志位指示是否有上位機(jī)指令，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)接收，判斷指令是否正確，之后根據(jù)指令完成操作；定時(shí)器定時(shí)，AD開始采樣工作，采樣N次后求均值，完成AD采樣，接著開始溫度測試，最后將AD采樣與溫度數(shù)值一同發(fā)送給上位機(jī)顯示輸出，流程圖如圖4所示。

圖3 軟件功能組成圖

圖4 下位機(jī)流程圖

2. 可靠性設(shè)計(jì)

NBI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一個(gè)環(huán)節(jié)的問題將影響整個(gè)環(huán)節(jié)的正常運(yùn)行，必須保證緩沖器系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

2.1 硬件可靠性設(shè)計(jì)

2.1.1 供電可靠性設(shè)計(jì)

NBI實(shí)驗(yàn)環(huán)境包含許多設(shè)備，要求設(shè)備副端與外殼相連安全接地。緩沖器電源采用高頻低壓大電流開關(guān)電源，電源輸出的高頻脈沖信號(hào)可能會(huì)影響控制器的可靠運(yùn)行，需要采取一定的措施抑制干擾。開關(guān)電源采用三相四線制輸入，緩沖器控制板輸入電源可以選擇220V輸入或380V輸入，如圖5所示。在電源輸出達(dá)到極值的情況下干擾信號(hào)如圖所示。380V輸入脈沖干擾峰峰值最大2.8V，220V輸入下達(dá)到4.2V。采用扼流圈磁環(huán)等抗干擾措施后，如圖6-8所示，380V輸入下要比220V輸入下受開關(guān)電源高頻脈沖干擾程度低，在380V輸入下，采用扼流圈(接變壓器原邊)配合磁環(huán)抑制高頻脈沖效果最好。將峰峰值抑制到1.4V，抑制效果達(dá)到了一半。如果只接扼流圈，只能在一定程度上降低峰值，濾除高頻干擾效果不理想。考慮到市電中包含的高次諧波可能導(dǎo)致的欠壓，過壓，浪涌以及尖峰等情況[6-7]，在市電接入端安裝EMI電源濾波器，在阻帶范圍內(nèi)衰減射頻能量，差模干擾，共模干擾等，改善供電質(zhì)量。

圖5 供電接線圖

圖6 電源輸出最大值時(shí)的干擾信號(hào)

圖7 220V輸入抑制后干擾信號(hào)

圖8 380v輸入抑制后干擾信號(hào)

2.1.2 輸入信號(hào)可靠性設(shè)計(jì)

控制器需實(shí)時(shí)采樣緩沖器電源的輸出值，采用FPGA根據(jù)多點(diǎn)求平均法在采樣端做數(shù)字濾波處理，可以很好的改善采樣輸入信號(hào)的質(zhì)量。經(jīng)過數(shù)字濾波處理后信號(hào)相當(dāng)?shù)钠交?。由于多點(diǎn)求平均方法要求濾除的信號(hào)周期絕對的穩(wěn)定，所以還有些尖峰未能濾除，但總體效果已有了很大的改善。

采樣信號(hào)是外界信號(hào)，為了防止干擾信號(hào)混雜在采樣信號(hào)中進(jìn)入內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)，利用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)光電隔離，斷開輸入地與輸出地，切斷干擾回路，實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)的抑制。電路如圖11所示。光電耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是單發(fā)雙收型，包含一個(gè)發(fā)光二極管PF，一個(gè)起反饋?zhàn)饔玫墓怆姸O管PD1，一個(gè)起輸出作用的光電二極管PD2。當(dāng)PF通過驅(qū)動(dòng)電流IF發(fā)光，光分別照射在PD1和PD2上，PD1吸收光通量的一部分，產(chǎn)生控制電流IPD1調(diào)節(jié)IF以補(bǔ)償PF的非線性。PD2產(chǎn)生輸出電流IPD2與PF發(fā)出的光通量成線性比例。K =，K的典型值為1。Q2，R40，R43，R44，R46構(gòu)成LED驅(qū)動(dòng)電路，D10防止過大反向電壓對LED造成不可逆損傷。

電路的輸入電壓VIN，

電路輸出與輸入的比例關(guān)系:

調(diào)節(jié)電阻的取值可以調(diào)整輸入輸出的比例關(guān)系。因此，該隔離電路的電壓增益只與電阻R47，R48有關(guān)，與光耦的電流傳輸特性無關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的光隔離，提高系統(tǒng)可靠性。

2.2 軟件可靠性設(shè)計(jì)

(1)查詢與中斷的選擇：下位機(jī)程序包括AD采樣，串口通信，溫度測量等。溫度測量對時(shí)序要求高。如若AD采樣通信采用中斷方式，那么當(dāng)中斷發(fā)生在進(jìn)行溫度測量的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致溫度測量出錯(cuò)，因此采用查詢方式實(shí)現(xiàn)下位機(jī)控制程序。

(2)外界干擾信號(hào)對輸入采樣有一定的影響，會(huì)造成輸入信號(hào)的誤讀、誤差。要排除這部分影響，通常采取重復(fù)采樣、加權(quán)平均等方法，對AD采樣信號(hào)采用數(shù)字濾波平均法等防止突發(fā)性的干擾。程序編寫中為了排除干擾的影響，采用多次采樣求和計(jì)算平均值。以電流采樣為例，程序流程：

配置寄存器確定采樣端口；

使能ADC采樣；

啟動(dòng)定時(shí)器，控制AD進(jìn)行采樣工作；

圖11 光耦隔離電路

采樣完成一次，計(jì)數(shù)一次，采樣值累積一次；

If 采樣次數(shù)達(dá)到N次（這里取2048），求采樣均值；

Else 繼續(xù)采樣；

結(jié)束。

(3)基于C/C++的串口通訊調(diào)用CreateFile函數(shù)設(shè)置需要打開相應(yīng)端口的文件名，又稱串口邏輯名。串口邏輯名常見如“COM1”、“COM2”等。存在兩種特殊情況需要注意：

1)通信調(diào)試設(shè)備包含多個(gè)串口的情況。

2)通信調(diào)試設(shè)備本身沒有提供串行口，通過USB轉(zhuǎn)串行口設(shè)備轉(zhuǎn)換。

這兩種情況下有可能會(huì)出現(xiàn)串口號(hào)大于9的時(shí)候，不包含9。在基于C/C++上位機(jī)編程中串口邏輯名稱應(yīng)寫 為 “ \\.\COMxx”， 如 串 口 10應(yīng) 寫 做“\\.\COM10”，在其他編程語言中應(yīng)寫為\.COMxx。否則會(huì)出現(xiàn)端口無法打開錯(cuò)誤。在編寫上位機(jī)程序編程時(shí)需要在程序中做判斷選擇。

3 .實(shí)驗(yàn)測試

緩沖器能夠吸收短路故障能量，正常工作時(shí)對系統(tǒng)不產(chǎn)生任何影響，一旦出現(xiàn)短路等故障情況，緩沖器能夠限制故障電流，吸收大部分的故障能量，對NBI系統(tǒng)具有非常重要的保護(hù)作用[8]。隨著緩沖器電源輸出的偏置電流增大，構(gòu)成緩沖器的鐵心由飽和狀態(tài)向不飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)移，鐵心產(chǎn)生的大電感對電流具有較大的抑制作用，在鐵心中產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗則消耗了分布電容中存儲(chǔ)的能量。緩沖器的接入等效于在電路中接入了電感電阻的并聯(lián)電路，其中電感能夠阻止電流的變化，電阻能夠消耗能量 。當(dāng)故障電流產(chǎn)生時(shí)，緩沖器使得代表能量大小的電流峰值與變化速率降低，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)作用。如圖12所示，無緩沖器工況下40kV直接短路峰值電流約600A，有緩沖器工況下直接短路峰值電流約400A?？梢?，緩沖器對短路峰值電流有抑制效果，能夠?qū)BI系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

圖12 40kV主回路在有無sunbber時(shí)短路電流

4 .結(jié)論

文章說明了緩沖器電源控制系統(tǒng)的構(gòu)成，從軟硬件兩方面進(jìn)行了系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)。NBI實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測試表明緩沖器對短路電流的抑制作用是明顯的，起到了對NBI系統(tǒng)的保護(hù)作用。 該控制系統(tǒng)抗電磁干擾能力強(qiáng)，能按照要求實(shí)現(xiàn)輸出，性能穩(wěn)定，滿足EASTNBI系統(tǒng)控制要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

[1]王保華.中性束注入系統(tǒng)低溫抽氣系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)及壓力分布研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.

[2]于玲.中性束注入裝置溫度測控系統(tǒng)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2008.

[3]肖龍江.NBI數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)的研究[D].上海:東華大學(xué),2011.

[4]鈕小軍.EAST裝置中性束高壓傳輸線電磁問題的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2005.

[5]徐厚昌.EAST超導(dǎo)托卡馬克面對等離子體部件安裝精度控制研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.

[6]孫云娟,王天意.單片機(jī)硬件抗干擾技術(shù)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2010(2):129-131.

[7]張旭.淺談單片機(jī)抗干擾的硬件措施[J].民營科技,2011(3):48.

[8]曹亮,李格,王海田.直流高壓緩沖器的研制[J].高壓電技術(shù),2010(5):1269-1274.

On the NBI Snubber Power Control System and Reliability Design

Yang Lu
（Tongling University, Tongling Anhui 244000, China）

For improving system performance parameters, EAST needs high-power auxiliary heating system. NBI is generally believed to be the most effective heating mode, which can provide high voltage and power. To avoid breakdown energy causing serious damage to the accelerating electrode of the ion source when system is running, Applying Snubber and power supply protect it. By designing Snubber power communication and monitor system to provide security of the accelerating electrode of the ion source, which meets control needs of NBI, for the next it lay the foundation for beam line of priority decisions controller chain control and fault protection.

NBI; Snobber; reliability

TP271+.5

A

1672-0547(2016)06-0084-04

2016-08-30

楊路(1985-),女,安徽懷遠(yuǎn)人,銅陵學(xué)院電氣工程學(xué)院助教,研究方向:智能儀器,設(shè)備控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)挖掘。