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书书书 第２２卷第４期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．４ ２０１０年４月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＡｐｒ．，２０１０ 文章编号： １００１４３２２（２０１０）０４０８０７０５犎犔８０型低纹波系数大电流程控恒流源研制赵 娟， 曹科峰， 曹宁翔， 黄 斌， 于治国，李玺钦， 李 波， 黄 雷， 王 卫， 朱利君（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳６２１９００） 摘 要： ＨＬ８０型大功率恒流源采用闭环实时串联线性调整技术实现输出电流的恒流控制，应用三相交流调压模块调控电源变压器的初级电压，以可编程控制器与触摸屏配合实现图形化的交互式操作界面，采用以太网构成通讯控制网络。当负载在２．０～３．０Ω之间变化且输出电流在２０～８０Ａ之间变化时，ＨＬ８０型恒流源的调整管压降可控制在（８±２）Ｖ范围内，输出电流稳定度优于０．１２％，纹波系数优于０．１１％。样机实现万次拷机实验无故障。 关键词： 恒流源； 程控； 低纹波系数； 大电流； 直线感应加速器 中图分类号： ＴＬ５０３ 文献标志码： Ａ 犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０４．０８０７ 恒流源是一种能够向负载提供恒定输出电流的设备，在科学研究、环保及工业等领域均得到广泛应用［１１０］。在大型Ｘ光闪光照相直线感应加速器（ＬＩＡ）中，需要多台大电流、高稳定度恒流源用于束流输运控制。作为励磁电源，大功率恒流源是ＬＩＡ的关键设备之一。恒流源用于激励线圈，产生轴向磁场约束电子束，阻止电子束的径向扩散，保持束流沿轴向传输、加速、箍缩和聚焦［４９］。恒流源输出的平顶电流脉冲的幅度稳定性、纹波系数等参数对加速器输出束流品质存在重要影响，因此，先进直线感应加速器对恒流源的要求极高。根据前期研制工作中获得的经验，ＨＬ８０型恒流源采用了调压式恒流控制技术，大大降低了调整管的功耗，实现了风冷替代水冷。以串联线性调整技术为核心构建闭环控制网络，实现了输出电流的高稳定度、低纹波控制。采用工控机和以太网构建通讯管理系统，通讯速度大大提高，实现了远程实时控制。每台恒流源均有一套由Ｓ７２００ＰＬＣ构成的控制系统与触摸屏配合，实现良好的人机交互式操作界面。ＨＬ８０型恒流源输出电流稳定度优于０．１２％，纹波系数优于０．１１％，完全满足先进直线感应加速器对高稳定度恒流源的需求。１ 恒流控制原理 ＨＬ８０型恒流源由集成移相调控晶闸管模块、三相交流变压器、三相桥式整流、滤波、调整、电流取样、基准电压、比较放大等部分组成。其主电路采用闭环线性串联调整电路结构如图１所示。三相交流电通过断路器进入调压模块，经变压器降压、整流、滤波后输出直流电压犞ＤＣ，再经调整管（管压降犞ＣＥ），取样电阻犚Ｓ，输出到负载电阻犚Ｌ上。通过控制调整管的导通状态控制负载电流。当负载电流犐有微小变化时，取样电阻犚Ｓ上的取样电压随之发生变化，取样电压的变化经多级放大后馈送到调整管的基极，令输出电流发生反向变化，以使负载电流保持恒定值，从而达到恒流输出的目的。调节基准电压，可以实现输出电流幅值的调整。Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅ图１ 恒流源原理图２ 电路设计和实现 采用ＭＺＫＳＪＬ１５０型三相全控晶闸管智能控制模块控制变压器初级电压。可将复杂的自动调节电路、晶收稿日期：２００９１１０４； 修订日期：２０１００２０２作者简介：赵 娟（１９６８—），男，高级工程师，主要从事应用电子学技术研究；ｚｊ６８０５２５＠２１ｃｎ．ｃｏｍ。通信作者：于治国（１９７８—），男，工程师；０８１６２２８３３４７＠１６３．ｃｏｍ。书书书闸管和移相触发电路集成为一体，采用先进的陶瓷覆铜（ＤＣＢ）工艺，使用寿命较长，且触发电路系统、晶闸管、导热底板可相互绝缘隔离。控制晶闸管导通角的大小能实现对变压器初级电压和输入功率的控制。 根据ＨＬ８０型恒流源的技术要求：电流调节范围２０～８０Ａ、负载阻抗≤３Ω，三相交流变压器设计功率取为２５ｋＷ，副边线电压分为４档：６０，１１０，１６０，２２０Ｖ。原边为“△”接法，副边为“Ｙ”接法。 整流电路设计为三相桥式整流，选用ＭＤＳ２００三相整流模块。该模块采用６只内组合的整流管芯形成三相桥，内部电路与散热底板绝缘，模块体积小，接线安装方便。 ＨＬ８０型恒流源采用电容滤波电路，即在整流电路输出端和恒流源输出端均对地并接由多只ＣＤ１００００Ｆ／３５０Ｖ型电容器并联构成的滤波电容器组，以减小输出纹波。 取样电阻是线性串联调整式恒流源的核心部件，它将恒流源微小的电流变化实时传送到反馈控制系统中对调整管进行调整，使输出电流保持稳定。其所用材料、物理性能、阻值大小、装配结构、散热方式等对恒流源性能指标有很大影响。样机分别选用自冷式取样电阻和ＤＣＣＴ电流传感器作为取样器件上机调试。采用ＤＡＮＦＹＳＩＫ公司生产的直流零磁通误差传感器（ＤＣＣＴ）做为取样器件时，恒流源样机输出电流的稳定度及纹波可满足要求，但在调整管上会产生较高的瞬态冲击电压（图２），易烧毁调整管。采用由多根２．５ｍｍ×１０ｍｍ的锰铜片通过串、并联方式制成的２５ｍΩ／１００Ａ自冷式取样电阻做为取样器件时，恒流源样机输出电流的稳定度及纹波满足技术指标要求，且在调整管上不会产生冲击电压（图３），不易损坏调整管。经过反复的对比实验，ＨＬ８０型恒流源选用自冷式取样电阻做为取样器件。Ｆｉｇ．２ ＶｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓａｍｐｌｅｄｂｙＤＣＣＴ（ｌｏａｄｃｕｒｒｅｎｔｉｓ２０Ａ）图２ 以ＤＣＣＴ为取样元件时调整管的电压波形（加载电流２０Ａ）Ｆｉｇ．３ Ｖｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓａｍｐｌｅｄｂｙｓｅｌｆｃｏｏｌｉｎｇｒｅｓｉｓｔｏｒ（ｌｏａｄｃｕｒｒｅｎｔｉｓ２０Ａ）图３ 以自冷式取样电阻为取样元件时调整管的电压波形（加载电流２０Ａ） 电压基准为比较放大电路提供的基准电压，其稳定性对恒流源性能指标有较大影响。ＨＬ８０型恒流源采用温度补偿特性较好的高精度双向稳压二极管２ＤＷ２３６（ＤＷ１，ＤＷ２）提供基准电压，以保证系统的稳定性（图４）。 比较放大电路采用四级电流放大电路（图５），前两级单独供电，后两级与调整管共集电极，第四级用２只３ＤＤ１７５Ｇ管并联。级联放大系统的设计使得微小的电流变化得到足够的放大，驱动调整管调整输出电流，保Ｆｉｇ．４ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖｏｌｔａｇｅｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅ图４ 恒流供电的基准电源 Ｆｉｇ．５ Ｓａｍｐｌｉｎｇ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇ，ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇａｎｄｍｏｄｕｌａｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅ 图５ 恒流源取样、比较、放大及调整电路８０８强激光与粒子束第２２卷持输出电流稳定。 调整管是恒流源的重要器件，同时也是易损器件，其性能参数和质量直接关系到整机的可靠性及维修成本。ＨＬ８０型恒流源选用气容性好、可靠性高、散热性能好的金属封装３ＤＤ１７５Ｇ型大功率三极管。选用铝型材加工制成的散热片，增加散热面积，采用风扇进行强制风冷。 均流电阻：为了保持各调整管工作电流均匀分配，每只调整管的发射极上均串接０．８ｍｍ黄铜丝绕制的０．１Ω电阻。３ 控制系统设计与实现 在直线感应加速器中，要求上百台恒流源同步运行，控制框图见图６。因此，ＨＬ８０型恒流源采用网络化程控技术实现本地和远程控制（图７）。在执行远程控制时，主控计算机通过网络控制模块和恒流源主机通讯，网络控制模块主要实现网络协议和串口协议之间的转换和数据暂存。当恒流源加载后，网络控制模块主动进行恒流源工作电流的采集，并存放于本地寄存器。当主控计算机发送获取数据命令时，网络控制模块立即将已存储在寄存器中的数据上传给主控计算机，从而提高主控计算机轮询所有在线恒流源工作数据的效率。采用网络控制模块的ＩＰ地址作为控制地址，使恒流源主机不再需要设定地址，具备通用性，便于维护和调换。Ｆｉｇ．６ Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅ图６ 恒流源控制系统框图Ｆｉｇ．７ Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅ图７ 恒流源远程控制系统框图 采用ＰＬＣ作为控制单元实现远程控制。上位工控机通过ＰＬＣ对恒流源进行工作电流的设置及加载。ＰＬＣ把负载电压和工作电流实时反馈给上位工业控制ＰＣ，同时把各个开关量及相应的报警信号状态也回送给上位机，使控制人员能够采取相应措施，实现远程控制。 触摸屏上电后的初始状态为本地控制，当远程工业控制ＰＣ发出控制命令后，ＰＬＣ将自动禁止触摸屏的本地操作。在远程工业控制ＰＣ解除控制后，恢复本地操作。 如图８所示，进行电流加载时，ＰＬＣ首先判断电流是否已经预置，若已经预置则加调压模块电压。同时启动延时继电器，以使系统在ＰＬＣ系统失控时能自动断开调压模块电压，避免负载超时加载。 调压模块上电后，ＰＬＣ通过ＥＭ２３２模拟量输出模块对调压模块的相位进行控制，通过ＥＭ２３１模拟量输入模块对调整管电压进行闭环控制，将调整管电压控制在设定范围内。 设备运行中，对负载电压、实际工作电流等各模拟量参数及缺相等数字量参数进行监控，若出现异常则实时进行相应处理。 ＨＬ８０型恒流源采用新的控制核心，并以网络结构替代ＲＳ４８５标准控制总线后，内部数据传输速度从９６００ｂｐｓ提高到１１５２００ｂｐｓ，提高了恒流源加载过程中工作电流的实时采样速率。４ 实验结果 为完成恒流源万次拷机实验，编写了恒流源拷机程序。在完成恒流源加载时间以及两次加载之间的间隔９０８第４期赵 娟等：ＨＬ８０型低纹波系数大电流程控恒流源研制Ｆｉｇ．８ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｓｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍ图８ 控制程序流程 Ｆｉｇ．９ Ｃｕｒｒｅｎｔｒｉｐｐｌｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅ 图９ 恒流源电流纹波波形时间设置后，恒流源自动连续工作，顺利完成万次拷机工作。 用数字示波器测量的直线感应加速器束流输运系统恒流源纹波波形如图９所示。当负载在２．０～３．０Ω之间变化，输出电流在２０～８０Ａ之间变化时，ＨＬ８０型恒流源的调整管压降控制在（８±２）Ｖ范围内，由图９计算的输出电流稳定度优于０．１２％，在整个电流调节范围内纹波系数优于０．１１％。如用ＨＰ７０６５电压测量仪测量取样电阻两端电压犞ｓ，取样电阻犚ｓ＝０．０２５Ω，电流设定为５Ａ时，在１ｍｉｎ内，犞ｓ，ｍａｘ＝０．１２３０４Ｖ，犞ｓ，ｍｉｎ＝０．１２２９０Ｖ，珚犞ｓ＝０．１２３００Ｖ则输出电流稳定度为０．０８％。 两台样机通过了万次静态和上百次动态可靠性考核，工作状态稳定。５ 结 论 ＨＬ８０型恒流源采用闭环实时串联线性调整技术实现输出电流的恒流控制，实现了实时程控。恒流源内置一套由Ｓ７２００ＰＬＣ构成的控制系统，采用工控机通过以太网对多台恒流源进行通讯控制管理，从而实现远程控制，同时通讯速度亦大大提高。加载期间可实时回送加载电流数据，在多台同时工作时不再需要对恒流源进行分组控制，而是实时的点对点控制。采用触摸屏本地控制系统，人机操作界面更为友好。利用三相交流调压模块调控电源变压器初级电压，将调整管压降控制在（８±２）Ｖ范围，实现风冷代替水冷，同时提高了调整管寿命，减少了调整管数量。用整流模块替代分立的６只整流管，减小了恒流源的体积。对模拟量输入和模拟量输出进行隔离，提高系统的抗干扰能力，提高了系统可靠性。两台样机通过了万次静态（电阻负载）和上百次动态（感抗负载）可靠性考核，输出电流稳定度优于０．１２％，纹波系数优于０．１１％，完全满足直线感应加速器束流输运系统对励磁电源要求。参考文献：［１］ 丁卫东，张乔根，邱敏昌，等．高电压恒流源的应用及