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加速器功率系统与控制器设计

时间:2023-07-01 理论教育 版权反馈
【摘要】:电源由12相/24相晶闸管整流器、纹波反馈、无源滤波器、有源滤波器和电源控制器组成,图8为电源电气原理图。图8 CSR主环二极磁铁电源原理主环和实验环及其他系统的中小功率的电源,采用带倍频功能的高频双管斩波式开关电源。BUMPER也是以较快脉冲工作,但要求电流在60~20μs内从额定值下降到0,且四台BUMPER必须同步,该种电源主要用于主环注入系统中。

加速器功率系统与控制器设计

电源系统是加速器中一个重要组成部分,其主要功能是和负载一起为加速器提供所需的磁场和电场。这个电源系统绝大多数是高精度线性电源,几乎全部是直流稳流和直流稳压电源。其基本结构是开关电源晶闸管相控电源。主要技术指标(长期电流稳定度、电流纹波等)要求很高,二极磁铁电源电流长期稳定度一般小于2×10-4/8小时,四极磁铁电源电流长期稳定度一般小于5×10-4/8小时。

直流电源主要采用以下技术方案:对于输出功率在50kW以上的二极磁铁电源和大的四极磁铁电源,采用了晶闸管相控整流技术,大部分为晶闸管12脉波整流技术,同时根据具体情况采用并联式有源滤波技术以抑制纹波。稳定度要求为5×10-6/8小时的主磁场电源采用24脉波晶闸管整流技术,同时控制电路和测试电路都采取了恒温措施。晶闸管相控电源技术成熟,性能稳定可靠,价格低廉,

对于50kW以下的中小功率电源全部采用高频开关技术,主要采用全桥零电压/零电流软开关技术、斩波电源。还有部分电源,特别是开关磁铁电源,需要电源输出电流在200ms的时间内完成从0到额定值的转换或从额定值到0的转换,因此这部分电源采用高频斩波技术,该电路能够有效地吸收电流快速下降时磁铁负载产生的反向电压。对于注入引出系统的低压大电流电源采用多模块并联稳流技术,每个模块实际上是一个自己闭环工作的小功率开关电源,输出电流在100~250A,电压为10~30V,根据电源输出电流选择不同规格和不同数量的模块并联,所有模块受一个总的调节器控制。

脉冲电源实现方案与直流电源类似,对于输出功率在50kW以上的二极磁铁电源和大的四极磁铁电源,采用了晶闸管相控整流技术,中小功率电源则全部采用高频斩波技术。

图7为电源工作于脉冲模式时输出脉冲电流电压波形。每个脉冲上升和下降时间各为3s,平顶为1s,平底10s。电流波形实际上是一个梯形波,为便于电源实现,该梯形波分为五段:前平底段、上升段、平顶段、下降段、后平底段,每段之间用二次曲线光滑连接起来。

图7 CSR电源输出波形

主环和实验环二极磁铁电源及部分大功率四极磁铁电源,采用12相或24相晶闸管整流器实现,主要工作方式为整流/逆变方式。电源由12相/24相晶闸管整流器、纹波反馈、无源滤波器、有源滤波器和电源控制器组成,图8为电源电气原理图。多相晶闸管整流器通过多台变压器错相。电源调节器采用电压电流双闭环控制,电压环为内环调节,为了实现较快的响应速度和抑制电网电压波动的影响,电压环增益不高,但有较宽的带宽,外环为电流环,电源的精度主要由电流环决定,因此电流调节器增益很高,同时电流环带宽受到限制。为了进一步提高动态响应速度以及衰减纹波,主环二极磁铁电源在无源滤波器之后还使用了并联式有源滤波器,该滤波器是由多级斩波式开关电源串联组成,在电流上升下降段提供所需电流,以弥补晶闸管整流器响应较慢的缺陷,在平顶和平底段作为有源滤波器工作。需要指出的是,为了同时满足电源精度和良好动态特性的要求,必须精心选择电源调节器和滤波器的参数。

图8 CSR主环二极磁铁电源原理

主环和实验环及其他系统的中小功率的电源,采用带倍频功能的高频双管斩波式开关电源。开关管工作频率为10kHz以上,电源工作频率则在20kHz以上,具有响应时间快、纹波小、体积小、效率高等优点。这种电路可以有效地减小电源对电网的影响,同时还具有低功率损耗、不存在开关元件的直通故障、可工作于二象限和四象限状态、电路简单等优点。通过控制两个开关管,实现能量反馈,此种电源既可工作于脉冲状态,也可工作于直流状态。双极性输出的主环和实验环中的校正线圈和校正磁铁电源,采用四象限输出的开关电源,不同的控制方式便可实现输出极性的改变或输出电流从正到负的连续变化。(www.zuozong.com)

图9 二极铁电源跟踪误差波形

图10 四极铁电源跟踪误差波形

在注入引出系统中,主要包括踢轨电源(KICKER)、凸轨电源(BUNPER)、静电偏转板电源。其工作原理与波形与普通磁铁电源完全不一样。KICKER电源要求电流脉冲上升沿在150ns以内,周期重复工作,主要用于主环快引出。BUMPER也是以较快脉冲工作,但要求电流在60~20μs内从额定值下降到0,且四台BUMPER必须同步,该种电源主要用于主环注入系统中。静电偏转板电源全部是150kV高压直流稳压电源,主要用于慢引出。图11~图14为KICKER和BUMPER电源工作原理图以及相应的测试波形。

图11 SR引出KICKER电源原理

图12 CSR主环引出KICKER电流波形

图13 CSRBUMPER工作原理

图14 CSRBUMPER电流波形

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