基于PXI技术的高压电源控制系统的研制和测试论文_徐达,黄鑫

基于PXI技术的高压电源控制系统的研制和测试论文_徐达,黄鑫

合肥华耀电子工业有限公司 安微合肥 230031

摘要:介绍了J-TEXT装置上将用于辅助加热研究的一套100kV/60A高压电源。这套高压电源基于PSM技术设计,由144个开关电源模块构成。为了满足隔离、控制和保护的要求,采用PXI和FPGA技术设计了符合CODAC规范的PSM电源控制系统,并提出改进的PSM控制策略实现对高压电源的控制。为验证控制系统的性能,在由8个模块组成的高压电源模型样机上对控制系统进行了测试,测试结果表明,系统各项性能良好,可以满足100kV/60A高压电源的控制要求。

关键词:高压电源;PSM;控制;PXI;FPGA

1前言

电子回旋共振加热(ECRH)是等离子体加热的重要手段之一,在J-TEXT装置上研制了100kV/60A高压脉冲电源作为ECRH辅助加热和电流驱动电源。该高压电源是基于PSM(脉冲阶梯调制)技术,由144个开关电源模块串联构成。高压电源的负载为回旋管,回旋管打火时要求电源在5s内关断。由于高压电源模块较多,控制系统需要处理的信号很多,并且对实时性要求较高,PSM高压电源一般采用DSP和FPGA或CPLD进行控制,如HL-2A装置的ECRH高压电源、EAST装置的NBI高压电源等,这种控制方式控制性能较好,可以很好地实现对高压电源系统进行控制。为了符合ITERCODAC规范,本文采用PXI和FPGA技术设计了一套高压电源控制系统,并对控制系统的各项性能进行了测试。

2 PSM电源系统结构

PSM技术最早由瑞士的Schminke提出,其基本原理是根据给定的目标电压,计算出需要开通的模块数R,即前R个模块工作在SM(阶梯调制)模式下,第R+1个模块工作在PWM(脉宽调制)模式下,最终输出效果为在输出电压为RU的直流电源上叠加了一个脉冲幅度为U、频率为f、占空比为d的直流脉冲电源。为减小输出电压上的纹波,一般在PSM电源后加滤波电感,而对滤波电感来说,输出电压频率越高,滤波效果越好,但由于IGBT自身开关频率的限制,采用上述PSM技术的输出频率较低。在J-TEXT设计的高压电源中,采用了改进的PSM技术,其工作原理是144个模块全部投入工作,其中M个模块以SM模式运行,剩下N=144-M个模块移相后工作在PWM模式下,相邻模块间的移相角为q=360/N,若单个模块开通电压为U,PWM模式下占空比为D,开关频率为f,则最终输出电压oU=MU+DNU,输出频率为0f=Nf。改进的PSM技术既吸收了传统PSM技术的优点,输出一个精确的目标电压,又通过移相PWM技术,输出一个高频的直流脉冲电压,使得最终输出的直流电压纹波小,波形质量好。主电路分为4个单元,每36个模块为一个单元,每个单元接一多绕组干式变压器。变压器初级侧接100MW发电机,额定电压为6.3kV,次级侧输出三相电压560V。每个模块的额定输出直流电压为750V,144个模块串联总电压可以达到108kV。

3控制系统设计

PSM电源对控制系统要求有,输出所需电压并且稳定度高;在一定数量开关电源模块发生故障时,在不切除电源的情况下,快速关断故障模块,通过改变占空比保证输出电压不变;负载发生过流时,能够快速切除电源。下面针对PSM电源的要求,对控制系统进行硬件和软件的设计。

3.1硬件设计

J-TEXT装置根据ITERCODAC控制规范,开发了J-TEXTCODAC系统,现已布署在J-TEXT装置上运行。J-TEXTCODAC系统参照ITERCODAC标准,其快控制器标准也采用PXI控制器。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆基于PXI快控制器技术设计高压电源控制系统,在硬件上符合了J-TEXTCODAC控制规范。PXI(面向仪器系统的PCI扩展)是一种基于PC的测量和自动化平台,结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及机械封装的特性,并增加了专门的定时总线和触发总线,这些定时和触发总线使用户可以开发出需要精确同步的应用系统。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。

PSM电源的PXI控制系统硬件构成包括PXI-1031机箱(包含4插槽)、1个PXI-8108控制器和3块FPGA板卡(1块7842R和2块7811R)。PXI控制器根据相关参数进行计算,通过PXI总线将最终结果传输给FPGA,同时通过EPICS客户端或TCP/IP和上位机进行通信。FPGA板卡通过光纤输出144路控制信号同时接收144路故障信号,实现对高压电源的控制。3块FPGA板卡共享一个内部PXI时钟,并且通过内部PXI触发保证同步。控制器和3块FPGA板卡插入到1031机箱中构成1个完整的实时控制系统,通过PXI总线将4个部分连接起来,使得整个系统小巧,美观,并且可靠。

3.2控制策略

控制方式分为SM(阶梯调制)、SPWM(移相脉宽调制)以及SM和SPWM混合调制3种方式。SM调制就是每个模块依次开通,直到目标电压为止。SPWM调制是每个模块以脉冲形式运行,各个模块以相同的频率和占空比经过移相后输出。当目标电压较高时,可采用混合调制,以免IGBT开关间隔太小而损坏。

考虑到J-TEXT上每2mim放电300~500ms,即电源对负载供电时间500ms/2min,并且电源系统的空载电压高于带载电压的运行特性,采用半开环控制方式,减小中间计算量,提高系统响应速度。所谓半开环控制,就是先确定单个模块开通电压,然后根据反馈的故障模块数量,而不是总的输出电压来计算占空比。

在启动之前,默认输出关断信号,确保IGBT关断,输出电压为0。在控制面板中设置相关参数,目标电压V1、单个模块的输出频率fs、单个模块预设开通电压Vs、SM信道数N1、运行时间T1、电压上升时间T2。其中,N1是指以SM模式运行的模块数。PXI控制器根据检测到的故障数N0以及设置的相关参数,计算出FPGA控制参数如频率值、占空比值、移相值等,通过PXI总线将这些参数赋予FPGA。同时采集经过压频转换隔离的电压信号,并在控制面板中显示。

4结束语

采用PXI和FPGA技术设计了控制系统,提出改进的PSM技术对高压电源进行控制,系统整体结构紧凑,符合ITERCODAC规范。输出电压精度高,稳定性好,在模块发生故障时,能够在1ms内恢复输出电压值。过流响应快,能够实现ns级过流响应。输出信号同步性好,信号间延迟在10ns以内。采用半开环控制方式,使整个控制方式简单并且稳定可靠。对控制系统的测试结果表明,PXI控制系统性能好,满足PSM高压电源控制的要求。下一步工作就是将控制系统布署在100kV高压电源中进行测试并投入使用。

参考文献:

[1]毛晓惠李青王雅丽.HL-2A装置辅助加热高压电源控制系统的设计与实现[J].核聚变与等离子体物理.2010(04)

[2]潘圣民傅鹏蒋力.采用DSP和CPLD的100kV高压脉冲电源控制系统[J].高电压技术.2009(07)

[3] 屠锐.高压电源、聚焦电源和磁场电源调试[J].中国原子能科学研究院年报.2015(00)

[4] 吴寿勇任家富侯国利.基于单片机技术的γ辐射仪高压电源设计[J].核电子学与探测技术.2013(09)

论文作者:徐达,黄鑫

论文发表刊物:《基层建设》2017年第15期

论文发表时间:2017/10/10

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