- 探討電容型高功率脈沖電源控制電路設(shè)計(jì)
- 本文選用SSR進(jìn)行了PPS控制電路設(shè)計(jì)
- 通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)基于SSR設(shè)計(jì)的控制電路進(jìn)行試用和改進(jìn)
1 引 言
高功率脈沖電源（PPS）是為脈沖功率裝置負(fù)載提供電磁能量的裝置。由多個(gè)脈沖電容器組為儲(chǔ)能單元并聯(lián)組成的PPS,具有儲(chǔ)能簡(jiǎn)單，造價(jià)低、波形靈活可調(diào)，所需充電功率小，抗干擾能力強(qiáng)，方便運(yùn)輸?shù)韧怀鰞?yōu)點(diǎn)，在電熱化學(xué)炮（ETcG）研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
實(shí)驗(yàn)研究用的PPS通常由充電子系統(tǒng)、脈沖成形子系統(tǒng)、匯流排及大功率傳輸線、控制與測(cè)試子系統(tǒng)、屏蔽與接地子系統(tǒng)等幾部分組成。為了避開(kāi)ETCG發(fā)射時(shí)劇烈的機(jī)械震動(dòng)和強(qiáng)烈的電磁干擾，實(shí)驗(yàn)研究時(shí)PPS的控制子系統(tǒng)的電路通常采用遠(yuǎn)方方式設(shè)計(jì)和使用。隨著ETCG朝實(shí)用化方向發(fā)展，需要ETCG與PPS諸系統(tǒng)集成一體，從而要求控制電路必須具有優(yōu)良的抗機(jī)械震動(dòng)性能，并能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中使用。
2 控制電路功能
PPS工作時(shí)，由控制電路對(duì)系統(tǒng)各階段狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)情況發(fā)指令進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)。
控制電路主要功能是實(shí)現(xiàn)PPS的充、放電電控制。
通常，充電子系統(tǒng)內(nèi)部配有過(guò)電流、過(guò)電壓和過(guò)熱等故障保護(hù)或異常告警裝置。但這些裝置的保護(hù)范圍一般僅限于充電子系統(tǒng)內(nèi)部，PPS放電時(shí)浪涌電壓等外部因素仍可能造成充電設(shè)備損壞。因此，在儲(chǔ)能單元和充電子系統(tǒng)間還需配置一些隔離和保護(hù)電路。圖1給出了用于ETCG研究的PPS所配置的充電隔離及保護(hù)電路。圖1中，充電隔離開(kāi)關(guān)（Kc）和地絕緣隔離開(kāi)關(guān)（Kg）在充電結(jié)束后打開(kāi)，用以防止PPS放電時(shí)由負(fù)載等因素產(chǎn)生的浪涌高電壓通過(guò)充電子系統(tǒng)對(duì)地放電，可以避免因此所造成的充電設(shè)備絕緣損壞；充電輸出終端并聯(lián)了一小容量電容器（Cp）及其安全釋能電路（開(kāi)關(guān)Kp、電阻Rp），目的在于防止空載誤充電，以避免在此情況下充電電路末端電壓急劇升高損壞充電設(shè)備。
圖1 充電隔離保護(hù)電路
脈沖電容器儲(chǔ)能后，由控制電路發(fā)送命令進(jìn)行觸發(fā)放電（ETcG發(fā)射）。ETCG發(fā)射精度和一致性與PPS儲(chǔ)能量密切相關(guān)，電容器儲(chǔ)能大小與其充電電壓的量值平方成正比，因此控制電路必須能精確控制充電電壓量值，這可以通過(guò)與被充電容器組并聯(lián)"分壓器一電壓繼電器組"來(lái)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖2。
圖2 充電電壓測(cè)控與安全釋能電路
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工作中有可能因安全因素或異常情況需要取消ETCG發(fā)射，這種情況下電容器可能已經(jīng)儲(chǔ)存了大量電能。此外，ETCG發(fā)射后電容器一般仍存儲(chǔ)著一些剩余電能。因此，如圖2所示，PPS安裝了儲(chǔ)能安全釋放電路，Kd是安全釋能開(kāi)關(guān)，其狀態(tài)受控于控制電路，Rd為安全釋能電阻。
因此，控制電路應(yīng)具備如下基本功能：
（1）高壓繼電開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制。控制電路必須能使各高壓繼電開(kāi)關(guān)通斷狀態(tài)正確對(duì)應(yīng)于PPS的不同工作階段，見(jiàn)表1;（2）充電啟、?？刂啤３潆娫O(shè)備將根據(jù)控制電路命令啟動(dòng)或停止充電；（3）放電控制。在正常情況下，電容器組儲(chǔ)能結(jié)束后，PPS將根據(jù)控制電路命令啟動(dòng)觸發(fā)放電（ETCG發(fā)射）；（4）急停控制。工作中，若系統(tǒng)某個(gè)部分（器件）發(fā)生異常或出現(xiàn)安全隱患，控制電路應(yīng)具有使充電設(shè)備緊急停車(chē)功能，并能使電容器安全釋能。
表1 被控繼電開(kāi)關(guān)狀態(tài)
3 控制器件選用
ETcG發(fā)射特點(diǎn)不僅是高電壓、強(qiáng)電流，而且伴隨著強(qiáng)烈的機(jī)械震動(dòng)。因此，選用控制器件時(shí)必須兼顧器件的電磁兼容（EMC）性能和抗震動(dòng)性能。
實(shí)驗(yàn)研究用PPS的控制電路一般為遠(yuǎn)方模式，可以采用單片機(jī)等微控制器（MCU）或者電磁式繼電器（EMR）進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。但系統(tǒng)一體集成時(shí)，ETCG發(fā)射所引起的強(qiáng)震動(dòng)、強(qiáng)電磁干擾將致使MCU不能正常工作甚至損壞，同樣，由于具有金屬線圈和機(jī)械觸點(diǎn)，EMR也難免發(fā)生誤動(dòng)作或損壞。
調(diào)查發(fā)現(xiàn)，固態(tài)繼電器（SSR）可在強(qiáng)震動(dòng)工況下使用。作為一種由固態(tài)電子元件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，SSR近年來(lái)在民用工控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它是依靠半導(dǎo)體器件和電子元件的電、光特性來(lái)完成隔離和繼電切換功能的。由于沒(méi)有電磁線圈，且不含運(yùn)動(dòng)零部件，因而它不怕劇烈的機(jī)械震動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]所進(jìn)行的電磁抗干擾能力測(cè)試與給出的EMC抗干擾標(biāo)準(zhǔn)，SSR也具有良好的EMC性能，在類(lèi)似于ETCG工況的電磁環(huán)境中使用完全合適。因此，電路設(shè)計(jì)時(shí)控制器件選用了SSR.
4 控制電路設(shè)計(jì)
圖3是基于PPS控制功能要求，采用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)的控制電路。需要指出，為了讓被控繼電開(kāi)關(guān)通斷狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地反饋于控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中使用的高壓繼電開(kāi)關(guān)（Kc、Kg、Kd、Kp）均帶有位置行程輔助開(kāi)關(guān)。
圖3（a）中，KM1-4為SSR,SB1-4為自鎖按鈕。系統(tǒng)上電后，通過(guò)按鈕SB1啟動(dòng)KM1和KM2,這樣Kd將首先得電動(dòng)作，隨后Kc、Kg、Kp也相繼動(dòng)作，為下一步進(jìn)行的充電工作做好了準(zhǔn)備。圖3（b）中，Kc和Kg啟動(dòng)采用了位置接點(diǎn)Kdl,同樣Kp啟動(dòng)也采用了位置接點(diǎn)Kcl和Kgl,這樣設(shè)計(jì)目的是使控制電路具有了邏輯動(dòng)作與防誤閉鎖功能。此時(shí)只要充電設(shè)備自檢正常（圖3（a）中"充電機(jī)正常"接點(diǎn)閉合），則燈HI 1指示可以進(jìn)行充電，通過(guò)按鈕SB2啟動(dòng)KM3便可對(duì)脈沖電容器組進(jìn)行充電。脈沖電容器電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值后，KV動(dòng)作，常閉接點(diǎn)KV1斷開(kāi)致使KM2失電，則Kc、Kg、Kp相繼返回，同時(shí)Kp返回又使KM3失電，這樣Kc、Kg斷開(kāi)，充電機(jī)停止工作，滿足了系統(tǒng)放電前提。此時(shí)燈HL1熄滅、KV2接通，燈HL2指示充電完畢，通過(guò)按鈕SB3啟動(dòng)KM4則可進(jìn)行ETCG發(fā)射。
若遇到異常需要工作急停，僅需通過(guò)按鈕SB4使KM1失電即可。KM1失電將使得Kd復(fù)位閉合，脈沖電容器中存儲(chǔ)的能量便通過(guò)電阻Rd安全釋放；同時(shí)，由于位置接點(diǎn)Kdl斷開(kāi)，Kc、Kg、Kp相繼復(fù)位，系統(tǒng)從而完全停止運(yùn)行。在ETCG發(fā)射完畢后SB4還被用作狀態(tài)復(fù)位按鈕。
5 電路試用及改進(jìn)
將圖3電路組裝于鋼箱內(nèi)，安裝在電容8 000uF、脈沖成形電感10uH、工作電壓15 kV的PPS上，通過(guò)模擬ETCG工況對(duì)電路進(jìn)行了試用。
試用期間電路出現(xiàn)了SSR誤動(dòng)作問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)SSR誤動(dòng)的工作次數(shù)約占總工作次數(shù)的7%.分析表明，SSR誤動(dòng)作的原因來(lái)自PPS充放電所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾，與機(jī)械震動(dòng)無(wú)關(guān)。SSR通常因DC輸入側(cè)或AC輸出負(fù)載側(cè)出現(xiàn)了較大電磁噪音（或浪涌）而誤動(dòng)作。PPS中，被控高壓繼電開(kāi)關(guān)（Kc、Kg、Kd、Kp）采用的是大功率電磁鐵開(kāi)關(guān)，線圈通斷電和強(qiáng)電磁干擾必然會(huì)生成電磁噪音或浪涌。此外，控制電源、控制線路也會(huì)因強(qiáng)電磁干擾而出現(xiàn)諧波與噪音。
如圖4所示，針對(duì)PPS充放電所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾，在控制電路中為SSR增裝了浪涌吸收等輔助保護(hù)電路。電阻Ru和吸收電路Rs-Cs用來(lái)防止負(fù)載所造成的SSR誤動(dòng)；Ru用于吸收SSR斷開(kāi)時(shí)繼電開(kāi)關(guān)線圈的殘存能量以及因電磁干擾產(chǎn)生的感應(yīng)能量，能有效抑制因此所產(chǎn)生的電磁噪音與浪涌；Rs~Cs是SSR負(fù)載側(cè)浪涌吸收電路。電阻Rv作用是使SSR輸入端在SB斷開(kāi)時(shí)具有相同電位，能防止輸入側(cè)噪音所引起的SSR誤動(dòng)。
控制電路改進(jìn)后試用沒(méi)有再次出現(xiàn)SSR誤動(dòng)作，這說(shuō)明其可以滿足ETCG與PPS一體化集成要求。
根據(jù)PPS控制電路功能要求和ETCG實(shí)用化方向發(fā)展要求，本文選用SSR進(jìn)行了PPS控制電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)基于SSR設(shè)計(jì)的控制電路進(jìn)行了試用和改進(jìn)。與其他控制器件相比，SSR具有優(yōu)良的抗震動(dòng)性能和較強(qiáng)的電磁兼容能力，應(yīng)用于強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境下的電控領(lǐng)域前景廣闊。
ETcG發(fā)射特點(diǎn)不僅是高電壓、強(qiáng)電流，而且伴隨著強(qiáng)烈的機(jī)械震動(dòng)。因此，選用控制器件時(shí)必須兼顧器件的電磁兼容（EMC）性能和抗震動(dòng)性能。
實(shí)驗(yàn)研究用PPS的控制電路一般為遠(yuǎn)方模式，可以采用單片機(jī)等微控制器（MCU）或者電磁式繼電器（EMR）進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。但系統(tǒng)一體集成時(shí)，ETCG發(fā)射所引起的強(qiáng)震動(dòng)、強(qiáng)電磁干擾將致使MCU不能正常工作甚至損壞，同樣，由于具有金屬線圈和機(jī)械觸點(diǎn)，EMR也難免發(fā)生誤動(dòng)作或損壞。
調(diào)查發(fā)現(xiàn)，固態(tài)繼電器（SSR）可在強(qiáng)震動(dòng)工況下使用。作為一種由固態(tài)電子元件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，SSR近年來(lái)在民用工控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它是依靠半導(dǎo)體器件和電子元件的電、光特性來(lái)完成隔離和繼電切換功能的。由于沒(méi)有電磁線圈，且不含運(yùn)動(dòng)零部件，因而它不怕劇烈的機(jī)械震動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]所進(jìn)行的電磁抗干擾能力測(cè)試與給出的EMC抗干擾標(biāo)準(zhǔn)，SSR也具有良好的EMC性能，在類(lèi)似于ETCG工況的電磁環(huán)境中使用完全合適。因此，電路設(shè)計(jì)時(shí)控制器件選用了SSR.
4 控制電路設(shè)計(jì)
圖3是基于PPS控制功能要求，采用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)的控制電路。需要指出，為了讓被控繼電開(kāi)關(guān)通斷狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地反饋于控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中使用的高壓繼電開(kāi)關(guān)（Kc、Kg、Kd、Kp）均帶有位置行程輔助開(kāi)關(guān)。
圖3（a）中，KM1-4為SSR,SB1-4為自鎖按鈕。系統(tǒng)上電后，通過(guò)按鈕SB1啟動(dòng)KM1和KM2,這樣Kd將首先得電動(dòng)作，隨后Kc、Kg、Kp也相繼動(dòng)作，為下一步進(jìn)行的充電工作做好了準(zhǔn)備。圖3（b）中，Kc和Kg啟動(dòng)采用了位置接點(diǎn)Kdl,同樣Kp啟動(dòng)也采用了位置接點(diǎn)Kcl和Kgl,這樣設(shè)計(jì)目的是使控制電路具有了邏輯動(dòng)作與防誤閉鎖功能。此時(shí)只要充電設(shè)備自檢正常（圖3（a）中"充電機(jī)正常"接點(diǎn)閉合），則燈HI 1指示可以進(jìn)行充電，通過(guò)按鈕SB2啟動(dòng)KM3便可對(duì)脈沖電容器組進(jìn)行充電。脈沖電容器電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值后，KV動(dòng)作，常閉接點(diǎn)KV1斷開(kāi)致使KM2失電，則Kc、Kg、Kp相繼返回，同時(shí)Kp返回又使KM3失電，這樣Kc、Kg斷開(kāi)，充電機(jī)停止工作，滿足了系統(tǒng)放電前提。此時(shí)燈HL1熄滅、KV2接通，燈HL2指示充電完畢，通過(guò)按鈕SB3啟動(dòng)KM4則可進(jìn)行ETCG發(fā)射。
圖3 基本控制電路
[page]若遇到異常需要工作急停，僅需通過(guò)按鈕SB4使KM1失電即可。KM1失電將使得Kd復(fù)位閉合，脈沖電容器中存儲(chǔ)的能量便通過(guò)電阻Rd安全釋放；同時(shí)，由于位置接點(diǎn)Kdl斷開(kāi)，Kc、Kg、Kp相繼復(fù)位，系統(tǒng)從而完全停止運(yùn)行。在ETCG發(fā)射完畢后SB4還被用作狀態(tài)復(fù)位按鈕。
5 電路試用及改進(jìn)
將圖3電路組裝于鋼箱內(nèi)，安裝在電容8 000uF、脈沖成形電感10uH、工作電壓15 kV的PPS上，通過(guò)模擬ETCG工況對(duì)電路進(jìn)行了試用。
試用期間電路出現(xiàn)了SSR誤動(dòng)作問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)SSR誤動(dòng)的工作次數(shù)約占總工作次數(shù)的7%.分析表明，SSR誤動(dòng)作的原因來(lái)自PPS充放電所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾，與機(jī)械震動(dòng)無(wú)關(guān)。SSR通常因DC輸入側(cè)或AC輸出負(fù)載側(cè)出現(xiàn)了較大電磁噪音（或浪涌）而誤動(dòng)作。PPS中，被控高壓繼電開(kāi)關(guān)（Kc、Kg、Kd、Kp）采用的是大功率電磁鐵開(kāi)關(guān)，線圈通斷電和強(qiáng)電磁干擾必然會(huì)生成電磁噪音或浪涌。此外，控制電源、控制線路也會(huì)因強(qiáng)電磁干擾而出現(xiàn)諧波與噪音。
如圖4所示，針對(duì)PPS充放電所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾，在控制電路中為SSR增裝了浪涌吸收等輔助保護(hù)電路。電阻Ru和吸收電路Rs-Cs用來(lái)防止負(fù)載所造成的SSR誤動(dòng)；Ru用于吸收SSR斷開(kāi)時(shí)繼電開(kāi)關(guān)線圈的殘存能量以及因電磁干擾產(chǎn)生的感應(yīng)能量，能有效抑制因此所產(chǎn)生的電磁噪音與浪涌；Rs~Cs是SSR負(fù)載側(cè)浪涌吸收電路。電阻Rv作用是使SSR輸入端在SB斷開(kāi)時(shí)具有相同電位，能防止輸入側(cè)噪音所引起的SSR誤動(dòng)。
控制電路改進(jìn)后試用沒(méi)有再次出現(xiàn)SSR誤動(dòng)作，這說(shuō)明其可以滿足ETCG與PPS一體化集成要求。
圖4 控制輔助電路
6 結(jié)束語(yǔ)根據(jù)PPS控制電路功能要求和ETCG實(shí)用化方向發(fā)展要求，本文選用SSR進(jìn)行了PPS控制電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)基于SSR設(shè)計(jì)的控制電路進(jìn)行了試用和改進(jìn)。與其他控制器件相比，SSR具有優(yōu)良的抗震動(dòng)性能和較強(qiáng)的電磁兼容能力，應(yīng)用于強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境下的電控領(lǐng)域前景廣闊。
