王珍鳳

(銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

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高電壓環(huán)境下snubber電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王珍鳳

(銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

介紹了在高電壓環(huán)境下工作的snubber電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。討論了基于嵌入式技術(shù)的控制系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成?；诳煽啃院蛿U(kuò)展性的考慮，系統(tǒng)提供了三種控制模式：光纖隔離的RS-232就地控制模式，電源面板上的手操器模式以及擴(kuò)展用的遠(yuǎn)控模式。根據(jù)系統(tǒng)控制需求，描述了上下位機(jī)軟件的程序流程以及在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)能在工作電壓50 kV及以上的高電壓環(huán)境下可靠工作。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，抗干擾能力強(qiáng)，滿足高抗干擾性要求。

高電壓；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；snubber

能源乃國(guó)家的基礎(chǔ)，工業(yè)發(fā)展的基石。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，新能源逐漸被提上日程。核能與太陽(yáng)能是新能源的主要來(lái)源，其中核能分為兩類：核裂變，由重原子核裂變而釋放的能量；核聚變，由輕核聚變?yōu)橹睾酸尫诺哪芰俊Ｓ捎谔?yáng)能成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，核裂變存在放射性污染，原料來(lái)源有限。而社會(huì)的發(fā)展需要可持續(xù)性清潔能源，核聚變則能完全滿足這一需求，為人類擺脫能源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展展現(xiàn)了美好的前景。核聚變的發(fā)生需要配備一整套完整的電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)電壓高，功率大，如加速極電源，每套功率電源功率高達(dá)100 kV/10 MW，使得高壓擊穿現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。高壓電源和通過(guò)高壓傳輸線的各種分布電容的能量將灌入離子源加速極，這會(huì)導(dǎo)致離子源及其加速極將受到不可逆的損壞，通過(guò)Ni-Fe材料的緩沖器(snubber)[1-3]保護(hù)單元限制故障電流同時(shí)吸收這部分儲(chǔ)能,實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。本文的目的在于設(shè)計(jì)出一套能夠在50kV及以上的高電壓環(huán)境下穩(wěn)定可靠工作的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)snubber的保護(hù)功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了避免設(shè)計(jì)出的snubber體積過(guò)大，充分利用snubber材質(zhì)，配置一個(gè)偏置電源提供反向偏置電路，使其獲得反向初始磁通，將snubber偏置到負(fù)飽和附近，縮小snubber的體積。該電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)通過(guò)TXD與RXD信號(hào)與控制系統(tǒng)的核心控制板通信，其中TXD表示上位機(jī)發(fā)送的控制指令，RXD表示下位機(jī)反饋的各種信號(hào)。為了保證在高電壓環(huán)境下的正常通信，采用光纖隔離信號(hào)傳輸模式?？紤]到控制系統(tǒng)的可靠性及拓展性，提供三種控制模式：就地控制(上位機(jī))，手操器控制(面板上旋鈕)和遠(yuǎn)程控制(接入更大系統(tǒng))。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 光電轉(zhuǎn)換模塊

上位機(jī)通過(guò)RS232口與控制板進(jìn)行通信，為了在高電壓環(huán)境下穩(wěn)定可靠工作，采用自行設(shè)計(jì)的串口/光纖模塊實(shí)現(xiàn)光纖通信。根據(jù)RS232通信協(xié)議，上位機(jī)與控制板通過(guò)TXD(發(fā)送)，RXD(接收)和GND(地)三根導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)通信；光信號(hào)的引入使得雙方?jīng)]有公共信號(hào)地，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)的光纖隔離，共模噪聲無(wú)法耦合到系統(tǒng)中，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，如圖2所示。傳輸距離由光纖驅(qū)動(dòng)電路的功率決定，只要功率足夠大，傳輸距離就足夠遠(yuǎn)，而且在傳輸過(guò)程中不受干擾。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 光電轉(zhuǎn)換模塊

圖3 模式切換模塊

2.2 模式切換模塊

模塊組成框圖如圖2所示。Vout是來(lái)自遠(yuǎn)控的設(shè)置信號(hào)，the Voltage of the Digital Potentiometer是由上位機(jī)控制的數(shù)字電位器輸出信號(hào)，the Voltage of the Handed Potentiometer是電源設(shè)備面板手操器輸出的設(shè)置信號(hào)。通過(guò)設(shè)置P2.2，P2.3引腳電平值來(lái)切換工作模式，當(dāng)P2.2輸出低電平，P2.3輸出高電平，此時(shí)是遠(yuǎn)控模式；P2.2輸出低電平，P2.3輸出低電平，此時(shí)是手操器模式，旋轉(zhuǎn)手操器旋鈕控制電源輸出情況；P2.2輸出高電平，P2.3輸出低電平，此時(shí)是就地模式，上位機(jī)控制電源輸出情況。這樣就實(shí)現(xiàn)了三種控制模式的切換。

2.3 光纖模塊

圖5 采樣電路組成框圖

光纖電路包含：光纖接收器，光纖發(fā)送器，驅(qū)動(dòng)電路及相關(guān)前級(jí)電路，核心部件是光纖發(fā)送器與光纖接收器，負(fù)責(zé)完成光信號(hào)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，選用安捷倫公司的hfbr2412與hfbr1414實(shí)現(xiàn)光信號(hào)通信，組成框圖如圖4所示。Hfbr1414[4]光發(fā)送器內(nèi)部主要是一個(gè)發(fā)光二極管，配合驅(qū)動(dòng)電路提供足夠的電流實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)電流的大小直接決定著光信號(hào)的通信距離，距離計(jì)算公式可以參考datasheet中的說(shuō)明，一般來(lái)說(shuō)，電流越大，距離越遠(yuǎn)。Hfbr2412光接收器是將pin光檢測(cè)器與前置放大器集成一體的器件，實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換，由于其內(nèi)部是開漏輸出，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)需要外接上拉電阻保證其正常工作。

圖4 光纖通信組成框圖

2.4 采樣電路

根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)控制要求，需要實(shí)時(shí)采樣電壓電流等的數(shù)值，采用的開關(guān)電源提供了采樣信號(hào)接口。由于高頻開關(guān)電源采樣信號(hào)是高頻脈沖，頻率達(dá)到40 kHz，一般的運(yùn)放由于帶寬限制不能很好的處理，需要在前端增加濾波調(diào)理電路，濾除高頻信號(hào)后再進(jìn)行后續(xù)處理。除此之外，電流信號(hào)范圍僅在0～150 mV，對(duì)AD采樣芯片來(lái)說(shuō)，輸入信號(hào)范圍越接近采樣范圍，精度越高。0～150 mV的輸入范圍對(duì)于AD采樣范圍來(lái)說(shuō)無(wú)疑是太小了。引入霍爾電流傳感器，將電流信號(hào)范圍擴(kuò)展到0～5 V來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，電路組成框圖如圖5所示。采樣信號(hào)相對(duì)于采樣電路是外界信號(hào)，為了防止外界干擾混入內(nèi)部系統(tǒng)[5-6]，利用光電耦合器件，阻斷輸入地與輸出地，使干擾沒(méi)有回路而被抑制。光電耦合器是一個(gè)非常重要的外圍器件，我們可以充分利用它的輸入輸出隔離作用提高控制系統(tǒng)的抗干擾性。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)與控制板下位機(jī)兩部分。上位機(jī)控制軟件為實(shí)驗(yàn)人員提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、輸出控制等操作功能。它通過(guò)光纖構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)控制電源啟停，調(diào)節(jié)電源實(shí)時(shí)輸出值，采樣高壓緩沖器電源電壓電流輸出值，snubber溫度并顯示。下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)snubber電源輸出信號(hào)的采樣通信等功能。

3.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)控制軟件[7](P46-86)主要包括數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)發(fā)送與數(shù)據(jù)保存等功能如下：

1)數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)來(lái)源于下位機(jī)采樣獲得的原始數(shù)據(jù)，包括snubber電源實(shí)時(shí)輸出的電壓，電流值和負(fù)載線圈的溫度等。

2)數(shù)據(jù)發(fā)送，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送控制信號(hào)控制snubber電源的工作情況。

3)數(shù)據(jù)顯示，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示snubber電源實(shí)時(shí)輸出電壓電流值和負(fù)載線圈溫度。

上位機(jī)程序包括負(fù)責(zé)人機(jī)交互的主線程以及對(duì)串口進(jìn)行處理的后臺(tái)輔助線程等。主線程是上位機(jī)程序的管理者，它負(fù)責(zé)初始化串口，定義消息事件，創(chuàng)建，刪除新線程，協(xié)調(diào)好各個(gè)線程的運(yùn)行，做好人機(jī)交互操作。后臺(tái)輔助線程是上位機(jī)程序的核心部分，它包含串口監(jiān)控線程，讀線程，寫線程等，程序流程圖如圖6所示。

圖6 上位機(jī)程序流程圖

3.2 下位機(jī)軟件

核心控制板上電復(fù)位后程序開始運(yùn)行。首先進(jìn)行初始化，包括晶振，IO端口，串行口，AD，工作模式等；初始化完成，系統(tǒng)處于就地控制模式，程序進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)等待接收指令：串口標(biāo)志位表示有數(shù)據(jù)到來(lái)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)接收數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否正確后根據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)操作；定時(shí)器時(shí)間到，AD開始采樣，采用多次求平均法提高數(shù)據(jù)精度。采樣完成后進(jìn)行溫度收集，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，為了保證上位機(jī)與下位機(jī)之間指令的正確理解，約定通信指令格式如:A B C D E，其中B取值：00 01 02 03 04 05，C取值：00 01 02 03 04 05 06 07 08 09，D取值：00 05。

A取值：02—控制數(shù)字電位器輸出設(shè)定的電壓值，此時(shí)B、C、D分別設(shè)定輸出電壓值的個(gè)位、十分位、百分位。

A取值：03—打開電源 此時(shí)忽略B C D 的取值。

A取值：04—關(guān)閉電源 此時(shí)忽略B C D 的取值。

A取值：05—切換就地控制模式，默認(rèn)是就地控制模式,switch=0。

A取值：06—切換遠(yuǎn)程控制模式，switch=1。

A取值：07—切換到手操器控制模式。

E取值：0d—命令結(jié)束標(biāo)志。

圖7 下位機(jī)程序流程圖

程序流程圖如圖7所示?；贑/C++的串口通訊調(diào)用CreateFile函數(shù)設(shè)置要打開的文件名稱即串口邏輯名如“COM1”、“COM2”等來(lái)打開相應(yīng)的端口。特別需要注意當(dāng)出現(xiàn)有很多個(gè)串口的情況，如串口號(hào)大于COM9(不包含9)時(shí)，在C/C++編程中串口邏輯名稱應(yīng)寫為“\\.\COMxx”，如串口10為“\\.\COM10”，在其他編程語(yǔ)言中應(yīng)寫為\.COMxx，否則會(huì)出現(xiàn)串口無(wú)法打開的錯(cuò)誤。

4 實(shí)驗(yàn)

snubber的主要工作原理是利用其大電感限制電流的幅值，利用其等效電阻消耗系統(tǒng)儲(chǔ)能以達(dá)到保護(hù)下游設(shè)備的作用。等效于在電路中加入電阻和電感的并聯(lián)電路。由于電阻能消耗能量，電感能阻止電流的變化和減少電流變化的梯度，當(dāng)故障電流突然產(chǎn)生時(shí)，代表能量大小的電流峰值和變化速率都減少，實(shí)現(xiàn)保護(hù)效果。如圖8所示，無(wú)snubber情況下短路

圖8 有無(wú)snubber對(duì)短路電流效果對(duì)比圖

電流峰值約600 A，有snubber情況下短路電流峰值約400 A，可見，snubber對(duì)短路電流有一定的抑制作用，起到保護(hù)效果。

5 總結(jié)

snubber電源工作環(huán)境功率高達(dá)100 kV/10 MW,自身電源輸出最大值為30 V/150 A，工作時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的畸變磁場(chǎng)，對(duì)控制系統(tǒng)形成強(qiáng)烈的電磁干擾。采取光纖通信、隔離等一系列抗干擾措施后，電源控制系統(tǒng)正常工作，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足控制要求。

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Snubber Power Control System Design for High Voltage

WANG Zhenfeng

(Instituteofelectricengineering,TonglingUniversity,Tongling244000,China)

A design of snubber power control system under high voltage environment is introduced in this paper. The software and hardware of power control system based on embedded technology is discussed. Based on consideration of reliability and scalability, system provides three kinds of control modes: RS-232 local control mode based on optical fiber isolation, power supply panel operator mode and remote control mode. According to system control requirements, host computer software, slave computer software and critical problem during the implementation are described. The experimental result shows that system can work reliably under high voltage of 50 kV and above. The system has a simple structure and large in anti-interference, which can meet the requirements of high anti-interference.

high voltage; system design; snubber

2016-06-22

王珍鳳(1986-)，女，安徽銅陵人，助教，碩士，研究方向：通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TM91

A

1009-9735(2016)05-0059-04