电容型高功率脉冲电源控制电路设计
中心议题：
- 探讨电容型高功率脉冲电源控制电路设计
- 本文选用SSR进行了PPS控制电路设计
- 通过模拟实验对基于SSR设计的控制电路进行试用和改进
1 引 言
高功率脉冲电源（PPS）是为脉冲功率装置负载提供电磁能量的装置。由多个脉冲电容器组为储能单元并联组成的PPS,具有储能简单，造价低、波形灵活可调，所需充电功率小，抗干扰能力强，方便运输等突出优点，在电热化学炮（ETcG）研究领域得到了广泛应用。
实验研究用的PPS通常由充电子系统、脉冲成形子系统、汇流排及大功率传输线、控制与测试子系统、屏蔽与接地子系统等几部分组成。为了避开ETCG发射时剧烈的机械震动和强烈的电磁干扰，实验研究时PPS的控制子系统的电路通常采用远方方式设计和使用。随着ETCG朝实用化方向发展，需要ETCG与PPS诸系统集成一体，从而要求控制电路必须具有优良的抗机械震动性能，并能在强电磁干扰环境中使用。
2 控制电路功能
PPS工作时，由控制电路对系统各阶段状态进行监测，并根据监测情况发指令进行系统状态跳转。
控制电路主要功能是实现PPS的充、放电电控制。
通常，充电子系统内部配有过电流、过电压和过热等故障保护或异常告警装置。但这些装置的保护范围一般仅限于充电子系统内部，PPS放电时浪涌电压等外部因素仍可能造成充电设备损坏。因此，在储能单元和充电子系统间还需配置一些隔离和保护电路。图1给出了用于ETCG研究的PPS所配置的充电隔离及保护电路。图1中，充电隔离开关（Kc）和地绝缘隔离开关（Kg）在充电结束后打开，用以防止PPS放电时由负载等因素产生的浪涌高电压通过充电子系统对地放电，可以避免因此所造成的充电设备绝缘损坏；充电输出终端并联了一小容量电容器（Cp）及其安全释能电路（开关Kp、电阻Rp），目的在于防止空载误充电，以避免在此情况下充电电路末端电压急剧升高损坏充电设备。
图1 充电隔离保护电路
脉冲电容器储能后，由控制电路发送命令进行触发放电（ETcG发射）。ETCG发射精度和一致性与PPS储能量密切相关，电容器储能大小与其充电电压的量值平方成正比，因此控制电路必须能精确控制充电电压量值，这可以通过与被充电容器组并联"分压器一电压继电器组"来实现，见图2。
图2 充电电压测控与安全释能电路
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工作中有可能因安全因素或异常情况需要取消ETCG发射，这种情况下电容器可能已经储存了大量电能。此外，ETCG发射后电容器一般仍存储着一些剩余电能。因此，如图2所示，PPS安装了储能安全释放电路，Kd是安全释能开关，其状态受控于控制电路，Rd为安全释能电阻。
因此，控制电路应具备如下基本功能：
（1）高压继电开关状态控制。控制电路必须能使各高压继电开关通断状态正确对应于PPS的不同工作阶段，见表1;（2）充电启、停控制。充电设备将根据控制电路命令启动或停止充电；（3）放电控制。在正常情况下，电容器组储能结束后，PPS将根据控制电路命令启动触发放电（ETCG发射）；（4）急停控制。工作中，若系统某个部分（器件）发生异常或出现安全隐患，控制电路应具有使充电设备紧急停车功能，并能使电容器安全释能。
表1 被控继电开关状态
ETcG发射特点不仅是高电压、强电流，而且伴随着强烈的机械震动。因此，选用控制器件时必须兼顾器件的电磁兼容（EMC）性能和抗震动性能。
实验研究用PPS的控制电路一般为远方模式，可以采用单片机等微控制器（MCU）或者电磁式继电器（EMR）进行电路设计。但系统一体集成时，ETCG发射所引起的强震动、强电磁干扰将致使MCU不能正常工作甚至损坏，同样，由于具有金属线圈和机械触点，EMR也难免发生误动作或损坏。
调查发现，固态继电器（SSR）可在强震动工况下使用。作为一种由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，SSR近年来在民用工控领域得到了广泛应用。它是依靠半导体器件和电子元件的电、光特性来完成隔离和继电切换功能的。由于没有电磁线圈，且不含运动零部件，因而它不怕剧烈的机械震动。根据文献[4]所进行的电磁抗干扰能力测试与给出的EMC抗干扰标准，SSR也具有良好的EMC性能，在类似于ETCG工况的电磁环境中使用完全合适。因此，电路设计时控制器件选用了SSR.
4 控制电路设计
图3是基于PPS控制功能要求，采用经验法设计的控制电路。需要指出，为了让被控继电开关通断状态信息实时地反馈于控制环节，系统中使用的高压继电开关（Kc、Kg、Kd、Kp）均带有位置行程辅助开关。
图3（a）中，KM1-4为SSR,SB1-4为自锁按钮。系统上电后，通过按钮SB1启动KM1和KM2,这样Kd将首先得电动作，随后Kc、Kg、Kp也相继动作，为下一步进行的充电工作做好了准备。图3（b）中，Kc和Kg启动采用了位置接点Kdl,同样Kp启动也采用了位置接点Kcl和Kgl,这样设计目的是使控制电路具有了逻辑动作与防误闭锁功能。此时只要充电设备自检正常（图3（a）中"充电机正常"接点闭合），则灯HI 1指示可以进行充电，通过按钮SB2启动KM3便可对脉冲电容器组进行充电。脉冲电容器电压达到预设值后，KV动作，常闭接点KV1断开致使KM2失电，则Kc、Kg、Kp相继返回，同时Kp返回又使KM3失电，这样Kc、Kg断开，充电机停止工作，满足了系统放电前提。此时灯HL1熄灭、KV2接通，灯HL2指示充电完毕，通过按钮SB3启动KM4则可进行ETCG发射。
若遇到异常需要工作急停，仅需通过按钮SB4使KM1失电即可。KM1失电将使得Kd复位闭合，脉冲电容器中存储的能量便通过电阻Rd安全释放；同时，由于位置接点Kdl断开，Kc、Kg、Kp相继复位，系统从而完全停止运行。在ETCG发射完毕后SB4还被用作状态复位按钮。
5 电路试用及改进
将图3电路组装于钢箱内，安装在电容8 000uF、脉冲成形电感10uH、工作电压15 kV的PPS上，通过模拟ETCG工况对电路进行了试用。
试用期间电路出现了SSR误动作问题。统计发现，出现SSR误动的工作次数约占总工作次数的7%.分析表明，SSR误动作的原因来自PPS充放电所产生的强电磁干扰，与机械震动无关。SSR通常因DC输入侧或AC输出负载侧出现了较大电磁噪音（或浪涌）而误动作。PPS中，被控高压继电开关（Kc、Kg、Kd、Kp）采用的是大功率电磁铁开关，线圈通断电和强电磁干扰必然会生成电磁噪音或浪涌。此外，控制电源、控制线路也会因强电磁干扰而出现谐波与噪音。
如图4所示，针对PPS充放电所产生的强电磁干扰，在控制电路中为SSR增装了浪涌吸收等辅助保护电路。电阻Ru和吸收电路Rs-Cs用来防止负载所造成的SSR误动；Ru用于吸收SSR断开时继电开关线圈的残存能量以及因电磁干扰产生的感应能量，能有效抑制因此所产生的电磁噪音与浪涌；Rs~Cs是SSR负载侧浪涌吸收电路。电阻Rv作用是使SSR输入端在SB断开时具有相同电位，能防止输入侧噪音所引起的SSR误动。
控制电路改进后试用没有再次出现SSR误动作，这说明其可以满足ETCG与PPS一体化集成要求。
根据PPS控制电路功能要求和ETCG实用化方向发展要求，本文选用SSR进行了PPS控制电路设计，并通过模拟实验对基于SSR设计的控制电路进行了试用和改进。与其他控制器件相比，SSR具有优良的抗震动性能和较强的电磁兼容能力，应用于强震动环境下的电控领域前景广阔。<上一页123 关键字：电容型 高功率 脉冲电源 控制电路 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80016113?page=3
