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高精度大功率稳流电源系统的研究

王丙元  
【摘要】:随着加速器在高能物理研究和工业、医疗上越来越多的应用,需要更多高性能的加速器磁铁电源。在离子同步加速器中,离子注入加速器后在圆形轨道内加速。为保证磁场建立、消除与离子注入、引出严格同步,需快速响应近似无滞后的脉冲电流源。因离子质量轻,电流的波动将影响磁系统束流能力,故电源电流还需满足极低纹波的要求(10~(-4)-10~(-5)。加速器电源所需功率较大,最大达DC 800V、3000A,在这样大的功率下满足上述极高的静动态精度要求无疑是一个挑战。 论文介绍了加速器电源发展的基本状况,指出存在的基本问题(电流响应慢、电流纹波大)。在此基础上提出并联混合型稳流系统,并联混合型式有源滤波即相控整流器(THC)与有源滤波器(DAF)并联,流过有源滤波器的电流仅为负载电流的3-5%,有源滤波器功率器件使用数目明显减少,使得电源装置成本和体积减少,效率提高。有源滤波器不仅滤除相控整流部分产生的谐波,亦有助于改进系统的性能,这是因为器件工作于10~20kHz的开关频率,其控制死时明显减小。仿真和样机实验表明并联混合型稳流系统可以满足加速器磁铁对供电电流低纹波和近似无滞后跟踪的性能要求。 本文给出了稳流系统的主电路,分析了谐波补偿原理,并对直流有源滤波控制的两种方法:谐波电压控制(HVCS)和谐波电流控制(HCCS)进行了深入研究。其关键问题是THC产生的谐波电压、谐波电流的获得及如何减少HCCS电流环的响应时问。谐波信号由从THC实测的电压、电流信号减去其直流分量获得。通常该直流分量经低通滤波后获得,但该方法引起响应的滞后。一个更好的方法是采用设定值代替低通滤波器输出,该方法不会引起系统响应的时间延迟。在HCCS中使用变滞环宽δ的电流滞环控制器,它不仅使DAF的电流输出几乎无延迟地跟随其设定值,而且变换器工作的开关频率近似不变。仅使用反馈控制要满足电源系统的极高性能要求是不可能的,因而在HVCS和HCCS中均采用反馈控制和前馈控制构成复合控制系统,反馈控制保证系统的精度,前馈控制改善系统的动态跟踪性能。 针对稳流系统的几个关键问题:有源滤波变换器电路结构、负载电流高精度测量、无源滤波环节、电源电压波动补偿等进行了讨论和研究并给出解决方法。 运用仿真软件建立稳流系统的仿真模型,对系统的各种方案和影响系统性能指标的参数进行了深入的仿真研究,验证了各种方案的可行性。解决了无源滤波环节可能引起系统振荡的问题。仿真结果切实可行,对实践有着重要的指导意义。 进行了模拟系统和数字、模拟混合控制稳流电源系统的样机实验研究,解决了系统实时性、系统电磁兼容等方面的问题。验证了所提方案理论分析的IF确性及仿真分析的有效性。其中模拟控制系统样机实验性能指标达国际同类电源水平,电流跟踪精度小于2×10~(-4),电流纹波小于1×10(-5)。


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