- 探討電容型高功率脈沖電源控制電路設計
- 本文選用SSR進行了PPS控制電路設計
- 通過模擬實驗對基于SSR設計的控制電路進行試用和改進
1 引 言
高功率脈沖電源（PPS）是為脈沖功率裝置負載提供電磁能量的裝置。由多個脈沖電容器組為儲能單元并聯(lián)組成的PPS,具有儲能簡單，造價低、波形靈活可調，所需充電功率小，抗干擾能力強，方便運輸?shù)韧怀鰞?yōu)點，在電熱化學炮（ETcG）研究領域得到了廣泛應用。
實驗研究用的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、控制與測試子系統(tǒng)、屏蔽與接地子系統(tǒng)等幾部分組成。為了避開ETCG發(fā)射時劇烈的機械震動和強烈的電磁干擾，實驗研究時PPS的控制子系統(tǒng)的電路通常采用遠方方式設計和使用。隨著ETCG朝實用化方向發(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)良的抗機械震動性能，并能在強電磁干擾環(huán)境中使用。
2 控制電路功能
PPS工作時，由控制電路對系統(tǒng)各階段狀態(tài)進行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測情況發(fā)指令進行系統(tǒng)狀態(tài)跳轉。
控制電路主要功能是實現(xiàn)PPS的充、放電電控制。
通常，充電子系統(tǒng)內部配有過電流、過電壓和過熱等故障保護或異常告警裝置。但這些裝置的保護范圍一般僅限于充電子系統(tǒng)內部，PPS放電時浪涌電壓等外部因素仍可能造成充電設備損壞。因此，在儲能單元和充電子系統(tǒng)間還需配置一些隔離和保護電路。圖1給出了用于ETCG研究的PPS所配置的充電隔離及保護電路。圖1中，充電隔離開關（Kc）和地絕緣隔離開關（Kg）在充電結束后打開，用以防止PPS放電時由負載等因素產生的浪涌高電壓通過充電子系統(tǒng)對地放電，可以避免因此所造成的充電設備絕緣損壞；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（開關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備。
圖1 充電隔離保護電路
脈沖電容器儲能后，由控制電路發(fā)送命令進行觸發(fā)放電（ETcG發(fā)射）。ETCG發(fā)射精度和一致性與PPS儲能量密切相關，電容器儲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，這可以通過與被充電容器組并聯(lián)"分壓器一電壓繼電器組"來實現(xiàn)，見圖2。
圖2 充電電壓測控與安全釋能電路
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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儲存了大量電能。此外，ETCG發(fā)射后電容器一般仍存儲著一些剩余電能。因此，如圖2所示，PPS安裝了儲能安全釋放電路，Kd是安全釋能開關，其狀態(tài)受控于控制電路，Rd為安全釋能電阻。
因此，控制電路應具備如下基本功能：
（1）高壓繼電開關狀態(tài)控制?？刂齐娐繁仨毮苁垢鞲邏豪^電開關通斷狀態(tài)正確對應于PPS的不同工作階段，見表1;（2）充電啟、停控制。充電設備將根據(jù)控制電路命令啟動或停止充電；（3）放電控制。在正常情況下，電容器組儲能結束后，PPS將根據(jù)控制電路命令啟動觸發(fā)放電（ETCG發(fā)射）；（4）急?？刂?。工作中，若系統(tǒng)某個部分（器件）發(fā)生異?；虺霈F(xiàn)安全隱患，控制電路應具有使充電設備緊急停車功能，并能使電容器安全釋能。
表1 被控繼電開關狀態(tài)
3 控制器件選用
ETcG發(fā)射特點不僅是高電壓、強電流，而且伴隨著強烈的機械震動。因此，選用控制器件時必須兼顧器件的電磁兼容（EMC）性能和抗震動性能。
實驗研究用PPS的控制電路一般為遠方模式，可以采用單片機等微控制器（MCU）或者電磁式繼電器（EMR）進行電路設計。但系統(tǒng)一體集成時，ETCG發(fā)射所引起的強震動、強電磁干擾將致使MCU不能正常工作甚至損壞，同樣，由于具有金屬線圈和機械觸點，EMR也難免發(fā)生誤動作或損壞。
調查發(fā)現(xiàn)，固態(tài)繼電器（SSR）可在強震動工況下使用。作為一種由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點開關器件，SSR近年來在民用工控領域得到了廣泛應用。它是依靠半導體器件和電子元件的電、光特性來完成隔離和繼電切換功能的。由于沒有電磁線圈，且不含運動零部件，因而它不怕劇烈的機械震動。根據(jù)文獻[4]所進行的電磁抗干擾能力測試與給出的EMC抗干擾標準，SSR也具有良好的EMC性能，在類似于ETCG工況的電磁環(huán)境中使用完全合適。因此，電路設計時控制器件選用了SSR.
4 控制電路設計
圖3是基于PPS控制功能要求，采用經驗法設計的控制電路。需要指出，為了讓被控繼電開關通斷狀態(tài)信息實時地反饋于控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中使用的高壓繼電開關（Kc、Kg、Kd、Kp）均帶有位置行程輔助開關。
圖3（a）中，KM1-4為SSR,SB1-4為自鎖按鈕。系統(tǒng)上電后，通過按鈕SB1啟動KM1和KM2,這樣Kd將首先得電動作，隨后Kc、Kg、Kp也相繼動作，為下一步進行的充電工作做好了準備。圖3（b）中，Kc和Kg啟動采用了位置接點Kdl,同樣Kp啟動也采用了位置接點Kcl和Kgl,這樣設計目的是使控制電路具有了邏輯動作與防誤閉鎖功能。此時只要充電設備自檢正常（圖3（a）中"充電機正常"接點閉合），則燈HI 1指示可以進行充電，通過按鈕SB2啟動KM3便可對脈沖電容器組進行充電。脈沖電容器電壓達到預設值后，KV動作，常閉接點KV1斷開致使KM2失電，則Kc、Kg、Kp相繼返回，同時Kp返回又使KM3失電，這樣Kc、Kg斷開，充電機停止工作，滿足了系統(tǒng)放電前提。此時燈HL1熄滅、KV2接通，燈HL2指示充電完畢，通過按鈕SB3啟動KM4則可進行ETCG發(fā)射。
若遇到異常需要工作急停，僅需通過按鈕SB4使KM1失電即可。KM1失電將使得Kd復位閉合，脈沖電容器中存儲的能量便通過電阻Rd安全釋放；同時，由于位置接點Kdl斷開，Kc、Kg、Kp相繼復位，系統(tǒng)從而完全停止運行。在ETCG發(fā)射完畢后SB4還被用作狀態(tài)復位按鈕。
5 電路試用及改進
將圖3電路組裝于鋼箱內，安裝在電容8 000uF、脈沖成形電感10uH、工作電壓15 kV的PPS上，通過模擬ETCG工況對電路進行了試用。
試用期間電路出現(xiàn)了SSR誤動作問題。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)SSR誤動的工作次數(shù)約占總工作次數(shù)的7%.分析表明，SSR誤動作的原因來自PPS充放電所產生的強電磁干擾，與機械震動無關。SSR通常因DC輸入側或AC輸出負載側出現(xiàn)了較大電磁噪音（或浪涌）而誤動作。PPS中，被控高壓繼電開關（Kc、Kg、Kd、Kp）采用的是大功率電磁鐵開關，線圈通斷電和強電磁干擾必然會生成電磁噪音或浪涌。此外，控制電源、控制線路也會因強電磁干擾而出現(xiàn)諧波與噪音。
如圖4所示，針對PPS充放電所產生的強電磁干擾，在控制電路中為SSR增裝了浪涌吸收等輔助保護電路。電阻Ru和吸收電路Rs-Cs用來防止負載所造成的SSR誤動；Ru用于吸收SSR斷開時繼電開關線圈的殘存能量以及因電磁干擾產生的感應能量，能有效抑制因此所產生的電磁噪音與浪涌；Rs~Cs是SSR負載側浪涌吸收電路。電阻Rv作用是使SSR輸入端在SB斷開時具有相同電位，能防止輸入側噪音所引起的SSR誤動。
控制電路改進后試用沒有再次出現(xiàn)SSR誤動作，這說明其可以滿足ETCG與PPS一體化集成要求。
根據(jù)PPS控制電路功能要求和ETCG實用化方向發(fā)展要求，本文選用SSR進行了PPS控制電路設計，并通過模擬實驗對基于SSR設計的控制電路進行了試用和改進。與其他控制器件相比，SSR具有優(yōu)良的抗震動性能和較強的電磁兼容能力，應用于強震動環(huán)境下的電控領域前景廣闊。
ETcG發(fā)射特點不僅是高電壓、強電流，而且伴隨著強烈的機械震動。因此，選用控制器件時必須兼顧器件的電磁兼容（EMC）性能和抗震動性能。
實驗研究用PPS的控制電路一般為遠方模式，可以采用單片機等微控制器（MCU）或者電磁式繼電器（EMR）進行電路設計。但系統(tǒng)一體集成時，ETCG發(fā)射所引起的強震動、強電磁干擾將致使MCU不能正常工作甚至損壞，同樣，由于具有金屬線圈和機械觸點，EMR也難免發(fā)生誤動作或損壞。
調查發(fā)現(xiàn)，固態(tài)繼電器（SSR）可在強震動工況下使用。作為一種由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點開關器件，SSR近年來在民用工控領域得到了廣泛應用。它是依靠半導體器件和電子元件的電、光特性來完成隔離和繼電切換功能的。由于沒有電磁線圈，且不含運動零部件，因而它不怕劇烈的機械震動。根據(jù)文獻[4]所進行的電磁抗干擾能力測試與給出的EMC抗干擾標準，SSR也具有良好的EMC性能，在類似于ETCG工況的電磁環(huán)境中使用完全合適。因此，電路設計時控制器件選用了SSR.
4 控制電路設計
圖3是基于PPS控制功能要求，采用經驗法設計的控制電路。需要指出，為了讓被控繼電開關通斷狀態(tài)信息實時地反饋于控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中使用的高壓繼電開關（Kc、Kg、Kd、Kp）均帶有位置行程輔助開關。
圖3（a）中，KM1-4為SSR,SB1-4為自鎖按鈕。系統(tǒng)上電后，通過按鈕SB1啟動KM1和KM2,這樣Kd將首先得電動作，隨后Kc、Kg、Kp也相繼動作，為下一步進行的充電工作做好了準備。圖3（b）中，Kc和Kg啟動采用了位置接點Kdl,同樣Kp啟動也采用了位置接點Kcl和Kgl,這樣設計目的是使控制電路具有了邏輯動作與防誤閉鎖功能。此時只要充電設備自檢正常（圖3（a）中"充電機正常"接點閉合），則燈HI 1指示可以進行充電，通過按鈕SB2啟動KM3便可對脈沖電容器組進行充電。脈沖電容器電壓達到預設值后，KV動作，常閉接點KV1斷開致使KM2失電，則Kc、Kg、Kp相繼返回，同時Kp返回又使KM3失電，這樣Kc、Kg斷開，充電機停止工作，滿足了系統(tǒng)放電前提。此時燈HL1熄滅、KV2接通，燈HL2指示充電完畢，通過按鈕SB3啟動KM4則可進行ETCG發(fā)射。
圖3 基本控制電路
[page]若遇到異常需要工作急停，僅需通過按鈕SB4使KM1失電即可。KM1失電將使得Kd復位閉合，脈沖電容器中存儲的能量便通過電阻Rd安全釋放；同時，由于位置接點Kdl斷開，Kc、Kg、Kp相繼復位，系統(tǒng)從而完全停止運行。在ETCG發(fā)射完畢后SB4還被用作狀態(tài)復位按鈕。
5 電路試用及改進
將圖3電路組裝于鋼箱內，安裝在電容8 000uF、脈沖成形電感10uH、工作電壓15 kV的PPS上，通過模擬ETCG工況對電路進行了試用。
試用期間電路出現(xiàn)了SSR誤動作問題。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)SSR誤動的工作次數(shù)約占總工作次數(shù)的7%.分析表明，SSR誤動作的原因來自PPS充放電所產生的強電磁干擾，與機械震動無關。SSR通常因DC輸入側或AC輸出負載側出現(xiàn)了較大電磁噪音（或浪涌）而誤動作。PPS中，被控高壓繼電開關（Kc、Kg、Kd、Kp）采用的是大功率電磁鐵開關，線圈通斷電和強電磁干擾必然會生成電磁噪音或浪涌。此外，控制電源、控制線路也會因強電磁干擾而出現(xiàn)諧波與噪音。
如圖4所示，針對PPS充放電所產生的強電磁干擾，在控制電路中為SSR增裝了浪涌吸收等輔助保護電路。電阻Ru和吸收電路Rs-Cs用來防止負載所造成的SSR誤動；Ru用于吸收SSR斷開時繼電開關線圈的殘存能量以及因電磁干擾產生的感應能量，能有效抑制因此所產生的電磁噪音與浪涌；Rs~Cs是SSR負載側浪涌吸收電路。電阻Rv作用是使SSR輸入端在SB斷開時具有相同電位，能防止輸入側噪音所引起的SSR誤動。
控制電路改進后試用沒有再次出現(xiàn)SSR誤動作，這說明其可以滿足ETCG與PPS一體化集成要求。
圖4 控制輔助電路
6 結束語根據(jù)PPS控制電路功能要求和ETCG實用化方向發(fā)展要求，本文選用SSR進行了PPS控制電路設計，并通過模擬實驗對基于SSR設計的控制電路進行了試用和改進。與其他控制器件相比，SSR具有優(yōu)良的抗震動性能和較強的電磁兼容能力，應用于強震動環(huán)境下的電控領域前景廣闊。
