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加速器中高穩定度電源拓撲研究

作者:admin來源:本網 日期:2017-10-21 10:49:00 人氣: 標簽:

  加速器中高穩定度電源拓撲研究吳偉,王云芳,王潔瑋(上海大學理學院,上海200436)二極管整流、調整管調流;晶閘管整流調壓、調整管調流;二極管整流、直流斬波;晶閘管整流調壓、二象限斬波。給出了幾種電源拓撲的優缺點,討論了在加速器電源設計中應關注的問題。

  1加速器對電源的要求加速器種類很多,文章是以中國科學院近代物理研究所分離扇等時性回旋加速器為例進行分析的根據功能的不同,加速器所用電源可分為二極磁鐵電源四極磁鐵電源、六極磁鐵電源、校正磁鐵電源和二極磁鐵校正線圈電源,KICKER電源、BUMP電源電子冷卻所用的高壓電源等各種類型的電源。按照運行模式可分為脈沖式、穩流式、快脈沖式、穩壓式按照電源原理可分二極管整流模式、晶閘管整流模式、開關電源模式在加速器各種電源中,使用最多的是大功率高穩定度直流穩流電源HIRFL主加速器SSC是徑向分離扇等時性回旋加速器,是不同于一般的經典回旋加速器。在經典回旋加速器中,場梯度指數n被限制在0>n>1的范圍內,加速器上下極面間的磁隙應該隨半徑增加而緩慢增加,保證束流在整個加速過程中水平和垂直兩個方向上均受到弱的聚焦作用,從而得到較穩定的束流但這也帶:2004-)2-15員,博士,從事大功率高穩定電源的研究來了致命的弱點,即在加速過程中,束流不是在諧振下運動,也就是說束流的運動周期是不等時的,存在滑相的問題,滑相的結果導致極限能量的存在,使這個加速器的應用受到很大限制而分離扇等時性回旋加速器,由四塊徑向磁鐵扇塊構成,扇塊之間有一定的空間。這種形式的加速器,其性質類似于同步加速器,場梯度指數n=-r%/(Br)不是一個常數,而且是從負值到正值之間交替變化的簡單地說,它的兩個極面是嚴格的平行平面,這本身會產生徑向聚焦力。通過墊補使磁場沿半徑逐漸增加,將會導致很強的聚焦力,即n是很大的負值。利用磁鐵的邊緣角,束流在該位置將會得到很強的垂直聚焦力,特別是當磁場強度較高、磁鐵極隙很小時,n將會變成艮大的正值。SSC是四扇完全對稱的,因此可見,粒子在運動一周的過程中將受到正值n和負值n的交替的周期性變化作用,即:在水平方向上,束流受到聚焦散焦聚焦-散焦的周期性作用,在垂直方向上,束流受到散焦聚焦散焦聚焦的周期性作用。從束流光學的知識可知,一對聚焦和散焦元件組成的系統,無論如何排列,一般說其效果是起聚焦作用的從而我們可知,在徑向分離扇回旋加速器中,束流具有很好的聚焦性能,這就是這類加速器帶來的好處從理論上講不存在由于滑相造成的當稍有干擾促使負載電流上升,通過分流能量極限問題建造的場應滿足B=BV(V為相對論因子),就可以建成等時性回旋加速器。等時性場是由兩部分疊加而成的,第一部分為主線圈產生的主磁場,第二部分是由放置在上下極面的36對墊補線圈所產生的墊補場。在建造過程中,已測出各線圈的激發曲線主磁場由主電源激勵的,墊補場由墊補電源激勵的在實際計算等時場電流時,分別求出四扇中心線的等時場Baxis,然后求出四扇各自的ABaxis在此基礎上,先算出使某一扇產生等時性場的主電流、等時性電流N線圈及L線圈電流,由于主線圈和等時性線圈四扇是串聯的,將該扇的主電流和等時性電流作為已知,可以分別算出相應于其他三扇得到同樣等時場時N線圈、L線圈的電流值,這樣,產生整個加速器等時場的主線圈的電流等時性線圈電流及各個N線圈、L線圈電流便都得到了。由此可見要得到穩定的等時場,則首先要有高穩定的穩流電源在整個加速器系統中,為了得到盡可能好的束流品質,要求等時磁場的穩定度為Ab/B10"5,而等時磁場由主磁場和墊補場構成,一般墊補場為主導磁場的5%,所以墊補場的磁場穩定度為Ab/B< 5<104,在理論上磁場的穩定度與電源的穩定度成正比,所以磁場要求的穩定度就是電源要求的穩定度,而電源的穩定度一般由其紋波電流和電流的漂移構成,取二者均方根為電源穩定度,但實際用7081數字電壓表測出的穩定度是電源的漂移的穩定度,一直沿用為電源的穩定度,所以根據上述考慮,對主磁場勵磁電源穩定度要求為AI/< 106,電流紋波要求為A//<7<106,對于墊補場則可以相應地降低一個數量級。HIRFL主磁場勵磁電源的穩定度選為好于5K10-6,墊補場勵磁電源的穩定度為好于3.豕104,如果考慮某一點磁場由多個墊補線圈作用,那么墊補場勵磁電源的穩定度為A///i3.(N為墊補線圈個數)又如彎轉磁鐵粒子彎轉所需要的磁場強度與其勵磁電流有公式:N/=Bg從此可以看出,磁場強度B的穩定度與負載電流/的穩定度成正比,當勵磁電源電流有波動時,彎轉磁鐵的磁場強度必然波動,磁場強度偏大,則粒子碰撞在管道內壁的內側上,磁場強度偏小,則粒子碰撞在管道內壁的外側上,不能夠彎轉過來,損失粒子,降低束運效率因此對彎轉磁鐵電源的穩定度要求比較高,僅次于主導磁場的穩定度,HIRFL彎轉磁鐵的電源穩定度為豕10" 5對于束運線上的四極透鏡,維持粒子聚焦(散焦)所需要的磁場強度與其勵磁電流有公式:N/=Ba/.,從此可以看出,磁場強度B的穩定度與電流/的穩定度也成正比,當勵磁電源電流有波動時,粒子會偏離正常的軌道,波動超過一定的范圍,粒子會碰到管壁內側,最后損失掉四極透鏡勵磁電源電流穩定度與束流的品質有關,束流的品質要求越高,對電源穩定度要求越高,束流的品質要求越低,對電源穩定度要求越低,同時還與束運管道的粗細有關HIRFL四極透鏡磁鐵的電源穩定度為K1ff4在實際加速器系統中,對于電源的電流紋波要求并不高,原因是不論是四塊扇形鐵、四極透鏡還是彎轉磁鐵均為純鐵制造,存在大量的渦流,同時磁鐵線圈本身也帶有很大的電感,使電流紋波均消耗在磁鐵本身內部,根本產生不了紋波磁場。因此對電源電流的紋波可以比其穩定度低一個數量級即在真負載上,電源穩定度(漂移)好于K1CT4,一般電源的電流紋波好于K10" 5,但對于磁鐵不為純鐵制造,而由硅鋼片疊加制造時,就必須對電源電流的紋波提出嚴格的要求2調壓器調壓、二極管整流、調整管調流2.1電源結構該大功率整流系統是通過調壓器調壓,利用大功率調整管并聯進行調流,電源結構如所示,由調壓器、整流變壓器、平衡電抗器二極管整流大功率調整管、無源濾波、電流互感器組成這種裝置缺點是電流調節速度慢,由于有調整管管壓降的存在,整個系統電效率低,如果電源穩定度要求較高,那么相應管壓降也會提高,就更加降低了電效率,電效率與管壓降是一對矛盾,設計中應綜合考慮2.2工作原理通過電位器給定基準增加時,比較放大器輸出必然增加,從而使大功率管的集電極與發射極之間的電壓降低,促使電源負載電壓升高,最后得到調節電流的目的,電流調節過程:快,缺點是整去掉了調壓數校正設備統電效率有度高,缺點i校正設備和對電網有污路復雜,容」

  要有豐富實器反饋回來的電壓必然升高,由于反饋的電壓輸入放大器的負端,所以此時放大器的輸出電壓降低,從而使大功率管的集電極與發射極之間的電壓升高,最后使負載電流降低,達到穩流的目的,電源自動穩流過程:Vb個一人一Vce個一V0個一個其中:Vref為基準電壓;Vb為大功率管的基極電壓;Ib為大功率管的基極電流;Ic為大功率管的集電極電流;Ve為大功率管集電極與發射極之間的電壓;V.為電源負載輸出電壓;/.為電源負載輸出電流3晶閘管整流調壓、調整管調流3.1電源結構該整流系統是通過晶閘管整流調壓,利用大功率調整管并聯進行調流,電源結構如所示,整流變壓器、平衡電抗器、晶閘管整流大功率調整管無源濾波、電流互感器電流檢測單元組成這種裝置優點是電流調節速度整個系統電效率低。同前一種相比,:器,增加了輸入交流進線的功率因。和諧波濾波裝置,這種裝置整個系所提高,響應速度較快,電流控制精增加了輸入交流進線的功率因數I交流諧波濾波裝置,產生的諧波還染,影響其他電力設備。另外控制電I振蕩,不易調整到最佳工作點,需際工作經驗的人才能調妊為了得電源,無源濾波比例加大,甚至還要:波裝置,如加速器對電源的要求不納這種電路。

  加上有源濾高,則不易采晶閘管整流調壓。BT調流對于晶閘管觸發采取同步異步混合觸發,啟動時采用同步觸發,然后自動轉換成異步觸發異步觸發優點是能夠很好地抑制由于相間的不平衡及觸發信號的分散性引起的50100150Hz等低頻紋波。

  4二極管整流、直流斬波4.1電源結構該大功率直流斬波整流裝置1由整流變壓器二極管整流、平衡電抗器、大功率IBGT模塊無源濾波、電流互感器及控制部分組成,電二極管整流、IGBT斬波采用大功率IGBT模塊斬波,利用交錯控制方式,通過調節占空比D而控制輸出電壓的大小,這種裝置優點是輸出功率大,通過IGBT模塊并聯方式,輸出方式靈活,電流控制精度高,輸出電流穩定度好輸出電壓紋波小,輸出電流紋波低、動態響應快、電壓閃變小、整個功率范圍內功率因數高、系統電效率高、體積小成本低。它可以應用于在加速器、冶煉電化學等需要大功率直流的行業,可以節約能源,提高經濟效益由于采用了交錯控制的方式,對并聯模塊進行斬波控制,因此輸出電壓紋波小。如果斬波的頻率為/,對于N個IGBT模塊并聯,那么輸出直流電壓的諧波頻率為Nf,所需的濾波電容容量小,負載電流的穩定度較高,可以達到m6數量級2工作原理直流斬波電路就是DC~DC變換器,基本的直流斬波電路由輸入電容、開關管(IGBT)輸出續流二極管、濾波電感和電容,直流斬波電路各兀件的基本參數由輸入電壓、開關頻率輸出電壓、電流參數決定的,其基本結構如所示,波形如所示基本斬波電路當開關管(IGBT)導通時,電感L中的電流線性上升,在IGBT導通其間,即DTs,iL的增加量為:當開關管IGBT斷開時,電感電流/l通過續流二極管續流,在T,ff=(1-D)Ts間隔iL的有:0n通過調節D的大小就可以調節輸出電壓的大小。對于大電流低電壓輸出電源,還可在輸出端進行多級斬波,通過控制占空比D逐級提高輸出電流,降低輸出電壓,但應注意前后級能量守恒,則輸出電流/.=為第一級、第二級、第三級的占空比由于其均小于1,所以級數越多,輸出電流越大,而輸出電壓越小。

  5晶閘管整流調壓、二象限斬波1電源結構這種電源結構包括晶閘管整流系統(RectifierPowerSupply)RPS;開關模式的紋SMRR和磁鐵負載電路如所示,RPS包括整流變壓器晶閘管相控整流、無源濾波,改變晶閘管導通角而控制輸出電壓大小SMRR包括二極管整流、LC無源濾波、二象限斬波SMRR的作用是消除在RPS輸出電壓中的諧波分量5.2工作原理三相交流電經晶閘管整流,再經無源濾波后輸出電壓的表達式:晶閘管整流、二象限斬波Vro Vro為濾波后輸出電壓,T為晶閘管導通角,V為濾波后輸出直流電壓,Vro為濾波后輸出交流電壓,Vro,n為濾波后輸出電壓諧波分量系數,VS三相交流電壓kr為無源濾波的截止頻率,設計時一般取kr源穩定度的要求,滿足其要求就可以了,根據不同的具體要求選擇不同的電源結構,其次是清楚電源的負載特性,再次是不能對電網有污染和對周圍環境有電磁輻射。在具體電源拓撲選擇上兼顧考慮輸出電流穩定度、電效率、電流電壓調整速度功率因數、電源運行可靠性電源的各種保護措施及電源成本和將來在其他鄰域推廣價值。

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