NBI緩沖器電源控制系統及可靠性設計

楊 路

（銅陵學院，安徽 銅陵 244000）

NBI緩沖器電源控制系統及可靠性設計

楊 路

（銅陵學院，安徽 銅陵 244000）

為了提高EAST系統運行參數，需要配備高功率輔助加熱系統。中性束注入(NBI)是目前公認最為有效的加熱方式，該系統供電電壓高，功率大。采用緩沖器(Snubber)及其電源設備保護離子源加速極免受NBI系統運行中可能出現的擊穿能量的影響。通過對緩沖器電源控制系統及可靠性的設計，滿足NBI控制要求，為離子源加速極安全運行提供保障，并為下一步NBI束線優先決策控制器的連鎖控制和故障保護奠定基礎。

NBI；緩沖器；可靠性

EAST[1-5]是我國建設的大型全超導托卡馬克核聚變實驗裝置HT-7裝置系統的升級版。其目標是建造一個具有非圓小截面的大型超導托卡馬克裝置及實驗系統，并在此基礎上發展進行穩態運行所需的各項技術，進行核聚變基礎問題的實驗研究。該裝置及其附屬系統的建成將使我國以有力的地位加入國際熱核聚變領域，使我國在核聚變領域的研究進入世界前列，意義十分重大。中性束注入加熱(NBI)是目前國際核聚變研究領域公認的最為有效的加熱手段，適應于我國現有條件。NBI實驗環境工作電壓高，發生故障時產生的能量會對強流離子源加速極造成不可逆的損壞，通過NI-FE材料的高壓緩沖器及其電源設備保護脆弱的離子源加速電極。國內針對緩沖器電源設備操作控制基本還是用人工方式進行，現代測控技術的應用相對比較落后，這樣既造成了系統工作效率低下，又給研究人員帶來一定的危險，鑒于此，以嵌入式技術為基礎，將數字化、光纖化的測控技術引入設備系統，為建立一個開放的遠程控制系統奠定基礎。

1. 系統組成

圖1 系統框圖

圖2 控制板結構圖

系統硬件框圖如圖1所示。為了滿足現場調試、接入NBI總控以及可能突發故障等情況，該系統提供三種控制模式：

(1)就地調試模式：依托上位機對電源設備進行通信控制調試，使其相關參數滿足系統要求。若NBI總控發生故障，就地模式啟用，基于RXD、信號進行通信。

(2)NBI總控模式：主要工作模式，此時電源系統在總控臺的控制下運行，就地模式與手操器模式不起作用。基于start, ready, 輸出設置信號、電壓信號、電源信號進行通信。

(3)手操器模式：通過電源面板上的控制旋鈕調節設備工況，在總控模式與就地模式均失效情況下啟動，應用于突發緊急狀況。

就地模式下：RXD信號表示下位機傳送給上位機的采樣參數。NBI總控模式下，START信號是來自總控的啟動指令；READY信號是來自電源的狀態反饋；輸出設置信號是來自總控的電源輸出設置信號；電壓與電流信號是來自電源的實時采樣反饋；為了保證系統的可靠性，上述所有信號都以光信號形式傳輸。

控制板硬件如圖2所示，包括采樣電路，光耦隔離電路，光纖收發電路，信號調理電路，模式切換電路，狀態反饋電路，啟停控制電路，單片機等。信號調理電路，光耦隔離電路，采樣電路實現對電源實時輸出的測量；光纖接收電路，啟停控制電路實現對總控和上位機控制指令的接收；光纖發送電路，狀態反饋電路實現電源狀態和實時輸出對總控和上位機的反饋；單片機實現核心計算控制功能。

系統軟件包括上位機與下位機。上位機為實驗人員提供操作界面。包括實時數據顯示，模式切換，輸出控制，數據保存等功能。通過基于光信號構建的通信網絡控制電源的啟動停止，實時輸出等。軟件功能組成圖如圖3所示。下位機接收來自上位機的指令，分析指令并執行相關操作，上電復位，下位機程序開始運行。首先進行IO端口，串行口，AD，工作模式等的初始化，完成后系統處于就地模式，程序進入大循環，串口標志位指示是否有上位機指令，在規定時間內接收，判斷指令是否正確，之后根據指令完成操作；定時器定時，AD開始采樣工作，采樣N次后求均值，完成AD采樣，接著開始溫度測試，最后將AD采樣與溫度數值一同發送給上位機顯示輸出，流程圖如圖4所示。

圖3 軟件功能組成圖

圖4 下位機流程圖

2. 可靠性設計

NBI系統結構復雜，一個環節的問題將影響整個環節的正常運行，必須保證緩沖器系統工作的穩定性。

2.1 硬件可靠性設計

2.1.1 供電可靠性設計

NBI實驗環境包含許多設備，要求設備副端與外殼相連安全接地。緩沖器電源采用高頻低壓大電流開關電源，電源輸出的高頻脈沖信號可能會影響控制器的可靠運行，需要采取一定的措施抑制干擾。開關電源采用三相四線制輸入，緩沖器控制板輸入電源可以選擇220V輸入或380V輸入，如圖5所示。在電源輸出達到極值的情況下干擾信號如圖所示。380V輸入脈沖干擾峰峰值最大2.8V，220V輸入下達到4.2V。采用扼流圈磁環等抗干擾措施后，如圖6-8所示，380V輸入下要比220V輸入下受開關電源高頻脈沖干擾程度低，在380V輸入下，采用扼流圈(接變壓器原邊)配合磁環抑制高頻脈沖效果最好。將峰峰值抑制到1.4V，抑制效果達到了一半。如果只接扼流圈，只能在一定程度上降低峰值，濾除高頻干擾效果不理想。考慮到市電中包含的高次諧波可能導致的欠壓，過壓，浪涌以及尖峰等情況[6-7]，在市電接入端安裝EMI電源濾波器，在阻帶范圍內衰減射頻能量，差模干擾，共模干擾等，改善供電質量。

圖5 供電接線圖

圖6 電源輸出最大值時的干擾信號

圖7 220V輸入抑制后干擾信號

圖8 380v輸入抑制后干擾信號

2.1.2 輸入信號可靠性設計

控制器需實時采樣緩沖器電源的輸出值，采用FPGA根據多點求平均法在采樣端做數字濾波處理，可以很好的改善采樣輸入信號的質量。經過數字濾波處理后信號相當的平滑。由于多點求平均方法要求濾除的信號周期絕對的穩定，所以還有些尖峰未能濾除，但總體效果已有了很大的改善。

采樣信號是外界信號，為了防止干擾信號混雜在采樣信號中進入內部數字系統，利用光電耦合器件實現光電隔離，斷開輸入地與輸出地，切斷干擾回路，實現干擾信號的抑制。電路如圖11所示。光電耦合器內部結構是單發雙收型，包含一個發光二極管PF，一個起反饋作用的光電二極管PD1，一個起輸出作用的光電二極管PD2。當PF通過驅動電流IF發光，光分別照射在PD1和PD2上，PD1吸收光通量的一部分，產生控制電流IPD1調節IF以補償PF的非線性。PD2產生輸出電流IPD2與PF發出的光通量成線性比例。K =，K的典型值為1。Q2，R40，R43，R44，R46構成LED驅動電路，D10防止過大反向電壓對LED造成不可逆損傷。

電路的輸入電壓VIN，

電路輸出與輸入的比例關系:

調節電阻的取值可以調整輸入輸出的比例關系。因此，該隔離電路的電壓增益只與電阻R47，R48有關，與光耦的電流傳輸特性無關，從而實現電壓信號的光隔離，提高系統可靠性。

2.2 軟件可靠性設計

(1)查詢與中斷的選擇：下位機程序包括AD采樣，串口通信，溫度測量等。溫度測量對時序要求高。如若AD采樣通信采用中斷方式，那么當中斷發生在進行溫度測量的時候會導致溫度測量出錯，因此采用查詢方式實現下位機控制程序。

(2)外界干擾信號對輸入采樣有一定的影響，會造成輸入信號的誤讀、誤差。要排除這部分影響，通常采取重復采樣、加權平均等方法，對AD采樣信號采用數字濾波平均法等防止突發性的干擾。程序編寫中為了排除干擾的影響，采用多次采樣求和計算平均值。以電流采樣為例，程序流程：

配置寄存器確定采樣端口；

使能ADC采樣；

啟動定時器，控制AD進行采樣工作；

圖11 光耦隔離電路

采樣完成一次，計數一次，采樣值累積一次；

If 采樣次數達到N次（這里取2048），求采樣均值；

Else 繼續采樣；

結束。

(3)基于C/C++的串口通訊調用CreateFile函數設置需要打開相應端口的文件名，又稱串口邏輯名。串口邏輯名常見如“COM1”、“COM2”等。存在兩種特殊情況需要注意：

1)通信調試設備包含多個串口的情況。

2)通信調試設備本身沒有提供串行口，通過USB轉串行口設備轉換。

這兩種情況下有可能會出現串口號大于9的時候，不包含9。在基于C/C++上位機編程中串口邏輯名稱應寫 為 “ \\.\COMxx”， 如 串 口 10應 寫 做“\\.\COM10”，在其他編程語言中應寫為\.COMxx。否則會出現端口無法打開錯誤。在編寫上位機程序編程時需要在程序中做判斷選擇。

3 .實驗測試

緩沖器能夠吸收短路故障能量，正常工作時對系統不產生任何影響，一旦出現短路等故障情況，緩沖器能夠限制故障電流，吸收大部分的故障能量，對NBI系統具有非常重要的保護作用[8]。隨著緩沖器電源輸出的偏置電流增大，構成緩沖器的鐵心由飽和狀態向不飽和狀態轉移，鐵心產生的大電感對電流具有較大的抑制作用，在鐵心中產生的渦流和磁滯損耗則消耗了分布電容中存儲的能量。緩沖器的接入等效于在電路中接入了電感電阻的并聯電路，其中電感能夠阻止電流的變化，電阻能夠消耗能量 。當故障電流產生時，緩沖器使得代表能量大小的電流峰值與變化速率降低，實現了保護作用。如圖12所示，無緩沖器工況下40kV直接短路峰值電流約600A，有緩沖器工況下直接短路峰值電流約400A。可見，緩沖器對短路峰值電流有抑制效果，能夠對NBI系統起到保護作用。

圖12 40kV主回路在有無sunbber時短路電流

4 .結論

文章說明了緩沖器電源控制系統的構成，從軟硬件兩方面進行了系統可靠性設計。NBI實驗環境下測試表明緩沖器對短路電流的抑制作用是明顯的，起到了對NBI系統的保護作用。 該控制系統抗電磁干擾能力強，能按照要求實現輸出，性能穩定，滿足EASTNBI系統控制要求，達到預期目標。

[1]王保華.中性束注入系統低溫抽氣系統的工程設計及壓力分布研究[D].合肥:合肥工業大學,2007.

[2]于玲.中性束注入裝置溫度測控系統研究[D].合肥:合肥工業大學,2008.

[3]肖龍江.NBI數據發布系統的研究[D].上海:東華大學,2011.

[4]鈕小軍.EAST裝置中性束高壓傳輸線電磁問題的研究[D].合肥:合肥工業大學,2005.

[5]徐厚昌.EAST超導托卡馬克面對等離子體部件安裝精度控制研究[D].合肥:合肥工業大學,2007.

[6]孫云娟,王天意.單片機硬件抗干擾技術[J].自動化技術與應用,2010(2):129-131.

[7]張旭.淺談單片機抗干擾的硬件措施[J].民營科技,2011(3):48.

[8]曹亮,李格,王海田.直流高壓緩沖器的研制[J].高壓電技術,2010(5):1269-1274.

On the NBI Snubber Power Control System and Reliability Design

Yang Lu
（Tongling University, Tongling Anhui 244000, China）

For improving system performance parameters, EAST needs high-power auxiliary heating system. NBI is generally believed to be the most effective heating mode, which can provide high voltage and power. To avoid breakdown energy causing serious damage to the accelerating electrode of the ion source when system is running, Applying Snubber and power supply protect it. By designing Snubber power communication and monitor system to provide security of the accelerating electrode of the ion source, which meets control needs of NBI, for the next it lay the foundation for beam line of priority decisions controller chain control and fault protection.

NBI; Snobber; reliability

TP271+.5

A

1672-0547(2016)06-0084-04

2016-08-30

楊路(1985-),女,安徽懷遠人,銅陵學院電氣工程學院助教,研究方向:智能儀器,設備控制系統,數據挖掘。