電容型高功率脈沖電源控制電路基本功能分析

電容型高功率脈沖電源控制電路基本功能分析摘要：論述了電容型高功率脈沖電源中控制電路的基本功能。指出控制電路設(shè)計選用固態(tài)繼電器主要原因是其具有優(yōu)良的抗震動性能。采用經(jīng)驗法設(shè)計了控制電路，并通過試用改進了控制電路。設(shè)計的控制電路滿足了電熱化學(xué)炮與高功率脈沖電源實用化一體集成需要。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(diào)，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(xué)炮（ETcG）研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)?？刂齐娐分饕δ苁菍崿F(xiàn)PPS的充、放電電控制。通常，充電子系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)部，PPS放電時浪涌電壓等外部因素仍可能造成充電設(shè)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(guān)（Kc）和地絕緣隔離開關(guān)（Kg）在充電結(jié)束后打開，用以防止PPS放電時由負載等因素產(chǎn)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(shè)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(guān)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(shè)備。充電子系統(tǒng) 儲能單元

充電子系統(tǒng) 儲能單元圖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(guān)，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。分壓器 儲能單元分壓器 儲能單元圖2充電電壓測控與安全釋能電路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(jīng)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(guān)，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(yīng)具備如下基本功能：（1）高壓繼電開關(guān)狀態(tài)控制?？刂齐娐繁仨毮苁垢鞲邏豪^電開關(guān)通斷狀態(tài)正確對應(yīng)于PPS的不同工作階段，見表1;（2）充電啟、?？刂?。充電設(shè)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(jié)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）急停控制。工作中，若系統(tǒng)某個部分（器件）發(fā)生異常或出現(xiàn)安全隱患，控制電路應(yīng)具有使充電設(shè)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(guān)狀態(tài)繼電開關(guān)狀態(tài)工作階段-KcKgKpKd京電1100放電0010待機0011注:T”表示“通",0"表示"斷"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(shè)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(diào)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(guān)器件，SSR近年來在民用工控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它是依靠半導(dǎo)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(shè)計時控制器件選用了SSR.4控制電路設(shè)計圖3是基于PPS控制功能要求，采用經(jīng)驗法設(shè)計的控制電路。需要指出，為了讓被控繼電開關(guān)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(guān)（Kc、Kg、Kd、Kp）均帶有位置行程輔助開關(guān)。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(shè)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(shè)備自檢正常（圖3（a）中"充電機正?！苯狱c閉合），則燈HI1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(yù)設(shè)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。HI7~2期V

4/QFSB4KW急停KM1J充電機正常KpiKViKM2IIUSB2KM3KV2HL2KM4(a)啟動充電充電1發(fā)射KM2dKJIKc(W充電工作使能放電觸發(fā)瞬HI7~2期V

4/QFSB4KW急停KM1J充電機正常KpiKViKM2IIUSB2KM3KV2HL2KM4(a)啟動充電充電1發(fā)射KM2dKJIKc(W充電工作使能放電觸發(fā)瞬￡IIIbqctm圖3基本控制電路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(fù)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(fù)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(fù)位按鈕。5電路試用及改進將圖3電路組裝于鋼箱內(nèi)，安裝在電容8000uF、脈沖成形電感10uH、工作電壓15kV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(chǎn)生的強電磁干擾，與機械震動無關(guān)。SSR通常因DC輸入側(cè)或AC輸出負載側(cè)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(guān)（Kc、Kg、Kd、Kp）采用的是大功率電磁鐵開關(guān)，線圈通斷電和強電磁干擾必然會生成電磁噪音或浪涌。止匕外，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(chǎn)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(guān)線圈的殘存能量以及因電磁干擾產(chǎn)生的感應(yīng)能量，能有效抑制因此所產(chǎn)生的電磁噪音與浪涌；Rs~Cs是SSR負載側(cè)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(cè)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