特种电源-第六讲

我国特种电源技术领域典型进展
西安交通大学 裴云庆 2010年8月21日
目录
离子加速器领域的特种电源 电化学工业中的特种电源
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离子加速器领域的特种电源
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概 述
项目背景
离子加速器中的电磁铁是其核心部件之一，加速器 装置要求其产生的磁场恒定或按要求的规律进行变化。 按不同要求其电源可分为稳定电源（用于产生稳定磁场） 和脉冲电源（磁场按所要求规律变化），这两类电源分 别对输出电流稳定度、电流纹波和跟踪精度等指标提出 很高的要求，例如稳定电源的输出电流稳定度一般要求 在10-4~10-5数量级。
处理器：32位 ADSP-21065L 60MHz A/D转换： 18位 分辨率：1ppm 温漂：0.5ppm/℃ 短时间稳定度好于10ppm； 长时间稳定度和再现性好 于30ppm；
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加速器电源控制的关键问题
电流传感器： DCCT
（零磁通传感器） 零磁通传感器） 零磁通传感器
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加速器电源的控制方法
Ra iL U in
图12 基于传统补偿方法的输出电压纹波
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高精度静态磁铁电源的控制方法
基于阻尼补偿支路的补偿方法：
图13 具有阻尼支路的补偿电路结构
图14 基于阻尼支路补偿方法与传统方案的频率特性
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实验测试
分辨率测试 7位半数字万用表KEITHELEY 2001检测
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实验测试
长期稳定度测试
K1
Ir
If
Cs Rs
Ll RL
图10 控制系统原理框图
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静态磁铁电源的控制方法
电源输出为280A/280V时输出电压纹波对比： 时输出电压纹波对比： 电源输出为 时输出电压纹波对比
a)传统方案 b)基于阻尼支路补偿方法 图15 基于阻尼支路补偿方法与传统方案的输出电压纹波对比
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静态磁铁电源的控制方法
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加速器电源控制的关键问题
数字控制的优点：
– 可以采用先进的控制算法； – 降低控制器的参数漂移，保持系统的稳定性； – 可以通过网络通讯控制和监测系统中各台电源的工作 状态，提高系统调试和控制的灵活性和方便性； – 实现精确的多重化PWM控制。
数字控制的不足：
– 运算速度及延时； – A/D量化及运算舍入误差； – 数字PWM的分辨率。
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晶闸管相控电源的缺点：
低压输出时效率低； 电源体积、重量大； 控制性能（快速性、纹波）差。
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电化学电源的结构及特点
在以下电化学应用高频开关电源具有优势： 中小功率； 低电压输出； 高性能要求。
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高效电化学电源的关键问题
高频开关电源在电解领域应用的问题：
如何进一步提高设备输出电流容量 如何提高电源效率
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国内外的加速器项目
欧洲同步辐射光源（ESRF）
1994年正式启用，电子束能量为60亿电子伏特（6GeV） 注入器：直线加速器。 增强器：周长为300米的同步加速器。 储存环：周长844米，内配置64弯转磁铁。
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国内外的加速器项目
英国Dimaond光源
2007年正式启用，电子束能量为30亿电子伏特（3GeV） 注入器，直线加速器，加速电子能量达到0.1GeV。 增强器，配置36个双极弯转磁铁，电子束能量达到3GeV。 储存环：直径235米，周长561米。
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加速器电源控制的关键问题
A/D及数字 及数字PWM的分辨率引起的 的分辨率引起的极限环震荡： 及数字 的分辨率引起的
在高精度控制系统中，如果数字化过程中的量化精度不够，则会产生 极限环震荡现象，造成稳态电流波动，控制效果变差。
图4 不同量化精度下稳态电流波形
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加速器电源控制的关键问题
控制器及A/D采样：
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静态磁铁电源的控制方法
采用补偿支路的主电路结构及频率特性： 采用补偿支路的主电路结构及频率特性：
Ra iL U in
Lf Cf Rc Cs Rs Ll RL io if Uo
图8 采用补偿支路的主电路结构
图9 加入补偿支路前后主电路特性对比
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静态磁铁电源的控制方法
控制系统总体框图： 控制系统总体框图：
系统校正后的频率特性：
图11 单补偿支路方式控制系统校正后回路增益函数伯德图
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高精度静态磁铁电源的控制方法
采用传统的补偿支路方法引起输出电压纹波： 采用传统的补偿支路方法引起输出电压纹波：
产生原因为负载电感与补偿电容发生谐振。 产生原因为负载电感与补偿电容发生谐振。
Lf Cf Rc Cs Rs Ll RL io if Uo
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概 述 电化学电源的需求：
稳定直流电源 脉冲及换向电源
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电化学电源的结构及特点
晶闸管相控电源
大容量电源装置
小容量电源装置
高频开关电源
由于器件容量限制主要应用于中小容量装置
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电化学电源的结构及特点
在电解工业领域采用多槽(机)串联方式提 高工作电压
优点：电源效率得到提高 缺点：设备灵活性差
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上海同步辐射光源平面图
150MeV 直线加速器 3.5GeV 增强器 3.5GeV 储存环 高低能输运线 光束线实验站
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上海同步辐射光源电源技术要求
电源技术指标
（1）稳定电源 ） 输出额定电压：840V 输出额定电流：直流800A 调节分辨率：15ppm 短期稳定性(2min)：20ppm 长期稳定性 (8hrs)：20ppm 电流纹波：20ppm 电压纹波：<0.3% （2）动态电源 ） 输出峰值电压：1000V 输出峰值电流：1150A 有效值电流： 704 A
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大功率加速器电源的主电路拓扑
稳定磁铁电源主电路结构
图1 840V/800A磁铁电源主电路结构
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大功率加速器电源的主电路拓扑
动态磁铁电源的电压、电流波形 动态磁铁电源的电压、
图 2 增强器磁铁上的电流、电压及功率波形
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大功率加速器电源的主电路拓扑
动态磁铁电源的主电路结构 动态磁铁电源的主电路结构
加速器磁铁电源控制系统特点：
– 高稳定度 – 高增益、高带宽 高增益、 – 对电网电压扰动抑制能力强 – 跟踪精度高
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加速器电源的控制方法
基于斩波器的电源主电路结构及频率特性： 基于斩波器的电源主电路结构及频率特性：
图6 主电路的等效电路图
图7 传递函数io/d伯德图
采用电流单闭环控制时， 采用电流单闭环控制时，调节器需要含有两个 微分环节，设计较为复杂。 微分环节，设计较为复杂。
IR IRLS3036-7: Rdson=1.9mΩ ；Ιdmax=210A
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低压电化学电源中的同步整流
大电流同步整流模块结构
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高效电化学电源的关键技术
采用同步整流技术的电源效率
最高效率可达92%
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高效电化学电源的关键技术
脉冲电镀电源的输出：
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总 结
利用新型电力电子器件、拓扑及控制技术， 在特定的应用领域，高频开关电源可以大 幅度提高电化学电源的效率及控制性能。
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电化学工业中领域的电源应用： 电解、电镀、电泳涂漆、阳极氧化等 高能耗工业领域（电解铝、电解铜、电镀 等），其电能消耗超过生产总成本的一半 以上，其主要能耗集中在电源设备，电能 转换及工艺实施过程。传统的可控硅相控 电源装备存在能耗高、效率低、体积大、 笨重、控制精度低、工艺特性差等缺陷。
输出电流波形：2Hz偏置正弦波 长期稳定性（8hrs）：100ppm 跟踪误差： 1000ppm
对电网冲击：从电网汲取功率波动 小于±30％有效值功率；
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大功率加速器电源的主电路拓扑
大功率加速器电源的主电路拓扑
根据输出需要采用单象限、两象限及四象限斩波电路 问题 高压、 高压、大电流 低纹波 动态电源的输入功率波动 解决方案 斩波电路的串联和并联多重化 设置输入功率控制电路
图3 动态磁铁电源主电路结构图
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加速器电源控制的关键问题
基准源 采样反馈环节 调节器环节 其他：控制算法、PWM生成等
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加速器电源控制的关键问题
大功率电源的多重化PWM控制：
提高等效开关频率 增加装置容量 降低输出纹波
模拟控制及数字控制
模拟控制的缺点： 参数分散性及漂移 联网调试及监控不便 多重化PWM控制的精确度
长期稳定性 (8小时以上)：10~100ppm 电流纹波： 20~1000ppm
高动态跟踪性能
跟踪精度约优于10-3
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上海同步辐射光源
同步辐射光：在真空中以光速运动的带电粒子在二极磁 场作用下偏转时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱 的电磁波。 上海同步辐射装置，是一台中能第三代同步辐射光源， 总投资计划12亿人民币。其电子储存环电子束能量为 3.5GeV。 SSRF能量居世界第四（仅次于日本SPring-8、美国APS、 欧洲ESRF），性能超过同能区现有的第三代同步辐射光 源，是目前世界上正在建造或设计中的性能最好的中能 光源之一 上海光源SSRF（3.5 GeV）与DIAMOND（3 GeV）、法 国SOLEIL光源（2.75 GeV）和西班牙ALBA光源（3 GeV） 同属目前世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源。
采用2000A/7V开关电源模块 20台并联运行
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电化学电源的应用例
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电化学电源的应用例
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低压电化学电源中的同步整流
随着半导体器件技术的发展，低压 MOSFET的性能不断提高，价格下降。 Infineon OptiMOS IPB017N06N3 Rdson=1.7mΩ； Ιdmax=180A