NBI缓冲器电源控制系统及可靠性设计

杨 路

（铜陵学院，安徽 铜陵 244000）

NBI缓冲器电源控制系统及可靠性设计

杨 路

（铜陵学院，安徽 铜陵 244000）

为了提高EAST系统运行参数，需要配备高功率辅助加热系统。中性束注入(NBI)是目前公认最为有效的加热方式，该系统供电电压高，功率大。采用缓冲器(Snubber)及其电源设备保护离子源加速极免受NBI系统运行中可能出现的击穿能量的影响。通过对缓冲器电源控制系统及可靠性的设计，满足NBI控制要求，为离子源加速极安全运行提供保障，并为下一步NBI束线优先决策控制器的连锁控制和故障保护奠定基础。

NBI；缓冲器；可靠性

EAST[1-5]是我国建设的大型全超导托卡马克核聚变实验装置HT-7装置系统的升级版。其目标是建造一个具有非圆小截面的大型超导托卡马克装置及实验系统，并在此基础上发展进行稳态运行所需的各项技术，进行核聚变基础问题的实验研究。该装置及其附属系统的建成将使我国以有力的地位加入国际热核聚变领域，使我国在核聚变领域的研究进入世界前列，意义十分重大。中性束注入加热(NBI)是目前国际核聚变研究领域公认的最为有效的加热手段，适应于我国现有条件。NBI实验环境工作电压高，发生故障时产生的能量会对强流离子源加速极造成不可逆的损坏，通过NI-FE材料的高压缓冲器及其电源设备保护脆弱的离子源加速电极。国内针对缓冲器电源设备操作控制基本还是用人工方式进行，现代测控技术的应用相对比较落后，这样既造成了系统工作效率低下，又给研究人员带来一定的危险，鉴于此，以嵌入式技术为基础，将数字化、光纤化的测控技术引入设备系统，为建立一个开放的远程控制系统奠定基础。

1. 系统组成

图1 系统框图

图2 控制板结构图

系统硬件框图如图1所示。为了满足现场调试、接入NBI总控以及可能突发故障等情况，该系统提供三种控制模式：

(1)就地调试模式：依托上位机对电源设备进行通信控制调试，使其相关参数满足系统要求。若NBI总控发生故障，就地模式启用，基于RXD、信号进行通信。

(2)NBI总控模式：主要工作模式，此时电源系统在总控台的控制下运行，就地模式与手操器模式不起作用。基于start, ready, 输出设置信号、电压信号、电源信号进行通信。

(3)手操器模式：通过电源面板上的控制旋钮调节设备工况，在总控模式与就地模式均失效情况下启动，应用于突发紧急状况。

就地模式下：RXD信号表示下位机传送给上位机的采样参数。NBI总控模式下，START信号是来自总控的启动指令；READY信号是来自电源的状态反馈；输出设置信号是来自总控的电源输出设置信号；电压与电流信号是来自电源的实时采样反馈；为了保证系统的可靠性，上述所有信号都以光信号形式传输。

控制板硬件如图2所示，包括采样电路，光耦隔离电路，光纤收发电路，信号调理电路，模式切换电路，状态反馈电路，启停控制电路，单片机等。信号调理电路，光耦隔离电路，采样电路实现对电源实时输出的测量；光纤接收电路，启停控制电路实现对总控和上位机控制指令的接收；光纤发送电路，状态反馈电路实现电源状态和实时输出对总控和上位机的反馈；单片机实现核心计算控制功能。

系统软件包括上位机与下位机。上位机为实验人员提供操作界面。包括实时数据显示，模式切换，输出控制，数据保存等功能。通过基于光信号构建的通信网络控制电源的启动停止，实时输出等。软件功能组成图如图3所示。下位机接收来自上位机的指令，分析指令并执行相关操作，上电复位，下位机程序开始运行。首先进行IO端口，串行口，AD，工作模式等的初始化，完成后系统处于就地模式，程序进入大循环，串口标志位指示是否有上位机指令，在规定时间内接收，判断指令是否正确，之后根据指令完成操作；定时器定时，AD开始采样工作，采样N次后求均值，完成AD采样，接着开始温度测试，最后将AD采样与温度数值一同发送给上位机显示输出，流程图如图4所示。

图3 软件功能组成图

图4 下位机流程图

2. 可靠性设计

NBI系统结构复杂，一个环节的问题将影响整个环节的正常运行，必须保证缓冲器系统工作的稳定性。

2.1 硬件可靠性设计

2.1.1 供电可靠性设计

NBI实验环境包含许多设备，要求设备副端与外壳相连安全接地。缓冲器电源采用高频低压大电流开关电源，电源输出的高频脉冲信号可能会影响控制器的可靠运行，需要采取一定的措施抑制干扰。开关电源采用三相四线制输入，缓冲器控制板输入电源可以选择220V输入或380V输入，如图5所示。在电源输出达到极值的情况下干扰信号如图所示。380V输入脉冲干扰峰峰值最大2.8V，220V输入下达到4.2V。采用扼流圈磁环等抗干扰措施后，如图6-8所示，380V输入下要比220V输入下受开关电源高频脉冲干扰程度低，在380V输入下，采用扼流圈(接变压器原边)配合磁环抑制高频脉冲效果最好。将峰峰值抑制到1.4V，抑制效果达到了一半。如果只接扼流圈，只能在一定程度上降低峰值，滤除高频干扰效果不理想。考虑到市电中包含的高次谐波可能导致的欠压，过压，浪涌以及尖峰等情况[6-7]，在市电接入端安装EMI电源滤波器，在阻带范围内衰减射频能量，差模干扰，共模干扰等，改善供电质量。

图5 供电接线图

图6 电源输出最大值时的干扰信号

图7 220V输入抑制后干扰信号

图8 380v输入抑制后干扰信号

2.1.2 输入信号可靠性设计

控制器需实时采样缓冲器电源的输出值，采用FPGA根据多点求平均法在采样端做数字滤波处理，可以很好的改善采样输入信号的质量。经过数字滤波处理后信号相当的平滑。由于多点求平均方法要求滤除的信号周期绝对的稳定，所以还有些尖峰未能滤除，但总体效果已有了很大的改善。

采样信号是外界信号，为了防止干扰信号混杂在采样信号中进入内部数字系统，利用光电耦合器件实现光电隔离，断开输入地与输出地，切断干扰回路，实现干扰信号的抑制。电路如图11所示。光电耦合器内部结构是单发双收型，包含一个发光二极管PF，一个起反馈作用的光电二极管PD1，一个起输出作用的光电二极管PD2。当PF通过驱动电流IF发光，光分别照射在PD1和PD2上，PD1吸收光通量的一部分，产生控制电流IPD1调节IF以补偿PF的非线性。PD2产生输出电流IPD2与PF发出的光通量成线性比例。K =，K的典型值为1。Q2，R40，R43，R44，R46构成LED驱动电路，D10防止过大反向电压对LED造成不可逆损伤。

电路的输入电压VIN，

电路输出与输入的比例关系:

调节电阻的取值可以调整输入输出的比例关系。因此，该隔离电路的电压增益只与电阻R47，R48有关，与光耦的电流传输特性无关，从而实现电压信号的光隔离，提高系统可靠性。

2.2 软件可靠性设计

(1)查询与中断的选择：下位机程序包括AD采样，串口通信，温度测量等。温度测量对时序要求高。如若AD采样通信采用中断方式，那么当中断发生在进行温度测量的时候会导致温度测量出错，因此采用查询方式实现下位机控制程序。

(2)外界干扰信号对输入采样有一定的影响，会造成输入信号的误读、误差。要排除这部分影响，通常采取重复采样、加权平均等方法，对AD采样信号采用数字滤波平均法等防止突发性的干扰。程序编写中为了排除干扰的影响，采用多次采样求和计算平均值。以电流采样为例，程序流程：

配置寄存器确定采样端口；

使能ADC采样；

启动定时器，控制AD进行采样工作；

图11 光耦隔离电路

采样完成一次，计数一次，采样值累积一次；

If 采样次数达到N次（这里取2048），求采样均值；

Else 继续采样；

结束。

(3)基于C/C++的串口通讯调用CreateFile函数设置需要打开相应端口的文件名，又称串口逻辑名。串口逻辑名常见如“COM1”、“COM2”等。存在两种特殊情况需要注意：

1)通信调试设备包含多个串口的情况。

2)通信调试设备本身没有提供串行口，通过USB转串行口设备转换。

这两种情况下有可能会出现串口号大于9的时候，不包含9。在基于C/C++上位机编程中串口逻辑名称应写 为 “ \\.\COMxx”， 如 串 口 10应 写 做“\\.\COM10”，在其他编程语言中应写为\.COMxx。否则会出现端口无法打开错误。在编写上位机程序编程时需要在程序中做判断选择。

3 .实验测试

缓冲器能够吸收短路故障能量，正常工作时对系统不产生任何影响，一旦出现短路等故障情况，缓冲器能够限制故障电流，吸收大部分的故障能量，对NBI系统具有非常重要的保护作用[8]。随着缓冲器电源输出的偏置电流增大，构成缓冲器的铁心由饱和状态向不饱和状态转移，铁心产生的大电感对电流具有较大的抑制作用，在铁心中产生的涡流和磁滞损耗则消耗了分布电容中存储的能量。缓冲器的接入等效于在电路中接入了电感电阻的并联电路，其中电感能够阻止电流的变化，电阻能够消耗能量 。当故障电流产生时，缓冲器使得代表能量大小的电流峰值与变化速率降低，实现了保护作用。如图12所示，无缓冲器工况下40kV直接短路峰值电流约600A，有缓冲器工况下直接短路峰值电流约400A。可见，缓冲器对短路峰值电流有抑制效果，能够对NBI系统起到保护作用。

图12 40kV主回路在有无sunbber时短路电流

4 .结论

文章说明了缓冲器电源控制系统的构成，从软硬件两方面进行了系统可靠性设计。NBI实验环境下测试表明缓冲器对短路电流的抑制作用是明显的，起到了对NBI系统的保护作用。 该控制系统抗电磁干扰能力强，能按照要求实现输出，性能稳定，满足EASTNBI系统控制要求，达到预期目标。

[1]王保华.中性束注入系统低温抽气系统的工程设计及压力分布研究[D].合肥:合肥工业大学,2007.

[2]于玲.中性束注入装置温度测控系统研究[D].合肥:合肥工业大学,2008.

[3]肖龙江.NBI数据发布系统的研究[D].上海:东华大学,2011.

[4]钮小军.EAST装置中性束高压传输线电磁问题的研究[D].合肥:合肥工业大学,2005.

[5]徐厚昌.EAST超导托卡马克面对等离子体部件安装精度控制研究[D].合肥:合肥工业大学,2007.

[6]孙云娟,王天意.单片机硬件抗干扰技术[J].自动化技术与应用,2010(2):129-131.

[7]张旭.浅谈单片机抗干扰的硬件措施[J].民营科技,2011(3):48.

[8]曹亮,李格,王海田.直流高压缓冲器的研制[J].高压电技术,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

杨路(1985-),女,安徽怀远人,铜陵学院电气工程学院助教,研究方向:智能仪器,设备控制系统,数据挖掘。