高电压环境下snubber电源控制系统设计

王珍凤

(铜陵学院 电气工程学院，安徽 铜陵 244000)



高电压环境下snubber电源控制系统设计

王珍凤

(铜陵学院 电气工程学院，安徽 铜陵 244000)

介绍了在高电压环境下工作的snubber电源控制系统的设计。讨论了基于嵌入式技术的控制系统的软硬件构成。基于可靠性和扩展性的考虑，系统提供了三种控制模式：光纤隔离的RS-232就地控制模式，电源面板上的手操器模式以及扩展用的远控模式。根据系统控制需求，描述了上下位机软件的程序流程以及在实现过程中的关键问题。实验测试表明，该系统能在工作电压50 kV及以上的高电压环境下可靠工作。该系统结构简明，抗干扰能力强，满足高抗干扰性要求。

高电压；系统设计；snubber

能源乃国家的基础，工业发展的基石。进入21世纪以来，能源短缺问题日益严重，新能源逐渐被提上日程。核能与太阳能是新能源的主要来源，其中核能分为两类：核裂变，由重原子核裂变而释放的能量；核聚变，由轻核聚变为重核释放的能量。由于太阳能成本较高，难以实现大规模应用，核裂变存在放射性污染，原料来源有限。而社会的发展需要可持续性清洁能源，核聚变则能完全满足这一需求，为人类摆脱能源危机，实现社会的可持续性发展展现了美好的前景。核聚变的发生需要配备一整套完整的电源系统。该系统电压高，功率大，如加速极电源，每套功率电源功率高达100 kV/10 MW，使得高压击穿现象时有发生。高压电源和通过高压传输线的各种分布电容的能量将灌入离子源加速极，这会导致离子源及其加速极将受到不可逆的损坏，通过Ni-Fe材料的缓冲器(snubber)[1-3]保护单元限制故障电流同时吸收这部分储能,实现保护功能。本文的目的在于设计出一套能够在50kV及以上的高电压环境下稳定可靠工作的控制系统，实现snubber的保护功能。

1 系统结构

为了避免设计出的snubber体积过大，充分利用snubber材质，配置一个偏置电源提供反向偏置电路，使其获得反向初始磁通，将snubber偏置到负饱和附近，缩小snubber的体积。该电源控制系统结构如图1所示。上位机通过TXD与RXD信号与控制系统的核心控制板通信，其中TXD表示上位机发送的控制指令，RXD表示下位机反馈的各种信号。为了保证在高电压环境下的正常通信，采用光纤隔离信号传输模式。考虑到控制系统的可靠性及拓展性，提供三种控制模式：就地控制(上位机)，手操器控制(面板上旋钮)和远程控制(接入更大系统)。

2 硬件设计

2.1 光电转换模块

上位机通过RS232口与控制板进行通信，为了在高电压环境下稳定可靠工作，采用自行设计的串口/光纤模块实现光纤通信。根据RS232通信协议，上位机与控制板通过TXD(发送)，RXD(接收)和GND(地)三根导线实现通信；光信号的引入使得双方没有公共信号地，实现了电信号的光纤隔离，共模噪声无法耦合到系统中，增强了系统的抗干扰能力，如图2所示。传输距离由光纤驱动电路的功率决定，只要功率足够大，传输距离就足够远，而且在传输过程中不受干扰。

图1 控制系统结构图

图2 光电转换模块

图3 模式切换模块

2.2 模式切换模块

模块组成框图如图2所示。Vout是来自远控的设置信号，the Voltage of the Digital Potentiometer是由上位机控制的数字电位器输出信号，the Voltage of the Handed Potentiometer是电源设备面板手操器输出的设置信号。通过设置P2.2，P2.3引脚电平值来切换工作模式，当P2.2输出低电平，P2.3输出高电平，此时是远控模式；P2.2输出低电平，P2.3输出低电平，此时是手操器模式，旋转手操器旋钮控制电源输出情况；P2.2输出高电平，P2.3输出低电平，此时是就地模式，上位机控制电源输出情况。这样就实现了三种控制模式的切换。

2.3 光纤模块

图5 采样电路组成框图

光纤电路包含：光纤接收器，光纤发送器，驱动电路及相关前级电路，核心部件是光纤发送器与光纤接收器，负责完成光信号与电信号之间的转换，选用安捷伦公司的hfbr2412与hfbr1414实现光信号通信，组成框图如图4所示。Hfbr1414[4]光发送器内部主要是一个发光二极管，配合驱动电路提供足够的电流实现电/光转换，驱动电流的大小直接决定着光信号的通信距离，距离计算公式可以参考datasheet中的说明，一般来说，电流越大，距离越远。Hfbr2412光接收器是将pin光检测器与前置放大器集成一体的器件，实现光/电转换，由于其内部是开漏输出，因此在电路设计时需要外接上拉电阻保证其正常工作。

图4 光纤通信组成框图

2.4 采样电路

根据设备系统控制要求，需要实时采样电压电流等的数值，采用的开关电源提供了采样信号接口。由于高频开关电源采样信号是高频脉冲，频率达到40 kHz，一般的运放由于带宽限制不能很好的处理，需要在前端增加滤波调理电路，滤除高频信号后再进行后续处理。除此之外，电流信号范围仅在0～150 mV，对AD采样芯片来说，输入信号范围越接近采样范围，精度越高。0～150 mV的输入范围对于AD采样范围来说无疑是太小了。引入霍尔电流传感器，将电流信号范围扩展到0～5 V来解决这个问题，电路组成框图如图5所示。采样信号相对于采样电路是外界信号，为了防止外界干扰混入内部系统[5-6]，利用光电耦合器件，阻断输入地与输出地，使干扰没有回路而被抑制。光电耦合器是一个非常重要的外围器件，我们可以充分利用它的输入输出隔离作用提高控制系统的抗干扰性。

3 软件设计

控制系统软件包括上位机与控制板下位机两部分。上位机控制软件为实验人员提供实时数据显示、输出控制等操作功能。它通过光纤构建的通信网络控制电源启停，调节电源实时输出值，采样高压缓冲器电源电压电流输出值，snubber温度并显示。下位机软件实现snubber电源输出信号的采样通信等功能。

3.1 上位机软件

上位机控制软件[7](P46-86)主要包括数据获取，数据显示，数据发送与数据保存等功能如下：

1)数据获取，数据来源于下位机采样获得的原始数据，包括snubber电源实时输出的电压，电流值和负载线圈的温度等。

2)数据发送，上位机向下位机发送控制信号控制snubber电源的工作情况。

3)数据显示，上位机实时显示snubber电源实时输出电压电流值和负载线圈温度。

上位机程序包括负责人机交互的主线程以及对串口进行处理的后台辅助线程等。主线程是上位机程序的管理者，它负责初始化串口，定义消息事件，创建，删除新线程，协调好各个线程的运行，做好人机交互操作。后台辅助线程是上位机程序的核心部分，它包含串口监控线程，读线程，写线程等，程序流程图如图6所示。

图6 上位机程序流程图

3.2 下位机软件

核心控制板上电复位后程序开始运行。首先进行初始化，包括晶振，IO端口，串行口，AD，工作模式等；初始化完成，系统处于就地控制模式，程序进入循环状态等待接收指令：串口标志位表示有数据到来，在规定时间内接收数据，判断数据是否正确后根据指令进行相应操作；定时器时间到，AD开始采样，采用多次求平均法提高数据精度。采样完成后进行温度收集，最后将AD采样与温度数值一同发送给上位机显示输出，为了保证上位机与下位机之间指令的正确理解，约定通信指令格式如:A B C D E，其中B取值：00 01 02 03 04 05，C取值：00 01 02 03 04 05 06 07 08 09，D取值：00 05。

A取值：02—控制数字电位器输出设定的电压值，此时B、C、D分别设定输出电压值的个位、十分位、百分位。

A取值：03—打开电源 此时忽略B C D 的取值。

A取值：04—关闭电源 此时忽略B C D 的取值。

A取值：05—切换就地控制模式，默认是就地控制模式,switch=0。

A取值：06—切换远程控制模式，switch=1。

A取值：07—切换到手操器控制模式。

E取值：0d—命令结束标志。

图7 下位机程序流程图

程序流程图如图7所示。基于C/C++的串口通讯调用CreateFile函数设置要打开的文件名称即串口逻辑名如“COM1”、“COM2”等来打开相应的端口。特别需要注意当出现有很多个串口的情况，如串口号大于COM9(不包含9)时，在C/C++编程中串口逻辑名称应写为“\\.\COMxx”，如串口10为“\\.\COM10”，在其他编程语言中应写为\.COMxx，否则会出现串口无法打开的错误。

4 实验

snubber的主要工作原理是利用其大电感限制电流的幅值，利用其等效电阻消耗系统储能以达到保护下游设备的作用。等效于在电路中加入电阻和电感的并联电路。由于电阻能消耗能量，电感能阻止电流的变化和减少电流变化的梯度，当故障电流突然产生时，代表能量大小的电流峰值和变化速率都减少，实现保护效果。如图8所示，无snubber情况下短路

图8 有无snubber对短路电流效果对比图

电流峰值约600 A，有snubber情况下短路电流峰值约400 A，可见，snubber对短路电流有一定的抑制作用，起到保护效果。

5 总结

snubber电源工作环境功率高达100 kV/10 MW,自身电源输出最大值为30 V/150 A，工作时必然会产生强的畸变磁场，对控制系统形成强烈的电磁干扰。采取光纤通信、隔离等一系列抗干扰措施后，电源控制系统正常工作，运行稳定，满足控制要求。

[1]王海田，李格，曹亮.EAST中性束注入器用高压缓冲器分析[J].强激光与粒子束，2010(6)：1373-1377.

[2]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.

[3]李伟，刘小宁，黄懿贇.EAST中性束注入器打火保护的缓冲器设计[J].高电压技术，2009(3)：667-671.

[4]陈正涛.光纤HFBR-1414发射器的驱动电路设计[J].国外电子测量技术，2010(29)：79-81.

[5]宫秀颖，邢铁飞.单片机软件抗干扰策略[J].科技创新与应用，2012(5)：36-37.

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

[7]龚建伟，熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信编程实践[M].北京：电子工业出版社，2004.

Snubber Power Control System Design for High Voltage

WANG Zhenfeng

(Instituteofelectricengineering,TonglingUniversity,Tongling244000,China)

A design of snubber power control system under high voltage environment is introduced in this paper. The software and hardware of power control system based on embedded technology is discussed. Based on consideration of reliability and scalability, system provides three kinds of control modes: RS-232 local control mode based on optical fiber isolation, power supply panel operator mode and remote control mode. According to system control requirements, host computer software, slave computer software and critical problem during the implementation are described. The experimental result shows that system can work reliably under high voltage of 50 kV and above. The system has a simple structure and large in anti-interference, which can meet the requirements of high anti-interference.

high voltage; system design; snubber

2016-06-22

王珍凤(1986-)，女，安徽铜陵人，助教，硕士，研究方向：通信系统设计。

TM91

A

1009-9735(2016)05-0059-04