磁铁电源技术（第二部分）

nullnull 四、直流稳定电源的工作原理和稳定性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 null概述： 电源技术的主要内容：电力电子器件、功率变换电路和控制系统。 电力电子器件和功率变换电路有多种不同的类型。 控制系统是为了保证不同种类电源的输出参量稳定，而需要采用的不同控制方式。 4. 反馈电路和设计方法null概述： 根据电源稳定输出量的不同，电源可以分为稳流电源、稳压电源、稳频电源、稳功率电源等。 根据自动控制原理，不同功能的稳定电源，其反馈参量、反馈装置是完全不相同的。 例如稳流电源其反馈参量为输出电流，反馈装置是串联在主回路中的电阻或直流传感器。而稳频电源的反馈参量为输出频率，反馈装置为频率－电压转换器等。 不同功能的稳定电源，其反馈电路的设计基本相同，遵循自动控制基本原理和方法。 4. 反馈电路和设计方法null概述： 对于各种变换电路的控制方式，我们可以归纳出下列三种： 相控方式：将控制信号幅值的变化转换成功率器件触发脉冲相位的变化。在整流电源或交流稳压电源中经常使用这种方式。 频控方式：将控制信号幅度的变化转换成功率器件触发脉冲频率的变化。在逆变电源中常用到这种控制方式。 脉宽调制控制方式：将控制信号幅度的变化转化成功率器件“导通时间比”的变化，在直流变换电路中常采用这种控制方式。 4. 反馈电路和设计方法null自动控制系统的基本形式开环控制系统闭环控制系统 4.1 稳定电源的基本结构null自动控制系统的基本形式双环控制系统 4.1 稳定电源的基本结构null稳定电源系统由以下几个基本环节组成： 给定环节(基准源)：用来提供基准信号Uref，一般是连续可调的高稳定度直流电压源(数字给定时，通过高分辨率DAC实现)。 检测环节(传感器)：检测环节用以测量稳定电源的输出量，并将其转换为反馈电压信号Uf。 比较环节：用以将反馈信号Uf与基准信号Uref进行比较，得出误差信号⊿u，送入校正环节。 4.1 稳定电源的基本结构null稳定电源系统由以下几个基本环节组成： 校正放大环节(调节器)：一方面用来改善电源系统的动态品质，另一方面用来放大误差信号，提高系统的稳定精度。多用比例-积分(PI)或比例-积分-微分(PID)调节器。 执行环节：比如可控硅电源 ，执行环节就是带触发器的晶闸管。根据调节器送来的信号Ut，控制晶闸管的触发角a以改变负载电压，是执行调节输出的环节。 调节对象：稳定电源的调节对象指由稳定电源供电的负载。 4.1 稳定电源的基本结构null自动控制系统的特点： 在开环系统中，只有输入量对输出量产生控制作用；从控制结构上来说，只有从输入端到输出端从左到右的信号传递通道（该通道称为正向通道）。闭环控制系统中除正向通道，还必须由从右至左、从输出端到输入端的信号传递通道，使输出信号也参与控制作用，该通道称为反馈通道。闭环控制系统就是由正向通道和反馈通道组成的。 为了检测偏差，必须直接或间接地检测出输出量，并将其变换为输入量相同的物理量，以便与给定量相比较，得出偏差信号。所以闭环系统必须有检测环节、给定环节和比较环节。 闭环控制系统是利用偏差作为控制信号来纠正偏差的，因此系统中必须具有纠正偏差的执行机构。闭环系统是靠放大了的偏差量来推动执行机构，进一步对控制对象进行控制。只要输出量与给定量之间存在偏差，就有控制作用存在，力图纠正这一偏差。由于反馈控制系统是利用偏差信号作为控制信号，自动纠正输出量与其期望值之间的误差，因此可以构成精确的控制系统。 4.1 稳定电源的基本结构null对反馈控制系统的基本要求： 一个反馈控制系统，当扰动量或给定量发生变化时，被控制量偏离了给定量而产生偏差，通过反馈控制的作用，经过短暂的过渡过程，被调量又趋于或恢复到原来的稳定值，或按照新的给定量稳定下来，这时系统从原来的平衡状态过渡到新的平衡状态。我们把被控量处于变化状态的过程称为动态或暂态，而把控制量处于相对稳定的状态称为静态或稳态。 一个反馈系统的稳态性能用稳态误差来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示。稳态误差指系统达到稳态时，输出量的实际值和期望值的误差。对于一个恒值控制系统，稳态误差指扰动作用下，被控量在稳态下的变化量；对于一个随动系统，指在稳定追随过程中，输出量偏离给定量的大小。 暂态：单调过程，衰减振荡过程、持续振荡过程、发散振荡过程 4.1 稳定电源的基本结构null假设稳定电源是晶闸管稳压电源，以其为例简单分析其工作过程： 基准电压Uref与电压反馈信号Uf进行比较，得到误差信号⊿u；误差信号经调节器放大后，得到控制电压Ut；Ut控制执行环节，即控制触发电路，改变晶闸管的触发角a，使输出电压USC变化。当基准电压为某一个给定值时，负载电压稳定在某一相应值上。调整基准电压，就可以得到我们所需的稳定的负载电压值。 4.2 稳定电源的工作原理null假设稳定电源是晶闸管稳压电源，以其为例简单分析其工作过程： 稳压电源抗扰动的调节过程：当基准电压Uref是一固定值时，负载电压USC有一个相应的稳定值。假如这时电网波动，使负载电压USC下降，则电压传感器送往比较环节的反馈信号Uf随之减小。由于Uref不变，误差信号⊿u就会增大。于是调节器输出的控制电压Ut随之增大，导致晶闸管触发角a前移，整流器输出电压升高，当负载电压恢复到接近原稳定值时，自动调节过程结束。 稳流电源、稳功率电源等与稳压电源的调节过程完全相同，只是检测环节所检测的信号不同而已。 4.2 稳定电源的工作原理null电源闭环调节的 主要目的是克服外界扰动，提高系统稳定性。因此调节器的设计要考虑外界扰动的类型及它们对所要控制量即受控量的影响。加速器磁铁电源设计时主要考虑的因素有： 磁铁负载的电阻随温度变化的漂移：当负载电阻发生变化时，同样大小的负载电压所给出的负载电流将发生变化，影响电流的稳定。 电网波动：电网允许的波动范围为±10％，例如用电高峰或低谷时引起的电网波动。 另外，电源工频整流的输出带有低频纹波，也将影响电源系统的性能。 针对上述几类主要扰动，同时考虑到加速器电源的磁铁负载为惯性负载，电源的闭环调节一般采用双环调节。一个调节环用来纠正磁铁负载的温度带来的影响，保证电流输出的稳定度；另一个控制环对频率高的纹波进行处理，用来纠正电网波动及电源工频整流输出的纹波。 4.2 稳定电源的工作原理null下图显示了磁体电源闭环调节系统的控制框图。IC为电路调节器，IF为电流反馈；UC为电压调节器，UF为电压反馈；UFD表示电压前馈；Kc表示主回路，FL为滤波器，RL为负载。这样UC和UF组成一个内部闭环，称之为电压环或内环；IC和IF组成一个大的闭环，称之为电流环或外环。 电压环完全置于电流环内。因为经整流输出的电压其纹波的特征频率一般为几百Hz，相对于负载电阻温度漂移的缓慢变化量快很多。为达到抑止电压纹波的作用，要求电压环的通频带比电流环宽即电压环的截止频率比电流环高。所以电压环响应快，动作灵敏；相对而言电流环的响应要慢。 4.2 稳定电源的工作原理null自动控制系统的数学描述： 按自动控制系统主要元件的特征方程式的特征，可分为线性控制系统和非线性控制系统。 线性定常系统的微分方程描述：特点：叠加性和齐次性 4.3 自动控制系统的数学描述null自动控制系统的数学描述： 分析自动控制系统的性能，最直接的方法就是求解微分方程，取得被控量在暂态过程中的时间函数曲线r(t)，根据r(t)评价系统性能。 拉氏变换是求解微分方程的简介方法，将以时间t为自变量的微分方程变换为以s为变量的代数方程。 4.3 自动控制系统的数学描述null自动控制系统的数学描述：输出量的拉氏变换：这里G(s)称为系统的传递函数。 4.3 自动控制系统的数学描述null自动控制系统的数学描述： 传递函数的定义：零初始条件下，线性系统输出量拉氏变换与输入量拉氏变化之比： 4.3 自动控制系统的数学描述null 4.4 稳定电源系统的稳态误差分析稳定电源系统的结构图：稳定电源系统的稳态误差： 第一类：与电源系统的类型及输入信号有关，称为静态误差(简称静差)，它包括给定静差和扰动静差。 第二类：由于采用装置、调节器、基准源等漂移引起的，系统无法克服的误差。null 4.4 稳定电源系统的稳态误差分析稳定电源系统的结构图：由于电源系统可以近似认为是线性系统，所以扰动、给定量变化及其它因素所引起的输出量的变化的误差在输出端是可以叠加的。 为便于分析，在讨论给定静差时，先令扰动信号U2(s)=0； 讨论扰动静差时，则令给定信号Uref(s)=0。null给定误差：令扰动信号U2(s)=0，且不考虑其它因素影响 系统开环传递函数： 4.4.1 与系统结构类型相关的静态误差G1(s)：调节器及执行环节的传递函数 G2(s): 负载传递函数 H(s)： 采样装置的传递函数 系统闭环传递函数： 误差信号：null给定误差：令扰动信号U2(s)=0，且不考虑其它因素影响 根据拉普拉斯终值定理： 4.4.1 与系统结构类型相关的静态误差 系统开环传递函数的一般形式： K: 系统开环增益 Ti ，ti ：时间常数 式中sN表示开环系统有N个积分环节。习惯上用N来划分系统的类型，N=0称为零型系统，N=1称为1型系统，N=2称为2型系统。null给定误差：令扰动信号U2(s)=0，且不考虑其它因素影响 单位阶跃函数输入：Xr(s)=1/s 4.4.1 与系统结构类型相关的静态误差 单位斜坡输入：Xr(s)=1/s2null直流稳定电源：一般采用阶跃或斜坡输入 阶跃输入(如：Knob）：系统为1型或者1型以上系统时，给定位置静差为零； 斜坡输入（如：Ramping)：1型系统，给定速度误差与开环增益反比； 一般地：电源的调节器设计成1型系统。 4.4.1 与系统结构类型相关的静态误差null 4.4.1 与系统结构类型相关的静态误差扰动静差：令给定信号Uref(s)=0，且不考虑其它因素影响 由扰动引起输出量的偏差称为扰动静差。电网扰动、负载扰动等综合为U2(s)，电源系统对扰动的简化结构图：系统相对于扰动的传递函数：null扰动静差：令给定信号Uref(s)=0，且不考虑其它因素影响 4.4.1 与系统结构类型相关的静态误差 G2(s)是负载的传递函数，它一般是一个惯性环节（如磁铁负载）或比例环节（如电阻）。null可以看出：1型和高于1型的系统扰动静差为零，零型系统的扰动静差为K1/(1+K)。 从静差设计的角度考虑：设计稳定电源时，最好采用1型和高于1型的系统。 但由于2型和高于2型的系统超调大，不易稳定，因此稳定电源多数设计为1型或零型系统。 1型系统理论上是无静差的，但是实际上理想的积分器很难做到，实际的系统只能近似地等效为1型系统。所以电源系统设计时，还要在电源稳定的条件下尽可能增大开环增益，以减小电源系统的静差。 4.4.1 与系统结构类型相关的静态误差null 4.4.2 其它因素引起的稳态误差稳定电源工作时，还有一些因素会引起输出稳态误差，闭环系统的调节器无法克服这类误差。当不考虑给定和扰动静差影响，稳态时闭环控制系统的简化结构图为：其输入-输出关系可用下式表示：null其它因素引起的稳态误差： 4.4.2 其它因素引起的稳态误差可以看出：输出量与Uref、U3（Uref为给定量， U3为调节器输入端等效漂移电压）成正比，与反馈系数H成反比。由于这些量引起的稳定电源误差为：null其它因素引起的稳态误差： 可以看出影响电源稳定度而闭环调节器又无法克服的误差主要有三项： 4.4.2 其它因素引起的稳态误差基准源的偏差dUref: 它表示基准源不稳定而发生变化时，将直接影响电源的稳定度。因此一般要求基准源的稳定度要比稳定电源的稳定度高半个数量级。 采样偏差dH：当采用装置反馈系数变化时，检测出的反馈信号不能真实地反映输出量而使电源的输出量出现误差，从而影响电源的稳定度。因此在设计采样装置时，要选用温漂小、稳定性好的传感器。对于高稳定电源来说，尤为重要。 null其它因素引起的稳态误差： 可以看出影响电源稳定度而闭环调节器又无法克服的误差主要有三项： 4.4.2 其它因素引起的稳态误差调节器中放大器及其输入电阻的时漂、温漂引起的偏差dU3：在调节器中，运算放大器的失调电压、失调电流的时漂、温漂及其输入电阻不稳定，都将使电源的输出量随之漂移而直接影响电源的稳定度。因此，在设计稳定电源的调节器时，必须选用高增益、低温漂、高输入阻抗的运算放大器，必要时还要选用高精度电阻作为运算放大器的输入电阻和调零电阻，并对调节器采用恒温措施。 null其它因素引起的稳态误差： 可以看出影响电源稳定度而闭环调节器又无法克服的误差主要有三项： 4.4.3 其它因素引起的稳态误差调节器中放大器及其输入电阻的时漂、温漂引起的偏差dU3：在调节器中，运算放大器的失调电压、失调电流的时漂、温漂及其输入电阻不稳定，都将使电源的输出量随之漂移而直接影响电源的稳定度。因此，在设计稳定电源的调节器时，必须选用高增益、低温漂、高输入阻抗的运算放大器，必要时还要选用高精度电阻作为运算放大器的输入电阻和调零电阻，并对调节器采用恒温措施。 null例 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：有一台晶闸管相控稳压电源，输出电压为100V，电流为500A，其简化结构图如下示。各环节的传递函数为： 4.4.3 其它因素引起的稳态误差null解： 4.4.3 其它因素引起的稳态误差null概述： 稳定电源正常工作时，输出量保持在某一稳定值，系统处于平衡状态。 如果这时受到一种扰动量（如电网波动）的作用，在扰动量消失后的一定时间内，输出量能够足够的准确度恢复到原来的稳定值上，这个系统就是稳定系统。 如果受到扰动量作用后，输出量不能恢复到原来的稳定值，或者一开机输出量就不能跟踪基准值变化，使系统处于持续振荡或者饱和状态，这个系统就是不稳定的系统。 为了分析一个稳压（或稳流）电源系统的稳定性，介绍两种最常用的判别方法。 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析null时域分析法：劳斯判据 一个线性系统可以用微分方程来描述。已知系统的微分方程，可以写出它的特征方程，系统稳定的充分必要条件是：系统特征方程的根全部具有负实部。 设系统的特征方程为： 劳斯阵列：第一列的所有值为正值 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析null时域分析法：劳斯判据 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析null例：设有系统如下图示，要求用劳斯判据确定K的稳定范围。 解：系统闭环传递函数： 系统特征方程： 劳斯阵列： 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析null频域分析法： 系统的频率特征：在正弦信号作用下，线性系统的稳态输出量与输入量的复数比叫系统的频率特性。系统幅相频率特性可以表示为： A(w)和f(w)都是角频率w的函数，当输入信号角频率w变化时，系统输出信号的幅值和相位都会发生变化。不同系统的频率特性是不一样的。 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析系统频率特性系统传递函数系统微分方程系统的频率特性、传递函数、微分方程三者的关系null频域分析法： 对数幅频相频特性：将系统的幅频特性曲线和相频特性曲线画在对数坐标图上（横坐标w轴为对数坐标轴，纵坐标为比例坐标轴），分别称为对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线。该图又称为伯德(Bode)图。 当A(w)增大10倍，增益L(w)增大20dB。当w增大10倍时，对数坐标图中横坐标增大一个单位长度，这个单位长度称为“十倍频程”，通常用“dec”表示。 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析null对数幅频相频特性：伯德(Bode)图 一般的控制系统由n个环节串连组成： 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析null例：已知开环系统的传递函数如下，试画出其开环对数频率特性曲线。 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析解：该系统的频率特性：比例环节：积分环节：惯性环节：null例：已知开环系统的传递函数如下，试画出其开环对数频率特性曲线。 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析解：绘制方法：可以用叠加法在对数坐标图上绘制系统的相频特性曲线。null例：已知开环系统的传递函数如下，试画出其开环对数频率特性曲线。 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析解：系统开环对数幅相频率特性曲线（Bode）图：null例：已知开环系统的传递函数如下，试画出其开环对数频率特性曲线。 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析解：系统开环对数幅相频率特性曲线（Bode）图：G1=10; G2=tf(1,[1 0]); G3=tf(1,[0.5 1]); G4=tf(1,[0.1 1]); G=G1*G2*G3*G4; Bode(G);计算机辅助分析:null对数稳定判据：对数稳定判据是根据系统的开环对数频率特性曲线来判断单位反馈闭环系统的稳定性的判据。 在L(w)＝0时的频率的f(w)与-180o线之间的角度差是相角稳定裕量，用g表示。 在f(w) = -180o时的频率的L(w)的分贝数前加一个负号就是系统的增益稳定裕量KM。 如果系统开环传递函数的相角和增益裕量都是正值，则系统闭环是稳定的。 4.4.4 稳定电源系统的稳定性分析a) 闭环稳定系统 b) 临界稳定系统 c) 闭环不稳定系统null常见电路的传递函数 附录： 常见电路的传递函数RCL复阻抗传递函数null常见电路的传递函数: 附录： 常见电路的传递函数RCUiUo一阶极点：R=1e4;C=1e-9;null常见电路的传递函数: 附录： 常见电路的传递函数CUiUoLR二阶极点：L=1e-6;C=1e-4;R=0.02null 附录： 常见电路的传递函数null 五、BEPCII储存环磁铁稳流电源简介null电力电子系统： 由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。电力电子器件在实际应用中的系统组成 5. BII储存环磁铁稳流电源简介null电力电子系统： 加速器磁铁稳流电源 设计主回路工作方式（电源拓扑结构） 设计闭环反馈控制系统 以保证电源电流稳定度、电压纹波等的要求。 5. BII储存环磁铁稳流电源简介nullBEPCII储存环及输运线，共有稳流电源400余台。 功率在200KW～300KW之间的电源 ：主要用于储存环导航磁铁（B铁）以及对撞区双孔径聚焦磁铁（特种Q铁） 12相带中心二极管的可控硅整流电源 24相带中心二极管的可控硅整流与Chopper组合而成的电源 对于功率在6KW～30KW之间的电源：主要用于储存环聚焦磁铁（Q铁）和超导磁铁 主要是以 Chopper电源为主， 对于功率在3KW以下的电源：用于储存环及输运线的校正磁铁和输运线聚焦磁铁 它们是以DC/DC半桥或全桥变换开关电源为主，； 对于实验室使用的磁铁磁场测量电源，由于对各项技术指标的精度要求较高，我们采用是线性控制电源结构。 5.1 BII对磁铁稳流电源的基本要求nullBEPCII对于上述电源有以下要求： 电流稳定度高： 电源电流稳定度 ： 电流稳定度计算公式为： 输出电流能够大范围调节: 要求磁铁电源的输出电流能够从零至额定值之间平滑调节，并在额定输出值的20％～100％之间的任意一点，电流值的稳定度都能满足设计要求。 5.1 BII对磁铁稳流电源的基本要求nullBEPCII对于上述电源有以下要求： 低的输出电压纹波 ： 所有电源输出电压纹波均要满足: 良好的冷却系统 : 6KW以上的电源功率器件均采用水冷却，3KW以下的电源则采用强迫风冷。 所有电源都带有计算机控制接口，要能通过计算机控制，在中央控制室实现: 对输出电流的调整； 对电源的开、关机操作； 显示电源的工作状态和参数，包括： 电源控制方式（本地或远控）及电源开、关机状态显示。 输出电流、电压显示。 电源故障报警及显示（包括：过流、过压、欠压、过温、断水）。 5.1 BII对磁铁稳流电源的基本要求nullBEPCII对于上述电源有以下要求： 完善的自我保护系统 电源本身保护系统包括：过流保护；过压、欠压保护；断水、过温保护；负载过温断电保护。 要求设计制造的电源质量高、机械设计合理 对于大型加速器来说，通常每个工作周期需要连续工作数月或更长。 例如BEPC通常每年要连续运行9个月以上。这就要求每台电源在连续工作的9个月里不能出现故障或尽量少出故障。 因此在电源制造过程中，要严格把好质量关。同时电源内部布局及机械设计要合理，使得维修人员能够在电源出现故障时，迅速、方便的维修或更换器件。 5.1 BII对磁铁稳流电源的基本要求null以下介绍BEPCII中使用的B铁KYS系列可控硅稳流电源工作原理： 除主回路之外，其控制回路的主要设计思想，也适用于用其他形式主回路构成的稳流电源的控制回路。 KYS系列可控硅稳流电源采用了三环（电压环、电流环、反馈纹波环）闭环快速调节稳流方案。下图为其系统方框图。 5.2 BII典型稳流电源介绍null以下介绍BEPCII中使用的B铁KYS系列可控硅稳流电源工作原理： 下图为其工作原理示意图 。 5.2 BII典型稳流电源介绍null以下介绍BEPCII中使用的B铁KYS系列可控硅稳流电源工作原理： 主回路： 从工作原理示意图可以知道，主回路是由两组三相可控硅全控整流电路串联组成的，它们分别由两个外延三角形变压器供电，两个整流变压器的次级相位差30电角度。从而形成了12相整流电路。 为了减低可控硅在大触发角时的输出电压纹波，每个整流桥还采用了带中心二极管的三相整流电路。 为了使负载中的电流纹波降低到电流稳定度所能允许的范围，主回路中加入了由L、C1、C2、R6组成的LCR滤波器，用来衰减12相整流产生的最低次600Hz纹波分量。 5.2 BII典型稳流电源介绍null以下介绍BEPCII中使用的B铁KYS系列可控硅稳流电源工作原理： 控制回路： 控制电路是由给定电源、纹波反馈电路、电压调节（反馈）电路、电流调节（反馈）电路、电流反馈元件DCCT及可控硅触发电路等组成。 电流调节电路：该电路的作用是用来抑制电源环境温度变化或者负载温度变化引起的输出电流的慢变化。 电压调节电路：当电源工作时，对电源的各种干扰扰动量中，除了由电流调节电路所克服的温度引起的扰动之外，交流供电电网电压的变化，也是稳流电源的主要扰动源。因此，我们将电压反馈调节电路放在电流调节环内，当电网电压波动时，就可以通过电压反馈调节电路，及时地调整可控硅导通角进行整流电压调节，而不必等到影响输出电流后才有所反应。 5.2 BII典型稳流电源介绍null以下介绍BEPCII中使用的B铁KYS系列可控硅稳流电源工作原理： 控制回路： 纹波反馈电路：由于三相交流输入电网电压幅值不平衡或者相位不对称，以及整流变压器、整流器各桥臂的不平衡或者不对称等因素，将会造成在12相整流器输出电压中，除去整流频率基波（600Hz）及其高次谐波外，还存在50Hz、100Hz、150Hz等分谐波。为了抑制这些分谐波，可以采用由带通滤波器组成的纹波反馈电路，从整流桥口将这些分谐波选出，再反馈到可控硅触发器的输入端，使得分谐波得到抑制。 电流反馈元件：即零磁通直流传感器（DCCT）。零磁通直流传感器的作用是检测输出电流，并将电流值转换成对应的电压值作为电流反馈参量送到电流调节回路。因此它是稳流电源的关键部件。实际上零磁通直流传感器本身就是一台精密仪器，通常它的零点漂移每年≤1PPM。所以，往往一台零磁通直流传感器的价格高于电源本身的价格。 触发电路：负责向可控硅提供有序的触发脉冲，同时根据接收的反馈信号不断地调整触发脉冲的相位。一般采用已商业化的集成移相触发器。 5.2 BII典型稳流电源介绍null 5.2 BII典型稳流电源介绍3＃电源厅（共安放了181台电源）null对于高精度电源输出特性的度量单位通常使 PPM PPM：Part Per Million = 10-6 = 2-20 (20 bit) 精度概念（Precision）：稳定电源的精度应包含 准确度 (Accuracy) 稳定度 (Stability) 重复性（Reproducibility） 分辨率（Resolution） 高精度稳流电源： 术语：额定电流值（I Nominal）， 正常工作的最大电流值 5.3 稳定电源术语定义null高精度稳流电源： 准确度 (Accuracy) 定义：在运行和环境条件允许的变化范围内，在特定的时间范围里，实际工作电流值与测量值之间的不一致性。准确度用I Nominal 的 ppm 表示，见下图。 对于大型加速器来说，需要不定期地校正每台电源实际工作电流值与测量值之间的不一致性，使得两者间的误差达到所允许的范围内。 5.3 稳定电源术语定义null高精度稳流电源： 稳定度 (Stability) 定义：在运行条件没有任何变动的情况下，在特定的时间范围内，电流值的最大偏差量。稳定度用 I Nominal 的ppm表示，见下图。 5.3 稳定电源术语定义null高精度稳流电源： 重复性 (Reproducibility) 定义：在没有对电源DCCT和 ADC进行任何人为的扰动的情况下，同一台电源在同一给定值（基准值）下，在特定的时间范围内多次重复运行（cycle to cycle），其输出电流与前一个工作周期相应的输出电流值间的偏差。重复性用 I Nominal 的 ppm 表示，见下图。 5.3 稳定电源术语定义null高精度稳流电源： 分辨率 (Resolution) 定义：允许增加和辨别的最小电流值。分辨率用I Nominal 的 ppm 表示，它与DAC、ADC系统有直接的关系。下图是以一台2kA、分辨率要求为100 ppm 稳流电源为例，来说明分辨率概念。 5.3 稳定电源术语定义null零磁通电流转感器是用来测量直流电流的测量装置，它具有较宽的频带（10kHz～100kHz）。 零磁通电流转感器被广泛地应用在加速器磁铁稳流电源中，它的性能好坏直接影响电源输出电流的稳定性。 对于一台高精度的磁铁稳流电源，零磁通电流转感器是不可缺少的装置。 DCCT: Direct Current Current Transducer 电流型DCCT: 输出电流；current transfer ration， 如 1:1000 电压型DCCT: 输出电压；output voltage at rated current，如100A/10V 5.4 关键部件和系统-DCCTnull工作原理： DCCT 由两个主要部分组成——测量元件和电子学总成。测量元件是一个安装在电源输电缆上的环状磁环。 测量元件的测量原理是基于在穿过磁环的初级绕组W1产生的磁通和绕在磁环上的次级绕组W2产生的磁通之间获得精确的磁通平衡，这个平衡点就是零磁通。即此时磁环中等效磁通为零。 当磁环的磁通发生任何变化时（例如，初级绕组W1中电流发生变化），将在检测绕组W3上产生感应电压信号，再把这个信号馈送到功率放大器并产生电流送到次级绕组W2，并在W2中产生一个反向磁通来抵消由W1引起的磁通变化，从而达到新的磁通平衡点。 5.4 关键部件和系统-DCCTnull工作原理： 5.4 关键部件和系统-DCCTnull 5.4 关键部件和系统-DCCT使用中的DCCT nullBEPCII电源稳定度测试系统（以下简称PSDAS，Power Supply Data Acquisition System）对BEPCII储存环上近400台磁铁电源进行巡检和稳定度测试。 采用微型封闭式继电器作为选通方式，以8台电源作为一个单元，用一个模数转换器ADS1210，并占用一个CAN总线的ID号，构成8通道的数据采集板。通过CAN总线将BEPCII储存环分布于各厅的电源系统组成一个网络进行稳定度测试。输运线的电源巡检系统采取同样的控制方式。 5.4 关键部件和系统-电源巡检系统null BEPCII电源巡检系统的主要构成包括： 上层数据采集和存储采用PC机＋NI公司的CAN智能数据采集卡PCI-CAN2.0，人机界面采用NI公司的Labview软件设计。 电流值的回采数据及电源稳定度的计算值实时显示在PC机上，并以文件形式存储，以便于数据的分析和绘制稳定度测试曲线。 以51系列单片机P89C61X2为8通道数据采集板的控制核心，控制模数转换器和CAN总线控制器。 5.4 关键部件和系统-电源巡检系统null 电源稳定度测试系统的设计包括软件和硬件设计。硬件设计主要是8通道数据采集板的设计，软件设计包括8通道数据采集板的单片机程序设计及上层通过CAN总线进行数据采集、存储和分析的LabView程序设计。 5.4 关键部件和系统-电源巡检系统null BEPCII电源巡检系统的测试：目前该系统已投入BII使用1.2286×10^-51.5811×10^-5 5.4 关键部件和系统-电源巡检系统null BEPCII电源稳定度测试系统遇到的问题和解决办法： 总线长距离通讯问题 绝对精度：进行系数校正（以ADC的线性度满足要求为前提） 5.4 关键部件和系统-电源巡检系统null BEPCII电源稳定度测试系统: 8ch数据采集盒 5.4 关键部件和系统-电源巡检系统null BEPCII电源稳定度测试系统: 上层数据采集LV程序界面 5.4 关键部件和系统-电源巡检系统null北京正负电子对撞机储存环磁铁线圈温度保护系统于2000年8月研制完成（以下简称MTPS，Magnet Temperature Protection System）。该系统以欧姆龙（OMRON）的可编程控制器为控制核心，保护BEPC161块通水循环冷却磁铁，给32台电源提供磁铁线圈温度保护信号。经过近4年的运行证明，该系统准确、可靠地实现磁铁线圈温度保护功能。 BEPCII采取双环结构，故隧道磁铁的数目增长近一倍，磁铁线圈供电电源的数目也发生很大变化。为更好的发挥BEPC MTPS系统的功效，BEPCIIMTPS系统保持原有的控制框架（即采用OMRONPLC控制），在此基础上实现系统的扩展及监控功能的完善。 5.4 关键部件和系统-铁温保护系统null磁铁温度保护系统实现如下功能: 采集储存环近340块通水冷却磁铁的温度信号。 如果储存环发生磁铁超温，必须准确可靠地向控制该磁铁的电源发送“磁铁过温”连锁信号；且该连锁信号不允许自动复位。 磁铁与电源系统通过磁铁温度保护系统互锁，即温度保护系统不工作时磁铁电源系统无法开主回路。 具备完善的显示和监控功能。不仅包括储存环，还包括输运线的磁铁温度保护系统，本地和远地（中央控制室）都可以方便而简洁地显示和监控。 5.4 关键部件和系统-铁温保护系统null 磁铁温度保护硬件框图： 磁铁温度保护PLC配置框图：BEPCII MTPS 系统以OMRONPLC为控制核心，保护全环近340块通水冷却磁铁，给控制这些磁铁负载的电源发送常闭型的“外部故障”触点信号（说明：BEPCII储存环的所有磁铁电源接收的磁铁线圈温度保护信号均要求为常闭型触点信号；同时统一命名为“外部故障”信号）。BEPCII储存环的116台Q铁电源、36台S铁电源、8台SKQ电源和1台Qsr电源均采用10台CHOPPER+1台直流源（DC SOURCE）的拓扑结构，这些电源所控制的磁铁线圈温度保护信号只需送至直流源。隧道各区设置一个温控采集箱，即汇总该区内环和外环的磁铁线圈的温度保护信号；J2端子排实现电源厅和储存环隧道输入信号的分隔；J3端子排实现PLC输出与电源磁铁线圈温度保护输入信号的分隔。 5.4 关键部件和系统-铁温保护系统null 磁铁温度保护系统：目前该系统已投入BEPCII使用 5.4 关键部件和系统-铁温保护系统null 系统软件的设计和研发分为以下几个部分：PLC梯形图程序，NS-Designer触摸屏程序，及开物2000组态软件程。 5.4 关键部件和系统-铁温保护系统null 系统软件的设计和研发分为以下几个部分：PLC梯形图程序，NS-Designer触摸屏程序，及开物2000组态软件程。 5.4 关键部件和系统-铁温保护系统null 六、全数字化电源的研究和设计null国内外数字化电源的研究现状 6. 全数字化电源的研究和设计瑞士光源全数字化电源简介全数字化电源设计实例简介null磁铁电源的主回路结构有多种类型，但是电源的控制结构是类似的。模拟控制回路数字控制回路 国内外数字化电源的研究现状null模拟控制和数字控制两个系统最大的区别在：数字控制系统的分辨率不再取决于提供模拟参考值的DAC，而是依赖于对电流传感器的输出进行模数转换的ADC。 国内外数字化电源的研究现状null随着数字信号处理技术的发展，国内外的加速器实验室已经或拟将采用数字化电源。下图为瑞士光源SLS的数字化电源结构框图。瑞士光源500多套磁铁电源全部安装了DSP-Card和ADC/DAC-Card，是国内外首个实现整个电源系统全数字化控制的加速器实验室。 电源的数字控制器包括数字信号处理板DSP-Card和模数数模转换器板ADC/DAC-Card。 DSP-Card是数字控制器的核心，采用了浮点型的数字信号处理器，即AD公司的SHARC DSP ADSP-21065L。 数字调节器在DSP中实现；脉宽调制PWM信号，数字I/O的扩展，及通讯功能通过FPGA（AlteraFlex10K）控制。 ADC/DAC-Card的控制通过多个CPLD（AlteraMAX7000EPM7064）实现。 国际上数字化电源的研究现状－SLSnull欧洲核子中心在建的大型强子对撞机LHC，其主超导磁铁电源采用了数字电源的控制方案。该电源的稳定度要求很高，如果利用模拟控制的方式，模拟电源控制中实现电流给定参考的DAC难以达到控制精度的要求。所以该磁铁电源采用了数字化的电流环控制。TI公司的浮点型数字信号处理芯片 DSP TMS32032 实现调节器的控制算法；16位单片机MotorolaMC68HC16Z1处理通讯接口及实现功能扩展。该电源没有实现完全的数字化控制，电压闭环仍采用模拟控制的方式。 国际上数字化电源的研究现状－LHCnull瑞士光源的数字化电源均为硬开关型的拓扑结构。针对带有源滤波器的可控硅电源，CERN研发了数字化的控制和调节系统。电源的结构框图如下所示，主要包括12相可控硅整流，及一个双向晶体管阵列作为串行的有源滤波器。数字控制和调节系统包括两块DSP卡即DSP#1和DSP#2，模数和数模转换器卡，及数字化的可控硅门极控制卡。DSP#1控制可控硅桥以保持整流后电压的恒定，DSP#2实现电流闭环控制，为加快调节速度还设计了前馈控制。 国际上数字化电源的研究现状－CERNnull国内外数字化电源的研究现状 6. 全数字化电源的研究和设计瑞士光源全数字化电源简介全数字化电源设计实例简介nullGeneral Overview 瑞士光源全数字化电源简介nullGeneral Overview 瑞士光源全数字化电源简介null1.1 System Structure 瑞士光源全数字化电源简介null1.2 Data Acquisition Card 瑞士光源全数字化电源简介null1.2.1 Resolution and stability 瑞士光源全数字化电源简介null1.2.1 Linearity and temperature sensitivity 瑞士光源全数字化电源简介null1.3 DSP-FPGA controller card 瑞士光源全数字化电源简介nullCommunication links Two independent communication links are implemented on the PSI controller card: Bidirectional Optical Link: This link is designed for the connection to the overlaid control system. Normally the link is configured with 5Mbaud speed and with 5Mbaud speed and with biphase modulation (Manchester Encoding) RS232 service link for local operation The communication is based on 256 readable or/and writable communication registers. 瑞士光源全数字化电源简介nullCommunication links 瑞士光源全数字化电源简介nullHardware 3.1 Digital IOs 瑞士光源全数字化电源简介null 瑞士光源全数字化电源简介null 瑞士光源全数字化电源简介null 瑞士光源全数字化电源简介null 瑞士光源全数字化电源简介null 瑞士光源全数字化电源简介-ADC(CS5101)1,2,3,4 +/-5V All four ADC are connected in parallel for I_Out, 100kHz sampling -ADC channel 5,6 for DC link voltage measurement, +/-10V -ADC channel 7,8 Load voltage measurement, +/-10V -DAC 1,2 +/-5V selectable by user, just monitoring -Digital Input 24V 16 channels HCPL-2400 -Digital Output 24VDC 8 channels SHARP PC856(800mA) I/O Signalsnull 瑞士光源全数字化电源简介Interface signals with Inverter section-PWM signal Analog input .Current, dc link voltage, output voltage -Digital input and outputnull 瑞士光源全数字化电源简介Controller-Ziegler-Nichols principles for PI tuning -Feed forward for DC link ripple compensation Integrator Anti-windupnull 瑞士光源全数字化电源简介Controller: Control loop vs. PWM frequencynull 瑞士光源全数字化电源简介Monitoring and diagnostic functions Digital Signalsnull 瑞士光源全数字化电源简介Monitoring and diagnostic functions Analog Signalsnull 瑞士光源全数字化电源简介Monitoring and diagnostic functionsnull 瑞士光源全数字化电源简介Monitoring and diagnostic functionsnull 瑞士光源全数字化电源简介System Configurationnull 瑞士光源全数字化电源简介Digital PS performance:-ADC high resolution(parallel 16bit over sampling and average, over 18bit) -PWM high resolution ( Pulse Repetition Modulation, PRM+PWM) -Math calculation speed(much enough for DSP speed)null国内外数字化电源的研究现状 6. 全数字化电源的研究和设计瑞士光源全数字化电源简介全数字化电源设计实例简介null数字化高精度稳流电源的研制，关键技术包括以下几部分： 数字调节器的控制算法 高精度数字脉宽调制信号 高精度模数和数模转换器 远控通讯接口的选择 数字信号处理系统部件的选择 数字化电源的设计和实现－关键技术null数字调节器的控制算法是影响数字电源性能的关键因素之一。数字PID控制是一种普遍采用的控制算法，如瑞士光源的全数字化电源，其数字控制器采用了PID算法。非理想微分作用的PID控制器离散化表达式比例环节：即时成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T_i，T_i越大积分作用越弱，反之越强微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大前在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间 关键技术1－数字调节器控制算法 (PID)nullR.S.T control: Tracking and Regulation with independent objectives独立对象的跟踪和调节跟踪：调节：Feed-Forward 关键技术1－数字调节器控制算法 (RST)null 从以上分析可以看出，在独立对象跟踪和调节的RST控制器中，R、S和T这三个z-1 多项式建立在被控对象建模的基础上。目前已有商业软件“PIM/PC-REG”，只需输入被控对象的模型参数及一些必要信息即可得到所有多项式的系数。如果不借助于商业软件，这些系数的计算过程非常复杂，而且对于不熟悉该算法的使用者来说，系数的含义不直观。 对于特殊负载或特殊要求的电源使用该算法有一定的优势，但对于常规的电源设计来说，PID控制算法不仅简单易用，且各个参数的含义可以很直观的与模拟系统联系起来，方便使用者根据不同的被控对象进行参数调节。因此，我们的数字电源其调节器的控制算法采用了PID控制算法。通过实践证明，该算法完全可以达到我们的控制要求。 关键技术1－数字调节器控制算法 (选择)null 对于特殊电源如超导磁铁电源，其负载时间常数很大。数字PID调节器的设计中，电流环的时间常数不可能设置得与负载时间常数相等，而是小很多，从而容易引起系统的超调。与独立对象跟踪和调节的RST控制算法相比，PID控制器对于这类被控对象难于兼顾跟踪和调节特性。而“参考差分器”就是针对特殊负载，以减小超调（或跟踪误差）为目的而设计的。通过应用参考差分器，我们利用数字PID控制器也可以有效地实现特殊电源的数字化控制。 关键技术1－数字调节器算法 (参考差分器)null 关键技术1－数字调节器算法 (参考差分器)null 通过闭环控制产生PWM波形，从理论上讲PWM信号的分辨率无穷大。而数字PWM生成器一般采用计数器通过可编程逻辑器件PLD实现，两个频率决定了数字PWM信号的分辨率，即计数器的时钟频率和开关频率，可以用Tc/Trep表示，Tc 指计数器的时钟周期， Trep指PWM信号的周期即开关频率。假设计数器的时钟频率为100MHz，PWM信号的输出频率20kHz，则数字PWM信号的分辨率为200ppm，等价于12～13位分辨率（100MHz/20kHz=5000，1/5000=200ppm）。 数字PWM信号要达到18位或18位以上的高分辨率，在开关频率一定的条件下只能通过提高PLD的主频即计数器的时钟频率。比如开关频率20kHZ，PLD的主频必须达到5GHz，PWM信号的分辨率才能达到18位，而如此高的主频对于目前的PLD器件是不可能的。低频PWM信号增大了PWM信号的周期Trep，PWM信号的控制精度可以提高。但为了追求无源滤波元件的小型化，需要采用高频PWM方式，这时在最小脉宽相同的情况下调节精度随开关频率升高而降低。 关键技术2－高精度数字脉宽调制信号nullA.双PWM调制法B.插值法C.数字平均法 关键技术2－高精度数字脉宽调制信号null 高精度模数和数模转换器 电压环模数转换器 电流环模数转换器 多通道模数转换器 数模转换器 远控接口：随着工业以太网的不断发展，许多加速器实验室也在研究用工业以太网来控制前端设备。目前主要的工业以太网标准有4种， 即EtherNet/IP，Modbus TCP/IP，PROFInet和FF HSE。Modbus和Modbus TCP/IP真正公开协议，免收许可费用，被SCADA（Supervisory Control and DataAcquisition）和HMI（Human MachineInterface）软件广为支持，易于集成不同的设备，开发成本低，同时有广泛的技术支持资源。DPSCM将提供基于Modbus TCP/IP标准的工业以太网接口。 关键技术3－模数数模转换器 远控接口null 单片机、DSP和FPGA等在数字信号处理系统中得到了广泛的应用，虽然它们较之模拟控制电路有许多共同的优良特性，但是它们也各有其独到之处。随着电力电子电路的日趋高频化和复杂化，上述芯片的单一采用往往难以达到预期的控制效果，因此各种控制芯片的混合使用将成为控制电路的一个重要发展趋势。如单片机和DSP的混合应用，DSP和FPGA的混合应用等。 数字电源控制模块DPSCM设计时，考虑到PID算法已经非常成熟，且数字PWM信号和电源的逻辑保护等功能适宜用FPGA控制。根据国际上现有的数字化电源的调研结果看，已有的数字化电源设计一般都采用了FPGA+DSP的体系结构。目前FPGA技术的发展，完全能够实现在FPGA单芯片上的片上可编程系统。BEPCII数字化电源的设计最终选择了嵌入DSP模块的FPGA作为DPSCM的控制部件。 关键技术4－数字信号处理系统部件的选择null数字化电源的实现，关键是数字电源控制模块DPSCM(Digital Power Supply Control Module)的研制和实现。DPSCM的控制对象是硬开关型加速器磁铁稳流电源。1Q电源Buck型拓扑结构4Q/2Q电源H-Bridge 型拓扑结构嵌入DPSCM的数字化电源结构框图 数字化电源的实现null用于加速器的高精度数字电源，由电源变换器与数字调节器两部分组成。电源变换器即电源的功率主回路，实现电源形态的变换，例如交流转换成直流，或高电压变成低电压，大功率中取小功率等。电源形态变换时，利用自动控制原理通过闭环稳定输出的部分称为电源调节器，例如稳流电源通过调节器控制达到稳定的电流输出。模拟电源通过模拟调节器实现电源的闭环控制，而数字电源通过数字调节器实现电源的闭环控制。数字电源控制模块DPSCM是专为加速器磁铁稳流电源设计的，其控制对象为硬开关类型的电源。DPSCM的主要功能包括： 实现数字调节器功能 产生高精度PWM信号 实现对电源的基本操作和逻辑保护功能 与加速器定时系统的同步（可选） 提供对电源进行本地调试和远地控制的接口 数字化电源的实现1－DPSCMnull DPSCM的主要接口包括： PWM信号输出 电源输出电流和电压模拟信号的回采，前级电压回采 数字I/O设计包括对电源的开关机操作和实现对电源的连锁保护 更新FPGA固件配置的JTAG端口 同步的触发信号输入 本地调试的接口及与IOC通讯的远控接口 数字化电源的实现1－DPSCMnull DPSCM的FPGA选型：Altera FPGA被选择作为DPSCM的控制核心Altera CPLD FPGA ASICCyclone II 器件族的特性 数字化电源的实现1－DPSCMnull DPSCM的片上可编程系统：DPSCM的设计采用了可编程单芯片系统的设计思想。