HIRFL电源改造的研究

第14卷第1期甘肃科学学报Vol 14 No. 12002年3月Journal of Gansu SciencesMar 200文章编号:1004-0366(2002)01-0017-05HIRFI电源改造的研究吴伟2,刘映杰3,许强←,周嗣信(1.上海大学物理系,上海200436;2.中国科学院兰州近代物理研究所,甘肃兰州730000;3.兰州大学信息科学与工程学院,甘肃兰州7300004.西安凯顺电气有限责任公司,陕西西安710075)摘要:介绍了兰州重离子研究裝置(HRFL)概况及其对电源稳定度的要求和大功率高稳定度晶闸管稳流电源的结构设计方法,并给岀已改造电源主要技术指标。关键词: HIRFI;电源;改造中图分类号:TL503.5文献标识码:A1 HIRFI概况中国科学院兰州近代物理研究所重离子研究装置( Heavy lon Facility in Lanzhou,HIRFI)是我国自行设计、自行建造的一个大型的核物理实验装置,它是由离子源( ElectronCyclotron resonance,ECR)、一台直径1.7m的螺旋扇回旋加速器( Seator Focusing oclotron,SFC)、一台能量常数为K=450的分离扇回旋加速器( Separated Sector Cyclotron,SsC)和它们之间的束运线4部分组成的加速器系统。而束运线又包括源束线、前束运线和后束运线3部分。其中SFC是HRFL的注入加速器,SSC是 HIRFI的主加速器直径1.7m的螺旋扇回旋加速器(SFC)是由原苏联制造的1.5m回旋加速器改造而成的。改造后的加速器,主要用途是作为兰州重离子加速器( HIRFL)的注入器,能量是可变的等时性加速器。SFC单独使用时,可以加速氚至氖的较轻离子,作为注入器时,对碳至氙的多种重离子进行组合加速1.1 HIRFI对电源的要求在整个加速器系统中,为了得到尽可能好的束流品质,出于滑相指标等的考虑要求等时性磁场的稳定为B≤1×10,在理论上磁场的稳定度与电源的稳定度成正比(在线性区域且无其它机械的、温度的过大变化),所以磁场稳定度就主要是由电源稳定度所决定。而电源的稳定度由其纹波电流的漂移构成,我们取二者均方根为电源稳定度。根据上述考虑,对主磁场励磁电源稳定度要求为7≤5×10-°,电流纹波要5×10-6,对于垫补场则可以相应地降低一个量级。以下再分析二极磁铁对其电源中国煤化工的磁场与其励磁电流的CNMHG公式:N1B,从公式中可以看了,磁场强度的稳足度与负载电流的稳定成正比,当励磁电源电流有波动时,二极磁场强度必然波动,磁场强度偏大,则粒子碰撞在管道內壁的內侧上稿日期:2001-02-2618甘肃科学学报2002年第1期磁场强度偏小,则粒子碰撞在管道内壁的外侧上,不能够弯转过来,损失粒子,降低束运效率另外二极磁铁电源的稳定度与其偏转角有关。因此对二极磁铁电源的稳定度要求比较高,仅于主导磁场的稳定度,HRFL二极磁铁的电源稳定度为5×10ˉ5。对于束运线上的四极透镜,维持着粒子束的聚焦(散焦),透镜电源的电流稳定度,直接影响着束流的光学性能和匹配性能由此可知无论二极磁铁或四极透镜磁铁,电源电流稳定度影响着束流的品质,束流的品质要求越高,对电源稳定度要求越髙,束流的品质要求较低,对电源稳定度要求也较低。四极透镜磁铁电源电流稳定度为1×10-。实际上,在加速器系统中,对电源的电流纹波要求可以适当降低些,原因是不论主磁铁、四极透镜还是二极磁铁均为纯铁厚板制造,存在着涡流,使磁场纹波消耗在磁铁内部,产生的磁场纹波有所降低,一般情况下至少磁场纹波比电流纹波小一至二个数量级。因此电源电流纹波可以比其稳定度至少低一个数量级。例如主磁铁性电源,电流稳定度好于5×10-6,电流纹波好于5×10-就可以了。但对于由硅钢片叠加制造的磁铁,就必须对电流的纹波提出更严格的要求。兰州重离子回旋加速器使用大功率、高稳定度的直流稳流电源300多台,以激励各类磁场SsC主导磁场(磁场稳定性为Ⅰ×10-8h),是由电流稳定度最髙的SSC主线圈电源(电流稳定度为5×10-8h)激励的,22年前,鉴于当时国内的实际情况,选择了调压器预调,大功率晶体管调流的稳流类型,在 HIRFI中大约有200多台电源均采用了这种方案山,此类电源的主要技术指标达到当时同类电源世界先进水平。这些电源从主要技术指标来看与国外基本相同,并已经运行了10年,满足了HRFL调束供束的需要。但是这些电源早已超过使用寿命,老化已经相当严重,运行故障明显增多,甚至安全运行也难以保证。电源的技术指标降低,有的长期稳定度从10降到10-,有的从10-降到10-4,难以支持 HIRFI高水平的运行。电源电效率低(常用功率下的平均效率不到40%),再加上电价上涨和装置不断扩大,每月高达100元的电费,成为我们难以承受的沉重负担。总之 HIRFI电源系统已经到了非彻底改造不可的时候了1.2 HIRFI电源的改造方案整个电源系统进入了浴盆曲线的损耗期,故障率明显增高,影响了 HIRFI.整个运行水平的发挥。我们计划在4年内对HRFL的大部分电源进行改造(原来均采用调压器+调整管的结构),即对于40kW以下的电源采用软开关稳流方式;对于40kW以上的大功率电源拟要用晶闸管电源,且利用同步触发技术;对于要求10~以上稳定度的两台主线圈电源(1300A/230V、4o00A/185V)则似采用晶闸管调压器预调压,保留大功率三极管调流,同时采用同步与异步混合触发技术;对于高压电源,则准备采用软开关技术,尤其使之小型化,大大提高整机的控制保护水平。整个系统改造完以后,除保持原有稳定度及纹波指标外,在可靠性及电效率方面都要有明显提高,而且还要有合格的电磁兼容性能及功率因数等。2000年对HIRFL-SSC注入引出电源B1(2000A/60中国煤化工3(1800A/165V)、B4(2000A/125V)、 HIRFL-SFC主线圈电CNMHGEL-BL2BO1弯转电源(600A/120V),共6台电源进行改造2电路结构3所改造的电源均采用12相晶闸管整流( HIRFI-SFC主线圈电源采用12晶闸管整流十调整管),两桥并联,平衡电抗器,LC无源滤波,负载为电感性负载,电流检测单元采用分流器,第14卷吴伟等: HIRFI电源改造的研究19包括一个电流环和一个电压环和触发器。电路结构如图1所示。分流器C15电压环□电流环图1改造后的电源结构2.1电压环由于桥口电压有低频纹波50Hz、100Hz、150Hz较难抑制。必须把它们选频检出来,用负反馈到电压调节器,以便使电源纹波更小,满足我们要求,因此,我们选择带通滤波器,带通滤波器能够通过大致以中心频率ω为中心,带宽为β的一个频带内的信号,而衰减所有其它频率的信号,当中心频率用f=00/2πHz表示,β也用Hz为单位,比值Q=ω/β,为滤波器的品质因数,可以用来衡量滤波的选择性,例如高Q值表示选择性很高的滤波器。为了能够更好地选择出我们所需要的频率,采取了两级串联的带通滤波器,然后通过放大器A3放大,放大倍数可由R54调整。电路如图2所示。c1750选频网培来自桥口R47R48G6R50R51183去触发器R49100选频网络150地选氛网络中国煤化工2.2电流环CNMHG调节器采用高稳定度集成电路,选择比例积,L例积刀时K次8与整个系统的响应时间有关,根据不同负载特性,将采用不同的R8和C8值,R8太大,容易振荡,R8太小,又影响对晶闸管的触发或影响电源的稳定度,C8太大则响应时间太长,影响电源的自动调节,以致最后电源稳定度漂岀我们所要求的范围。根据长时间的调整,最后选择了R8=147K,C8=9μF。给定基准与分流器反馈信号是串联对接,符合相反。R6、R7、C7组成的网络主要抑制特征谐20甘肃科学学报2002年第1期波,以便调节器能够稳定工作。电压内环的R10、C9参数要尽量小.电路如图3所示。给定R10分歌基准跟随器去触发板图3电流环2.3滤波滤波主要滤掉是特征谐波,对于12相整流主要滤掉的是6θ0Hz以上纹波,我们就以最大幅度600Hz为例,如果不考虑换相角,即令γ=0,可以求出α为何值时纹波最大。对于12相整流:α=6.25°,21.25°,36.25°……时最大,因此取α=6.25°,m=n=12。在600Hz,纹波因子为y=0.010695,对于输出电压120V的B2的电源,V波=1.2834V。利用LC无源滤波方法,假如纹波电压要求2×10-5,那末放大倍数必须为534倍根据IC滤波理论:(2π∫)2LC=534LC3.76×10-5。我们采用无源滤波,根据电感的大小_~r分流器选择电容的容量,R11为排电阻,与C14及前级无源滤波构成低通滤波器,使低于300Hz的信号通桥口过,而高于300Hz的信号则滤掉。电路如图4所2.4技术指标图4滤波用恒温的输力强公司生产的8位半7081数字电压表,采样时间51.2s,连续记录8h,共有563个数值,去掉只出现一次的最大值和只出现一次的最小值,用公式△01"(在8h内)计算电流稳定度。用GST668A表对电源进行测量电源效率、功率因数,见表1。电流交流纹波好于5×10-6。用GXF-908A多功能电力谐波分析仪测量整流变压器原边的谐波分量小于3%完全符合国家标准。表1电源主要技术数据规格选型稳定度功率因素效率/%BL2-BO17×10SFC1300A/230VSCR+T0.842000A/60V中国煤化工2000A/120CNMHG1800A/165VSCR1×10第14卷吴伟等: HIRFI电源改造的研究3结束语对于这样大功率和这种高稳定度的电源,此电路设计是可行的,并获得了极高的稳定度等技术指标。自2000年10月实际投入连续运行以来,证明其可靠性很高,满足 HIRFI调束供束的要求,也为HRFL主线圈电源等类似电源的改造或新建提供了完整的经验。参考文献[1 ZHOU Si-xin. Highly Stabilized 2 000 A/100 V DC Power Supply. The Second China-Japan Joint Sysposium [M].Onand Their Applications. 1983. 311-3132]张立.电子工程师手册[M].北京:机械工业出版社,1994.17~73[3]吴伟. HIRFI注入引出电源的研究[].甘肃科学学报,2000,3(12):27~3ON REFORMATION OF POWER SUPPLY FOR HIRFIWU Wei,2, LIU Ying-jie, XU Qiang, ZHOU Si-xin2(1. Dept of Physics, Shanghai University, Shanghai 200436 China2. Institute of Modern Physice, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000 China3. School of Information Science and Engineening, Lanzhou University, Lanzhou 730000 China4. Xian Kaiser electric co, Ltd, Xian 710075 China)Abstract: The HIRFL system and its requirement for power supplies are described. Themethod of maintaining high power and stability of thyristor rectifier is introduced. At lastthe specifications of reformed power supplies are listedKey words: HIRFL; power supply; reformation吴伟,(1965-)男,山西省大同市人,1991年在兰州大学电信系获硕士学位,2000年在中国科学院兰州近代物理研究所获工学博土学位。现任上海大学物理系副研究员,主要从事大功率高稳定度电源的研究刘映杰,(1964-)男,甘肃省静宁县人,1993年毕业于中国科学院自动化研究所,获工学硕士学位。现任兰州大学信息科学与工程学院讲师许强,(1957-)男,湖南省长沙人,西安凯顺电气有限责任公司教授级高级工程师。主要研究方向为电力电子技术。周嗣信,(1937-)男,四川省资中人,1961年毕业于四川大学,中国科学院兰州近代物理研究所研究员、博士生导师主要从事加速器等时性磁场凵中国煤化工研究CNMHG