HIRFL電源改造的研究

第14卷第1期甘肅科學(xué)學(xué)報Vol 14 No. 12002年3月Journal of Gansu SciencesMar 200文章編號:1004-0366(2002)01-0017-05HIRFI電源改造的研究吳偉2,劉映杰3,許強←,周嗣信(1.上海大學(xué)物理系,上海200436;2.中國科學(xué)院蘭州近代物理研究所,甘肅蘭州730000;3.蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州7300004.西安凱順電氣有限責任公司,陜西西安710075)摘要:介紹了蘭州重離子研究裝置(HRFL)概況及其對電源穩定度的要求和大功率高穩定度晶閘管穩流電源的結構設計方法,并給岀已改造電源主要技術(shù)指標。關(guān)鍵詞: HIRFI;電源;改造中圖分類(lèi)號:TL503.5文獻標識碼:A1 HIRFI概況中國科學(xué)院蘭州近代物理研究所重離子研究裝置( Heavy lon Facility in Lanzhou,HIRFI)是我國自行設計、自行建造的一個(gè)大型的核物理實(shí)驗裝置,它是由離子源( ElectronCyclotron resonance,ECR)、一臺直徑1.7m的螺旋扇回旋加速器( Seator Focusing oclotron,SFC)、一臺能量常數為K=450的分離扇回旋加速器( Separated Sector Cyclotron,SsC)和它們之間的束運線(xiàn)4部分組成的加速器系統。而束運線(xiàn)又包括源束線(xiàn)、前束運線(xiàn)和后束運線(xiàn)3部分。其中SFC是HRFL的注入加速器,SSC是 HIRFI的主加速器直徑1.7m的螺旋扇回旋加速器(SFC)是由原蘇聯(lián)制造的1.5m回旋加速器改造而成的。改造后的加速器,主要用途是作為蘭州重離子加速器( HIRFL)的注入器,能量是可變的等時(shí)性加速器。SFC單獨使用時(shí),可以加速氚至氖的較輕離子,作為注入器時(shí),對碳至氙的多種重離子進(jìn)行組合加速1.1 HIRFI對電源的要求在整個(gè)加速器系統中,為了得到盡可能好的束流品質(zhì),出于滑相指標等的考慮要求等時(shí)性磁場(chǎng)的穩定為B≤1×10,在理論上磁場(chǎng)的穩定度與電源的穩定度成正比(在線(xiàn)性區域且無(wú)其它機械的、溫度的過(guò)大變化),所以磁場(chǎng)穩定度就主要是由電源穩定度所決定。而電源的穩定度由其紋波電流的漂移構成,我們取二者均方根為電源穩定度。根據上述考慮,對主磁場(chǎng)勵磁電源穩定度要求為7≤5×10-°,電流紋波要5×10-6,對于墊補場(chǎng)則可以相應地降低一個(gè)量級。以下再分析二極磁鐵對其電源中國煤化工的磁場(chǎng)與其勵磁電流的CNMHG公式:N1B,從公式中可以看了,磁場(chǎng)強度的穩足度與負載電流的穩定成正比,當勵磁電源電流有波動(dòng)時(shí),二極磁場(chǎng)強度必然波動(dòng),磁場(chǎng)強度偏大,則粒子碰撞在管道內壁的內側上稿日期:2001-02-2618甘肅科學(xué)學(xué)報2002年第1期磁場(chǎng)強度偏小,則粒子碰撞在管道內壁的外側上,不能夠彎轉過(guò)來(lái),損失粒子,降低束運效率另外二極磁鐵電源的穩定度與其偏轉角有關(guān)。因此對二極磁鐵電源的穩定度要求比較高,僅于主導磁場(chǎng)的穩定度,HRFL二極磁鐵的電源穩定度為5×10ˉ5。對于束運線(xiàn)上的四極透鏡,維持著(zhù)粒子束的聚焦(散焦),透鏡電源的電流穩定度,直接影響著(zhù)束流的光學(xué)性能和匹配性能由此可知無(wú)論二極磁鐵或四極透鏡磁鐵,電源電流穩定度影響著(zhù)束流的品質(zhì),束流的品質(zhì)要求越高,對電源穩定度要求越髙,束流的品質(zhì)要求較低,對電源穩定度要求也較低。四極透鏡磁鐵電源電流穩定度為1×10-。實(shí)際上,在加速器系統中,對電源的電流紋波要求可以適當降低些,原因是不論主磁鐵、四極透鏡還是二極磁鐵均為純鐵厚板制造,存在著(zhù)渦流,使磁場(chǎng)紋波消耗在磁鐵內部,產(chǎn)生的磁場(chǎng)紋波有所降低,一般情況下至少磁場(chǎng)紋波比電流紋波小一至二個(gè)數量級。因此電源電流紋波可以比其穩定度至少低一個(gè)數量級。例如主磁鐵性電源,電流穩定度好于5×10-6,電流紋波好于5×10-就可以了。但對于由硅鋼片疊加制造的磁鐵,就必須對電流的紋波提出更嚴格的要求。蘭州重離子回旋加速器使用大功率、高穩定度的直流穩流電源300多臺,以激勵各類(lèi)磁場(chǎng)SsC主導磁場(chǎng)(磁場(chǎng)穩定性為Ⅰ×10-8h),是由電流穩定度最髙的SSC主線(xiàn)圈電源(電流穩定度為5×10-8h)激勵的,22年前,鑒于當時(shí)國內的實(shí)際情況,選擇了調壓器預調,大功率晶體管調流的穩流類(lèi)型,在 HIRFI中大約有200多臺電源均采用了這種方案山,此類(lèi)電源的主要技術(shù)指標達到當時(shí)同類(lèi)電源世界先進(jìn)水平。這些電源從主要技術(shù)指標來(lái)看與國外基本相同,并已經(jīng)運行了10年,滿(mǎn)足了HRFL調束供束的需要。但是這些電源早已超過(guò)使用壽命,老化已經(jīng)相當嚴重,運行故障明顯增多,甚至安全運行也難以保證。電源的技術(shù)指標降低,有的長(cháng)期穩定度從10降到10-,有的從10-降到10-4,難以支持 HIRFI高水平的運行。電源電效率低(常用功率下的平均效率不到40%),再加上電價(jià)上漲和裝置不斷擴大,每月高達100元的電費,成為我們難以承受的沉重負擔?？傊?HIRFI電源系統已經(jīng)到了非徹底改造不可的時(shí)候了1.2 HIRFI電源的改造方案整個(gè)電源系統進(jìn)入了浴盆曲線(xiàn)的損耗期,故障率明顯增高,影響了 HIRFI.整個(gè)運行水平的發(fā)揮。我們計劃在4年內對HRFL的大部分電源進(jìn)行改造(原來(lái)均采用調壓器+調整管的結構),即對于40kW以下的電源采用軟開(kāi)關(guān)穩流方式;對于40kW以上的大功率電源擬要用晶閘管電源,且利用同步觸發(fā)技術(shù);對于要求10~以上穩定度的兩臺主線(xiàn)圈電源(1300A/230V、4o00A/185V)則似采用晶閘管調壓器預調壓,保留大功率三極管調流,同時(shí)采用同步與異步混合觸發(fā)技術(shù);對于高壓電源,則準備采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù),尤其使之小型化,大大提高整機的控制保護水平。整個(gè)系統改造完以后,除保持原有穩定度及紋波指標外,在可靠性及電效率方面都要有明顯提高,而且還要有合格的電磁兼容性能及功率因數等。2000年對HIRFL-SSC注入引出電源B1(2000A/60中國煤化工3(1800A/165V)、B4(2000A/125V)、 HIRFL-SFC主線(xiàn)圈電CNMHGEL-BL2BO1彎轉電源(600A/120V),共6臺電源進(jìn)行改造2電路結構3所改造的電源均采用12相晶閘管整流( HIRFI-SFC主線(xiàn)圈電源采用12晶閘管整流十調整管),兩橋并聯(lián),平衡電抗器,LC無(wú)源濾波,負載為電感性負載,電流檢測單元采用分流器,第14卷吳偉等: HIRFI電源改造的研究19包括一個(gè)電流環(huán)和一個(gè)電壓環(huán)和觸發(fā)器。電路結構如圖1所示。分流器C15電壓環(huán)□電流環(huán)圖1改造后的電源結構2.1電壓環(huán)由于橋口電壓有低頻紋波50Hz、100Hz、150Hz較難抑制。必須把它們選頻檢出來(lái),用負反饋到電壓調節器,以便使電源紋波更小,滿(mǎn)足我們要求,因此,我們選擇帶通濾波器,帶通濾波器能夠通過(guò)大致以中心頻率ω為中心,帶寬為β的一個(gè)頻帶內的信號,而衰減所有其它頻率的信號,當中心頻率用f=00/2πHz表示,β也用Hz為單位,比值Q=ω/β,為濾波器的品質(zhì)因數,可以用來(lái)衡量濾波的選擇性,例如高Q值表示選擇性很高的濾波器。為了能夠更好地選擇出我們所需要的頻率,采取了兩級串聯(lián)的帶通濾波器,然后通過(guò)放大器A3放大,放大倍數可由R54調整。電路如圖2所示。c1750選頻網(wǎng)培來(lái)自橋口R47R48G6R50R51183去觸發(fā)器R49100選頻網(wǎng)絡(luò )150地選氛網(wǎng)絡(luò )中國煤化工2.2電流環(huán)CNMHG調節器采用高穩定度集成電路,選擇比例積,L例積刀時(shí)K次8與整個(gè)系統的響應時(shí)間有關(guān),根據不同負載特性,將采用不同的R8和C8值,R8太大,容易振蕩,R8太小,又影響對晶閘管的觸發(fā)或影響電源的穩定度,C8太大則響應時(shí)間太長(cháng),影響電源的自動(dòng)調節,以致最后電源穩定度漂岀我們所要求的范圍。根據長(cháng)時(shí)間的調整,最后選擇了R8=147K,C8=9μF。給定基準與分流器反饋信號是串聯(lián)對接,符合相反。R6、R7、C7組成的網(wǎng)絡(luò )主要抑制特征諧20甘肅科學(xué)學(xué)報2002年第1期波,以便調節器能夠穩定工作。電壓內環(huán)的R10、C9參數要盡量小.電路如圖3所示。給定R10分歌基準跟隨器去觸發(fā)板圖3電流環(huán)2.3濾波濾波主要濾掉是特征諧波,對于12相整流主要濾掉的是6θ0Hz以上紋波,我們就以最大幅度600Hz為例,如果不考慮換相角,即令γ=0,可以求出α為何值時(shí)紋波最大。對于12相整流:α=6.25°,21.25°,36.25°……時(shí)最大,因此取α=6.25°,m=n=12。在600Hz,紋波因子為y=0.010695,對于輸出電壓120V的B2的電源,V波=1.2834V。利用LC無(wú)源濾波方法,假如紋波電壓要求2×10-5,那末放大倍數必須為534倍根據IC濾波理論:(2π∫)2LC=534LC3.76×10-5。我們采用無(wú)源濾波,根據電感的大小_~r分流器選擇電容的容量,R11為排電阻,與C14及前級無(wú)源濾波構成低通濾波器,使低于300Hz的信號通橋口過(guò),而高于300Hz的信號則濾掉。電路如圖4所2.4技術(shù)指標圖4濾波用恒溫的輸力強公司生產(chǎn)的8位半7081數字電壓表,采樣時(shí)間51.2s,連續記錄8h,共有563個(gè)數值,去掉只出現一次的最大值和只出現一次的最小值,用公式△01"(在8h內)計算電流穩定度。用GST668A表對電源進(jìn)行測量電源效率、功率因數,見(jiàn)表1。電流交流紋波好于5×10-6。用GXF-908A多功能電力諧波分析儀測量整流變壓器原邊的諧波分量小于3%完全符合國家標準。表1電源主要技術(shù)數據規格選型穩定度功率因素效率/%BL2-BO17×10SFC1300A/230VSCR+T0.842000A/60V中國煤化工2000A/120CNMHG1800A/165VSCR1×10第14卷吳偉等: HIRFI電源改造的研究3結束語(yǔ)對于這樣大功率和這種高穩定度的電源,此電路設計是可行的,并獲得了極高的穩定度等技術(shù)指標。自2000年10月實(shí)際投入連續運行以來(lái),證明其可靠性很高,滿(mǎn)足 HIRFI調束供束的要求,也為HRFL主線(xiàn)圈電源等類(lèi)似電源的改造或新建提供了完整的經(jīng)驗。參考文獻[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]張立.電子工程師手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.17~73[3]吳偉. HIRFI注入引出電源的研究[].甘肅科學(xué)學(xué)報,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吳偉,(1965-)男,山西省大同市人,1991年在蘭州大學(xué)電信系獲碩士學(xué)位,2000年在中國科學(xué)院蘭州近代物理研究所獲工學(xué)博土學(xué)位?，F任上海大學(xué)物理系副研究員,主要從事大功率高穩定度電源的研究劉映杰,(1964-)男,甘肅省靜寧縣人,1993年畢業(yè)于中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所,獲工學(xué)碩士學(xué)位?，F任蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院講師許強,(1957-)男,湖南省長(cháng)沙人,西安凱順電氣有限責任公司教授級高級工程師。主要研究方向為電力電子技術(shù)。周嗣信,(1937-)男,四川省資中人,1961年畢業(yè)于四川大學(xué),中國科學(xué)院蘭州近代物理研究所研究員、博士生導師主要從事加速器等時(shí)性磁場(chǎng)凵中國煤化工研究CNMHG