电源子系统组成
连续波速调管电源子系统是DSF1高功放的重要组成部分,其主要作用是为大功率速调管提供所需的高压电源和辅助电源,保证连续波速调管系统的正常工作和故障时的快速保护。
S频段速调管电源系统包括:18.5kV/5A高压电源1路、钛泵电源1路、磁场电源8路、反线包磁场电源1路、悬浮于18.5kV/5A电源上的速调管灯丝电源1路。X频段速调管电源系统包括:17.5kV/5A高压电源1路、钛泵电源1路、磁场电源3路、反线包磁场电源1路、悬浮于17.5kV/5A电源上的速调管灯丝电源1路。图3-22为连续波速调管电源子系统的接线示意框图。
高压电源主要技术指标要求
1)输入电压为三相380(1±0.1)V,频率50(1±0.1)Hz;
图3-22 连续波速调管电源子系统接线示意图
2)输出电压为10~19kV可调,最大输出电流为5A,正接地负高压输出,恒压调节;
3)输出电压稳定度:≤0.1%输出电压;
4)输出电压纹波:≤0.1%;
5)具有过压、过流保护功能,保护值为额定值的110%;
6)电压调节采用暗调节方式;
7)连续波速调管出现过流或短路故障时,高压电源切断时间小于或等于1ms;
8)软启动:为减小或消除高压电源对内对外的干扰,开高压时要软启动。
降低大功率高压电源纹波设计
经反复核算系统所允许的最大电感和电容量后,采取了以下几项措施:
1)主电源的高压变压器采用由Δ/Δ和Δ/Y两种接法的分裂式结构,组成十二脉波直流输出。它与正常六脉波直流输出波形相比,在同样的完整整流情况下,输出的纹波系数由理论值的4.7%(实际上,由于高压硅堆组成的整流桥具有动态压降等原因,在完整整流情况下,纹波系数远大于4.7%)减小到1.2%左右;考虑到变压器次级Δ、Y组的不平衡及2个变压器装配结构上的不一致、接线等因素,最后直流输出纹波减小到1.5%~1.6%是可能的(同样要考虑上述的其他原因),这样,纹波系数的基数相对减小了2/3。
2)在直流输出部分后,加上了30节串联的调整管部件,组成线性电源的形式,整个调整管部分能承受2kV的电压调节量。这样,通过输出纹波的回取与处理来控制调节调整管部件上的电压,可抑制直流输出中的大部分纹波。
3)在反复核算开关速度及关断后所剩余电荷量的前提下,通过试验,适当地加上了部分电容。
4)在调试过程中,对电感、电容的安装位置作了调整,确认安装位置与最后结果有较大的关系。
通过这几项措施,基本实现了整机输出纹波在0.1%左右的技术要求。
大功率高压电源快速关断设计
在DSF1高压电源的技术条件中,要求在速调管过流或短路情况发生之后的1ms时间内,快速切断供电电源;并在切断高压供电电源后,输出部分的剩余电荷量尽量小。为满足上述要求,试验中采用了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为主控制元件,由整流桥与IGBT相配合,构成主IGBT组,对输入电源网络进行快速关断处理。由于IGBT的开关速度为ns数量级,所以从故障信号产生、采集到执行完关断,用IGBT可以在小于100μs时间内完成,这就可以达到技术要求。但在这样高的速率下关断高压电源的输入,带来了电压、电流的反冲和剩余能量的泄放,故又加上了由整流桥和IGBT相配合组成的副IGBT组,直接接在由主IGBT组切断的主电源的变压器输入端,负责快速泄放主电源切断之后高压电源中的剩余能量。在时序上,主、副IGBT组之间互相配合、协同工作,完成全部技术要求。其中各组信号的稳定、可靠、不受外界干扰是至关重要的,控制板、驱动板、主电路连线工艺也应遵循短和减小布线电容和电感的原则。
大功率高压电源软启动设计
由于高压电源部分输出电压比较高,若直接合闸加电,则空气开关的合闸电流比较大,易打火;且高压部分瞬时加电,使得在整个变压器输出后的主回路上的各类元器件按照自己的特性被瞬时加上高电压,会造成相当大的电压、电流突变,瞬时峰值很高,而控制电路与主电路相连部分直接受此冲击,会造成低压控制部分相对耐压低的部分电路损坏,而且每次会在不同地方出现。因此必须以软启动的方式来缓冲加压过程,使高压电源输出达到设定值。
在系统中,由于前部快速关断保护中使用了全控器件IGBT,因此本软启动部分直接加在此全控器件IGBT上。通过控制IGBT的开通时间来使电源网络电压由低到高地上升达到额定值。在整个软启动过程中,速调管过流、短路保护快速关断控制信号与软启动信号成“或”的关系,随时可起保护作用。在软启动完成,进入正常工作状态后,软启动控制部分随之脱离对IGBT的控制,当下一次重新启动时再重复工作。
图3-23 高压电源机柜外观
外形结构
高压电源机柜外观照片见图3-23。高压电源机柜由2个2000mm(高)×780mm(宽)×1200mm(深)的机柜组成:一个是电源主机柜(图3-33中右机柜),另一个是多模块稳压机柜。