第14卷第1期甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)Vol 14 No. 12002年3月Journal of Gansu SciencesMar 200文章編號(hào):1004-0366(2002)01-0017-05HIRFI電源改造的研究吳偉2,劉映杰3,許強(qiáng)←,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(zé)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(duì)電源穩(wěn)定度的要求和大功率高穩(wěn)定度晶閘管穩(wěn)流電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,并給岀已改造電源主要技術(shù)指標(biāo)。關(guān)鍵詞: HIRFI;電源;改造中圖分類號(hào):TL503.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shè)計(jì)、自行建造的一個(gè)大型的核物理實(shí)驗(yàn)裝置,它是由離子源( ElectronCyclotron resonance,ECR)、一臺(tái)直徑1.7m的螺旋扇回旋加速器( Seator Focusing oclotron,SFC)、一臺(tái)能量常數(shù)為K=450的分離扇回旋加速器( Separated Sector Cyclotron,SsC)和它們之間的束運(yùn)線4部分組成的加速器系統(tǒng)。而束運(yùn)線又包括源束線、前束運(yùn)線和后束運(yùn)線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(dú)使用時(shí),可以加速氚至氖的較輕離子,作為注入器時(shí),對(duì)碳至氙的多種重離子進(jìn)行組合加速1.1 HIRFI對(duì)電源的要求在整個(gè)加速器系統(tǒng)中,為了得到盡可能好的束流品質(zhì),出于滑相指標(biāo)等的考慮要求等時(shí)性磁場(chǎng)的穩(wěn)定為B≤1×10,在理論上磁場(chǎng)的穩(wěn)定度與電源的穩(wěn)定度成正比(在線性區(qū)域且無其它機(jī)械的、溫度的過大變化),所以磁場(chǎng)穩(wěn)定度就主要是由電源穩(wěn)定度所決定。而電源的穩(wěn)定度由其紋波電流的漂移構(gòu)成,我們?nèi)《呔礁鶠殡娫捶€(wěn)定度。根據(jù)上述考慮,對(duì)主磁場(chǎng)勵(lì)磁電源穩(wěn)定度要求為7≤5×10-°,電流紋波要5×10-6,對(duì)于墊補(bǔ)場(chǎng)則可以相應(yīng)地降低一個(gè)量級(jí)。以下再分析二極磁鐵對(duì)其電源中國煤化工的磁場(chǎng)與其勵(lì)磁電流的CNMHG公式:N1B,從公式中可以看了,磁場(chǎng)強(qiáng)度的穩(wěn)足度與負(fù)載電流的穩(wěn)定成正比,當(dāng)勵(lì)磁電源電流有波動(dòng)時(shí),二極磁場(chǎng)強(qiáng)度必然波動(dòng),磁場(chǎng)強(qiáng)度偏大,則粒子碰撞在管道內(nèi)壁的內(nèi)側(cè)上稿日期:2001-02-2618甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)2002年第1期磁場(chǎng)強(qiáng)度偏小,則粒子碰撞在管道內(nèi)壁的外側(cè)上,不能夠彎轉(zhuǎn)過來,損失粒子,降低束運(yùn)效率另外二極磁鐵電源的穩(wěn)定度與其偏轉(zhuǎn)角有關(guān)。因此對(duì)二極磁鐵電源的穩(wěn)定度要求比較高,僅于主導(dǎo)磁場(chǎng)的穩(wěn)定度,HRFL二極磁鐵的電源穩(wěn)定度為5×10ˉ5。對(duì)于束運(yùn)線上的四極透鏡,維持著粒子束的聚焦(散焦),透鏡電源的電流穩(wěn)定度,直接影響著束流的光學(xué)性能和匹配性能由此可知無論二極磁鐵或四極透鏡磁鐵,電源電流穩(wěn)定度影響著束流的品質(zhì),束流的品質(zhì)要求越高,對(duì)電源穩(wěn)定度要求越髙,束流的品質(zhì)要求較低,對(duì)電源穩(wěn)定度要求也較低。四極透鏡磁鐵電源電流穩(wěn)定度為1×10-。實(shí)際上,在加速器系統(tǒng)中,對(duì)電源的電流紋波要求可以適當(dāng)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,存在著渦流,使磁場(chǎng)紋波消耗在磁鐵內(nèi)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(shù)量級(jí)。因此電源電流紋波可以比其穩(wěn)定度至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如主磁鐵性電源,電流穩(wěn)定度好于5×10-6,電流紋波好于5×10-就可以了。但對(duì)于由硅鋼片疊加制造的磁鐵,就必須對(duì)電流的紋波提出更嚴(yán)格的要求。蘭州重離子回旋加速器使用大功率、高穩(wěn)定度的直流穩(wěn)流電源300多臺(tái),以激勵(lì)各類磁場(chǎng)SsC主導(dǎo)磁場(chǎng)(磁場(chǎng)穩(wěn)定性為Ⅰ×10-8h),是由電流穩(wěn)定度最髙的SSC主線圈電源(電流穩(wěn)定度為5×10-8h)激勵(lì)的,22年前,鑒于當(dāng)時(shí)國內(nèi)的實(shí)際情況,選擇了調(diào)壓器預(yù)調(diào),大功率晶體管調(diào)流的穩(wěn)流類型,在 HIRFI中大約有200多臺(tái)電源均采用了這種方案山,此類電源的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到當(dāng)時(shí)同類電源世界先進(jìn)水平。這些電源從主要技術(shù)指標(biāo)來看與國外基本相同,并已經(jīng)運(yùn)行了10年,滿足了HRFL調(diào)束供束的需要。但是這些電源早已超過使用壽命,老化已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重,運(yùn)行故障明顯增多,甚至安全運(yùn)行也難以保證。電源的技術(shù)指標(biāo)降低,有的長期穩(wěn)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(yùn)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(kuò)大,每月高達(dá)100元的電費(fèi),成為我們難以承受的沉重負(fù)擔(dān)。總之 HIRFI電源系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)入了浴盆曲線的損耗期,故障率明顯增高,影響了 HIRFI.整個(gè)運(yùn)行水平的發(fā)揮。我們計(jì)劃在4年內(nèi)對(duì)HRFL的大部分電源進(jìn)行改造(原來均采用調(diào)壓器+調(diào)整管的結(jié)構(gòu)),即對(duì)于40kW以下的電源采用軟開關(guān)穩(wěn)流方式;對(duì)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(duì)于要求10~以上穩(wěn)定度的兩臺(tái)主線圈電源(1300A/230V、4o00A/185V)則似采用晶閘管調(diào)壓器預(yù)調(diào)壓,保留大功率三極管調(diào)流,同時(shí)采用同步與異步混合觸發(fā)技術(shù);對(duì)于高壓電源,則準(zhǔn)備采用軟開關(guān)技術(shù),尤其使之小型化,大大提高整機(jī)的控制保護(hù)水平。整個(gè)系統(tǒng)改造完以后,除保持原有穩(wěn)定度及紋波指標(biāo)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(shù)等。2000年對(duì)HIRFL-SSC注入引出電源B1(2000A/60中國煤化工3(1800A/165V)、B4(2000A/125V)、 HIRFL-SFC主線圈電CNMHGEL-BL2BO1彎轉(zhuǎn)電源(600A/120V),共6臺(tái)電源進(jìn)行改造2電路結(jié)構(gòu)3所改造的電源均采用12相晶閘管整流( HIRFI-SFC主線圈電源采用12晶閘管整流十調(diào)整管),兩橋并聯(lián),平衡電抗器,LC無源濾波,負(fù)載為電感性負(fù)載,電流檢測(cè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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,用負(fù)反饋到電壓調(diào)節(jié)器,以便使電源紋波更小,滿足我們要求,因此,我們選擇帶通濾波器,帶通濾波器能夠通過大致以中心頻率ω為中心,帶寬為β的一個(gè)頻帶內(nèi)的信號(hào),而衰減所有其它頻率的信號(hào),當(dāng)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(shù),可以用來衡量濾波的選擇性,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(jí)串聯(lián)的帶通濾波器,然后通過放大器A3放大,放大倍數(shù)可由R54調(diào)整。電路如圖2所示。c1750選頻網(wǎng)培來自橋口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(diào)節(jié)器采用高穩(wěn)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(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有關(guān),根據(jù)不同負(fù)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(duì)晶閘管的觸發(fā)或影響電源的穩(wěn)定度,C8太大則響應(yīng)時(shí)間太長,影響電源的自動(dòng)調(diào)節(jié),以致最后電源穩(wěn)定度漂岀我們所要求的范圍。根據(jù)長時(shí)間的調(diào)整,最后選擇了R8=147K,C8=9μF。給定基準(zhǔn)與分流器反饋信號(hào)是串聯(lián)對(duì)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(bào)2002年第1期波,以便調(diào)節(jié)器能夠穩(wěn)定工作。電壓內(nèi)環(huán)的R10、C9參數(shù)要盡量小.電路如圖3所示。給定R10分歌基準(zhǔn)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(duì)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(duì)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(duì)于輸出電壓120V的B2的電源,V波=1.2834V。利用LC無源濾波方法,假如紋波電壓要求2×10-5,那末放大倍數(shù)必須為534倍根據(jù)IC濾波理論:(2π∫)2LC=534LC3.76×10-5。我們采用無源濾波,根據(jù)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(jí)無源濾波構(gòu)成低通濾波器,使低于300Hz的信號(hào)通橋口過,而高于300Hz的信號(hào)則濾掉。電路如圖4所2.4技術(shù)指標(biāo)圖4濾波用恒溫的輸力強(qiáng)公司生產(chǎn)的8位半7081數(shù)字電壓表,采樣時(shí)間51.2s,連續(xù)記錄8h,共有563個(gè)數(shù)值,去掉只出現(xiàn)一次的最大值和只出現(xiàn)一次的最小值,用公式△01"(在8h內(nèi))計(jì)算電流穩(wěn)定度。用GST668A表對(duì)電源進(jìn)行測(cè)量電源效率、功率因數(shù),見表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(cè)量整流變壓器原邊的諧波分量小于3%完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)。表1電源主要技術(shù)數(shù)據(jù)規(guī)格選型穩(wěn)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(jié)束語對(duì)于這樣大功率和這種高穩(wěn)定度的電源,此電路設(shè)計(jì)是可行的,并獲得了極高的穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)。自2000年10月實(shí)際投入連續(xù)運(yùn)行以來,證明其可靠性很高,滿足 HIRFI調(diào)束供束的要求,也為HRFL主線圈電源等類似電源的改造或新建提供了完整的經(jīng)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)[1 ZHOU Si-xin. 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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(xiàn)任上海大學(xué)物理系副研究員,主要從事大功率高穩(wěn)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。現(xiàn)任蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院講師許強(qiáng),(1957-)男,湖南省長沙人,西安凱順電氣有限責(zé)任公司教授級(jí)高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(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(dǎo)師主要從事加速器等時(shí)性磁場(chǎng)凵中國煤化工研究CNMHG