一种程控高压充电系统设计

充电系统广泛应用于物理试验、开关技术等研究课题。早期的充电系统主要是通过手动调节调压器来改变高压电源的输出，充电过程易受操作人员主观影响，稳定度低，难以实现整个实验过程的自动控制；部分系统采用了电动调压器，通过控制电机带动调压器进行电压调节，调节过程中滞后现象明显，且电动调压器体积功率普遍较大，不利于小型充电系统使用；基于串联谐振的高频高压充电电源体积小、效率高，但成本高，线路复杂；充电设备多用于高电压、大电流的场合，瞬时放电产生的空间干扰和地线干扰相当严重，对示波器等精密测试仪器有一定的影响。因此，研制稳定可靠的程控高压充电系统很有必要。

1 系统概述

某试验需要一台充电设备，要求单极性充电，充电电压-20～-80 kV连续可调，充电时间小于100 s，储能设备为电容器，充放电过程不允许人员在场，所有操作必须在屏蔽间完成。

2 系统设计

程控高压充电系统的硬件结构如图1所示。主控部分位于屏蔽间内，包括触摸屏和信号转换电路，实现高压设置，充电启停，接地泻放等控制命令的发送，以及充电系统工作状态和实际电压的显示；充电系统位于实验间，包括信号转换，PLC，调压模块，高压采样等，通过接收主控部分的控制命令，完成储能电容充电等动作。为实现屏蔽间和实验间的完全隔离，采用光纤作为数据传输介质。
2．1 触摸屏

屏蔽间内除了放置程控高压充电系统的主控部分，还包括操作台，示波器等其他物理实验需要的仪器设备，从而要求程控高压充电系统的主控部分体积小，易于观测，操作简便。用触摸屏作为监控系统的人机界面，除节省PLC的I／O点数之外，还提高了生产监控能力，简化了操作面板。综合比较后采用IO英寸的触摸屏作为主控设备，并嵌入操作台，和其他仪器设备的操作窗口位于一个平面，方便操作人员的使用。图2为触摸屏控制界面，具有指针和数字两种实际电压显示方式，通过键盘输入设置电压，控制按键按照功能互锁，避免误操作。需要注意的是，为了有效提高触摸屏和PLC之间的数据传输效率，在触摸屏编程过程中，最好将使用的数据区设置为一段连续的PLC寄存器地址。

2．2 充电控制

PLC是整个充电控制的核心，充电开始后，首先输出一个0～10 V的直流信号到调压模块，控制调压模块输出一个0～220 V交流电压到高压电源，经过高压电源升压整流后给储能电容充电，再通过高压侧并联的高压分压器，把0～-80 kV的高压信号转换为0～-8 V的低压信号，隔离调理后送到PLC，PLC获取后和设置电压对比，调整输出的直流信号，实现充电过程的闭环控制。但是，从PLC输出直流信号到高压电源稳定输出高压，有一个滞后时间，如果采用简单闭环控制，会造成控制过程失调，高压输出震荡，无法达到指标要求。因此，系统使用了PID控制方法。

PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制，从而减小时滞，防止超调，获得稳定的输出数据。但由于被控对象的工作过程具有多样性，使得PID参数的正确获取较为复杂，需要通过反复调试，获取尽可能多的实验数据后确定。PID控制在PLC中既可用PID硬件模块实现，也可用软件实现，应根据实际的控制系统规模以及成本等因素选取。本系统采用的是S7-200系列的PLC，实际编程中直接使用PLC内部的PID控制指令，主要解决高压过冲和振荡两个问题。

单相交流调压模块集同步变压器、相位检测电路、移相触发电路和输出可控硅于一体，当改变控制电压的大小，就可改变输出可控硅的触发相角，即实现单相交流电的调压。考虑到电网电压的波动和负载在启动时一般都比其额定电流大几倍，及晶闸管芯片抗电流冲击能力较差等因素，在选取模块电流规格时应留出适当裕量。阻性负载的模块标称电流应为负载额定电流的2倍；感性负载的模块标称电流应为负载额定电流的3倍。另外，调压模块的过电压能力差，若模块内部未自带过电压保护线路，可以外接阻容吸收回路或压敏电阻进行保护。

光电隔离模块的作用是将高压地和控制地分开，从而保护后端的模拟采样等控制线路。选用时要选择合适的频带范围和驱动能力，确保不影响正常的数据传送。

按照模拟量隔离模块的接线方式，其输入端等效电阻和高压分压器的低压臂电阻并联，当输入端等效电阻不能明显大于高压分压器的低压臂电阻时，就会影响到高压分压器的分压比。除了选择较大输入阻抗的隔离模块外，还可以使用运放设计中间电路，利用其高输入阻抗的特性进行匹配，或者通过软件校正。