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。

2．3 信号转换电路

S7-200PLC支持多种通信协议，比如点到点接口协议(PPI)、多点接口协议(MPI)、Profibus协议、用户定义的协议等。触摸屏和PLC之间采用RS 485协议通讯，为避免实验过程中储能电容放电产生的高压脉冲干扰通过串行总线耦合到屏蔽间内部，设计了针对RS 485协议的光电／电光转换电路，实现串口数据的光纤传输。由于RS 485属于半双工协议，标准的协议转换芯片都需要控制数据流方向，一般采用的方式是用一根信号线来控制，实现收发的切换，这种方式不但需要增加电路，还需要进行编程控制。本系统采用的思路则巧妙的由硬件本身完成了接收和发送的自动转换，电路简单，抗干扰能力强，可靠实现了RS 485信号和TTL信号的转换。

1414T和2412T是一对标准的光电收发器件，最高数据传输速度为5 Mb／s，传输距离超过1 km，完全满足RS 485信号的传输要求。对于1414T光发射器必须提供足够的正向驱动电流才能发出所需光功率，而2412T是集电极开路输出，通过一个上拉电阻即可获得光信号经光电二极管转换成的电信号。根据光电收发器件的电器特性，增加必要的驱动、反向等电路后，系统能够可靠进行TTL信号的光纤传送和转换，从而实现RS 485信号的长距离光纤传输。电路原理图如图3所示，其中Q1应根据使用的串口通讯速度选取合适的开关管，并根据光纤的长度来调节R3的阻值，以改变光发射功率，确保光传输稳定可靠。

3 结 语

此程控充电系统完全满足设计要求，已经应用于多项物理实验，抗干扰能力强，可靠性好。简单修改触摸屏和PLC程序，可以配合不同指标的高压电源组成各种充电系统，通用性好，使用范围广。通过修改通讯协议，还可以用计算机替代触摸屏，将充电系统纳入整个实验控制系统进行统一管理。系统中使用的RS 485光传输电路，可以广泛用于高压大电流场合，有效提高主控设备的抗干扰能力。

编辑：博子