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利用MATLAB/Simulink软件分别对图1中的VSAPF和CSAPF完整系统进行仿真分析。为分析VSAPF和CSAPF对低频纹波的抑制性能,本文采用直流和交流叠加的纹波源,即选取直流分量50 A,交流部分选取频率分别为100/300/600 Hz,幅值大小为1/1.5/0.7 A的谐波,使用RL型(
$R\!=\!0.5\,\Omega,\;L\!=\!20\,\text{mH} )$ ,负载来检查VSAPF和CSAPF的系统性能。考虑到加速器直流稳定电源中开关器件的频率为10 kHz,设置有源电力滤波器中功率开关管的频率同为10 kHz。系统参数如表1所列。VSAPF CSAPF 名称 数值 名称 数值 滤波电感Lf 2 mH 滤波电感Lf 0.68 mH 滤波电容Cf 43 µF 直流侧电容Cdc 1.2 µF 直流侧电感Ldc 5 mH 直流侧电阻Rdc 1.3 Ω 直流侧电压${{u}}_{\rm{dc}}^ * $ 250 V 直流侧电流${{i}}_{\rm{dc}}^ * $ 9 A 负责侧电感Lload 2.3 mH 负载侧电感Lload 2.3 mH -
重离子加速器以磁铁负载为主,为准确测试VSAPF和CSAPF的性能,本文以RL型负载模拟磁铁负载。图9(a)为负载电流波形;图9(b)是对VSAPF和CSAPF抑制后的负载电流进行的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)分析;图9(c)为VSAPF抑制后的负载电流波形;图9(d)为CSAPF抑制后的负载电流波形;图9(e)是VSAPF直流侧储能元件电容两端电压;图9(f)是流过CSAPF直流侧储能元件电感的电流。纹波测量结果如图9(b)所示,VSAPF和CSAPF均能准确滤除纹波电流。
图9表明电流型有源电力滤波器对纹波的抑制效果略优于电压型有源电力滤波器,这种差异主要是由于所采用的控制策略。由于CSAPF能够对磁铁电源输出电流直接控制,相比VSAPF通过检测负载纹波电压,实现对磁铁电源输出电流的纹波抑制,可以更快速、更准确地对负载电流进行抑制。VSAPF和CSAPF分别对负载电流进行抑制,通过FFT分析,得到总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)对比结果如图9(b)所示,VSAPF抑制后负载电流的THD为0.32%,CSAPF抑制后负载电流的THD为0.19%,THD相差0.13%。同时,图9(b)表明频率为50, 100 Hz的低频交流信号对负载电流的THD影响最大。
磁铁电源输出电流纹波抑制结果如图9(c)和(d)所示,考虑包括开关电流纹波在内的THD,CSAPF(如图9d)的THD比VSAPF(如图9(c))的THD值更低。图9(e)和(f)分别是VSAPF和CSAPF直流侧储能元件的电压和电流值。为消除有源电力滤波器等电力电子设备自身产生的谐波,需要在12脉冲电路和有源电力滤波器之间设置滤波器,考虑到
${{{u}}_{\rm{dc}}}$ 和${{{i}}_{\rm{dc}}}$ 各自的特性,CSAPF采用二阶LC滤波器,比使用一阶L滤波器的VSAPF更有效地消除设备自身带来的谐波。 -
对上述CSAPF控制系统在实验平台上进行原理验证。为验证本文所提方案的正确性,搭建CSAPF实验平台,初步测试了纹波抑制效果,实验设备如图10所示。直流电源参数为:电源输出电流为50 A,电压为2.5 V。负载选用中心孔径80 mm,铁芯长度为160 mm,磁场梯度为8 T/m的四极透镜。CSAPF直流侧储能电感为5 mH,二阶滤波器LC的具体数值分别为0.68 mH、43
$\mu {\rm{F}}$ 。给待测试的主回路通电,通过PC界面控制CSAPF系统开机,使CSAPF系统处于开环状态,在PC上位操作界面上通过写入直流给定使得CSAPF能够输出一个较小的电流,进而检查各传感器的信号是否准确;ADC转换、DAC转换采样的结果是否正常;PWM信号是否正常;各驱动信号是否正常。图11是利用示波器测试开环状态下PWM驱动信号,PWM模块产生了理想状态下两路脉冲信号按照理论值正常工作,用于控制IGBT的导通与关断。
CSAPF未投入使用时负载电流波形及快速傅里叶变换频谱分析结果见图12。结果显示,利用高精度零磁通电流传感器检测的负载电流纹波主要为100/300/600 Hz等低频纹波信号,计算得到电流纹波系数为
$2.5 \times {10^{{{ - }}5}}$ 。图13为CSAPF投入后的负载电流纹波波形及FFT分析,通过对比图12与图13,可以发现在CSAPF投入后,负载电流纹波显著减小,电流纹波系数为$1.6 \times {10^{{{ - }}5}}$ 。验证了CSAPF对负载电流纹波可以更快速、更准确地进行抑制。
Research on Ripple Suppression of Magnet Power Supply Based on CSAPF
doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020064
- Received Date: 2020-08-18
- Rev Recd Date: 2021-04-07
- Available Online: 2021-07-22
- Publish Date: 2021-06-20
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Key words:
- ripple suppression /
- compensation accuracy /
- main circuit topology /
- active power filter
Abstract: Due to the existence of a large number of nonlinear devices in the accelerator system, a large number of ripples are generated, which seriously affects the control of the accelerator magnetic field on the particle trajectory. In order to realize the suppression of accelerator DC power supply ripple, related researches mainly focused on using voltage-type active power filter to reduce DC power supply ripple, but this method has problems such as insufficient suppression accuracy, response delay, and large switchgear loss. In view of the above problems, this paper compares the main circuit topology of current-type and voltage-type active power filters, investigates the pulse width modulation technology and control strategies of current-type and voltage-type active power filters, and analyzes the performance of different active power filters in the accelerator system to suppress the output current ripple of magnet power supply. Through simulation analysis and experimental verification, it is found that the current-type active power filter has a significant suppression effect on the output current ripple of the magnet power supply, and the current-type active power filter can directly control the output ripple current, and the ripple accuracy is suppressed more highly. With the CSAPF put into use, the load current ripple is significantly reduced, and the current ripple coefficient reaches 1.6×10–5.
Citation: | Yongqiang WANG, Xinhua YANG, Jiqiang LI, Yuzheng HUANG, Daqing GAO, Wei LUO. Research on Ripple Suppression of Magnet Power Supply Based on CSAPF[J]. Nuclear Physics Review, 2021, 38(2): 166-174. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020064 |