一種程控高壓充電系統設計

充電系統廣泛應用于物理試驗、開(kāi)關(guān)技術(shù)等研究課題。早期的充電系統主要是通過(guò)手動(dòng)調節調壓器來(lái)改變高壓電源的輸出，充電過(guò)程易受操作人員主觀(guān)影響，穩定度低，難以實(shí)現整個(gè)實(shí)驗過(guò)程的自動(dòng)控制；部分系統采用了電動(dòng)調壓器，通過(guò)控制電機帶動(dòng)調壓器進(jìn)行電壓調節，調節過(guò)程中滯后現象明顯，且電動(dòng)調壓器體積功率普遍較大，不利于小型充電系統使用；基于串聯(lián)諧振的高頻高壓充電電源體積小、效率高，但成本高，線(xiàn)路復雜；充電設備多用于高電壓、大電流的場(chǎng)合，瞬時(shí)放電產(chǎn)生的空間干擾和地線(xiàn)干擾相當嚴重，對示波器等精密測試儀器有一定的影響。因此，研制穩定可靠的程控高壓充電系統很有必要。

1 系統概述
某試驗需要一臺充電設備，要求單極性充電，充電電壓-20～-80 kV連續可調，充電時(shí)間小于100 s，儲能設備為電容器，充放電過(guò)程不允許人員在場(chǎng)，所有操作必須在屏蔽間完成。

2 系統設計
程控高壓充電系統的硬件結構如圖1所示。主控部分位于屏蔽間內，包括觸摸屏和信號轉換電路，實(shí)現高壓設置，充電啟停，接地瀉放等控制命令的發(fā)送，以及充電系統工作狀態(tài)和實(shí)際電壓的顯示；充電系統位于實(shí)驗間，包括信號轉換，PLC，調壓模塊，高壓采樣等，通過(guò)接收主控部分的控制命令，完成儲能電容充電等動(dòng)作。為實(shí)現屏蔽間和實(shí)驗間的完全隔離，采用光纖作為數據傳輸介質(zhì)。

2．1 觸摸屏
屏蔽間內除了放置程控高壓充電系統的主控部分，還包括操作臺，示波器等其他物理實(shí)驗需要的儀器設備，從而要求程控高壓充電系統的主控部分體積小，易于觀(guān)測，操作簡(jiǎn)便。用觸摸屏作為監控系統的人機界面，除節省PLC的I／O點(diǎn)數之外，還提高了生產(chǎn)監控能力，簡(jiǎn)化了操作面板。綜合比較后采用IO英寸的觸摸屏作為主控設備，并嵌入操作臺，和其他儀器設備的操作窗口位于一個(gè)平面，方便操作人員的使用。圖2為觸摸屏控制界面，具有指針和數字兩種實(shí)際電壓顯示方式，通過(guò)鍵盤(pán)輸入設置電壓，控制按鍵按照功能互鎖，避免誤操作。需要注意的是，為了有效提高觸摸屏和PLC之間的數據傳輸效率，在觸摸屏編程過(guò)程中，最好將使用的數據區設置為一段連續的PLC寄存器地址。

2．2 充電控制
PLC是整個(gè)充電控制的核心，充電開(kāi)始后，首先輸出一個(gè)0～10 V的直流信號到調壓模塊，控制調壓模塊輸出一個(gè)0～220 V交流電壓到高壓電源，經(jīng)過(guò)高壓電源升壓整流后給儲能電容充電，再通過(guò)高壓側并聯(lián)的高壓分壓器，把0～-80 kV的高壓信號轉換為0～-8 V的低壓信號，隔離調理后送到PLC，PLC獲取后和設置電壓對比，調整輸出的直流信號，實(shí)現充電過(guò)程的閉環(huán)控制。但是，從PLC輸出直流信號到高壓電源穩定輸出高壓，有一個(gè)滯后時(shí)間，如果采用簡(jiǎn)單閉環(huán)控制，會(huì )造成控制過(guò)程失調，高壓輸出震蕩，無(wú)法達到指標要求。因此，系統使用了PID控制方法。