一種程控高壓充電系統(tǒng)設計

充電系統(tǒng)廣泛應用于物理試驗、開關技術等研究課題。早期的充電系統(tǒng)主要是通過手動調節(jié)調壓器來改變高壓電源的輸出，充電過程易受操作人員主觀影響，穩(wěn)定度低，難以實現(xiàn)整個實驗過程的自動控制；部分系統(tǒng)采用了電動調壓器，通過控制電機帶動調壓器進行電壓調節(jié)，調節(jié)過程中滯后現(xiàn)象明顯，且電動調壓器體積功率普遍較大，不利于小型充電系統(tǒng)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，線路復雜；充電設備多用于高電壓、大電流的場合，瞬時放電產生的空間干擾和地線干擾相當嚴重，對示波器等精密測試儀器有一定的影響。因此，研制穩(wěn)定可靠的程控高壓充電系統(tǒng)很有必要。

1 系統(tǒng)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(xù)可調，充電時間小于100 s，儲能設備為電容器，充放電過程不允許人員在場，所有操作必須在屏蔽間完成。

2 系統(tǒng)設計
程控高壓充電系統(tǒng)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，實現(xiàn)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(tǒng)工作狀態(tài)和實際電壓的顯示；充電系統(tǒng)位于實驗間，包括信號轉換，PLC，調壓模塊，高壓采樣等，通過接收主控部分的控制命令，完成儲能電容充電等動作。為實現(xiàn)屏蔽間和實驗間的完全隔離，采用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質。

2．1 觸摸屏
屏蔽間內除了放置程控高壓充電系統(tǒng)的主控部分，還包括操作臺，示波器等其他物理實驗需要的儀器設備，從而要求程控高壓充電系統(tǒng)的主控部分體積小，易于觀測，操作簡便。用觸摸屏作為監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面，除節(jié)省PLC的I／O點數(shù)之外，還提高了生產監(jiān)控能力，簡化了操作面板。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(shù)字兩種實際電壓顯示方式，通過鍵盤輸入設置電壓，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(shù)據(jù)傳輸效率，在觸摸屏編程過程中，最好將使用的數(shù)據(jù)區(qū)設置為一段連續(xù)的PLC寄存器地址。

2．2 充電控制
PLC是整個充電控制的核心，充電開始后，首先輸出一個0～10 V的直流信號到調壓模塊，控制調壓模塊輸出一個0～220 V交流電壓到高壓電源，經過高壓電源升壓整流后給儲能電容充電，再通過高壓側并聯(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，實現(xiàn)充電過程的閉環(huán)控制。但是，從PLC輸出直流信號到高壓電源穩(wěn)定輸出高壓，有一個滯后時間，如果采用簡單閉環(huán)控制，會造成控制過程失調，高壓輸出震蕩，無法達到指標要求。因此，系統(tǒng)使用了PID控制方法。