[科普中国]-电源注入器

电源注入器，又称POE注入器等。

电源注入器提供一个能替代本地电源，多端口POE供电交换机和多端口供电配线板的选项来增加无线局域网接入点部署的灵活性。

电源注入器通常使用外置电源，提供直流电源，与数据信号一并发送至接入点（AP、）。电源注入器在超五类线缆中未用的线对上提供高达30W电源，提供足够的电力供应至328英尺（100米）距离。

5类以太网电缆连接电源注入器一端至以太网交换机（集线器或网络），另一条以太网线承载电源和数据至接入点或网桥的以太网口。电源注入器的电源连接到墙壁插座或电源排插。

HL-1M中性束注入器弧流电源的研制中性束注入是实现热核聚变反应等离子体加热的有效方法 。为跟踪这一领域高科技的发展，引进了一 台中性束注入 器，用于HL-1M装置等离子体的辅助加热。该注入器是单离子源兆瓦级大功率脉冲注入器，最大输出功率为35kV 、60A 、200ms。因没有引进注入器电源，故研制了7套电源和控制系统，所述的弧流电源就是其中的一套。1

弧流电源的设计要求为使离子源的引出 系统处于最佳引出状态，应使弧放电等离子体密度ne随引出 电压Va的2/3次方变化。此时，引出束流与ne成正比，ne近似与弧流成正比，因此大功率注入器需要大功率的弧流电源，同时要引出稳定的束流，还必须有稳定的弧流。为满足电极引出和实验的要求，弧流电源的输出功率应能在较大的范围内调节。

弧流电源是一个非线性负载，易受工作气体压强、外磁场、弧压和阴极状态等因素的影响，而使弧流变得不稳定。对高达几千安的大功率脉冲弧流，实现闭环稳流是很难的。国外一般采用多灯丝独立供电，这样每根灯丝都有一个独立的弧流电源，可使弧流减小，而便于稳流和调节。

强流脉冲离子源要求大功率直流脉冲稳流电源的输出电压连续、可调，且具有纹波小、内阻高、故障时能快速分断的功能。1

交流晶闸管闭环稳流系统Tn采用6只反并联晶闸管三相交流调压电路。移相触发器是将KJZ6晶闸管三相全桥控制板的KJ041芯片拔掉，用330Ψ电阻把对应脚短接，再将KJ041的脚7与KJ042的脚8相连后引到印刷板的控制端18，用作反并联三相交流晶闸管调压控制板，称为KJZ6M。这样脚18的功能与原KJZ6相反，即低电平封锁，高电平输出移相脉冲。

在工作脉冲输出前，先调电位器RP1进行电流预置，此时因晶体管VT1饱和导通，KJZ6M的脚8为低电平，无移相脉冲输出。当程控脉冲发出时，光耦VB1导通或非门IC1的 脚10变低电平，VT1止，KJZ6M的脚18变高电平，有移相脉冲输出，此时Tn导通，输出直流电压，其值为对应的预置电流所需的电压。1

GTO 直流快速开关为满足弧流脉冲快速分断的要求，选用由GTO元件、吸收电路和门极驱动器组成的直流开关，其中GTO元件的断态重复峰值电压V DRM=4500V，通态可关断电流I TQM =2500A，并与吸收元件组装在一起，串联在直流侧主回路中。

逻辑电路的功能是将驱动器的工作状态与给定条件做比较，进行监视，在驱动器工作状态异常时发出关断脉冲。输入信号采用红外发光二极管VB8，输出电平0～5V，输入电流大于5mA。它的检测电路在检出过流后30μs 发出分断信号。1

门控和控制保护电路门控和控制保护电路由过流、过脉宽检测电路、弧控制门和保护电路等组成。每次输出弧脉冲时，先由PC 发出基准脉冲，通过光耦VB5送至控保电路，使系统复位(清零)。

当灯丝出现故障时，由灯丝的保护电路发送故障信号，将PC发出的GTO开通脉冲屏蔽，关断GTO。后两种故障信号仅关断GTO，不封锁SCR。1

调试中出现的问题及解决方法(1)交流晶闸管闭环调整系统原设计有电流和电压两个反馈环。调试时发现互相矛盾，引起系统振荡。经分析表明此法可用于恒压或恒流供电，但不适宜NBI变 化范围很大的负载，故将电压反馈取消。

(2)霍尔隔离电流传感器易损坏，特别是隔离50kVDC的TA3电流反馈传感器损坏了3次。损坏的原因大多是磁敏霍尔元件失效，估计是因电位突变引起的。后将霍尔片用锡箔小心包起来再整体用铁壳屏蔽，基本上解决了这一问题。

(3)系统闭环时强烈振荡。用减小闭环系统的放大倍数和在适当部位并联电容进行相位补偿等措施消除了振荡 。

(4)与离子源联机时，当弧流大于400A时， 弧等离子体不稳定，发生振荡。经在主回路中串接一只2mH的电感 L4后， 弧流基本稳定。但却使弧流的上升下降时间增大。1

假负载调试和与注入器联机的试验结果装机前，用800V贮能电容器 组成直流电源进行GTO开关短路脉冲电流定额和开关速度测试 。

将GTO 开关组件串接在弧流电源的直流侧主回路前后，分别用电阻负载测试弧流电源的输出脉冲。该弧流电源经假负载测试后与注入器联机，做了离子源的放电试验。

离子源放电时的波形。经验证，该弧流电源达到了设计要求， 已用于H L -1M中性束注入器中。1

EAST中性束注入器加速极电源设计利用脉阶调制技术，引入一种新颖的80个不可控直流电源模块串联的解决方案；加速极电源的输出电压取决于投入的模块数，通过开关可调节输出电压在0% ～ 100%额定电压范围内阶梯变化；与传统的整流加串联真空调整管方案相比较，该方案具有多方面的优点。2

加速极电源设计该电源由80个电容滤波型三相桥式不可控整流模块串联组成，整流桥进线通过2台六相12脉波的移相变压器与10kV母线相联。移相变压器对应相位的相角互差15°，每台变压 器的低压绕组由轴向分裂的两组等容量、等电压的绕组组成，一组为星形，另一组为三角形联结，形成24脉波直流输出，理想情况下输出电压只含24及其倍数次谐波。为避免由于高电压、大电流快速导通和关断时引起的强电磁场干扰，保证周围电子设备和电源本身的正常工作，高压传输线采用同轴结构，以尽可能的降低这种干扰。

由于系统杂散电容会储存一定能量，当加速极打火击穿时，这部分能量会耗散在加速极中。尤其是高压传输线部分电容储存的能量，在开关开断后，这部分能量仍然会耗散在加速极中。为保护加速极，电源输出端串联一个缓冲器Snubber，用以吸收高压传输线部分电容储存的能量。2

直流电源模块设计加速极电源由80个相同的直流电源模块串联而成，通过对一个直流电源模块的分析就能了解整个电源的特性。加速极可用一个阻性负载Rload=14Ω代替。

如不串联软充电电阻，交流电源直接通过整流桥对电容C 充电，电容电压会过充到约1800V。电容 C和放电电阻 RC 组成滤波电容区，为了合理选择滤波电容参数，对电容滤波型三相桥式整流电路进行定性及定量分析，计算出输出电压的纹波及平均值。

直流侧快速熔断器Fuse 和可控硅SCR( Cro w bar )组成后备保护电路。在加速极打火击穿时，如果开关拒动，由控制回路发信号触发导通SCR，将短路电流切换至SCR通道。这时有较大的短路电流流过可控硅和快速熔断器，熔断器快速熔断，将负载切除。 在这个过程中，可控硅和熔断器会完全损坏，由于开关拒动的可能性较小，这一不足之处还是可以接受的。2

控制和保护为实现快速调节，由DSP构建主控制系统，前馈和反馈调节被采用。前馈调节是任意取4个电源模块输出电压的平均值，根据设定的加速极电源电压计算所需投入的模块数，得到近似的电压输出，再由反馈进行细调以满足要求。

值得注意的是，前馈调节取的模块电压是空载电压，带负载后电容向负载迅速放电，10ms内，模块输出电压从1200V下降至1100V，而加速极电源输出电压会从80kV降至约73kV。输出电压会有一个下降的动态过程 。有些文献提出通过预先设定投入模块顺序和数量的补偿方法。 这里，可通过反馈调节补偿这一过程。

由DSP构建的快保护和PLC构建的慢保护组成了加速极电源的保护电路。 PLC实现逻辑控制、状态监控及过压欠压等保护。加速极打火击穿时，由总控来的保护信号直接驱动关断所有IG-BT，实现快保护。2

本词条内容贡献者为:

李宗秀 - 副教授 - 黑龙江财经学院