Control application of a superconducting magnet power supply based on EPICS

The superconducting quadrupole magnets(SCQs)are powered by 16 power supplies in the inter-action region of the BEPC Ⅱ.The control application of these power supplies must be interlocked with the quench protection system to protect the superconducting magnet and relevant devices.This paper describes the development procedures of this control application using EPICS and the operating result with the quench protection system on-site.     

4W1磁铁电源控制系统的改造

在北京正负电子对撞机(BEPC)中用于同步辐射~X~光研究的插入件4W1磁铁由主线圈绕组和补偿线圈绕组组成,由两台高精度直流电源(主电源和辅助电源)供电. 2004~年11月, BEPC开机使用的两台主电源和辅助电源是重新设计制造的,采用新的控制接口PSI和控制器PSC进行控制. 这套系统是在~BEPCⅡ磁铁电源控制样机PSC/PSI完成的基础上仅用1个月的时间完成的. 在运行初期经过多次调试和修改后, 安全无故障运行历时4个月,为同步辐射提供两条X光束线,保证了用户顺利地进行实验. 它是第一个投入运行的BEPCⅡ储存环控制系统的一个新系统. 介绍了基于EPICS平台开发的4W1磁铁电源新的控制系统和4W1磁铁 升降流的特点以及控制升降流应用程序的研制.     

Gyrotron based on a superconducting magnet

The replacement of conventional pulsed magnetic field coils previously used to generate the intra-cavity B-field with an 11T superconducting magnet is reported. The resulting more stable mm-wave output pulse is shown and the refurbishment requirements of both the field emission, field-immersed, cold cathode and Marx bank spark gaps demonstrated. This system proved to be tunable, oscillating from 20GHz up to 110GHz, with peak power levels of 450kW and 300kW respectively. Other operating parameters were also examined including mm-wave pulse length as a function of anode-cathode position. The pulse length increased from 87±6ns to 310±10ns with a 2.5 cm horizontal transit of the cathode away from the anode. A similar effect was witnessed with the increase of the intra-cavity B-field from 1.00T to 5.00T resulting in the mm-wave pulse duration increasing from 250±40ns. Second harmonic operation of the cavity resulted in 0.5kW of radiation observed at 96GHz. The pulse-to-pulse mm-wave stability coupled with the mode selectivity of the ohmic-Q-dominated cavity resulted in the identification of several oscillating modes including the TE₁₂, cut-off frequency 21.1 GHz, the TE₀₂, cut-off frequency 29.1 GHz, the TE₃₅ at 74 GHz and the TE_14,2, at 88GHz.     

CRAFT超导磁体电源换流变压器短路阻抗设计

聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）超导磁体电源兼具大电流稳态运行、高功率脉冲运行和瞬态故障抑制能力的需求。换流变压器的短路阻抗与超导磁体电源的特性密切相关。为了优化超导磁体电源的性能,基于交直流系统的参数和换流变压器的等效电路模型,研究了换流变压器短路阻抗与超导磁体电源的输出电压、谐波电流、短路故障电流和无功损耗的关系。短路阻抗越小,超导磁体电源的额定输出电压越高,无功损耗越小,这些特性对CRAFT超导磁体电源的性能有利,但是短路故障电流和谐波电流增加,影响电源的短路故障抑制能力和谐波特性。在CRAFT超导磁体电源换流变压器短路阻抗设计时,首先短路阻抗必须满足直流电源的额定输出电压和故障电流抑制能力,其次,由于CRAFT超导磁体电源是多相变流器,仅产生高次特征谐波电流,含量少便于抑制,因而尽量选择较小的短路阻抗。     

合肥光源小功率直流磁铁电源的研究

电子加速器通过对电磁场精细调整使得电子束按理想轨道运行,要求励磁电源电流精度高、稳定度高、纹波小、抗干扰能力强。介绍了合肥光源小功率直流磁铁电源系统结构和控制器系统及控制算法,并进行了仿真和实验研究。实验测得,在负载电感1 mH、等效串联电阻0.049 ,输出电流25 A下电流纹波率2.12,40 min电流稳定度6.6,电流分辨率0.01。这表明：所设计的主电路和控制器系统适用于小功率直流磁铁电源的实验研究。     

14T核磁共振成像超导磁体电源拓扑设计及纹波抑制

根据14T 核磁共振成像(MRI)大电感超导体磁体(电感307H、连接阻抗2mΩ)负载纹波的需求(低压为3V、电流为1500A、电流纹波小于1ppm)，基于常见拓扑结构出现的问题，提出了一种适用于这种大电感超导磁体运行电源的拓扑结构。此拓扑结构采用多级处理、无源滤波和有源滤波相结合的思想来设计。介绍了电源的输入级、中间变换级及输出级三个部分的拓扑，并阐述了各部分拓扑设计对负载电流纹波抑制的作用。通过 Matlab 仿真分析，验证了拓扑设计的合理性。     

小型超导电源系统退磁保护回路建模与仿真

计算了采用二极管等效电压源模型和等效电阻模型的退磁回路电流响应和二极管功耗,分析了两个模型的特点和差异,在此基础上,为了进一步提高精度,充分考虑了二极管的非线性特性,以实际二极管伏安特性进行曲线拟合建立函数关系式得到二极管非线性模型,代入回路方程并求解。综合对比各模型的仿真结果后,得出采用二极管非线性模型和等效电压源模型能更好地模拟退磁保护响应。     

HIRFL-CSRm电源监测系统

电源监测系统为兰州重离子加速器装置(HIRFL)机器研究、自动调束、深度学习提供重要的实时数据,在对HIRFL进行EPICS升级过程中,重新设计电源监测系统,采用分布式的设计布局,形成一种由上层、中间件、底层构成的拓展架构,实现上层数据的中间件处理、下层参数的中间件统一下发,避免上层非法参数对下层设备的不利影响,简化下层异常的处理;为了调束方便,整合显示界面,优化不同功能界面上大数据量显示的难题,提高显示的流畅度;为了完成数据的后台分析,搭建非关系型数据库集群,实现重要数据多副本、实时数据分片多节点存储,提高数据安全性及数据库读写速度,避免复杂的数据库表结构设置,拓展数据库集群优化及节点增加。     

超导技术在未来电网中的应用

大力发展可再生能源并实现清洁能源变革,是当今能源领域的大趋势。随着可再生能源越来越多地接入电网,将对直流输电和大规模储能技术提出愈加迫切的需求。在此背景下,超导直流输电技术、超导直流限流器以及基于超导电性的电力储能技术等具有潜在的应用前景。文章较为系统地介绍上述直流超导电力装置的原理、优势以及近些年国内外的进展等。     

基于嵌入式EPICS的中子监测仪研制

针对合肥光源（HLS-Ⅱ）辐射防护与安全需求,且合肥光源的控制系统是基于EPICS架构,为减少辐射监测系统中间的环节,提高合肥光源人身安全联锁可靠性,研制了基于嵌入式EPICS控制系统的中子监测仪。中子监测仪的关键部件-探测器选用BF₃针对合肥光源（HLS-Ⅱ）辐射防护与安全需求,研制了基于嵌入式EPICS的中子监测仪,用于场所与环境辐射场中子的监测。合肥光源的控制系统是基于EPICS架构,为减少辐射监测系统中间的环节,提高合肥光源人身安全联锁可靠性,研制了基于嵌入式EPICS控制系统的中子监测仪。中子监测仪的关键部件-探测器选用BF₃正比计数管,通过对正比计数管产生的微弱电信号加2 kV的正高压偏置,交流耦合介入前置放大器放大,后输出固定宽度的脉冲信号。信号由CORTEX-M3电路计数,后经CORTEX-A8电路处理后将数据发布到局域网。利用镅铍中子源和合肥光源现场辐射环境对所研制的监测仪性能进行了初步测试,结果表明,该监测仪达到设计要求,可用于中子监测。     

Application of wavelet-based active power filter in accelerator magnet power supply

Since modern accelerators demand excellent stability to magnet power supply(PS), it is necessary to decrease harmonic currents passing magnets. Aiming at depressing the rappel current from the PS in the Beijing electron-positron collider, a wavelet-based active power filter(APF) is proposed in this paper. An APF is an effective device to improve the quality of currents. As a countermeasure to these harmonic currents, the APF circuit generates a harmonic current, countervailing harmonic current from PS. An active power filter based on wavelet transformation is proposed. Discrete wavelet transformation is used to analyze the harmonic components in the supply current, and an active power filter circuit works according to the analysis results. Our simulation and experiment results are given to prove the effect of the APF.     

基于EPICS的慢速设备异步控制应用研究

针对直线感应加速器控制系统大多数前端设备为带通讯接口的慢速设备的实际情况,采用异步通讯模块Asyn和基于字节的模块StreamDevice相结合的方法实现该类设备在实验物理与工业控制系统（EPICS）架构下的分布式控制。系统中使用的国产或自行研制的设备的命令格式不是SCPI格式,而控制系统常需要在一个I/O命令中写入多个参数（PV）,而StreamDevice协议中,多个PV设置无法在一个协议函数中实现。采用EPICS实时数据库的Calcout记录作为多参数输入容器,将多个PV组成一个结构化数组,从而实现多个PV变量的同时设置。同样,针对多参数同时读取的情形,使用waveform记录在一次读入操作中能获取多个PV变量的值。     

SC-200质子加速器输运部磁体电源的输出纹波形成机理分析及其Simplorer仿真

介绍了质子治疗加速器输运部二极磁铁电流源的技术要求、主电路拓扑。该电源要求输出电流精度为25ppm,纹波小于25ppm。电源输出电流纹波由低频纹波和高频纹波组成。对电源输出电流纹波的形成机理进行了详细的理论分析和数学计算。得出了基于冲量控制原理的脉冲宽度调制(PWM)电流跟踪控制技术可以有效消除输入低频纹波对输出电流的影响。同时也对输出电流高频纹波采用两种方法进行了定量的数学分析,并得出量化的结论和计算公式。借助AnsoftSimplorer电路仿真软件构建模型,验证了纹波规律结论及计算公式的准确性,并且提出了相应的纹波抑制策略。     

超导电力技术新进展及其未来发展的思考

近年来高温超导材料研究取得很大进展,它在电力领域的应用研究已受到广泛关注,一些示范样机,诸如高温超导输电电缆、变压器、故障电流限制器、电机和储能装置已经研制成功并投入示范性试验.超导技术是21世纪具有战略经济意义的高新技术,文章将介绍高温超导电力应用研究的新进展及其未来发展的思考.     

步进追频及恒振幅控制的超声电源设计

针对超声金属焊接过程中出现的负载变化导致谐振频率漂移和焊接振幅失恒问题,设计了一种基于步进追频及恒振幅控制的超声电源。在负载变化对谐振频率影响的研究基础上,根据FPGA-DDS步进追频原理设计了负载变化追频逻辑;结合全桥逆变电路的移相控制方式,研究了不同占空比下的最大输入电流与最大焊接振幅的关系,提出了基于输入电流反馈下的步进移相恒振幅控制方案;实验结果表明,负载变化追频逻辑实现了谐振频率快速变化下的动态实时追踪,解决了因频率失谐导致的焊接振幅非线性下降问题。同时,在加入了振幅闭环控制后,实现了焊接振幅相对极差稳定在10%以内。     

Application of wavelet-based active magnet power supply filter in accelerator

Since modern accelerators demand excellent stability to magnet power supply （PS）, it is necessary to decrease harmonic currents passing magnets. Aiming at depressing the rappel current from the PS in the Beijing electron-positron collider Ⅱ, a wavelet-based active power filter （APF） is proposed in this paper. An APF is an effective device to improve the quality of currents. As a countermeasure to these harmonic currents, the APF circuit generates a harmonic current, countervailing harmonic current from PS. An active power filter based on wavelet transformation is proposed. Discrete wavelet transformation is used to analyze the harmonic components in the supply current, and an active power filter circuit works according to the analysis results. Our simulation and experiment results are given to prove the effect of the APF.     

超导电力技术新进展及其未来发展的思考

近年来高温超导材料研究取得很大进展,它在电力领域的应用研究已受到广泛关注,一些示范样机,诸如高温超导输电电缆、变压器、故障电流限制器、电机和储能装置已经研制成功并投入示范性试验.超导技术是21世纪具有战略经济意义的高新技术,文章将介绍高温超导电力应用研究的新进展及其未来发展的思考。     

实验物理和工业控制系统在极向场电源控制系统中的应用

介绍了实验物理和工业控制系统（EPICS）的总体结构和特点,以及极向场电源控制系统监控网络的结构和特点,特别是EPICS设备支持在极向场电源控制系统的监控网络中的开发和应用。系统实现了实时监控极向场电源系统的现场设备和开关分合控制,实现了对极向场电源控制系统的电源控制单元的配置参数设置、控制模式的设置、时序控制等,并能及时报警、定位故障点。该系统监控的数字量及模拟量信号近2000路,且支持多用户操作,具备良好的跨平台移植性和扩展能力。经实验测试,该应用运行稳定,能满足极向场电源控制系统监控网络的需求。     

HEPS-TF超导3W1扭摆磁铁控制系统的设计

介绍了中国高能同步辐射光源验证装置(HEPS-TF)中超导3W1扭摆磁铁控制系统的设计。该控制系统主要包括电源控制系统和低温信号监测系统。整个控制系统基于实验物理及工业控制系统(EPICS),其硬件结构以串口服务器为核心,将接口转换为标准的RS232/485接口。软件方面,通过应用StreamDevice设备驱动模块开发了基于Modbus协议的EPICS驱动,缩短了设备驱动的开发周期。上层控制界面采用嵌入了EPICS Qt框架的Qt Creator开发,增强了其灵活性。目前控制系统的离线测试已完成。     

基于超导储能脉冲变压器的多模块脉冲电源设计

为了探索一种更加紧凑的导轨型电磁推进基础实验用脉冲电源,以实验室现有高温超导储能脉冲变压器为单元模型,在单谐振电路脉冲成形方案的基础上,设计了环形结构的多模块脉冲电源,分析了环形结构中考虑互感的多模脉冲电源电路的充放电过程。通过对八模块环形结构脉冲电源进行仿真分析,得到了接近150kA的电流脉冲,原边电压限制13kV左右。可以得出,利用单谐振电路的多模块超导储能脉冲变压器并联放电方式,可以实现大电流脉冲的输出的要求,而且环形结构中各线圈存在的互感更有利于多模块脉冲电源。