基于PLC的高功率充电电源的设计与控制系统实现

发布时间：2018-11-08 09:48

【摘要】：随着国防激光武器的发展需求,脉冲能量的增大,脉冲式激光系统的重要性越来越大;激光电源的充电电源是实验性激光系统的重要组成部分,完成将激光器电容充电到所需的电压。早期的激光充电电源基本上是采用调压器和整流电路组成的直流电源实现对激光器电容的充电控制,而近年来激光充电电源采用开关电源技术,体积大幅减小。但电源控制困难,可靠性低,获得的脉冲频率范围有限,使得激光系统无法实现高功率的脉冲能量。本文研究基于PLC的高功率充电电源与其控制系统,这种电源与以往的充电电源有较大的不同点,含有充电分机和多个储能电容。每个储能电容放电回路中都串接一个半导体开关。充电分机预先对多个储能电容充电储能,再通过谐振电感串联谐振的方式,将储能电容的能量逐个转移到激光器电容上,通过De-Q控制电路,实现激光器电容的充电电压精确。电源内部所采用了最新技术的半导体开关替代了以往的闸流管开关,使得电源的工作寿命大大增长。整个电源具有效率高、功率高和充电电压精确等更加优越的性能。在电源充电的过程中,谐振电感的电磁储能50kJ,工程实现难度大。本文详细的给出了电感的设计计算方法。充电分机采用串联谐振全桥逆变技术和功率开关管的软开关技术,以恒流的方式输出,实现功率开关管的零电流开通与零电压关断,减少开关损耗。本文详细分析了串联谐振全桥逆变的工作特性和工作模式,特别是高频变压器分布参数对谐振的影响,给出了具体的参数设计、仿真和实验波形。同时,对De-Q控制电路进行了详细的分析,给出具体参数设计、仿真和实验波形。控制系统采用西门子PLC作为核心控制器,实现电源的工作流程、状态指示、参数设置和故障保护。远端控制采用VB开发设计的监控软件。根据电源系统实际工作的功能需求进行了分析,给出了系统软件流程图,在此基础上完成控制系统的硬件设计和软件设计。测试结果表明高功率充电电源及控制系统工作可靠、稳定,验证设计的正确性;高功率充电电源实现充电总能量达3MJ,单次充电能量为0.1MJ,充电的平均功率为1.2MW。
[Abstract]:With the development of national defense laser weapon and the increase of pulse energy, pulse laser system becomes more and more important. The charging power of laser power supply is an important part of experimental laser system. The capacitor of laser is charged to the required voltage. The early laser charging power supply basically uses the DC power supply composed of voltage regulator and rectifier circuit to realize the charge control of the laser capacitor, but in recent years, the volume of the laser charging power supply is greatly reduced because of the switching power supply technology. However, the power supply control is difficult, the reliability is low, and the pulse frequency range is limited, which makes the laser system unable to realize the high power pulse energy. In this paper, the high power charging power supply based on PLC and its control system are studied. The power supply is quite different from the previous charging power supply, and contains a charging splitter and a number of energy storage capacitors. A semiconductor switch is connected to each capacitor discharge loop. The charging extension charges the energy storage of several energy storage capacitors in advance, and then transfers the energy of the energy storage capacitors to the laser capacitors one by one through the resonant inductance series resonance, and controls the circuit by De-Q. The charging voltage of laser capacitor is accurate. The semiconductor switch, which uses the latest technology inside the power supply, replaces the former thyristor switch, and makes the working life of the power supply increase greatly. The whole power supply has high efficiency, high power and accurate charging voltage. In the process of charging the power supply, the electromagnetic energy storage of the resonant inductor is 50 kJ, which is difficult to realize in engineering. In this paper, the design and calculation method of inductor is given in detail. The charging extension adopts series resonant full-bridge inverter technology and soft switching technology of power switch tube. It outputs in a constant current mode, realizes zero current turn-on and zero voltage turn-off of power switch tube, and reduces switching loss. In this paper, the working characteristics and mode of full-bridge inverter of series resonance are analyzed in detail, especially the influence of distribution parameters of high-frequency transformer on resonance. The design of parameters, simulation and experimental waveforms are given. At the same time, the De-Q control circuit is analyzed in detail, and the parameter design, simulation and experimental waveform are given. The control system adopts Siemens PLC as the core controller to realize the work flow, state indication, parameter setting and fault protection of the power supply. Remote control is developed with VB software. According to the function requirement of power supply system, the software flow chart of the system is given, and the hardware and software design of the control system is completed. The test results show that the high power charging power supply and control system are reliable, stable and correct, and the total charge energy, single charge energy and average charge power are 3 MJ, 0.1 MJ and 1.2 MW respectively.
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN86;TP273

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本文编号：2318113