230 MeV超導(dǎo)回旋加速器主磁鐵電源的研制

葛 濤，王 川，殷治國(guó)，廖家芬，張?zhí)炀?/p>

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.成都大博電氣有限責(zé)任公司，四川 成都 610091）

0 引 言

癌癥是威脅人類健康的重大疾病，質(zhì)子治療是治療癌癥的重要手段之一。目前，質(zhì)子治療驅(qū)動(dòng)加速器主要為回旋加速器，特別是超導(dǎo)回旋加速器，由于結(jié)構(gòu)緊湊，綜合功率低，耗電量小，所以可大幅降低運(yùn)行成本。中國(guó)原子能科學(xué)研究院長(zhǎng)期致力于醫(yī)用回旋加速器的產(chǎn)業(yè)化研究[1-2]，目前正在建造一臺(tái)用于質(zhì)子治療的230 MeV超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器。該加速器的核心部件為主磁鐵超導(dǎo)線圈，其供電的主磁鐵電源，除滿足線圈正常工作需求外，還應(yīng)具備失超保護(hù)功能。

1 主磁鐵電源主要技術(shù)參數(shù)

表1所示為主磁鐵電源主要技術(shù)參數(shù)。

根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果，該電源具有電流大、負(fù)載電阻小及電流穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。相比于普通的穩(wěn)流電源，由于其負(fù)載為處于超導(dǎo)狀態(tài)下的大電感線圈，其電源應(yīng)依據(jù)所需勵(lì)磁的超導(dǎo)體的特性，采用合理的拓?fù)浞桨福⑶液侠碓O(shè)計(jì)失超保護(hù)與電源連鎖，以確保電源及相關(guān)設(shè)備的正常工作。

2 電源主回路設(shè)計(jì)

主磁鐵電源的主回路采用了“二十四相整流電路+2路斬波電路錯(cuò)相并聯(lián)+失超保護(hù)”線路。如圖1所示，主回路由進(jìn)線斷路器、輸入EMI濾波器、交流接觸器、軟啟動(dòng)器、二十四相整流變壓器、二十四相整流電路、低頻濾波電路、BUCK變換器、高頻濾波電路、快速泄能模塊、失超判斷電路、電流反饋DCCT和遠(yuǎn)控回讀DCCT、前饋電壓取樣電路及直流電壓取樣電路等組成[4]。

表1 電源主要技術(shù)參數(shù)

圖1 主磁鐵電源主回路原理圖

2.1 前級(jí)LC濾波設(shè)計(jì)

為確保后級(jí)斬波輸出的控制精度與紋波要求，前級(jí)的直流輸出紋波至少應(yīng)小于1×10-3。圖2所示為計(jì)算機(jī)仿真軟件ANSYS Simplorer搭建的仿真電路圖[3]，其中4組電源在相位上互差15°。

由于變壓器的次邊是兩個(gè)繞組，分別是Y形接法和Δ形接法，要將其輸出的電壓做到完全一樣是很難的，再加上輸入的三相電壓并非完全一致，所以勢(shì)必將極大地增大其輸出的直流紋波，且整流變壓器的換相重疊角也對(duì)輸出紋波有一定的影響。經(jīng)Simplorer仿真與具體的試驗(yàn)得出了相應(yīng)的參數(shù)，實(shí)際中采用了兩級(jí)LC濾波，第一級(jí)電感為L(zhǎng)1=400 μH，電容為C1=3×68 000 μH/100 V；第二級(jí)電感為L(zhǎng)2=200 μH，電容為C2=3×68 000 μH/100 V。

圖2 二十四脈波整流及濾波仿真電路圖

2.2 后級(jí)LC濾波設(shè)計(jì)

每只IGBT的斬波頻率為10 kHz；兩只錯(cuò)相斬波，最終頻率可達(dá)到20 kHz；在斬波電路中，每只IGBT斬波后都分別進(jìn)行了LC濾波，然后再進(jìn)行并聯(lián)輸出，因此每只IGBT的占空比調(diào)節(jié)范圍均為0%～100%。

實(shí)際高頻濾波電容選取的是100 μF/DC500 V；由于負(fù)載為大電感，在保證輸出電壓紋波的基礎(chǔ)上，適當(dāng)選取濾波電感，實(shí)際選取的是100 μH。

兩只IGBT在開通相位上互差180°，組成錯(cuò)相倍頻BUCK電路[5]。負(fù)載電流AM1作為反饋信號(hào)，給定值為額定300 A；經(jīng)PI運(yùn)算后與三角波進(jìn)行比較，生成PWM脈沖，分別控制IGBT1與IGBT2開通與關(guān)斷；三角波的頻率為10 kHz，兩個(gè)三角波的相位互差180°。電源輸出的電壓與電流仿真波形如圖3所示。

3 控制單元設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)主磁鐵電源輸出電流的高穩(wěn)定度，在控制單元設(shè)計(jì)方面，采用了基于數(shù)字控制的方式。主磁鐵電源的控制單元主要由電流控制單元和失超控制單元組成。其中，電流控制單元主要功能是實(shí)現(xiàn)非失超狀態(tài)下的整機(jī)控制和電流控制，支持本控和遠(yuǎn)控；失超控制單元的功能是失超檢測(cè)和控制。圖4為電源控制單元原理圖。電源的工作狀態(tài)主要有待機(jī)、勵(lì)磁、恒流、降場(chǎng)及失超等5個(gè)狀態(tài)。

圖3 電源輸出電流與電壓仿真波形

圖4 控制單元原理圖

4 失超保護(hù)設(shè)計(jì)

主磁鐵電源的負(fù)載線圈浸泡在液氦中，低溫系統(tǒng)零揮發(fā)。線圈具有固有的失超穩(wěn)定性（大銅超比，安全余量很大），無(wú)需主動(dòng)保護(hù)，因此失超保護(hù)采用被動(dòng)方式[6]。圖5為失超保護(hù)原理圖。

圖5中的A、B、C三點(diǎn)為負(fù)載線圈兩端及中間引出線，在高溫超導(dǎo)電流引線處，設(shè)有溫度探測(cè)點(diǎn)和電壓探測(cè)點(diǎn)。這些點(diǎn)構(gòu)成了整個(gè)電源及負(fù)載的失超探測(cè)點(diǎn)。UAB與UBC的電壓值，高溫超導(dǎo)電流引線的溫度值、電壓值分別引入電源失超檢測(cè)單元，失超檢測(cè)單元通過與相應(yīng)的設(shè)定值比較來(lái)判斷負(fù)載是否失超。當(dāng)負(fù)載失超時(shí)，失超檢測(cè)單元與電流控制單元通過控制快速泄能開關(guān)K1、失超開關(guān)K2的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的保護(hù)。

電源及負(fù)載正常工作時(shí)，快速泄能開關(guān)K1閉合，失超開關(guān)K2閉合，電源與負(fù)載線圈構(gòu)成回路，通過電源的穩(wěn)定輸出，為超導(dǎo)線圈勵(lì)磁?？焖傩赌苣K并聯(lián)接在電源輸出端，在降場(chǎng)和斷電時(shí)，K1由閉合變?yōu)閿嚅_，K2保持閉合狀態(tài)，負(fù)載線圈儲(chǔ)能通過快速卸能模塊釋放。

圖5 失超保護(hù)原理圖

電源及負(fù)載正常工作時(shí)，UAB-UBC為零，高溫超導(dǎo)引線的溫度值和電壓值為固定值；當(dāng)失超控制單元檢測(cè)到UAB-UBC值有變化、或UAB、UBC值與設(shè)定值有明顯變化、或高溫超導(dǎo)引線的溫度值和電壓值與設(shè)定值有明顯變化時(shí)，即認(rèn)為失超。前句任一一個(gè)條件滿足即可觸發(fā)失超保護(hù)。此時(shí)，首先主動(dòng)關(guān)斷主磁鐵電源主回路開關(guān)，同時(shí)失超開關(guān)K2由閉合變?yōu)閿嚅_，快速泄能開關(guān)K1閉合狀態(tài)不變。超導(dǎo)負(fù)載線圈內(nèi)存儲(chǔ)的能量，通過低溫恒溫器內(nèi)并聯(lián)在負(fù)載線圈上的二極管與電阻卸能，起到保護(hù)負(fù)載線圈的目的。

5 電源的測(cè)試

在輸出電流為300 A時(shí)，對(duì)電源進(jìn)行穩(wěn)定度測(cè)試[7]，使用Agilent 34970A DAU多通道數(shù)據(jù)采集器、TOPACC 2000A 電壓型直流電流傳感器及相應(yīng)的Benchlink測(cè)量軟件進(jìn)行自動(dòng)采集、記錄及統(tǒng)計(jì)，得出的測(cè)量結(jié)果如圖6所示。其中，電流最大值為300.269 54 A，電流最小值為300.264 555 A，電流平均值為300.266 417 7 A。電流穩(wěn)定度為(Imax-Imin)/Iav=1.660 19E+05。

圖6 電源穩(wěn)定度測(cè)試曲線

失超測(cè)試是打開線圈內(nèi)部的加熱器，主動(dòng)引發(fā)失超。電源設(shè)置中，設(shè)定了失超檢測(cè)動(dòng)作時(shí)間、失超電壓幅值等。測(cè)試結(jié)果顯示，電源的失超保護(hù)功能檢測(cè)靈敏，動(dòng)作可靠。圖7為失超保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，約為382 μs。

圖7 失超保護(hù)動(dòng)作時(shí)間

6 結(jié) 論

230 MeV超導(dǎo)回旋加速器電源于2018年初設(shè)計(jì)加工完成，目前在230 MeV超導(dǎo)回旋加速器主磁鐵測(cè)磁工作中已投入使用，累計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行了近800 s，其中因主磁鐵制冷水機(jī)故障引發(fā)超導(dǎo)線圈失超一次，失超時(shí)，主磁鐵電源失超保護(hù)功能投入及時(shí)，保護(hù)了超導(dǎo)線圈。根據(jù)電源的使用過程可知，該主磁鐵電源原理設(shè)計(jì)合理，失超保護(hù)功能齊全、靈敏，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。