CN101478139A - 具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置，包括有速调管，速调管中有灯丝，灯丝的两端通过导线连接至灯丝变压器，灯丝变压器通过导线连接有灯丝电源，速调管的收集极接线端子和管体接线端子分别有导线引出，管体接线端子引出的导线穿过霍尔传感器一后接地，收集极接线端子引出的导线穿过霍尔传感器二后接地；灯丝的一端还通过限流电阻连接至HVPS负极，HVPS正极接地，输出端通过导线同撬棒连接；霍尔传感器一和霍尔传感器二上分别有导线引出并连接至各自对应的过流保护电路输入极，霍尔传感器的信号通过导线输入至过流保护电路中，本发明在2.45G高功率低混杂波系统中表现良好，所有功能都完全实现，同时它的可靠性和稳定性也大为提高。

Description

具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置

技术领域

本发明涉及速调管保护领域，尤其是一种具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置。

背景技术

速调管是大功率微波系统的核心部件且价格非常昂贵，它的正常工作与否直接关系到整个系统的安全。速调管在高压上电时的故障态表现为两种过流形式：管体过流和主回路过流。由于过流时的速调管(把“可能”二字去掉)处于极度危险的状态，需要及时地撤出高压，否则速调管将被损毁。速调管的磁场散焦、管内真空问题或加工缺陷，都有可能引起管体的漏电流过大，这时候的打火击穿对速调管所释放的焦尔量不能太大。同时加在速调管的高压不能超过额定值，否则阴极发出的高能电子将造成收集极的损伤。

目前许多大功率微波系统管体电流保护阈值低，在电磁环境恶劣的情况下，地线浮动和保护快速响应等等都可能引起误动作；由于速调管是并联地连接上高压源的，在撬棒动作时，保护指示也受到地线浮动强大干扰，会在几十个微秒内引发其他保护电路动作，因而不能确定究竟是哪一路速调管发生过流。过流保护系统在过流发生时通常是许多路同时保护；另外电流保护域值和响应时间也是在实验开始前手工一路一路定标完成的，在系统运行期间，将无法判断保护阈值和响应时间是否还在设定的正常范围内，这就无法判断过流保护系统是否正常，在这种情况下，速调管保护的风险很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置，以解决传统技术中速调管保护不及时造成速调管损坏的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置，包括有速调管，速调管中有灯丝，所述灯丝的两端通过导线连接至灯丝变压器，所述灯丝变压器通过导线连接有灯丝电源，其特征在于：所述速调管的收集极接线端子和管体接线端子分别有导线引出，所述管体接线端子引出的导线穿过霍尔传感器一后接地，所述收集极接线端子引出的导线穿过霍尔传感器二后接地；还包括有高压电源HVPS，所述灯丝的一端还通过限流电阻连接至HVPS负极，所述HVPS正极接地，通过导线同撬棒连接；所述霍尔传感器一和霍尔传感器二上分别有导线引出并连接至各自对应的过流保护电路输入极，所述霍尔传感器的信号通过导线输入至过流保护电路中；所述两个过流保护电路发出的触发信号通过信号线输入至撬棒，所述撬棒响应信号通过另一根信号线返回至两个过流保护电路；所述两个过流保护电路中采集到的信号通过信号线输送至下位机，所述下位机通过交换机同上位机连接，所述上位机发出自检信号输送至下位机，下位机通过另一根信号线将自检信号输入至两个过流保护电路中。

所述的具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置，其特征在于：所述霍尔传感器的信号通过引出的导线输送至过流保护电路的输入端，所述过流保护电路输入端串联有二极管和电感后，导线分为两路，一路连接至运算放大器的反相输入端；所述运算放大器将信号通过输出端输送至集成电路NE555的TRIG引脚处，所述信号通过集成电路NE555的Q引脚输出，并通过一个电阻输送至光电耦合器4N25的引脚1上；所述光电耦合器4N25引脚5、引脚4上分别有导线引出，并分别连接至三极管的集电极和基极上；所述三极管发射极引出的导线分为两路，一路同发光二极管和电位器一串联后接地，另一路同电位器二串联后接地；所述电位器一上有导线引出，并连接至所述ac4031采集卡输入端，所述电位器二上有导线引出，并连接至撬棒输入端。

所述的具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置，其特征在于：所述下位机中采用ac4031采集卡，所述两个过流保护电路中采集到的信号通过信号线输送至下位机的ac4031采集卡输入端中，所述下位机输出的自检信号通过ac4031采集卡的输出端输入至两个过流保护电路中。

所述的具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置，其特征在于：所述速调管的管体接线端子与霍尔传传感器一、速调管收集极接线端子与霍尔传感器二之间的导线上分别串联有电流指示表。

本发明在2.45G高功率低混杂波系统中表现良好，所有功能都完全实现，同时它的可靠性和稳定性也大为提高。在大功率速调管发生过流的情况下，本发明第一能实时地保护速调管，第二能从多路速调管中分辨出真正发生故障的速调管，第三能判断出整个保护过程所用时间；在实验前和实验期间可以方便地在线检测保护系统。

附图说明

图1为本发明系统图。

图2本发明单路保护原理示意图。

图3本发明过流保护电路图。

图4本发明撬棒响应信号采集电路图。

图5本发明过流保护电路响应时间图。

具体实施方式

参见附图，图1中标号：1、传感器一，2、传感器二，3、管体接线端子，4、收集极接线端子，5、速调管，6、钛泵，7、输出功率，8、磁场线圈，9、输入功率，10、灯丝，11、灯丝电源，12、灯丝电压器，13、限流电阻；14、管体电流指示，15、主回路电流指示。

具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置，包括有速调管，速调管中有灯丝，灯丝的两端通过导线连接至灯丝变压器，灯丝变压器通过导线连接有灯丝电源，速调管的收集极接线端子和管体接线端子分别有导线引出，所述管体接线端子引出的导线穿过霍尔传感器一后接地，收集极接线端子引出的导线穿过霍尔传感器二后接地；还包括有HVPS，灯丝的一端还通过限流电阻连接至HVPS负极，HVPS正极接地，输出端通过导线同撬棒连接；霍尔传感器一和霍尔传感器二上分别有导线引出并连接至各自对应的过流保护电路输入极，霍尔传感器的信号通过导线输入至过流保护电路中；两个过流保护电路发出的触发信号通过信号线输入至撬棒，撬棒响应信号通过另一根信号线返回至两个过流保护电路；两个过流保护电路中采集到的信号通过信号线输送至下位机，下位机通过交换机同上位机连接，上位机发出自检信号输送至下位机，下位机通过另一根信号将自检信号输入至两个过流保护电路中。

霍尔传感器的信号通过引出的导线输送至过流保护电路的输入端，过流保护电路输入端串联有二极管和电感后，导线分为两路，一路连接至运算放大器的同相输入端，另一路通过一个电阻连接至光耦合器的引脚2处；运算放大器将信号通过输出端输送至集成电路NE555的TRIG引脚处，信号通过集成电路NE555的Q引脚输出，并通过一个电阻输送至光电耦合器4N25的引脚1上；光电耦合器4N25引脚5、引脚4上分别有导线引出，并分别连接至三极管的集电极和基极上；三极管发射极引出的导线分为两路，一路同发光二极管和电感一串联后接地，另一路同电感二串联后接地；电感一上有导线引出，并连接至所述ac4031采集卡输入端，电感二上有导线引出，并连接至撬棒输入端。

下位机中采用ac4031采集卡，两个过流保护电路中采集到的信号通过信号线输送至下位机的ac4031采集卡输入端中，下位机输出的自检信号通过ac4031采集卡的输出端输入至两个过流保护电路中。

速调管的管体接线端子与霍尔传传感器一、速调管收集极接线端子与霍尔传感器二之间的导线上分别串联有电流指示表。

EAST托卡马克上，工作频率为2.45G的低杂波系统是由20路速调管(KU-2.45型)组成，每一只都需要管体过流保护和主回路过流保护，考虑到系统的冗裕，对每5路电流的和再做一次保护，这样共需要48路。每6路电路板集中在一个抽屉机箱，共用一个底板，每4个抽屉机箱放入一个大机柜，共用一个转换机箱。这样共有8个抽屉机箱、两个转换机箱和两个大机柜。另外把下位机也放在其中的一个大机柜里。下面以一路过流保护为例，来介绍过流保护的硬件设计。

如图1和图2所示，分别连接速调管集电极和管体的地线穿过霍尔传感器(LT108-S7/SP8)，霍尔传感器产生原边电流1/2000的电流，送给过流保护电路将其转换成电压，对电压信号进行滤波，再进行高速比较，最后把信号同时送给计算机采集与触发撬棒。由撬棒快速对地短路高压以达到对速调管进行保护的目的，同时根据计算机采集到的数据判断出哪一路发生过流。

由于电流保护值和硬件响应时间非常重要，故建立了基于计算机的测试系统，来快速地测量它们的工作状态。

速调管型号为俄罗斯生产的KU-2.45型，如图1所示，灯丝电源给灯丝通电流，预热灯丝，灯丝中活跃的电子在负高压作用下形成电子束，高速运动的电子束受空间电荷的排斥力，直径会变大，磁场电源产生的匀轴向聚焦磁场可保证电子束在速调管内的整个渡越过程中获得最佳的聚焦效果。需要放大的射频信号经同轴线耦合至速调管输入腔，电子枪发射出的电子束首先在输入腔受到射频信号的调制，被调制的电子束经过多级谐振腔后，射频信号被放大，部分动能转换成射频能量并经速调管输出腔输出，携带剩余能量的电子最后由速调管集电极接收。

霍尔传感器是过流信号的探测设备，是基于霍尔效应原理来测量电流的，使得被探测的过流信号与地线隔离。这样做主要考虑到，由于低杂波系统的主回路采用单点接地的模式，从整个系统安全的角度出发，检测回路与之隔离，减小弱电与强电之间的耦合。

过流保护电路，如图3所示，其特征在于从霍尔传感器感应出来的副边电流信号经过电流—电压变换电路变为电压信号，再经过滤波电路进入如比较器(LM311)作比较，若输入电流大于预设电流阈值，则比较器(LM311)产生触发脉冲，经过脉冲展宽为一定时间宽度的脉冲，通过光隔离(4N25)触发撬棒动作和被计算机采集。如图5所示，1号线上升沿表示过流信号的发生，2号线显示的是从过流保护电路发出的触发撬棒的信号。由此可以看出过流保护电路的响应时间为30us，远远小于速调管保护所要求的150us。

撬棒响应信号采集电路，如图4所示，从撬棒响应的光信号通过HFBR-2412光电转换，经反相器反相后被计算机采集。

电流预设阈值，采用安装在前面板上的可调电位器，方便预设电流阈值的操作。

计算机采集采用ac4031采集卡，四个接口(DIP40)，S3，S4两端输入，s5，s6两端输出。数字量64位输入，64位输出。

四个抽屉机箱共用一个转换机箱，转换机箱起到连接计算机和撬棒同四个抽屉机箱的桥梁作用。

6路公用一个底板，每6路电路板均采用插卡式连接至底板，通过底板共用一组电源以及接受和输出信号。其优点在于如果电路元件坏掉，仅仅需要更换相应的板卡即可，主板不须更换。

微机包括下位机和上位机，都使用的是工业控制计算机。

计算机操作系统采用实时操作系统QNX。

上位机和下位机的连接属于低杂波系统工业以太网的一部分。

Claims (4)

1、具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置，包括有速调管，速调管中有灯丝，所述灯丝的两端通过导线连接至灯丝变压器，所述灯丝变压器通过导线连接有灯丝电源，其特征在于：所述速调管的收集极接线端子和管体接线端子分别有导线引出，所述管体接线端子引出的导线穿过霍尔传感器一后接地，所述收集极接线端子引出的导线穿过霍尔传感器二后接地；还包括有高压电源HVPS，所述灯丝的一端还通过限流电阻连接至HVPS负极，所述HVPS正极接地，通过导线同撬棒连接；所述霍尔传感器一和霍尔传感器二上分别有导线引出并连接至各自对应的过流保护电路输入极，所述霍尔传感器的信号通过导线输入至过流保护电路中；所述两个过流保护电路发出的触发信号通过信号线输入至撬棒，所述撬棒响应信号通过另一根信号线返回至两个过流保护电路；所述两个过流保护电路中采集到的信号通过信号线输送至下位机，所述下位机通过交换机同上位机连接，所述上位机发出自检信号输送至下位机，下位机通过另一根信号线将自检信号输入至两个过流保护电路中。

2、根据权利要求1所述的具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置，其特征在于：所述霍尔传感器的信号通过引出的导线输送至过流保护电路的输入端，所述过流保护电路输入端串联有二极管和电感后，导线分为两路，一路连接至运算放大器的反相输入端；所述运算放大器将信号通过输出端输送至集成电路NE555的TRIG引脚处，所述信号通过集成电路NE555的Q引脚输出，并通过一个电阻输送至光电耦合器4N25的引脚1上；所述光电耦合器4N25引脚5、引脚4上分别有导线引出，并分别连接至三极管的集电极和基极上；所述三极管发射极引出的导线分为两路，一路同发光二极管和电位器一串联后接地，另一路同电位器二串联后接地；所述电位器一上有导线引出，并连接至所述ac4031采集卡输入端，所述电位器二上有导线引出，并连接至撬棒输入端。

3、根据权利要求1所述的具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置，其特征在于：所述下位机中采用ac4031采集卡，所述两个过流保护电路中采集到的信号通过信号线输送至下位机的ac4031采集卡输入端中，所述下位机输出的自检信号通过ac4031采集卡的输出端输入至两个过流保护电路中。

4、根据权利要求1所述的具有在线自检功能的多路大功率速调管过流实时保护装置，其特征在于：所述速调管的管体接线端子与霍尔传传感器一、速调管收集极接线端子与霍尔传感器二之间的导线上分别串联有电流指示表。

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