卢旭东,车　龙,李宏达,2,赵红阳,李　欣,孟宪江,詹艳艳,尹　伯,潘琳琳

(1.沈阳理工大学 装备工程学院,辽宁 沈阳　110168;2.清华大学 机械系 北京　100084;3.沈阳理工大学 信息工程学院,辽宁 沈阳　110168)

25kV高压可调直流发生器的研制与仿真实验

卢旭东1,车龙1,李宏达1,2,赵红阳1,李欣1,孟宪江3,詹艳艳3,尹伯3,潘琳琳3

(1.沈阳理工大学 装备工程学院,辽宁 沈阳110168;2.清华大学 机械系 北京100084;3.沈阳理工大学 信息工程学院,辽宁 沈阳110168)

摘要为研究直流高压发生器对镁铝材料晶粒细化的作用机理,文中对传统直流高压发生器体积大、工作稳定性差、电压不可调等不足进行改进,设计了一种25 kV可调高压直流发生器。所设计的可调直流高压发生器采用了线性稳压技术和倍压整流技术,能产生范围宽、稳定性高的电压输出,使其具有较强的通用性、安全性、经济性。通过实验与仿真分析,在0.1 ms时间内,直流可调高压发生器最大输出功率为12.5 W,通过分压器输出稳定幅值为25.2 kV的直流高压,且输出电压可调范围为14.2～25.2 kV,表明直流可调高压发生器可满足设计要求。

关键词高压发生器;可调;倍压整流

Development and Simulation of 25 kV High Voltage Adjustable DC Generator

LU Xudong1,CHE Long1,LI Hongda1,2,ZHAO Hongyang1,LI Xin1,MENG Xianjiang3,

ZHAN Yanyan3,YIN Bo3,PAN Linlin3

(1.College of Equipment Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110168,China;

2.Mechanical Department,Tsinghua University,Beijing 1000844,China;

3.College of Information Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110168,China)

AbstractA 25 kV adjustable DC generators is designed to study the effect of the DC high voltage generator on Mg-Al material refinement with improvement on the traditional DC high voltage generator that has large volume,poor work stability,and fixed voltage.The adjustable DC high voltage generator of the designing adopts the technology of linear regulator and voltage doubling rectifier technology;it produces the output voltage of the wide range and high stability.The generator has strong versatility,safety and economy.The analysis of the experimental and simulation show that the adjustable DC high voltage generator exhibits a maximum output power of 12.5 W and a stable amplitude for DC high voltage of 25.2 kV through the divider in 0.1 ms time with the an adjustable range of output voltage of 14.2~25.2 kV.The experiment shows that the adjustable DC high voltage generator meets the design requirements.

Keywordshigh voltage;generator adjustable;voltage multiplier circuit

直流高压发生器是高压试验仪器中主要测试设备之一,直流高压发生器在科学研究、国防、工业等领域有广泛应用,尤其是科学研究领域,考虑到直流高压发生器的经济性和通用性,通常对直流高压发生器具有高稳定性、宽范围输出和高可靠性要求[1]。在研究材料晶粒细化方面,直流高压发生器是进行高电压材料试验的关键性仪器,并能为一些高压试验设备提供直流高压电源,因此,其具有重要的研究价值[2]。在实验室及工业生产中,有诸多的仪器设备也需要高压直流稳压发生器,有些还要求发生器输出电压可大范围连续调节。鉴于目前生产的某些小功率直流高压发生器体积庞大、笨重、元件多而复杂,加之实验的需要,因此文中设计制作了一台25 kV连续可调、最大输出功率12.5 W的直流可调高压发生器。

1系统方案和工作原理

实验设计的直流可调高压发生器是以快速可控硅作为开关元件,将工频50 Hz倍频升压整流,然后经中间供电串联的5倍压整流器产生高压直流电压的发生器装置。

直流可调高压发生器的主回路由输入调整电路、倍压电路及测量显示电路3部分组成,发生器的原理框图如1所示[3]。直流高压发生器系统供电采用工频220 V/50 Hz交流电,220 V交流电压经过可控硅半控整流桥整流、滤波和调整管稳压,为逆变器提供一个高稳定度、小纹波的直流稳压电流。可控硅逆变器又将这个直流电压变换为中频交流电,经中频变压器升压,最后由变倍压器整流倍压产生直流高电压。

图1　直流可调高压发生器的原理方框图

1.1　可调直流稳压电路

可调直流稳压电路由AC-DC开关电源和可控硅交流调节器组成。工作过程是由工频220 V交流电压经整流、滤波、线性稳压,然后输出连续可调的、高稳定性直流电压,为输出宽范围的、稳定高的电压提供保障[4]。

采用可控硅作为交流开关,通过适当的改变加在可控硅控制极上同步触发脉冲的时刻便可改变其导通角的大小,实现无触点地连续调节输出电压有效值的大小[5-6]。

图2　可控硅开关电路及分析

(1)

可控硅交流调压器由可控整流电路和触发电路两部分组成,采用可控硅的优势在于具有体积小、质量轻、反应快、工作时间长、工作效率高等优点,其电路原理如图3所示。

图3　可控硅交流调节器电路图

如图3所示,由二极管D1、D2、D3和D4构成桥式整流电路,基极二极管T1构成张弛振荡器作为可控硅的同步触发电路。当调压器通220 V交流电后,然后220 V交流电通过负载电阻RL,经4个二极管整流,有一个脉冲直流电压在可控硅SCR的A、K两端形成,触发电路的直流电源由该电压经过电阻R1降压后产生。当220 V交流经过正半周时,经整流过的电压通过电阻R4和W1对电容C1充电。当C1充电电压Us达到T1管的峰值电压Up时,T1管将由截止变为导通,于是电容C1通过T1管向电阻R2快速放电,结果在电阻R2上得到一个尖脉冲。将尖脉冲比作为控制信号,然后送到可控硅SCR的控制极上,使可控硅快速导通。被导通后的可控硅的电压很低,一般<1 V,从而使张弛振荡器停止工作。当220 V交流电通过零点时,可控硅将自动关断。当220 V交流电通过负半周时,电容C又重新充电,最终可调整在负载RL上的功率[7]。

1.2　升压电路

升压电路由一个工频变压器构成,工频变压器也被称为低频变压器。低频变压器用来传播信号电压和信号功率,还可实现电路间的阻抗匹配,对直流电具有隔离作用。直流可调高压发生器的低频变压器采用硅钢片EI型磁芯,具有成本低、体积小等优点。本文的开关频率选为50 Hz,变压器升压范围是220~5 000 V。

1.3　倍压电路

倍压电路由高频高压整流二极管和高频整流电容组成[6]。倍压电路参数的设置将直接影响可调直流高压发生器的输出电压,电压纹波是倍压电路的重要参数之一,倍压电路如图4所示。倍压电路电压纹波的计算公式为

(2)

其中,Iout为输出电流;f为发生器频率;C为电容值;n为阶数,通常两倍压为1阶[8]。

图4　倍压电路图

1.4　输出电路

通过200 MΩ的分压器可得到直流可调高压发生器的25.2 kV高压,输出电路实物如图5所示。主要包括直流可调发生器、FRC-100kV数字电压和自制200 MΩ电阻分压器。在实际应用中,应综合考虑电源效率与电流输出能力来选取输出电阻值的大小。当直流可调高压发生器进行第一次调试时,用有机玻璃棒来固定和保护分压器,结果从分压器两端产生的电流直接把电压显示器击坏。经过分析,采用有机玻璃将整个分压器隔离,然后再次进行调试,会使整个装置运行更好。

图5　输出电路实物图

2仿真和试验测试结果

2.1　仿真结果

直流可调高压发生器通过分压器输出幅值为25.2 kV的直流电压,通过计算得到输出功率最大为12.5 W,输出电阻为50 MΩ。采用Matlab对直流可调高压发生器电路进行仿真,仿真时间取为0.1 ms,绘制输出电压响应曲线,得出仿真结果如图6所示[9-10],可调直流高压发生器的输出电压值波动随时间的增加开始迅速上升,最后稳定在约24.8 kV,与实验测试结果接近,表明该电路仿真输出电压结果够满足设计要求。

图6　电压随时间变化的波形图

2.2　实验测试结果

为测试所研制的直流可调高压发生器是否满足使用要求,将其与200 MΩ分压器的一端连接,200 MΩ分压器的另一端与FRC-100kV数字电压表连接,测试结果如表1所示。

表1　直流可调高压发生器测试结果数据表

如表1所示,输出电压随着输入电压的增加而不断增加,且输出电压与输入电压的比值(约1 000倍)变化较小,但当输入电压增大到约30 kV,直流可调高压发生器设备内会产生较大的噪音,设备易损坏。当输入电压达到26.4 V时,输出电压达到最大值25.2 kV,直流可调高压发生器输出电压可调范围为14.2～25.2 kV,通过计算实测电压数值误差约4.5%,设计合理满足实际应用要求。

3结束语

直流可调高压发生器输出最高电压可达25.2 kV,在实验测试时产生高压放电现象,导致数字电压显示表元器件损坏。为了实验数据准确、设备寿命长、操作安全,可将直流可调高压发生器的工频变压器、倍压电路、输出电路固定在一个防水塑料盒内,同时达到密封和绝缘的需要。直流可调高压发生器输出电压达到25.2 kV,连续运行5 min,无闪络和击穿现象,表明该装置正常运行。综上所示,直流可调高压发生器具有输出电压可调、电压稳定性高、可靠性高、成本低等优点。仿真和试验测试表明,直流可调高压发生器的设计达到预期效果,研制的样机经过实际应用,能够满足设计要求。

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通讯作者:车龙(1989—),男,硕士研究生。研究方向:高功率脉冲技术。

作者简介:李宏达(1977—),男,博士后研究生,副教授。研究方向:脉冲功率技术等。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51207096);爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工)开放基金资助项目(KFJJ13-6M);沈阳理工大学重点学科开放基金资助项目。

收稿日期:2015- 05- 21

中图分类号TM832

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)01-068-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.018