25 kV高壓可調(diào)直流發(fā)生器的研制與仿真實(shí)驗(yàn)

盧旭東,車　龍,李宏達(dá),2,趙紅陽,李　欣,孟憲江,詹艷艷,尹　伯,潘琳琳

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,遼寧 沈陽　110168;2.清華大學(xué) 機(jī)械系 北京　100084;3.沈陽理工大學(xué) 信息工程學(xué)院,遼寧 沈陽　110168)

25kV高壓可調(diào)直流發(fā)生器的研制與仿真實(shí)驗(yàn)

盧旭東1,車龍1,李宏達(dá)1,2,趙紅陽1,李欣1,孟憲江3,詹艷艷3,尹伯3,潘琳琳3

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,遼寧 沈陽110168;2.清華大學(xué) 機(jī)械系 北京100084;3.沈陽理工大學(xué) 信息工程學(xué)院,遼寧 沈陽110168)

摘要為研究直流高壓發(fā)生器對鎂鋁材料晶粒細(xì)化的作用機(jī)理,文中對傳統(tǒng)直流高壓發(fā)生器體積大、工作穩(wěn)定性差、電壓不可調(diào)等不足進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計了一種25 kV可調(diào)高壓直流發(fā)生器。所設(shè)計的可調(diào)直流高壓發(fā)生器采用了線性穩(wěn)壓技術(shù)和倍壓整流技術(shù),能產(chǎn)生范圍寬、穩(wěn)定性高的電壓輸出,使其具有較強(qiáng)的通用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性。通過實(shí)驗(yàn)與仿真分析,在0.1 ms時間內(nèi),直流可調(diào)高壓發(fā)生器最大輸出功率為12.5 W,通過分壓器輸出穩(wěn)定幅值為25.2 kV的直流高壓,且輸出電壓可調(diào)范圍為14.2～25.2 kV,表明直流可調(diào)高壓發(fā)生器可滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞高壓發(fā)生器;可調(diào);倍壓整流

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

直流高壓發(fā)生器是高壓試驗(yàn)儀器中主要測試設(shè)備之一,直流高壓發(fā)生器在科學(xué)研究、國防、工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,尤其是科學(xué)研究領(lǐng)域,考慮到直流高壓發(fā)生器的經(jīng)濟(jì)性和通用性,通常對直流高壓發(fā)生器具有高穩(wěn)定性、寬范圍輸出和高可靠性要求[1]。在研究材料晶粒細(xì)化方面,直流高壓發(fā)生器是進(jìn)行高電壓材料試驗(yàn)的關(guān)鍵性儀器,并能為一些高壓試驗(yàn)設(shè)備提供直流高壓電源,因此,其具有重要的研究價值[2]。在實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)中,有諸多的儀器設(shè)備也需要高壓直流穩(wěn)壓發(fā)生器,有些還要求發(fā)生器輸出電壓可大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。鑒于目前生產(chǎn)的某些小功率直流高壓發(fā)生器體積龐大、笨重、元件多而復(fù)雜,加之實(shí)驗(yàn)的需要,因此文中設(shè)計制作了一臺25 kV連續(xù)可調(diào)、最大輸出功率12.5 W的直流可調(diào)高壓發(fā)生器。

1系統(tǒng)方案和工作原理

實(shí)驗(yàn)設(shè)計的直流可調(diào)高壓發(fā)生器是以快速可控硅作為開關(guān)元件,將工頻50 Hz倍頻升壓整流,然后經(jīng)中間供電串聯(lián)的5倍壓整流器產(chǎn)生高壓直流電壓的發(fā)生器裝置。

直流可調(diào)高壓發(fā)生器的主回路由輸入調(diào)整電路、倍壓電路及測量顯示電路3部分組成,發(fā)生器的原理框圖如1所示[3]。直流高壓發(fā)生器系統(tǒng)供電采用工頻220 V/50 Hz交流電,220 V交流電壓經(jīng)過可控硅半控整流橋整流、濾波和調(diào)整管穩(wěn)壓,為逆變器提供一個高穩(wěn)定度、小紋波的直流穩(wěn)壓電流?？煽毓枘孀兤饔謱⑦@個直流電壓變換為中頻交流電,經(jīng)中頻變壓器升壓,最后由變倍壓器整流倍壓產(chǎn)生直流高電壓。

圖1　直流可調(diào)高壓發(fā)生器的原理方框圖

1.1　可調(diào)直流穩(wěn)壓電路

可調(diào)直流穩(wěn)壓電路由AC-DC開關(guān)電源和可控硅交流調(diào)節(jié)器組成。工作過程是由工頻220 V交流電壓經(jīng)整流、濾波、線性穩(wěn)壓,然后輸出連續(xù)可調(diào)的、高穩(wěn)定性直流電壓,為輸出寬范圍的、穩(wěn)定高的電壓提供保障[4]。

采用可控硅作為交流開關(guān),通過適當(dāng)?shù)母淖兗釉诳煽毓杩刂茦O上同步觸發(fā)脈沖的時刻便可改變其導(dǎo)通角的大小,實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)地連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的大小[5-6]。

圖2　可控硅開關(guān)電路及分析

(1)

可控硅交流調(diào)壓器由可控整流電路和觸發(fā)電路兩部分組成,采用可控硅的優(yōu)勢在于具有體積小、質(zhì)量輕、反應(yīng)快、工作時間長、工作效率高等優(yōu)點(diǎn),其電路原理如圖3所示。

圖3　可控硅交流調(diào)節(jié)器電路圖

如圖3所示,由二極管D1、D2、D3和D4構(gòu)成橋式整流電路,基極二極管T1構(gòu)成張弛振蕩器作為可控硅的同步觸發(fā)電路。當(dāng)調(diào)壓器通220 V交流電后,然后220 V交流電通過負(fù)載電阻RL,經(jīng)4個二極管整流,有一個脈沖直流電壓在可控硅SCR的A、K兩端形成,觸發(fā)電路的直流電源由該電壓經(jīng)過電阻R1降壓后產(chǎn)生。當(dāng)220 V交流經(jīng)過正半周時,經(jīng)整流過的電壓通過電阻R4和W1對電容C1充電。當(dāng)C1充電電壓Us達(dá)到T1管的峰值電壓Up時,T1管將由截止變?yōu)閷?dǎo)通,于是電容C1通過T1管向電阻R2快速放電,結(jié)果在電阻R2上得到一個尖脈沖。將尖脈沖比作為控制信號,然后送到可控硅SCR的控制極上,使可控硅快速導(dǎo)通。被導(dǎo)通后的可控硅的電壓很低,一般<1 V,從而使張弛振蕩器停止工作。當(dāng)220 V交流電通過零點(diǎn)時,可控硅將自動關(guān)斷。當(dāng)220 V交流電通過負(fù)半周時,電容C又重新充電,最終可調(diào)整在負(fù)載RL上的功率[7]。

1.2　升壓電路

升壓電路由一個工頻變壓器構(gòu)成,工頻變壓器也被稱為低頻變壓器。低頻變壓器用來傳播信號電壓和信號功率,還可實(shí)現(xiàn)電路間的阻抗匹配,對直流電具有隔離作用。直流可調(diào)高壓發(fā)生器的低頻變壓器采用硅鋼片EI型磁芯,具有成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。本文的開關(guān)頻率選為50 Hz,變壓器升壓范圍是220~5 000 V。

1.3　倍壓電路

倍壓電路由高頻高壓整流二極管和高頻整流電容組成[6]。倍壓電路參數(shù)的設(shè)置將直接影響可調(diào)直流高壓發(fā)生器的輸出電壓,電壓紋波是倍壓電路的重要參數(shù)之一,倍壓電路如圖4所示。倍壓電路電壓紋波的計算公式為

(2)

其中,Iout為輸出電流;f為發(fā)生器頻率;C為電容值;n為階數(shù),通常兩倍壓為1階[8]。

圖4　倍壓電路圖

1.4　輸出電路

通過200 MΩ的分壓器可得到直流可調(diào)高壓發(fā)生器的25.2 kV高壓,輸出電路實(shí)物如圖5所示。主要包括直流可調(diào)發(fā)生器、FRC-100kV數(shù)字電壓和自制200 MΩ電阻分壓器。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)綜合考慮電源效率與電流輸出能力來選取輸出電阻值的大小。當(dāng)直流可調(diào)高壓發(fā)生器進(jìn)行第一次調(diào)試時,用有機(jī)玻璃棒來固定和保護(hù)分壓器,結(jié)果從分壓器兩端產(chǎn)生的電流直接把電壓顯示器擊壞。經(jīng)過分析,采用有機(jī)玻璃將整個分壓器隔離,然后再次進(jìn)行調(diào)試,會使整個裝置運(yùn)行更好。

圖5　輸出電路實(shí)物圖

2仿真和試驗(yàn)測試結(jié)果

2.1　仿真結(jié)果

直流可調(diào)高壓發(fā)生器通過分壓器輸出幅值為25.2 kV的直流電壓,通過計算得到輸出功率最大為12.5 W,輸出電阻為50 MΩ。采用Matlab對直流可調(diào)高壓發(fā)生器電路進(jìn)行仿真,仿真時間取為0.1 ms,繪制輸出電壓響應(yīng)曲線,得出仿真結(jié)果如圖6所示[9-10],可調(diào)直流高壓發(fā)生器的輸出電壓值波動隨時間的增加開始迅速上升,最后穩(wěn)定在約24.8 kV,與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果接近,表明該電路仿真輸出電壓結(jié)果夠滿足設(shè)計要求。

圖6　電壓隨時間變化的波形圖

2.2　實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

為測試所研制的直流可調(diào)高壓發(fā)生器是否滿足使用要求,將其與200 MΩ分壓器的一端連接,200 MΩ分壓器的另一端與FRC-100kV數(shù)字電壓表連接,測試結(jié)果如表1所示。

表1　直流可調(diào)高壓發(fā)生器測試結(jié)果數(shù)據(jù)表

如表1所示,輸出電壓隨著輸入電壓的增加而不斷增加,且輸出電壓與輸入電壓的比值(約1 000倍)變化較小,但當(dāng)輸入電壓增大到約30 kV,直流可調(diào)高壓發(fā)生器設(shè)備內(nèi)會產(chǎn)生較大的噪音,設(shè)備易損壞。當(dāng)輸入電壓達(dá)到26.4 V時,輸出電壓達(dá)到最大值25.2 kV,直流可調(diào)高壓發(fā)生器輸出電壓可調(diào)范圍為14.2～25.2 kV,通過計算實(shí)測電壓數(shù)值誤差約4.5%,設(shè)計合理滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

3結(jié)束語

直流可調(diào)高壓發(fā)生器輸出最高電壓可達(dá)25.2 kV,在實(shí)驗(yàn)測試時產(chǎn)生高壓放電現(xiàn)象,導(dǎo)致數(shù)字電壓顯示表元器件損壞。為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、設(shè)備壽命長、操作安全,可將直流可調(diào)高壓發(fā)生器的工頻變壓器、倍壓電路、輸出電路固定在一個防水塑料盒內(nèi),同時達(dá)到密封和絕緣的需要。直流可調(diào)高壓發(fā)生器輸出電壓達(dá)到25.2 kV,連續(xù)運(yùn)行5 min,無閃絡(luò)和擊穿現(xiàn)象,表明該裝置正常運(yùn)行。綜上所示,直流可調(diào)高壓發(fā)生器具有輸出電壓可調(diào)、電壓穩(wěn)定性高、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。仿真和試驗(yàn)測試表明,直流可調(diào)高壓發(fā)生器的設(shè)計達(dá)到預(yù)期效果,研制的樣機(jī)經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用,能夠滿足設(shè)計要求。

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通訊作者:車龍(1989—),男,碩士研究生。研究方向:高功率脈沖技術(shù)。

作者簡介:李宏達(dá)(1977—),男,博士后研究生,副教授。研究方向:脈沖功率技術(shù)等。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51207096);爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京理工)開放基金資助項(xiàng)目(KFJJ13-6M);沈陽理工大學(xué)重點(diǎn)學(xué)科開放基金資助項(xiàng)目。

收稿日期:2015- 05- 21

中圖分類號TM832

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)01-068-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.018