100KV高壓模塊的設(shè)計與制作

付喜錦，高曉紅，倪文剛

(隴東學(xué)院 電氣工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

模塊化的高壓靜電場電源[1]已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和教學(xué)領(lǐng)域，如高壓靜電滅菌儀、高壓靜電除塵儀[2]、高壓靜電噴繪儀、高壓靜電理療[3]、植物種子播前處理裝置[4]、物理教學(xué)中的高壓靜電演示實驗儀[5]等等。由于各領(lǐng)域?qū)Ω邏红o電儀輸出高壓數(shù)值的范圍要求不同，便在市場上出現(xiàn)了諸多的高壓靜電儀，它們分別工作在某個固定頻率點上，輸出電壓的變化只能通過調(diào)節(jié)電路的工作電壓來改變，調(diào)節(jié)范圍小。要解決高壓靜電儀的通用問題，關(guān)鍵就是對其核心器件高壓模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，使其適應(yīng)于不同脈沖頻率激勵電信號的需求。本設(shè)計通過對高壓模塊的骨架設(shè)計和器件選擇，使其適用于脈沖調(diào)頻式[6]激勵信號，激勵信號的工作頻率范圍為15kHz～25kHz，激勵信號逆程電壓調(diào)節(jié)范圍為0～240V，在變頻電路中，通過電壓采集，實現(xiàn)AFT頻率控制[7]，使高壓模塊能夠穩(wěn)定的輸出110kV高壓靜電，滿足2018D20型數(shù)字遙控高壓靜電場電源[8]要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計主要由高壓變壓器、倍壓整流電路、保護(hù)電阻、高壓輸出部分組成，其系統(tǒng)設(shè)計如圖1虛框內(nèi)所示。圖中，激勵脈沖電壓調(diào)節(jié)電路和激勵放大電路不屬于本設(shè)計內(nèi)容，它們是高校成果轉(zhuǎn)化項目研發(fā)的2018D20型數(shù)字遙控高壓靜電場電源電路[9]。激勵脈沖放大電路工作在開關(guān)狀態(tài)，通過激勵電壓調(diào)節(jié)電路，將輸出的15kHz～25kHz的激勵信號電壓輸入到高壓變壓器的一次線圈上，經(jīng)二次升壓變換后，加至10級倍壓整流電路，經(jīng)升壓后產(chǎn)生110KV高壓直流電壓，由高阻碳膜電阻排進(jìn)行高值泄放或斷電后模塊自動放電的目的，并在2018D20型數(shù)字遙控高壓靜電場電源的高壓采樣電路進(jìn)行高壓采集，通過編程技術(shù)實現(xiàn)高壓自動控制，防止空載過高壓擊穿電容，高壓輸出線可依高壓靜電電源的電路需求，配置其規(guī)格，以滿足輸出電壓參數(shù)的要求。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.1 高壓變壓器繞組設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)電路和電源工作條件，高壓模塊的技術(shù)指標(biāo)為：

直流輸入電壓：24V；

工作頻率：15KHz，20KHz,25KHz；

一次側(cè)最大電流有效值：1A；

二次側(cè)最大電流有效值：0.3A。

為了得到比較高的平均輸出電壓，采用高頻高壓變壓器組合倍壓整流電路的結(jié)構(gòu)。

按照設(shè)計要求，變壓器二次側(cè)輸出至少要達(dá)到10KV。在該模塊設(shè)計中，當(dāng)激勵脈沖的直流輸入電壓一定時，激勵脈沖頻率越高，輸出電壓就越高。按2018D20型數(shù)字遙控高壓靜電場電源電路設(shè)計可知，一次側(cè)最大激勵脈沖電壓U1由公式

(1)

確定，其中Vcc是激勵電壓調(diào)節(jié)電路輸出的最高電壓，本設(shè)計取24V，TH是激勵脈沖信號電流的周期，本設(shè)計取2018D20型數(shù)字遙控高壓靜電場電源的最低工作頻率15KHz，周期約為66.7μS，激勵脈沖信號的逆程時間Tr為12μS，經(jīng)計算，一次側(cè)輸入電壓U1≈8.07Vcc=193.68V。該電壓是激勵脈沖信號為15KHz時一次側(cè)輸入電壓，當(dāng)激勵脈沖信號為20KHz和25KHz時，通過編程設(shè)計，使脈沖周期TH和逆程時間Tr滿足Tr=(12-18)%TH要求，U1約為(8-10)Vcc，一次側(cè)輸入電壓U1最高可達(dá)到240V。

本設(shè)計按一次側(cè)最低輸入電壓200V，若采用十倍壓電路，變壓器二次側(cè)輸出至少要達(dá)到8333V，考慮變損，變壓器二次側(cè)輸出電壓U2取10KV，變壓器的壓變比取416設(shè)計。根據(jù)變壓器二次回路輸出電壓與感應(yīng)電動勢的關(guān)系，推導(dǎo)出低壓側(cè)繞組公式[10]：

(2)

式中N1為低壓側(cè)線圈匝數(shù)，Bm為磁通密度，每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù)：

(3)

為了防止飽和，本設(shè)計我們要選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs的一半，即Bm=0.2T，f為頻率，A為磁芯有效截面積(單位為m2)，這里我們選擇的頻率為設(shè)計要求的最大頻率25KHz，磁芯有效截面積為1.1304cm2。通過計算，低壓側(cè)線圈匝數(shù)為10匝，每伏電壓應(yīng)繞匝數(shù)為0.416匝，根據(jù)公式可計算得出高壓側(cè)線圈匝數(shù)為4166.67匝，取高壓側(cè)為4167匝。

高壓變壓器繞組線徑按設(shè)計要求，激勵脈沖頻率范圍為15kHz～25kHz，通過查尋對照表結(jié)果，透深度為0.2208mm在要求的頻率范圍內(nèi)，所以導(dǎo)線直徑應(yīng)該是穿透深度的2倍，也就是0.4416mm。二次側(cè)直徑為0.0875mm(不含漆皮)。結(jié)合計算與查表初級側(cè)導(dǎo)線線徑d1=0.45mm(含漆皮)，二次側(cè)導(dǎo)線線徑d2=0.09mm(含漆皮)。

1.2 高壓變壓器骨架設(shè)計

本設(shè)計按2018D20型數(shù)字遙控高壓靜電場電源機(jī)殼要求，所需骨架的本體的左右兩側(cè)均要有防護(hù)板，兩端底部要有地方安裝接線柱，安裝上去的接線柱要能牢固地固定，受到一定的外力情況下不會開裂，接線柱也不會掉落，每相鄰兩組要有均勻的隔板，相鄰的兩組隔板之間要有繞線格，且所選骨架散熱性能要可靠，防止因電壓升高引起的高溫使骨架變形，每個隔板上要開有斜槽，其整體體積要小，還要滿足繞線需要，要方便繞線器繞線。繞線骨架的材質(zhì)應(yīng)為聚碳酸酯、含氟塑料或者尼龍，耐腐蝕，耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度要高，絕緣性能要好。嚴(yán)格按照以上指標(biāo)及設(shè)計要求，所選繞線骨架為6槽式，繞線骨架結(jié)構(gòu)如圖2所示，單位為mm。

圖2 骨架結(jié)構(gòu)圖

變壓器繞線所使用的導(dǎo)線是用φ0.08高強(qiáng)度聚酯漆包線，總?cè)?shù)為4167匝。為了防止線圈層間因電位差過高而發(fā)生跳火，根據(jù)骨架的規(guī)格，每槽寬1.8mm，故一層可繞22圈，6槽前5槽繞700圈，最后一槽繞667圈，一槽可以繞32層，線圈總層高度為2.56mm，每10層涂一次702硅橡膠，一槽總的高度為3.26mm，骨架分槽隔板高度為4mm，沒有高出骨架，以故符合繞制要求。

1.3 高壓變壓器磁芯的選擇

選擇了飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs較高、溫度穩(wěn)定性好、加工方便和性價比較低的鋅錳鐵氧體材料E20型鐵氧體磁芯，飽和磁密度大約為0.4T，且鋅錳鐵氧體的ρ比金屬軟磁材料高106～107倍，在高頻中渦流小。該磁芯具有比較高的導(dǎo)磁率，溫升低，噪聲小，中高頻損耗低，適用于高頻變壓器上。

1.4 倍壓整流電路設(shè)計

要求在高壓變壓器輸出10KV脈沖電壓Vin時，經(jīng)10倍壓整流電路，輸出大于100KV的正高壓。倍壓整流電路如圖3所示，由十個二極管和十個電容器組成的倍壓整流電路作為十級串聯(lián)連接的時候，交流電源在負(fù)半周通過二極管D1～D10在每半個周期內(nèi)對電容器C1～C10上進(jìn)行串并聯(lián)充放電。電容C2、C4、C6、C8、C10上的充電電壓都是C1上的電壓的兩倍，五個電容串聯(lián)之后充電電壓為C1上充電電壓的10倍。按多級倍壓整流電路的理論輸出電壓Uout為：

(4)

考慮接入負(fù)載之后的實際輸出電壓，Uout約為：

Uout=nU2/0.85

(5)

式中U2為變壓器二次側(cè)電壓有效值，n為倍壓級數(shù)。

圖3 十倍壓正高壓電路圖

計算可知，理論輸出電壓在117KV～127KV范圍內(nèi)，在實際輸出中會受到制作工藝等因素的影響將小于理論輸出值。

要注意倍壓整流電路只能在負(fù)載輕，輸出電流較小的情況下工作，否則的話會影響輸出，使輸出電壓遠(yuǎn)低于理論輸出值，倍壓越高的整流電路，這種因負(fù)載電流增大而影響輸出電壓使其下降的情況就會越明顯。所以，設(shè)計使用高壓模塊時應(yīng)注意這一點。

2 系統(tǒng)總圖

圖4 系統(tǒng)總圖

3 制作與測試

3.1 高壓線圈及倍壓整流電路制作

3.1.1 繞線

按設(shè)計要求選擇好骨架、磁芯、剪刀、聚酯薄膜、702/703硅橡膠、繞線器等。將需要繞制的初級磁棒固定在繞線機(jī)上，線頭要緊貼其邊沿，沿逆時針方向繞一圈，將線尾在磁棒的反側(cè)面1/2處壓住已經(jīng)繞好的一圈線頭；平行緊貼已經(jīng)繞好的一圈線頭，固定好線尾，線頭沿著磁棒表面垂直引出到磁棒末端，再固定好線頭，轉(zhuǎn)動繞線器進(jìn)行繞制，讓初級線圈繞10匝。完成后用青稞紙包裹一圈，達(dá)到絕緣目的。同樣繞制二次繞組。

3.1.2 線圈浸漆及干燥灌封

變壓器繞制完成后對整體進(jìn)行整修[11]，并留出足夠長度的接線柱，為了更好地達(dá)到絕緣效果，先對變壓器部分進(jìn)行浸漆后灌封。

3.1.3 倍壓整流電路的焊接

按本設(shè)計要求準(zhǔn)備10個2CL2FP30KV的高壓二極管和10個高壓瓷片電容，為了保護(hù)電路，防止空載準(zhǔn)備2～3個330KΩ的碳膜電阻。將上述器件進(jìn)行焊前檢測，檢查無誤后按電路圖和高壓模塊所需尺寸大小，進(jìn)行變壓器和整流器的系統(tǒng)布線連接，以提升其美觀效果。調(diào)整好后再進(jìn)行焊接和修剪。

3.2 絕緣密封

絕緣要重點設(shè)計高壓模塊的初級繞組匝間的絕緣、接線柱及骨架的絕緣、高壓繞組與低壓繞組之間的絕緣，高壓繞組的層間絕緣，以及高壓繞組與鐵芯間的絕緣，高壓模塊整體與空氣的絕緣等。為了更好地防潮防漏電，對高壓模塊整體進(jìn)行環(huán)氧樹脂絕緣密封，具體方法：待所有元器件組裝焊接完成后，測量其尺寸大小，進(jìn)行打磨處理，然后放置在已選擇好的長方形瓷制容器中，容器要求底部為開口，機(jī)械強(qiáng)度要高，可以承受真空操作。在容器中放置已經(jīng)過系統(tǒng)布線的變壓器和整流器電路板，焊接高壓輸出線，檢查無誤后開始抽真空操作。如果在制造廠，溫度最好在50度左右；若在實驗室，保持真空度為266Pa，環(huán)氧樹脂緩慢從另一端進(jìn)入。繼續(xù)抽真空，保持注入速度，要控制好真空度；環(huán)氧樹脂到離承裝容器下端5-10mm處時，停止注入，不停止抽真空，維持抽真空2小時，待環(huán)氧樹脂凝固后停止。整體絕緣封裝完成，放置恒溫干燥箱內(nèi)，設(shè)置80攝氏度，干燥10個小時后，取出且自降溫后，可上機(jī)測試。

3.3 上機(jī)測試

將密封干燥處理好的高壓模塊安裝在2018D20型數(shù)字遙控高壓靜電場電源上，如圖5所示。通過軟件設(shè)置使工作頻率在15KHz和25KHz情況下進(jìn)行測試。利用遙控手柄調(diào)節(jié)高壓輸出電壓，數(shù)字表頭顯示輸出電壓數(shù)值，測試數(shù)據(jù)見表1所示。

圖5 上機(jī)測試圖

測試結(jié)果表明：當(dāng)數(shù)字遙控高壓靜電場電源頻率設(shè)置為15kHz時，最高輸出電壓為89.2KV，與理論值比較誤差為7%；當(dāng)電源頻率設(shè)置為25kHz時，最高輸出電壓為107.8KV，與理論值比較誤差為5.6%。該誤差產(chǎn)生的主要原因是真空操作及繞線設(shè)備工藝較差，密封灌膠技術(shù)尚不成熟，但是已經(jīng)基本達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

表1 高壓模塊測試數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

本設(shè)計采用倍壓整流電路，減小了變壓器的升壓倍數(shù)，使變壓器的電壓等級降低，進(jìn)一步減小了一、二次側(cè)繞組匝數(shù)，同時也減小寄生電容，使絕緣制作相對容易，抗干擾和絕緣性能好。與傳統(tǒng)的高壓比較，在電子元器件選擇方面，能夠滿足不同頻率的激勵脈沖信號要求；在制作工藝上，從骨架、鐵芯和絕緣材料的設(shè)置到封裝、灌膠、真空操作和干燥等工藝方面能夠達(dá)到輸出100kV高壓的要求。通過測試，該模塊在正常工作時，可最大輸出108kV電壓[12]；成合單價108元人民幣，按市場零售單240元比較，每只節(jié)約成本價132元，有較高的經(jīng)濟(jì)效益。而且該高壓模塊已在數(shù)字遙控高壓靜電場電源產(chǎn)業(yè)化成果轉(zhuǎn)換項目中得到應(yīng)用。