專利名稱：交直流兩用高壓小電流功率電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高壓小電流功率電源，可用作高壓產(chǎn)品如避雷器、高壓電纜、高壓開關(guān)等測試的激勵源。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的高電壓激勵源都只能輸出直流電壓或只能輸出交流電壓，高壓直流激勵源和高壓交流激勵源的功率單元不能通用，且體積過大。為了滿足對高壓產(chǎn)品的現(xiàn)場測試要求，需要一種既能輸出高壓直流電壓，又能輸出高壓交流電壓(頻率范圍0.1Hz～120Hz)的激勵源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以交直流兩用的高壓小電流功率電源。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種交直流兩用高壓小電流功率電源，它由低壓整流逆變功率單元電路、高頻隔離變壓器、多個高壓模塊電路和控制電路組成，高頻隔離變壓器為多副邊繞組高頻變壓器，其原邊接低壓整流逆變功率單元電路輸出端，每個副邊繞組接一個高壓模塊電路，每個高壓模塊電路均由AC/DC/AC功率單元、升壓變壓器、整流電路和光纖接口及控制電路組成，光纖接口及控制電路與AC/DC/AC功率單元的受控端連接，AC/DC/AC功率單元的輸入端接與其相應(yīng)的副邊繞組，其輸出端接升壓變壓器原邊，升壓變壓器副邊接整流電路，各高壓模塊電路的整流電路輸出端串聯(lián)，在整流電路的輸出端還接有分壓電阻，在其中一個高壓模塊電路的輸出端接有輸出電壓取樣電阻和輸出電流取樣電阻，輸出電壓取樣電阻與上述分壓電阻串聯(lián)組成分壓電路，電壓取樣端和電流取樣端分別經(jīng)放大電路接壓頻變換電路，壓頻變換電路的輸出端接光纖接口及控制電路，控制電路包括CPU及與其相連接的脈寬調(diào)制信號接口、采樣光纖接口和高壓模塊控制光纖接口，上述光纖接口及控制電路的電壓電流取樣信號輸出端接控制電路的采樣光纖接口，高壓模塊控制光纖接口通過光纖分別與每個高壓模塊電路的光纖接口及控制電路連接向AC/DC/AC功率單元輸出電壓指令信號，控制電路同時與低壓整流逆變功率單元電路的受控端連接向其輸出脈寬調(diào)制信號。
所述的低壓整流逆變功率單元電路由整流橋、低通濾波器和功率器件構(gòu)成的半橋逆變電路組成，整流橋的輸出端接低通濾波器，低通濾波器的輸出端接半橋逆變電路。
所述的每個高壓模塊電路的升壓變壓器均由原邊相互并接的數(shù)個升壓變壓器組成，每個升壓變壓器的副邊各接有一個整流電路，整流電路的輸出端串聯(lián)連接。
所述的AC/DC/AC功率單元由整流橋、兩個低通濾波器、半導(dǎo)體器件構(gòu)成的降壓斬波電路和功率器件構(gòu)成的全橋逆變電路組成，兩個低通濾波器分別接在整流橋、斬波電路之間及斬波電路、全橋逆變電路之間。
光纖接口及控制電路中光纖接口的輸入端接整個系統(tǒng)控制電路的高壓模塊控制光纖接口，光纖接口的輸出端經(jīng)低通濾波器接減法器，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的輸入端接AC/DC/AC功率單元的電壓取樣端，輸出端經(jīng)電壓跟隨器接減法器，減法器的輸出端接滯環(huán)比較控制器輸入端，滯環(huán)比較控制器輸出端接光電耦合器。
所述的高壓模塊之間通過絕緣板隔開。高頻隔離變壓器的各個副邊繞組全部采用高壓電纜繞制。
本發(fā)明采用相同的功率電路既能輸出幅值穩(wěn)定的直流電壓，又能輸出頻率可調(diào)的交流電壓，大大減小了功率電源的體積，滿足了高壓產(chǎn)品的現(xiàn)場測試要求。本發(fā)明通過采用高頻多副邊繞組變壓器，實現(xiàn)了輸入和輸出的電氣隔離。本發(fā)明的高電壓輸出功率單元模塊采用脈沖幅度調(diào)制(PAM)技術(shù)，通過編程可實現(xiàn)直流電壓或者交流電壓連續(xù)可調(diào)輸出，交流輸出電壓頻率可以在0.1Hz～120Hz連續(xù)調(diào)節(jié)，電壓和頻率精度優(yōu)于±1％。由于本發(fā)明采用了模塊化結(jié)構(gòu)，因此可通過增減串聯(lián)疊加的高電壓功率單元模塊數(shù)，組合出60kV、120kV、200kV等不同輸出電壓高壓激勵源。


圖1是本發(fā)明的總體原理框圖；圖2是低壓整流逆變功率單元電路的電路原理圖；圖3是具有采樣反饋電路的高壓模塊電路原理圖；圖4是不設(shè)采樣反饋電路的高壓模塊電路原理圖；圖5是AC/DC/AC電路的電路原理圖；圖6是圖5中幅值按正弦規(guī)律變化的B點電壓波形示意圖；圖7是升壓變壓器原邊電壓波形示意圖；
圖8是高壓模塊的光纖接口及控制電路的電路原理圖；圖9是整個系統(tǒng)的控制電路原理框圖。
具體實施例方式
下面以實現(xiàn)120kV輸出為例介紹具體實現(xiàn)方式。如圖1所示，本發(fā)明整體上由低壓整流逆變功率單元電路、高頻隔離變壓器BT、十個高壓模塊電路即12KV高壓模塊1～10和控制電路組成。高頻隔離變壓器BT為多副邊繞組高頻變壓器，其原邊接低壓整流逆變功率單元電路輸出端，每個副邊繞組接一個高壓模塊電路。通過在輸入側(cè)采用多繞組高頻變壓器隔離，每個副邊繞組與一個獨立的12kV高壓模塊相連，每個12kV高壓模塊之間通過絕緣板隔開，副邊繞組全部采用125kV高壓電纜繞制，這樣就實現(xiàn)了輸入與輸出之間的電氣絕緣和10個12kV高壓模塊之間的完全隔離。為減小高頻隔離變壓器BT的體積并降低加工難度，通過低壓整流逆變功率單元電路將50Hz/220V輸入電壓變換成20kHz方波電壓，由于輸入電壓頻率的提高，該變壓器的體積也大為減小。
如圖2所示，低壓整流逆變功率單元電路該包括整流和逆變兩個環(huán)節(jié)，由D1～D4整流橋、由L1、C22、C23構(gòu)成的LC低通濾波器和功率器件Q1、Q2構(gòu)成的半橋逆變電路組成，整流橋的輸出端接LC濾波器，LC濾波器的輸出端接半橋逆變電路。220V/50Hz交流電先經(jīng)過二極管整流和LC濾波得到直流電壓，再經(jīng)過半橋逆變電路得到20kHz高頻方波電壓。圖中功率器件Q1、Q2的開通/關(guān)斷由控制電路發(fā)出的兩路脈寬調(diào)制信號(PWM)控制。
如圖3、4所示，每個高壓模塊電路均由AC/DC/AC功率單元、升壓變壓器、整流電路和光纖接口及控制電路組成。如圖3所示，第一個高壓模塊電路的升壓變壓器由原邊相互并接的十個升壓變壓器T1～T10組成，其他高壓模塊電路的升壓變壓器由原邊相互并接的十個升壓變壓器T11～T20組成，每個升壓變壓器的副邊各接有一個整流電路，整流電路的輸出端串聯(lián)連接。由于12kV高壓模塊與輸入以及模塊之間都實現(xiàn)了電氣隔離，該模塊輸出側(cè)隔離變壓器的設(shè)計只需要按直流12kV來考慮，即VN/N(VN為額定輸出電壓，N為模塊數(shù))。12kV高壓模塊輸出側(cè)采用高頻升壓變壓器隔離，若使用單個變壓器升壓，假設(shè)升壓比為300V∶12kV＝1∶40，則升壓比為40，如果次級分布電容為C，折算到原邊就變成402×C＝1600×C，該電容將增加原邊功率器件的開關(guān)損耗并導(dǎo)致變壓器副邊波形失真。本發(fā)明在輸出側(cè)采用多個變壓器即如圖3、4所示的連接方式，每個小變壓器升壓比為4，整流輸出串聯(lián)升壓，折算到原邊的分布電容只有原來得十分之一，從而有效的減小了升壓變壓器分布電容的影響，不容易引起原邊功率電路的過流。
如圖5所示，AC/DC/AC功率單元由D5～D8整流橋、由L2、C25及L3、C26分別構(gòu)成的LC低通濾波器、MOSFET半導(dǎo)體器件Q3、Q4構(gòu)成的降壓斬波電路和MOSFET功率器件Q5～Q8構(gòu)成的全橋逆變電路組成，L2C25低通濾波器接在整流橋和斬波電路之間，L3C26低通濾波器接在斬波電路和全橋逆變電路之間，圖中C24為無感吸收電容，C27為隔直電容。低壓整流逆變功率單元電路輸出的高頻方波電壓輸入經(jīng)二極管整流橋整流和LC濾波得到波動的直流電壓，再經(jīng)Q3、Q4構(gòu)成的降壓斬波電路轉(zhuǎn)換成幅值可控的直流電壓。本發(fā)明的高壓輸出為直流電壓時，圖5中B點為穩(wěn)定的直流電壓，輸出為AC120kV(峰-峰值)時，B點為幅值按正弦規(guī)律變化，波動分量的頻率在控制電路的控制下可在0.1Hz～120Hz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，以50Hz交流輸出為例，B點波形如圖6所示。上述電壓再經(jīng)由Q5～Q8構(gòu)成的全橋逆變電路逆變成20kHz的方波電壓輸出，因此升壓變壓器T1～T10、T11～T20的原邊電壓為高頻交流方波電壓，如圖7所示。
光纖接口及控制電路與AC/DC/AC功率單元的受控端即Q3、Q4及Q5～Q8的門極相連接。AC/DC/AC功率單元的輸入端接與其相應(yīng)的高頻隔離變壓器BT副邊繞組，其輸出端接升壓變壓器T1～T10和T11～T20原邊，升壓變壓器T1～T10和T11～T20的副邊接整流電路。
高壓模塊電路1～10的整流電路輸出端串聯(lián)，在整流電路的輸出端還分別接有分壓電阻R1～R10和R11～R20。分壓電阻可以采用高耐壓高阻值電阻，也可以采用一般電阻。由于高壓電源一般要求正極接地，因此在12kV高壓模塊電路1中設(shè)置有輸出電壓和輸出電流檢測電路，如圖3所示，在高壓模塊電路1的輸出端接有輸出電壓取樣電阻Rv和輸出電流取樣電阻Ri，輸出電壓取樣電阻Rv與上述高耐壓高阻值電阻R1～R10串聯(lián)組成分壓電路，電壓取樣端和電流取樣端分別經(jīng)放大電路Amp接壓頻變換電路VFC，壓頻變換電路VFC的輸出端接光纖接口及控制電路。分壓電路按照一定的分壓比將電壓電流取樣信號反饋到采樣放大環(huán)節(jié)，經(jīng)過高輸入阻抗的放大電路Amp處理后，經(jīng)壓頻變換電路VFC進行壓頻變換后得到頻率與反饋信號幅度呈正比變化的脈沖信號，再經(jīng)光纖接口及控制電路進行光電轉(zhuǎn)換后由光纖傳輸?shù)娇刂齐娐?。光纖接口及控制電路采用AT公司的HFBR1521/2521，壓頻變換器采用AD公司的AD7742(2.75MHz轉(zhuǎn)換輸出頻率)。在本發(fā)明為120Hz AC輸出時，每周波采樣24個點，精度可達到10位。其它9個12kV高壓模塊中沒有檢測電路，如圖4所示。
如圖1、9所示，控制電路包括CPU及與其相連接的脈寬調(diào)制信號(PWM)接口、采樣光纖接口P2和高壓模塊控制光纖接口。上述高壓模塊1中的光纖接口及控制電路的電壓電流取樣信號輸出端接控制電路的采樣光纖接口，高壓模塊控制光纖接口通過光纖分別與每個高壓模塊電路的光纖接口及控制電路連接向AC/DC/AC功率單元輸出電壓指令信號，控制電路同時與低壓整流逆變功率單元電路的受控端連接向其輸出脈寬調(diào)制信號。
輸出電壓和電流的采樣信號Vf、If通過采樣光纖接口轉(zhuǎn)換成電平脈沖信號，然后通過現(xiàn)場可編程邏輯電路FPGA中的時序邏輯電路完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換。CPU讀取輸出電壓和輸出電流的采樣值，經(jīng)過控制計算后通過光纖向各12kV高壓模塊發(fā)出調(diào)節(jié)電壓的指令信號。CPU通過圖中的脈寬調(diào)制信號(PWM)接口電路，完成對低壓整流/逆變功率單元的控制，將50Hz交流電壓轉(zhuǎn)換成20kHz高頻方波電壓。
要實現(xiàn)高精度的電壓輸出，關(guān)鍵在于對圖5中B點電壓的控制。本發(fā)明每個12kV高壓模塊有獨立的光纖接口及控制電路，整個系統(tǒng)的控制電路通過控制光纖向高壓模塊下傳B點電壓指令信號并接收上傳的該高壓模塊的故障報警信號，每個高壓模塊的控制電路就是要控制B點電壓跟蹤相同的指令信號。如圖8所示，控制電路下傳的為幅度相等但脈寬可調(diào)的高頻脈沖序列，經(jīng)光纖接口HFBR1521/2521內(nèi)部進行光電轉(zhuǎn)換后通過由R26、C29組成的RC低通濾波器濾除高頻成分后得到B點電壓指令信號，接由U2B和外圍器件組成的減法器。通過電阻R21、R22組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采樣B點電壓信號VB，采樣的B點電壓信號經(jīng)U2A(LM224)組成的電壓跟隨器接減法器，和B點電壓指令信號相減得到誤差信號，再經(jīng)U3A(LM339)和外圍器件組成的滯環(huán)比較控制器后得到控制Q1，Q2開關(guān)管的控制信號，分別經(jīng)光電耦合器OP3和OP4輸出該控制信號。即當誤差信號超過誤差上限值時，開通Q2，關(guān)斷Q1，降低B點電壓；當誤差信號低于誤差下限時，關(guān)斷Q2，開通Q1，升高B點電壓，從而使每個12kV高壓模塊跟蹤控制板下傳的指令電壓信號。全橋逆變電路中Q5～Q8的控制脈沖由圖中20KHz時鐘信號發(fā)生器直接產(chǎn)生，將B點直流電壓逆變成20kHz的方波電壓輸出。
控制電路還設(shè)置了豐富的硬件資源可以很方便的實現(xiàn)和用戶的接口，用戶通過編程可自動完成對被測對象的測試并輸出測試結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種交直流兩用高壓小電流功率電源，其特征在于，它由低壓整流逆變功率單元電路、高頻隔離變壓器、多個高壓模塊電路和控制電路組成，高頻隔離變壓器為多副邊繞組高頻變壓器，其原邊接低壓整流逆變功率單元電路輸出端，每個副邊繞組接一個高壓模塊電路，每個高壓模塊電路均由AC/DC/AC功率單元、升壓變壓器、整流電路和光纖接口及控制電路組成，光纖接口及控制電路與AC/DC/AC功率單元的受控端連接，AC/DC/AC功率單元的輸入端接與其相應(yīng)的副邊繞組，其輸出端接升壓變壓器原邊，升壓變壓器副邊接整流電路，各高壓模塊電路的整流電路輸出端串聯(lián)，在整流電路的輸出端還接有分壓電阻，在其中一個高壓模塊電路的輸出端接有輸出電壓取樣電阻和輸出電流取樣電阻，輸出電壓取樣電阻與上述分壓電阻串聯(lián)組成分壓電路，電壓取樣端和電流取樣端分別經(jīng)放大電路接壓頻變換電路，壓頻變換電路的輸出端接光纖接口及控制電路，控制電路包括CPU及與其相連接的脈寬調(diào)制信號接口、采樣光纖接口和高壓模塊控制光纖接口，上述光纖接口及控制電路的電壓電流取樣信號輸出端接控制電路的采樣光纖接口，高壓模塊控制光纖接口通過光纖分別與每個高壓模塊電路的光纖接口及控制電路連接向AC/DC/AC功率單元輸出電壓指令信號，控制電路同時與低壓整流逆變功率單元電路的受控端連接向其輸出脈寬調(diào)制信號。
2.如權(quán)利要求1所述的交直流兩用高壓小電流功率電源，其特征在于，所述的低壓整流逆變功率單元電路由整流橋、低通濾波器和功率器件構(gòu)成的半橋逆變電路組成，整流橋的輸出端接低通濾波器，低通濾波器的輸出端接半橋逆變電路。
3.如權(quán)利要求1或2所述的交直流兩用高壓小電流功率電源，其特征在于，所述的每個高壓模塊電路的升壓變壓器均由原邊相互并接的數(shù)個升壓變壓器組成，每個升壓變壓器的副邊各接有一個整流電路，整流電路的輸出端串聯(lián)連接。
4.如權(quán)利要求1或2所述的交直流兩用高壓小電流功率電源，其特征在于，所述的AC/DC/AC功率單元由整流橋、兩個低通濾波器、半導(dǎo)體器件構(gòu)成的降壓斬波電路和功率器件構(gòu)成的全橋逆變電路組成，兩個低通濾波器分別接在整流橋、斬波電路之間及斬波電路、全橋逆變電路之間。
5.如權(quán)利要求1或2所述的交直流兩用高壓小電流功率電源，其特征在于，光纖接口及控制電路中光纖接口的輸入端接整個系統(tǒng)控制電路的高壓模塊控制光纖接口，光纖接口的輸出端經(jīng)低通濾波器接減法器，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的輸入端接AC/DC/AC功率單元的電壓取樣端，輸出端經(jīng)電壓跟隨器接減法器，減法器的輸出端接滯環(huán)比較控制器輸入端，滯環(huán)比較控制器輸出端接光電耦合器。
6.如權(quán)利要求1或2所述的交直流兩用高壓小電流功率電源，其特征在于，所述的高壓模塊之間通過絕緣板隔開。
7.如權(quán)利要求1或2所述的交直流兩用高壓小電流功率電源，其特征在于，高頻隔離變壓器的各個副邊繞組全部采用高壓電纜繞制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種交直流兩用高壓小電流功率電源，它由低壓整流逆變功率單元電路、高頻隔離變壓器、多個輸出端串聯(lián)的高壓模塊電路和控制電路組成，高頻隔離變壓器為多副邊繞組高頻變壓器，其原邊接低壓整流逆變功率單元電路，每個副邊繞組接一個高壓模塊電路，在其中一個高壓模塊電路的輸出端接有電壓電流取樣電阻，取樣電壓電流經(jīng)放大和壓頻變換后經(jīng)光纖接口及控制電路接控制電路的采樣光纖接口，高壓模塊控制光纖接口通過光纖分別與每個高壓模塊電路連接輸出電壓指令信號，控制電路還與低壓整流逆變功率單元電路連接向其輸出脈寬調(diào)制信號。本發(fā)明采用脈沖幅度調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)了直流電壓或者交流電壓連續(xù)可調(diào)輸出，大大減小了功率電源的體積，滿足了高壓產(chǎn)品的現(xiàn)場測試要求。
文檔編號H02M5/44GK1725620SQ200410060420
公開日2006年1月25日 申請日期2004年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月22日
發(fā)明者陳天錦 申請人:鄭州正鴻電氣有限責任公司