專利名稱：疊加式高壓電源及連鎖式控制方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種疊加式高壓電源和用于該電源控制調(diào)整的鏈鎖式控制方式。
在高電壓絕緣測試、高能物理、高電壓應(yīng)用技術(shù)等許多領(lǐng)域，需要各種型式的高壓發(fā)生設(shè)備。這些設(shè)備品種多如交流、直流、變頻等多種型式，電壓等級也相差很大;從十幾千伏到數(shù)百千伏，其性能單一，很難做到互相通用。加之工作次數(shù)少，每次工作持續(xù)時間短，所以利用率低。
隨著電壓等級的提高，用單一的設(shè)備實現(xiàn)很高的輸出電壓，在技術(shù)上也有許多困難。而且隨著電壓等級的提高，高電壓設(shè)備的投資和體積是以電壓增加的三次方而增加的，這就更造成此類設(shè)備一次性投資高而利用率低的狀況。
在現(xiàn)有技術(shù)中往往著眼于單一設(shè)備的改進(jìn)，如采用新型材料，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提高工作頻率等，來提高產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，或者設(shè)計輸出電壓等級更高的產(chǎn)品。雖有一定成效，并無重大突破。同時由于不同廠家采用不同的設(shè)計方案、生產(chǎn)工藝和不同的電壓檔次，沒有、也無法組織標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。
如國內(nèi)諸多的高壓試驗器生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品均是這種情況。其中有代表性的寧夏電子儀器廠生產(chǎn)的“KGF-(30～220)系列直流高壓試驗器”、武漢市電氣測試設(shè)備廠的“TSB系列輕型高壓試驗變壓器”，北京互感器廠生產(chǎn)的“TDM型高壓直流電源”和“YDJ型交流試驗變壓器”等。國外廠家的產(chǎn)品在技術(shù)性能上較為優(yōu)越，但在技術(shù)方案上也是大同小異。其中有代表性的如“HIGHVOLTAGE ENGINEERING EUROPA B.V.”公司生產(chǎn)的直流高壓電源“POWER SUPPLY 400KV 1mA”等。(見所附上述廠家的產(chǎn)品介紹)。
反映該項技術(shù)的主要文件見清華大學(xué)出版社出版，《高電壓試驗技術(shù)》一書，及《電力工程設(shè)計手冊》中有關(guān)電氣試驗室的章節(jié)。
本發(fā)明的目的在于提出一種全新的疊加式高壓電源，該電源由通用的多個高電壓發(fā)生單元依次串聯(lián)疊加而成。每個高電壓發(fā)生單元可單獨產(chǎn)生幾十千伏的高電壓，同時每個單元可具有交流、直流、變頻等多種工作方式，用不同數(shù)量的高電壓發(fā)生單元疊加組合成不同電壓檔次的高壓電源。
本發(fā)明的要點在于，由兩個以上的多個高電壓發(fā)生單元串聯(lián)疊加組成高壓電源，其中高電壓發(fā)生單元包括高電位端子，低電位端子，控制電壓輸入端子，控制電壓輸出端子，輸入反相器，加法器，三角波脈寬調(diào)制器，門控電路，晶體管開關(guān)電路，高壓脈沖變壓器，解調(diào)器，誤差電壓差動放大器，電壓比較器，分壓電阻串及蓄電池組。在每個高電壓發(fā)生單元內(nèi)，采用三角波脈寬調(diào)制器(PWM)，去控制晶體管開關(guān)電路，把蓄電池的電能變換成一序列的脈沖電壓，經(jīng)高壓脈沖變壓器。產(chǎn)生高壓脈沖，再經(jīng)解調(diào)器變成直流高壓或交流高壓輸出。
在串聯(lián)疊加時，最下面的高電壓發(fā)生單元的低電位端子接地，而上面的各單元高低電位端子依次相連接，最后在第N節(jié)高電位端子處就會得到疊加后的高電壓輸出。由于各單元之間僅是電壓的疊加，不存在能量的傳遞。所以可疊加相當(dāng)多的級數(shù)，而獲得很高的輸出電壓。當(dāng)然，除上述高電壓發(fā)生單元以外，還可以采用普通的電子振蕩電路或電子開關(guān)電路，設(shè)計高電壓發(fā)生單元，并串聯(lián)疊加成高壓電源，但從技術(shù)性能上不如采用本發(fā)明所述的高電壓發(fā)生單元優(yōu)越。
疊加式高壓電源做為一種實用的設(shè)備，必須能安全，方便的進(jìn)行控制和電壓調(diào)整。但高電壓發(fā)生單元會隨著疊加級數(shù)的增加處于很高的電位上，一般的方法很難對其進(jìn)行控制、調(diào)整。為此對上述裝置同時發(fā)明了一種鏈鎖式控制調(diào)整方式。其要點在于多個高電壓發(fā)生單元串聯(lián)疊加后，每個高電壓發(fā)生單元的控制電壓輸入端子都可以受到由前面一個高電壓發(fā)生單元控制電壓輸出端子輸出的控制電壓信號的控制調(diào)整，同時，在其控制電壓輸出端子也可以輸出一個相同的控制電壓信號到后面的高電壓發(fā)生單元，僅對第一個高電壓發(fā)生單元控制電壓輸入端子施加一個控制電壓信號，就可以對整個高壓電源進(jìn)行鏈鎖控制調(diào)整，每節(jié)高電壓發(fā)生單元內(nèi)都設(shè)有由分壓電阻串和電壓表(KV)組成的電壓測量電路，其中最上端的電阻與整個電阻串為一確定的比例關(guān)系，(例如1∶1000)，若高電壓發(fā)生單元的高電壓輸出為50千伏，則分壓電阻的兩端，即高電位端子和控制電壓輸出端子之間的電壓就為50伏。將其引出加到上面的一個高電壓發(fā)生單元的控制電壓輸入端子。每個高電壓發(fā)生單元的PWM電路受到來自本單元控制電壓輸入端子的控制電壓的調(diào)制。按其幅度和頻率的變化規(guī)律來改變開關(guān)脈沖的寬度，并對晶體管開關(guān)電路進(jìn)行開關(guān)控制，再經(jīng)后面的電路產(chǎn)生高壓輸出。在高壓發(fā)生單元內(nèi)輸入控制電壓與輸出高電壓也設(shè)計為同一比例關(guān)系(例如1∶1000)如輸入控制電壓為50伏則高電位端子輸出高電壓為50千伏。且相位也應(yīng)完全一致。當(dāng)各節(jié)高電壓發(fā)生單元相疊加時，第一節(jié)控制電壓輸出端子輸出的控制電壓就同時加到第二節(jié)的控制電壓輸入端子，以此類推直到最上面的第N節(jié)。而第一節(jié)的控制電壓輸入端子則外接人工控制電壓，這樣當(dāng)對第一節(jié)高電壓發(fā)生單元進(jìn)行電壓調(diào)整時整個疊加后的高壓電源也就會一環(huán)扣一環(huán)地整體的被進(jìn)行電壓調(diào)整，這種控制調(diào)整方式稱為鏈鎖式控制調(diào)整方式。它可以象操縱一般低電壓設(shè)備那樣方便而安全。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點1、改變了傳統(tǒng)的高電壓設(shè)備的設(shè)計方式，采用積木式的方法，用電壓等級不是很高的高電壓單元組成各種電壓檔次的高壓電源，使難于解決的高電壓設(shè)備絕緣，結(jié)構(gòu)等技術(shù)問題變得容易處理。
2、傳統(tǒng)的高電壓發(fā)生設(shè)備隨著電壓的提高按其三次方的倍率增加投資和體積，而疊加式高壓電源僅按電壓增加節(jié)數(shù)而已。與傳統(tǒng)的高電壓設(shè)備相比輸出電壓越高，越顯示出優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性。
3、用于組成疊加式高壓電源的高電壓發(fā)生單元便于采用統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，組織標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。這樣生產(chǎn)廠家便于進(jìn)行生產(chǎn)和銷售，而用戶則可以節(jié)省必須購置多種高電壓試驗設(shè)備的投資，只要購置一定數(shù)量的高電壓發(fā)生單元，就可以方便的組成各種形式和不同電壓等級的高電壓發(fā)生裝置。是一項很大的節(jié)約。
4、由于拆裝運輸方便，很利于對大型和固定設(shè)備的現(xiàn)場試驗。而且同一地區(qū)的用戶可以互相租借，更提高了高電壓試驗設(shè)備的利用率。
5、由于疊加式高壓電源是由多個高電壓發(fā)生單元所組成，所以個別單元出現(xiàn)故障，只要換上相同的備品即可工作。不會出現(xiàn)大型設(shè)備那種發(fā)生故障修復(fù)困難，不能立即恢復(fù)工作的情況。
6、這種疊加式高壓電源不僅可以自身疊加，而且可以疊加在原有的各種高電壓發(fā)生器上。只要在原有的高電壓發(fā)生器的高電位端引出一個成一定比例的控制電壓即可。新老設(shè)備互容、擴(kuò)大了老設(shè)備的輸出電壓。更重要的是很利于新設(shè)備的推廣、應(yīng)用。
7、目前在電力設(shè)備的交流高電壓試驗中研究發(fā)展低頻(2HZ)和超低頻(0.1HZ)的試驗方法，而研制產(chǎn)生低頻和超低頻的高電壓發(fā)生裝置是其主要技術(shù)問題之一。本發(fā)明的疊加式高電壓電源則可很方便的工作于低頻和超低頻狀態(tài)。
8、疊加式高壓電源的技術(shù)基礎(chǔ)是電力電子技術(shù)。因此它不僅可以模仿傳統(tǒng)設(shè)備所具有的技術(shù)性能，而且還更便于開發(fā)出傳統(tǒng)設(shè)備所不具有的一些技術(shù)性能。如對設(shè)備本身和試品的靈敏可靠的保護(hù)系統(tǒng)，采用微機(jī)控制的自動試驗和試驗結(jié)果的自動分析系統(tǒng)。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實施。


圖1、本發(fā)明原理框2、輸入反相器、加法器、脈寬調(diào)制器、差動放大器接法示意3、門控電路、開關(guān)電路、變壓器、解調(diào)器、比較器接法示意圖。
圖4、高電壓發(fā)生單元結(jié)構(gòu)5、高壓電源外形圖參見附圖，本發(fā)明由多個高壓發(fā)生單元串聯(lián)疊加而成，圖1所示為三個單元，其中第1個單元1、第2單元2，第N個單元3依次疊加。每個高電壓發(fā)生單元內(nèi)均設(shè)有控制電壓輸入端子K，控制電壓輸出端子P，高電位端子H，低電位端子L，輸入反相器4，加法器5三角波脈寬調(diào)制器PWM6，門控電路7，晶體管開關(guān)電路8，高壓脈沖變壓器9，解調(diào)器10，誤差電壓差動放大器11，電壓比較器12，分壓電阻串13及蓄電池14，另外，為適應(yīng)疊加需要還設(shè)有內(nèi)藏式電源開關(guān)15，和開關(guān)機(jī)構(gòu)16。參見圖2由控制電壓輸入端子K來的控制電壓首先經(jīng)過由運算放大器18組成的反相器進(jìn)行倒相，這是因為來自下一個單元的控制電壓是取自分壓電阻串的電阻17，當(dāng)其被加到上一個單元后，其高電位端子H成為最低電位端L，所以控制電壓反相后才能保持各單元的電壓相位一致。從放大器18輸出的控制電壓被送到加法器5的一個輸入端子a上，再經(jīng)加法器送到PWM電路的調(diào)制電壓輸入端b上。與由放大器19、20產(chǎn)生的三角波相疊加。經(jīng)由放大器21組成的電壓比較器后從c點輸出調(diào)寬脈沖。
誤差電壓差動放大器11的作用是把由放大器18輸出的控制電壓和從d點所取出的高壓輸出取樣電壓進(jìn)行比較，把兩者的誤差經(jīng)放大后，送到加法器5的另一個輸入端e上。當(dāng)因各種因素造成本單元的輸出電壓不準(zhǔn)確時，可自動進(jìn)行調(diào)整，使之與控制電壓保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，以保證輸出高電壓的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定度。
電壓比較器12，和門控電路7由圖3中22，23和一些門電路組成，這是根據(jù)高電壓試驗裝置的一些特殊要求而設(shè)計的。因為各高電壓單元在技術(shù)參數(shù)上總會存在著一些微小差異，當(dāng)對整個裝置從0開始做升壓調(diào)整時，由于控制電壓也很小，可能引起整個裝置電壓輸出不穩(wěn)定或不易控制，甚至誤啟動的危險情況發(fā)生。這對人身和設(shè)備安全是不允許的。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB311-3-83和其它一些高電壓試驗規(guī)程規(guī)定在較低電壓時并不要求進(jìn)行緩慢的升壓調(diào)整。因此設(shè)計了一個限壓啟動電路。其原理是固定電壓比較器22，其同相端接一固定電壓，大小均為最高控制電壓的30～40%，只有由K端子輸入的控制電壓超過同相端的電壓時，其輸出端由1電平變?yōu)?電平，經(jīng)積分器23和一個反相門后，打開兩個與門，使由C端子來的調(diào)寬脈沖通過，送到驅(qū)動三極管BG1和BG2。反之，若輸入控制電壓達(dá)不到此值，則與門一直處于閉鎖狀態(tài)。整個單元無高電壓輸出。
由于每個單元都設(shè)計有一定時間的延時啟動時間，整個高壓電源在人工啟動第一個單元后，其余疊加的各單元就會被依次啟動，整個疊加式高壓電源是以階梯式升壓到一個規(guī)定值，然后可按要求的速率逐漸升壓到最大值。這種功能不僅符合實用要求，而且還具有較強(qiáng)的抗干擾能力，有效的避免誤啟動的危險情況發(fā)生。
反相門通過二極管D1接到e點，其作用是在電路末發(fā)動時對由運算放大器11輸出的誤差信號進(jìn)行鉗位。因為在末啟動時控制電壓已有一定值，而高壓輸出為0，這樣誤差信號一定很大。在這種情況下電路一旦啟動會出現(xiàn)強(qiáng)烈的電壓沖擊然后才能恢復(fù)到正常值，這也是不允許的。只有電路啟動后鉗位作用才能消失，以保證電壓啟動平穩(wěn)。
圖3中，調(diào)寬脈沖經(jīng)脈沖分配變壓器B1分別控制由BG3～BG6組成的橋式逆變電路，再經(jīng)B2高壓脈沖變壓器產(chǎn)生高壓脈沖。經(jīng)由L1、L2、C1、C2組成的解調(diào)電路由高電位端子H輸出交流高電壓。當(dāng)高壓電源工作在直流狀態(tài)時，相應(yīng)L1的位置可換成高壓整流硅堆，這樣解調(diào)電路也就相應(yīng)的變成了整流濾波電路，由H端子輸出直流高電壓。
此電路是按雙極性電路設(shè)計的。當(dāng)交流控制電壓為0時，開關(guān)脈沖為正負(fù)對稱的，占空比為50%的脈沖波。但對直流工作狀態(tài)來說50%的占空比脈沖電壓經(jīng)整流濾波后卻不是0電壓，因此當(dāng)在直流狀態(tài)工作時應(yīng)予先把輸入的直流控制電壓平移，使其正好對準(zhǔn)三角波的頂點。這樣當(dāng)直流控制電壓從0到最大值變化時，調(diào)寬脈沖也相應(yīng)的從0占空比向100%的占空比變化。而經(jīng)整流濾波電路后，由H端子輸出的直流高電壓也是相應(yīng)的從0到最大值變化。電壓平移功能是通過圖2中f點的開關(guān)來完成的，開關(guān)向下時有一固定直流電位通過f點送到加法器5的輸入端，通過其加法作用使其和控制電壓相結(jié)合。
當(dāng)各高電壓發(fā)生單元疊加以后，由下面一個單元上的開關(guān)機(jī)構(gòu)16對準(zhǔn)上面一個單元的內(nèi)藏式電源開關(guān)15所處的小孔24時，才能將其頂開接通，所以只有在高電壓發(fā)生單元處于準(zhǔn)備工作的情況下才能接通電源，以保證人身安全。
參見圖4，本發(fā)明的高電壓發(fā)生單元，該單元設(shè)計高電位端子輸出電壓為35千伏至50千伏高壓，并由其串聯(lián)疊加組成高壓電源，從圖中可以看出圖的左半部分為外形圖，圖的右半部分為外殼剖開后所見到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖中，25為金屬底板兼低電位端子L的電極，26為控制電壓輸入插座，即K端子、27為內(nèi)藏式電源開關(guān)、28為膠木板外殼、29為蓄電池組、30為印制線路板、31為分壓電阻柱、32為高壓脈沖變壓器、33為高壓濾波電容器、34為高壓整流硅堆、35是高壓電極上懸掛地線勾的小孔、36為環(huán)狀高電位端子H、37為上端面的開關(guān)機(jī)構(gòu)、38為控制電壓輸出端插頭即P端子。
圖5為高電壓發(fā)生單元疊加后，組成高壓電源時的外形圖。其中39為底座、40為外接控制線、41為第一節(jié)、42為第二節(jié)、43為第N節(jié)、44為外加高壓均壓球。
權(quán)利要求
1.一種疊加式高壓電源，其特征在于由兩個以上的多個高電壓發(fā)生單元串聯(lián)疊加組成，所述的高電壓發(fā)生單元包括有高電位端子，低電位端子，控制電壓輸入端子，控制電壓輸出端子，輸入反相器，加法器，三角波脈寬調(diào)制器，門控電路，晶體管開關(guān)電路，高壓脈沖變壓器，解調(diào)器，誤差電壓差動放大器，電壓比較器，分壓電阻串及蓄電池組。
2.一種用于疊加式高壓電源的鏈鎖式控制方式，其特征在于高電壓發(fā)生單元串聯(lián)疊加后，每個高電壓發(fā)生單元的控制電壓輸入端子都可以受到由其前面一個高電壓發(fā)生單元控制電壓輸出端子輸出的控制電壓信號的控制調(diào)整，同時在其控制電壓輸出端子也可輸一個相同的控制電壓信號到后面的高電壓發(fā)生單元，僅對第一個高電壓發(fā)生單元控制電壓輸入端子施加一個控制電壓信號，就可以對整個高電壓發(fā)生裝置進(jìn)行鏈鎖控制調(diào)整。
全文摘要
疊加式高壓電源，其特征是整個裝置由一定節(jié)數(shù)的高電壓發(fā)生單元相疊加而組成。該裝置采用一種連鎖式控制方式，只要對最下面的一節(jié)進(jìn)行控制，就能實現(xiàn)對整個高電壓裝置的控制調(diào)整。它可以輸出從直流到工頻以上范圍變化的高電壓。該裝置既可獨立工作，又可疊加在現(xiàn)有的各種高壓發(fā)生器上，以提高其輸出電壓。
文檔編號H02M7/00GK1064772SQ9110142
公開日1992年9月23日 申請日期1991年3月13日 優(yōu)先權(quán)日1991年3月13日
發(fā)明者周德欽 申請人:周德欽