CN112350610B - 一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源及控制方法，涉及电力电子技术领域，解决了传统储能式高压电源中的RC放电波形不能满足回旋管等装置需要的长脉冲平顶要求的问题，其技术方案要点是：包括依次连接的供电开关、高压隔离变压器、充电隔离变压器、二极管整流器连接，二极管整流器与放电控制电路连接；二极管整流器、限流电阻、储能电容依次串联后构成充电回路；二极管整流器并联设置有补偿单元；IGBT晶体管、续流二极管串联后与储能电容并联构成放电回路；电容储能模块的启闭、补偿、放电作用均响应于放电控制电路的输出信号。本发明可灵活调节输出电压的平顶时间，克服RC放电平顶时间短的缺点，使高压电源平顶放电时间显著增长。

Description

一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，它涉及一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源及控制方法。
背景技术
现有的大功率高压电源大多数采用电网直接供电，对于电网侧的要求很高，由电网侧所引起的波动与畸变将会对高压电源的输出产生不良影响。传统储能式高压电源利用电容器组在并联下充电，然后串联放电来获得大电流脉冲高压，RC放电波形不能满足回旋管等装置需要的长脉冲平顶要求。因此，如何研究设计一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源及控制方法是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源及控制方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源，包括供电开关、高压隔离变压器、充电隔离变压器、电容储能模块，电容储能模块包括二极管整流器、限流电阻、储能电容、续流二极管、IGBT晶体管；
供电开关一端与单相交流AC连接，另一端与高压隔离变压器连接，充电隔离变压器与高压隔离变压器的副边连接；
充电隔离变压器的一个绕组与二极管整流器连接，另一个绕组与放电控制电路的电源接口连接；
二极管整流器、限流电阻、储能电容依次串联后构成充电回路；
二极管整流器并联设置有补偿单元；
IGBT晶体管、续流二极管串联后与储能电容并联以构成放电回路；
电容储能模块的启闭、补偿、放电作用均响应于放电控制电路的输出信号。
进一步的，所述补偿单元包括依次串联的交流电源、单向二极管。
进一步的，所述高压隔离变压器的输出端设有多个相互串联的电容储能模块，充电隔离变压器与电容储能模块一一对应设置；相邻电容储能模块中的续流二极管依次串联设置。
进一步的，所述二极管整流器为为单相桥式不控整流电路。
进一步的，所述电容储能模块还包括快充电阻、快充开关，快充电阻、快充开关串联后与限流电阻并联。
进一步的，所述电容储能模块还包括放电电阻、放电开关，放电电阻、放电开关串联后与储能电容并联。
第二方面，提供了一种实现如第一方面中任意一项所述的一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源的控制方法，包括以下步骤：
S101：连接高压电源系统各部分后，闭合高压隔离变压器的供电开关；
S102：通过光纤驱动电源接触器，实现单元柜开始自动充电；
S103：通过在控制计算机上输入设定参数以确定基础单元和补偿单元数量；
S104：计算机控制光纤发射电路以快速依次或分组开通基础单元后建立基础电压；
S105：根据基础电压的跌落情况依次开通补偿单元；
S106：待工作脉冲截止，关断所有的基础单元和补偿单元的触发脉冲；
S107：单元柜中的储能电容的能量通过放电电阻释放；
S108：在三分钟电容能量释放完毕后，切断整个电源的供电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的长脉冲高压电源，采用模块化，结构简单，生产经济方便，易控制；
2、通过加入补偿单元，可灵活方便的调节输出电压的平顶时间，克服RC放电平顶时间短的缺点，使高压电源平顶放电时间显著增长；
3、电源采用模块进行串联，可根据负载需求进行模块的增加与减少，具备扩充性；
4、可控性的放电回路、放电开关的引入，可以实现充电和放电回路的互不影响，可以显著加快放电时间，并减少实验的功率消耗。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的整体工作原理图；
图2是本发明实施例中储能电容同时具备加速充电和放电功能的工作原理图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、供电开关；2、高压隔离变压器；3、充电隔离变压器；4、二极管整流器；5、限流电阻；6、储能电容；7、续流二极管；8、IGBT晶体管；21、交流电源；22、单向二极管；23、快充电阻；24、快充开关；25、放电电阻；26、放电开关。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-2，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源，如图1所示，包括供电开关1、高压隔离变压器2、充电隔离变压器3、电容储能模块，电容储能模块包括二极管整流器4、限流电阻5、储能电容6、续流二极管7、IGBT晶体管8。供电开关1一端与单相交流AC连接，另一端与高压隔离变压器2连接，充电隔离变压器3与高压隔离变压器2的副边连接。充电隔离变压器3的一个绕组与二极管整流器4连接，另一个绕组与放电控制电路的电源接口连接。二极管整流器4、限流电阻5、储能电容6依次串联后构成充电回路。二极管整流器4并联设置有补偿单元。IGBT晶体管8、续流二极管7串联后与储能电容6并联以构成放电回路。电容储能模块的启闭、补偿、放电作用均响应于放电控制电路的输出信号。
如图2所示，补偿单元包括依次串联的交流电源21、单向二极管22。
如图1所示，高压隔离变压器2的输出端设有多个相互串联的电容储能模块，充电隔离变压器3与电容储能模块一一对应设置；相邻电容储能模块中的续流二极管7依次串联设置。
在本实施例中，二极管整流器4为为单相桥式不控整流电路。
如图2所示，电容储能模块还包括快充电阻23、快充开关24，快充电阻23、快充开关24串联后与限流电阻5并联。
如图2所示，电容储能模块还包括放电电阻25、放电开关26，放电电阻25、放电开关26串联后与储能电容6并联。
工作过程如下：
先合并供电开关1，通过高压隔离变压器2分级分组的供电，二极管整流器4为单相桥式不控整流，通过将充电隔离变压器3的输出交流变为整流，在通过限流电阻5向储能电容6进行充电。
当储能电容6上的充电电压上升到一定的电压时，快充开关24导通，充电电源电压通过限流电阻5和快充电阻23并联后的电阻值对储能电容6充电，显著加快储能电容6的充电过程。
当储能电容6电压达到额定充电电压时，系统会自动停止充电，根据输出的电压值，计算出需开通的基础单元和补偿单元。工作脉冲发出以后，触发导通的绝缘栅双极型的IGBT晶体管8，初始高压对负载放电。
当初始电压下降一个单元电压之后，触发开通一个补偿单元，通过补偿单元的电压叠加使高压输出回到设定值。使高压输出在一定时间内维持在一个相对稳定的高压。
工作脉冲截止时，通过控制关断所有的基础单元和补偿单元的触发脉冲，使高压快速的截止。
实验结束后，需将储能电容6的电压安全释放，当电源停止工作后，放电开关26导通，开始自动为储能电容6快速放电。
当电源输出端上有剩余能量时，能量通过续流二极管7进行释能，避免了电源输出端向储能电容6反向充电。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源，其特征是，包括供电开关(1)、高压隔离变压器(2)、充电隔离变压器(3)、电容储能模块，电容储能模块包括二极管整流器(4)、限流电阻(5)、储能电容(6)、续流二极管(7)、IGBT晶体管(8)；
供电开关(1)一端与单相交流AC连接，另一端与高压隔离变压器(2)连接，充电隔离变压器(3)与高压隔离变压器(2)的副边连接；
充电隔离变压器(3)的一个绕组与二极管整流器(4)连接，另一个绕组与放电控制电路的电源接口连接；
二极管整流器(4)、限流电阻(5)、储能电容(6)依次串联后构成充电回路；
二极管整流器(4)并联设置有补偿单元；
IGBT晶体管(8)、续流二极管(7)串联后与储能电容(6)并联以构成放电回路；
电容储能模块的启闭、补偿、放电作用均响应于放电控制电路的输出信号；
所述电容储能模块还包括放电电阻(25)、放电开关(26)，放电电阻(25)、放电开关(26)串联后与储能电容(6)并联；
长脉冲高压电源的控制方法包括以下步骤：
S101：连接高压电源系统各部分后，闭合高压隔离变压器(2)的供电开关(1)；
S102：通过光纤驱动电源接触器，实现单元柜开始自动充电；
S103：通过在控制计算机上输入设定参数以确定基础单元和补偿单元数量；
S104：计算机控制光纤发射电路以快速依次或分组开通基础单元后建立基础电压；
S105：根据基础电压的跌落情况依次开通补偿单元；
S106：待工作脉冲截止，关断所有的基础单元和补偿单元的触发脉冲；
S107：单元柜中的储能电容(6)的能量通过放电电阻(25)释放；
S108：在三分钟电容能量释放完毕后，切断整个电源的供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源，其特征是，所述补偿单元包括依次串联的交流电源(21)、单向二极管(22)。
3.根据权利要求1所述的一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源，其特征是，所述高压隔离变压器(2)的输出端设有多个相互串联的电容储能模块，充电隔离变压器(3)与电容储能模块一一对应设置；相邻电容储能模块中的续流二极管(7)依次串联设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源，其特征是，所述二极管整流器(4)为为单相桥式不控整流电路。
5.根据权利要求1所述的一种基于电容储能电源模块的长脉冲高压电源，其特征是，所述电容储能模块还包括快充电阻(23)、快充开关(24)，快充电阻(23)、快充开关(24)串联后与限流电阻(5)并联。
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