CN201623632U - 直流高压电源装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种直流高压电源装置，包括直流电源电路、逆变电源电路、升压变压器、倍压整流电路、控制电路，直流电源电路输出的稳定可调的直流电源提供给移相全桥型方波逆变电源，逆变电源输出的中频交流方波与方波激励型升压变压器的原边连接，升压变压器的副边与多级倍压整流电路连接，控制电路与直流电源电路、逆变电源电路以及倍压整流电路的高压检测电路连接，实现对装置的工作状态和参数的控制和监测。控制电路包括微处理器、可编程逻辑电路、监控保护接口电路、IGBT驱动监控电路；其可编程逻辑电路与IGBT驱动监控电路连接，驱动控制并监测直流电源电路和逆变电源电路的大功率IGBT开关模块工作状态和参数。

Description

直流高压电源装置
技术领域
本实用新型涉及一种直流高压电源装置，尤其指应用于直流高压式粒子加速器、能够长时间工作的直流高压电源装置。也可以作为高压静电喷涂等设备的直流高压电源装置，还可以用于某些电力设备进行直流高电压耐压和绝缘试验。
背景技术
传统的应用于直流高压式粒子加速器的直流高压电源装置通常采用工频倍压整流技术，将50Hz的交流市电经过升压变压器升压和倍压整流滤波后得到直流高压。其缺点是输出电压纹波系数大、倍压整流电路可串接的级数少、单个元件承受电压高、体积庞大、重量重；还存在调压方式只能采用调压器调压，调压精度低；操作控制的智能化程度不高，只能手动控制或简单的自动控制；保护能力差并且保护动作速度慢，通常需要几百毫秒才能切断。
此外，根据行业标准DL/T848.1-2004《高压试验装置通用技术条件——第一部分：直流高压发生器》，目前有厂家生产采用中频(10kHz以上)倍压整流技术产生直流高压的产品。但存在不能长时间工作的局限，只能用于短暂输出直流高电压(一般不超过1小时)进行某些电力设备的直流高电压耐压和绝缘试验。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种采用中频倍压整流技术产生直流高压电源装置，可以长时间工作，满足了相应的直流高压式粒子加速器系统的要求。
本实用新型的技术方案：本实用新型的直流高压电源装置包括直流电源电路、逆变电源电路、升压变压器、倍压整流电路、控制电路，其特征在于：直流电源电路输出的稳定可调的直流电源提供给移相全桥型方波逆变电源，逆变电源输出的中频交流方波与方波激励型升压变压器的原边连接，升压变压器的副边与多级倍压整流电路连接，控制电路与直流电源电路、逆变电源电路以及倍压整流电路的高压检测电路连接，实现对装置的工作状态和参数的控制和监测。
所述的直流电源电为非隔离串联降压开关型直流电源电路，包括三相全波整流电路、以大功率IGBT开关模块Q0为核心组成PWM脉宽调制电路、高频滤波电路；在控制电路的控制下，三相交流电经整流后，通过PWM脉宽调制电路调制和高频滤波输出稳定可调的直流电源。
所述的逆变电源为移相全桥型方波逆变电源电路，包括大功率IGBT开关模块Q1～Q4组成的逆变电路，大功率IGBT开关模块Q1～Q4在控制电路的驱动和控制下将直流电源变换成交流方波。
所述的直流高压电源装置，其交流方波经过方波激励型升压变压器升压后，再经过多级倍压整流电路，获得0V至400kV可调的直流高压。
所述的高压检测电路包括在倍压整流电路输出端并联的N个分压电阻R1和均压保护电阻R2组成的直流分压器，向控制电路提供与输出直流高压电压成比例的高压电压测量信号；负载回路有直流电流传感器CT向控制电路提供与输出高压电流成比例的高压电流测量信号。
所述的控制电路包括微处理器、可编程逻辑电路、监控保护接口电路、IGBT驱动监控电路；微处理器和可编程逻辑电路通过监控保护接口电路和光纤隔离信号转换电路接收高压检测电路的高压电压测量信号、高压电流测量信号和冷却油温测量信号；监控保护接口电路还与直流电源电路及逆变电源电路连接，实现对直流电源电路及逆变电源电路工作状态和参数的监测和控制。
所述的直流高压电源装置，其可编程逻辑电路与IGBT驱动监控电路连接，驱动控制并监测直流电源电路和逆变电源电路的大功率IGBT开关模块工作状态和参数。
所述的升压变压器和倍压整流电路安装在倍压筒中，倍压筒中加注绝缘油并且设置了油温监测和油循环冷却系统。
本实用新型的优点：与传统的直流高压电源装置相比较，本实用新型的直流高压电源装置具有输出电压纹波系数小、倍压整流电路可串接的级数多、单个元件承受电压低、体积小、重量轻；采用电子调压方式，调压精度高；操作控制的智能化程度高，运行过程中不需要人工干预；具有完善的控制保护功能并且保护动作速度快，能保证本装置和粒子加速器系统的安全和长期正常工作。
本实用新型所涉及的直流高压电源装置，由非隔离串联降压开关型可调直流电源电路、移相全桥型方波逆变电源电路、方波激励型升压变压器、倍压整流电路、控制电路以及各种软硬件保护和接口电路组成。其特征在于：交流市电经直流电源电路形成稳定可调的直流电源提供给方波逆变电源电路，方波逆变电源电路产生的交流方波经过升压变压器升压再经过倍压整流后获得0V至400kV的直流高压；控制电路根据设定的参数和检测到的各种数据实时调整直流电源电路和方波逆变电源电路的工作数据和状态，各种软硬件保护电路保证了装置在各种情况下能够安全可靠的工作。
附图说明
图1为本实用新型的原理框图；
图2为本实用新型的直流电源和逆变电源原理图；
图3为本实用新型的升压变压器和倍压整流电路原理图；
图4为本实用新型的控制及监控保护接口电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的直流高压电源装置包括直流电源电路1、逆变电源电路2、升压变压器3、倍压整流电路4和控制电路5。
50Hz三相380V交流市电经直流电源电路1形成稳定的可调直流电源提供给逆变电源电路2，逆变电源电路产生的交流方波经过升压变压器3升压再经过倍压整流4后获得0V至400kV的直流高压；控制电路5根据设定的参数和从接口电路检测到的各种数据实时调整直流电源1和逆变电源2的工作状态，各种软硬件保护电路保证了装置在各种情况下能够安全可靠的工作。
图2为本实用新型的直流电源和逆变电源原理图。如图2所示，直流电源电为非隔离串联降压开关型直流电源电路，包括三相全波整流电路D1、以大功率IGBT开关模块Q0为核心组成PWM脉宽调制电路、续流电路(快恢复二极管)D0、高频滤波电感L和滤波电容C等组成的高频滤波电路；在控制电路的控制下，三相交流电经整流后，通过PWM脉宽调制电路调制，然后经LC滤波电路等输出逆变电源所需要的稳定可调的直流电压。
逆变电源为移相全桥型方波逆变电源电路，由大功率IGBT开关模块Q1～Q4等组成，在控制电路的驱动和控制下将直流电源变换成交流方波电源。
图3为本实用新型的升压变压器和倍压整流电路原理图。
升压变压器T为方波激励型中频升压变压器，它将逆变电源电路产生的交流方波电压提升，并且实现了对交流市电的隔离。
由多组电容C、整流二极管D和电阻r等组成多级倍压整流电路将升压变压器输出的交流方波电压转换成负载所需要的0V至400kV的直流高压。一般要10～12级倍压整流电路。
升压变压器和倍压整流电路等安装在图3虚线框所示的筒形容器中，称为倍压筒。倍压筒中加注绝缘油并且设置了油温监测和油循环冷却系统，可以保证升压变压器和倍压整流电路在良好的绝缘和散热环境中长期工作。交流方波经过方波激励型升压变压器升压后，再经过多级倍压整流，获得0V至400kV可调的直流高压。在倍压整流电路输出端串接有限流电阻R，可以防止输出电流过大造成装置损坏
检测电路包括在倍压整流电路输出端并联的N个分压电阻R1和均压保护电阻R2组成的直流分压器，向控制电路提供与输出直流高压成比例的高压电压测量信号；负载回路有直流电流传感器CT向控制电路提供与输出电流成比例的高压电流测量信号。
图4为本实用新型的控制及监控保护接口电路原理图：
如图4所示，控制电路包括ARM微处理器、FPGA可编程逻辑电路、监控保护接口电路、IGBT驱动监控电路、液晶显示器和操控界面等组成。微处理器和可编程逻辑电路通过监控保护接口电路和光纤隔离信号转换电路接收高压检测电路的高压电压测量信号、高压电流测量信号和冷却油温测量信号；监控保护接口电路还与直流电源电路及逆变电源电路连接，实现对直流电源电路及逆变电源电路工作状态和参数的监测和控制。
可编程逻辑电路与IGBT驱动监控电路连接，驱动控制并监测直流电源电路和逆变电源电路的大功率IGBT开关模块工作状态和参数。
此外还有光电隔离的RS232接口转换电路，可以连接上位机(工控机等)。
控制电路监测、控制和调整直流电源、逆变电源的工作状态；通过液晶显示器和操控界面可以读取和设置、修改装置的运行参数；通过光电隔离与高压检测电路连接，向控制电路提供与输出直流高压电压成比例的高压电压测量信号；负载回路有直流电流传感器CT向控制电路提供与输出高压电流成比例的高压电流测量信号。从而使装置的直流高压输出电压稳定可控；通过光电隔离的电流测量电路监测系统的直流高压输出电流，由此掌控负载回路的工作状态，在异常时可以停止高压输出以保护负载和本装置的安全；通过光电隔离的油温监测电路监测倍压筒中绝缘油的温度，由此开启或停止油循环冷却系统；通过光电隔离的RS232接口电路与上位机(工控机等)进行通信，实现系统的远程监控功能。
监控保护接口电路与直流电源电路及逆变电源电路连接，实现对直流电源电路及逆变电源电路的监测和控制。控制电路通过硬件和软件监测各种工作状态和实时数据，如直流稳压电源输出电压、逆变电源输出交流方波电流值和倍压整流输出的直流高压电压、电流等，在系统运行发生异常时，及时发现故障并且迅速启动相应的保护。并且通过液晶显示器和上位机显示相应的故障和保护信息，同时还发出声光报警信号。

Claims (8)

1.一种直流高压电源装置，包括直流电源电路、逆变电源电路、升压变压器、倍压整流电路、控制电路，其特征在于：直流电源电路输出的稳定可调的直流电源提供给移相全桥型方波逆变电源，逆变电源输出的中频交流方波与方波激励型升压变压器的原边连接，升压变压器的副边与多级倍压整流电路连接，控制电路与直流电源电路、逆变电源电路以及倍压整流电路的高压检测电路连接，实现对装置的工作状态和参数的控制和监测。
2.根据权利要求1所述的直流高压电源装置，其特征在于：直流电源电为非隔离串联降压开关型直流电源电路，包括三相全波整流电路、以大功率IGBT开关模块Q0为核心组成PWM脉宽调制电路、高频滤波电路；在控制电路的控制下，三相交流电经整流后，通过PWM脉宽调制电路调制和高频滤波输出稳定可调的直流电源。
3.根据权利要求1所述的直流高压电源装置，其特征在于：逆变电源为移相全桥型方波逆变电源电路，包括大功率IGBT开关模块Q1～Q4组成的逆变电路，大功率IGBT开关模块Q1～Q4在控制电路的驱动和控制下将直流电源变换成交流方波。
4.根据权利要求1所述的直流高压电源装置，其特征在于：交流方波经过方波激励型升压变压器升压后，再经过多级倍压整流电路，获得0V至400kV可调的直流高压。
5.根据权利要求1所述的直流高压电源装置，其特征在于：高压检测电路包括在倍压整流电路输出端并联的N个分压电阻R1和均压保护电阻R2组成的直流分压器，向控制电路提供与输出直流高压电压成比例的高压电压测量信号；负载回路有直流电流传感器CT向控制电路提供与输出高压电流成比例的高压电流测量信号。
6.根据权利要求1所述的直流高压电源装置，其特征在于：控制电路包括微处理器、可编程逻辑电路、监控保护接口电路、IGBT驱动监控电路；微处理器和可编程逻辑电路通过监控保护接口电路和光纤隔离信号转换电路接收高压检测电路的高压电压测量信号、高压电流测量信号和冷却油温测量信号；监控保护接口电路还与直流电源电路及逆变电源电路连接，实现对直流电源电路及逆变电源电路工作状态和参数的监测和控制。
7.根据权利要求1所述的直流高压电源装置，其特征在于：可编程逻辑电路与IGBT驱动监控电路连接，驱动控制并监测直流电源电路和逆变电源电路的大功率IGBT开关模块工作状态和参数。
8.根据权利要求1所述的直流高压电源装置，其特征在于：升压变压器和倍压整流电路安装在倍压筒中，倍压筒中加注绝缘油并且设置了油温监测和油循环冷却系统。
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