CN2731830Y - 交直流两用高压小电流功率电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种交直流两用高压小电流功率电源，它由低压整流逆变功率单元电路、高频隔离变压器、多个输出端串联的高压模块电路和控制电路组成，高频隔离变压器为多副边绕组高频变压器，其原边接低压整流逆变功率单元电路，每个副边绕组接一个高压模块电路，在其中一个高压模块电路的输出端接有电压电流取样电阻，取样电压电流经放大和压频变换后经光纤接口及控制电路接控制电路的采样光纤接口，高压模块控制光纤接口通过光纤分别与每个高压模块电路连接输出电压指令信号，控制电路还与低压整流逆变功率单元电路连接向其输出脉宽调制信号。本实用新型采用脉冲幅度调制技术实现了直流电压或者交流电压连续可调输出，大大减小了功率电源的体积，满足了高压产品的现场测试要求。
Description
技术领域
本实用新型属于高压小电流功率电源，可用作高压产品如避雷器、高压电缆、高压开关等测试的激励源。
背景技术
现有的高电压激励源都只能输出直流电压或只能输出交流电压，高压直流激励源和高压交流激励源的功率单元不能通用，且体积过大。为了满足对高压产品的现场测试要求，需要一种既能输出高压直流电压，又能输出高压交流电压(频率范围0.1Hz～120Hz)的激励源。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种可以交直流两用的高压小电流功率电源。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种交直流两用高压小电流功率电源，它由低压整流逆变功率单元电路、高频隔离变压器、多个高压模块电路和控制电路组成，高频隔离变压器为多副边绕组高频变压器，其原边接低压整流逆变功率单元电路输出端，每个副边绕组接一个高压模块电路，每个高压模块电路均由AC/DC/AC功率单元、升压变压器、整流电路和光纤接口及控制电路组成，光纤接口及控制电路与AC/DC/AC功率单元的受控端连接，AC/DC/AC功率单元的输入端接与其相应的副边绕组，其输出端接升压变压器原边，升压变压器副边接整流电路，各高压模块电路的整流电路输出端串联，在整流电路的输出端还接有分压电阻，在其中一个高压模块电路的输出端接有输出电压取样电阻和输出电流取样电阻，输出电压取样电阻与上述分压电阻串联组成分压电路，电压取样端和电流取样端分别经放大电路接压频变换电路，压频变换电路的输出端接光纤接口及控制电路，控制电路包括CPU及与其相连接的脉宽调制信号接口、采样光纤接口和高压模块控制光纤接口，上述光纤接口及控制电路的电压电流取样信号输出端接控制电路的采样光纤接口，高压模块控制光纤接口通过光纤分别与每个高压模块电路的光纤接口及控制电路连接向AC/DC/AC功率单元输出电压指令信号，控制电路同时与低压整流逆变功率单元电路的受控端连接向其输出脉宽调制信号。
所述的低压整流逆变功率单元电路由整流桥、低通滤波器和功率器件构成的半桥逆变电路组成，整流桥的输出端接低通滤波器，低通滤波器的输出端接半桥逆变电路。
所述的每个高压模块电路的升压变压器均由原边相互并接的数个升压变压器组成，每个升压变压器的副边各接有一个整流电路，整流电路的输出端串联连接。
所述的AC/DC/AC功率单元由整流桥、两个低通滤波器、半导体器件构成的降压斩波电路和功率器件构成的全桥逆变电路组成，两个低通滤波器分别接在整流桥、斩波电路之间及斩波电路、全桥逆变电路之间。
光纤接口及控制电路中光纤接口的输入端接整个系统控制电路的高压模块控制光纤接口，光纤接口的输出端经低通滤波器接减法器，电阻分压网络的输入端接AC/DC/AC功率单元的电压取样端，输出端经电压跟随器接减法器，减法器的输出端接滞环比较控制器输入端，滞环比较控制器输出端接光电耦合器。
所述的高压模块之间通过绝缘板隔开。高频隔离变压器的各个副边绕组全部采用高压电缆绕制。
本实用新型采用相同的功率电路既能输出幅值稳定的直流电压，又能输出频率可调的交流电压，大大减小了功率电源的体积，满足了高压产品的现场测试要求。本实用新型通过采用高频多副边绕组变压器，实现了输入和输出的电气隔离。本实用新型的高电压输出功率单元模块采用脉冲幅度调制(PAM)技术，通过编程可实现直流电压或者交流电压连续可调输出，交流输出电压频率可以在0.1Hz～120Hz连续调节，电压和频率精度优于±1％。由于本实用新型采用了模块化结构，因此可通过增减串联叠加的高电压功率单元模块数，组合出60kV、120kV、200kV等不同输出电压高压激励源。
附图说明
图1是本实用新型的总体原理框图；
图2是低压整流逆变功率单元电路的电路原理图；
图3是具有采样反馈电路的高压模块电路原理图；
图4是不设采样反馈电路的高压模块电路原理图；
图5是AC/DC/AC电路的电路原理图；
图6是图5中幅值按正弦规律变化的B点电压波形示意图；
图7是升压变压器原边电压波形示意图；
图8是高压模块的光纤接口及控制电路的电路原理图；
图9是整个系统的控制电路原理框图。
具体实施方式
下面以实现120kV输出为例介绍具体实现方式。如图1所示，本实用新型整体上由低压整流逆变功率单元电路、高频隔离变压器BT、十个高压模块电路即12KV高压模块1～10和控制电路组成。高频隔离变压器BT为多副边绕组高频变压器，其原边接低压整流逆变功率单元电路输出端，每个副边绕组接一个高压模块电路。通过在输入侧采用多绕组高频变压器隔离，每个副边绕组与一个独立的12kV高压模块相连，每个12kV高压模块之间通过绝缘板隔开，副边绕组全部采用125kV高压电缆绕制，这样就实现了输入与输出之间的电气绝缘和10个12kV高压模块之间的完全隔离。为减小高频隔离变压器BT的体积并降低加工难度，通过低压整流逆变功率单元电路将50Hz/220V输入电压变换成20kHz方波电压，由于输入电压频率的提高，该变压器的体积也大为减小。
如图2所示，低压整流逆变功率单元电路该包括整流和逆变两个环节，由D1～D4整流桥、由L1、C22、C23构成的LC低通滤波器和功率器件Q1、Q2构成的半桥逆变电路组成，整流桥的输出端接LC滤波器，LC滤波器的输出端接半桥逆变电路。220V/50Hz交流电先经过二极管整流和LC滤波得到直流电压，再经过半桥逆变电路得到20kHz高频方波电压。图中功率器件Q1、Q2的开通/关断由控制电路发出的两路脉宽调制信号(PWM)控制。
如图3、4所示，每个高压模块电路均由AC/DC/AC功率单元、升压变压器、整流电路和光纤接口及控制电路组成。如图3所示，第一个高压模块电路的升压变压器由原边相互并接的十个升压变压器T1～T10组成，其他高压模块电路的升压变压器由原边相互并接的十个升压变压器T11～T20组成，每个升压变压器的副边各接有一个整流电路，整流电路的输出端串联连接。由于12kV高压模块与输入以及模块之间都实现了电气隔离，该模块输出侧隔离变压器的设计只需要按直流12kV来考虑，即VN/N(VN为额定输出电压，N为模块数)。12kV高压模块输出侧采用高频升压变压器隔离，若使用单个变压器升压，假设升压比为300V∶12kV＝1∶40，则升压比为40，如果次级分布电容为C，折算到原边就变成402×C＝1600×C，该电容将增加原边功率器件的开关损耗并导致变压器副边波形失真。本实用新型在输出侧采用多个变压器即如图3、4所示的连接方式，每个小变压器升压比为4，整流输出串联升压，折算到原边的分布电容只有原来得十分之一，从而有效的减小了升压变压器分布电容的影响，不容易引起原边功率电路的过流。
如图5所示，AC/DC/AC功率单元由D5～D8整流桥、由L2、C25及L3、C26分别构成的LC低通滤波器、MOSFET半导体器件Q3、Q4构成的降压斩波电路和MOSFET功率器件Q5～Q8构成的全桥逆变电路组成，L2C25低通滤波器接在整流桥和斩波电路之间，L3C26低通滤波器接在斩波电路和全桥逆变电路之间，图中C24为无感吸收电容，C27为隔直电容。低压整流逆变功率单元电路输出的高频方波电压输入经二极管整流桥整流和LC滤波得到波动的直流电压，再经3、Q4构成的降压斩波电路转换成幅值可控的直流电压。本实用新型的高压输出为直流电压时，图5中B点为稳定的直流电压，输出为AC 120kV(峰-峰值)时，B点为幅值按正弦规律变化，波动分量的频率在控制电路的控制下可在0.1Hz～120Hz范围内连续可调，以50Hz交流输出为例，B点波形如图6所示。上述电压再经由Q5～Q8构成的全桥逆变电路逆变成20kHz的方波电压输出，因此升压变压器T1～T10、T11～T20的原边电压为高频交流方波电压，如图7所示。
光纤接口及控制电路与AC/DC/AC功率单元的受控端即Q3、Q4及Q5～Q8的门极相连接。AC/DC/AC功率单元的输入端接与其相应的高频隔离变压器BT副边绕组，其输出端接升压变压器T1～T10和T11～T20原边，升压变压器T1～T10和T11～T20的副边接整流电路。
高压模块电路1～10的整流电路输出端串联，在整流电路的输出端还分别接有分压电阻R1～R10和R11～R20。分压电阻可以采用高耐压高阻值电阻，也可以采用一般电阻。由于高压电源一般要求正极接地，因此在12kV高压模块电路1中设置有输出电压和输出电流检测电路，如图3所示，在高压模块电路1的输出端接有输出电压取样电阻Rv和输出电流取样电阻Ri，输出电压取样电阻Rv与上述高耐压高阻值电阻R1～R10串联组成分压电路，电压取样端和电流取样端分别经放大电路Amp接压频变换电路VFC，压频变换电路VFC的输出端接光纤接口及控制电路。分压电路按照一定的分压比将电压电流取样信号反馈到采样放大环节，经过高输入阻抗的放大电路Amp处理后，经压频变换电路VFC进行压频变换后得到频率与反馈信号幅度呈正比变化的脉冲信号，再经光纤接口及控制电路进行光电转换后由光纤传输到控制电路。光纤接口及控制电路采用AT公司的HFBR1521/2521，压频变换器采用AD公司的AD7742(2.75MHz转换输出频率)。在本实用新型为120Hz AC输出时，每周波采样24个点，精度可达到10位。其它9个12kV高压模块中没有检测电路，如图4所示。
如图1、9所示，控制电路包括CPU及与其相连接的脉宽调制信号(PWM)接口、采样光纤接口P2和高压模块控制光纤接口。上述高压模块1中的光纤接口及控制电路的电压电流取样信号输出端接控制电路的采样光纤接口，高压模块控制光纤接口通过光纤分别与每个高压模块电路的光纤接口及控制电路连接向AC/DC/AC功率单元输出电压指令信号，控制电路同时与低压整流逆变功率单元电路的受控端连接向其输出脉宽调制信号。
输出电压和电流的采样信号Vf、If通过采样光纤接口转换成电平脉冲信号，然后通过现场可编程逻辑电路FPGA中的时序逻辑电路完成模/数转换。CPU读取输出电压和输出电流的采样值，经过控制计算后通过光纤向各12kV高压模块发出调节电压的指令信号。CPU通过图中的脉宽调制信号(PWM)接口电路，完成对低压整流/逆变功率单元的控制，将50Hz交流电压转换成20kHz高频方波电压。
要实现高精度的电压输出，关键在于对图5中B点电压的控制。本实用新型每个12kV高压模块有独立的光纤接口及控制电路，整个系统的控制电路通过控制光纤向高压模块下传B点电压指令信号并接收上传的该高压模块的故障报警信号，每个高压模块的控制电路就是要控制B点电压跟踪相同的指令信号。如图8所示，控制电路下传的为幅度相等但脉宽可调的高频脉冲序列，经光纤接口HFBR1521/2521内部进行光电转换后通过由R26、C29组成的RC低通滤波器滤除高频成分后得到B点电压指令信号，接由U2B和外围器件组成的减法器。通过电阻R21、R22组成的电阻分压网络采样B点电压信号VB，采样的B点电压信号经U2A(LM224)组成的电压跟随器接减法器，和B点电压指令信号相减得到误差信号，再经U3A(LM339)和外围器件组成的滞环比较控制器后得到控制Q1，Q2开关管的控制信号，分别经光电耦合器OP3和OP4输出该控制信号。即当误差信号超过误差上限值时，开通Q2，关断Q1，降低B点电压；当误差信号低于误差下限时，关断Q2，开通Q1，升高B点电压，从而使每个12kV高压模块跟踪控制板下传的指令电压信号。全桥逆变电路中Q5～Q8的控制脉冲由图中20KHz时钟信号发生器直接产生，将B点直流电压逆变成20kHz的方波电压输出。
控制电路还设置了丰富的硬件资源可以很方便的实现和用户的接口，用户通过编程可自动完成对被测对象的测试并输出测试结果。
Claims (7)
1、一种交直流两用高压小电流功率电源，其特征在于，它由低压整流逆变功率单元电路、高频隔离变压器、多个高压模块电路和控制电路组成，高频隔离变压器为多副边绕组高频变压器，其原边接低压整流逆变功率单元电路输出端，每个副边绕组接一个高压模块电路，每个高压模块电路均由AC/DC/AC功率单元、升压变压器、整流电路和光纤接口及控制电路组成，光纤接口及控制电路与AC/DC/AC功率单元的受控端连接，AC/DC/AC功率单元的输入端接与其相应的副边绕组，其输出端接升压变压器原边，升压变压器副边接整流电路，各高压模块电路的整流电路输出端串联，在整流电路的输出端还接有分压电阻，在其中一个高压模块电路的输出端接有输出电压取样电阻和输出电流取样电阻，输出电压取样电阻与上述分压电阻串联组成分压电路，电压取样端和电流取样端分别经放大电路接压频变换电路，压频变换电路的输出端接光纤接口及控制电路，控制电路包括CPU及与其相连接的脉宽调制信号接口、采样光纤接口和高压模块控制光纤接口，上述光纤接口及控制电路的电压电流取样信号输出端接控制电路的采样光纤接口，高压模块控制光纤接口通过光纤分别与每个高压模块电路的光纤接口及控制电路连接向AC/DC/AC功率单元输出电压指令信号，控制电路同时与低压整流逆变功率单元电路的受控端连接向其输出脉宽调制信号。
2、如权利要求1所述的交直流两用高压小电流功率电源，其特征在于，所述的低压整流逆变功率单元电路由整流桥、低通滤波器和功率器件构成的半桥逆变电路组成，整流桥的输出端接低通滤波器，低通滤波器的输出端接半桥逆变电路。
3、如权利要求1或2所述的交直流两用高压小电流功率电源，其特征在于，所述的每个高压模块电路的升压变压器均由原边相互并接的数个升压变压器组成，每个升压变压器的副边各接有一个整流电路，整流电路的输出端串联连接。
4、如权利要求1或2所述的交直流两用高压小电流功率电源，其特征在于，所述的AC/DC/AC功率单元由整流桥、两个低通滤波器、半导体器件构成的降压斩波电路和功率器件构成的全桥逆变电路组成，两个低通滤波器分别接在整流桥、斩波电路之间及斩波电路、全桥逆变电路之间。
5、如权利要求1或2所述的交直流两用高压小电流功率电源，其特征在于，光纤接口及控制电路中光纤接口的输入端接整个系统控制电路的高压模块控制光纤接口，光纤接口的输出端经低通滤波器接减法器，电阻分压网络的输入端接AC/DC/AC功率单元的电压取样端，输出端经电压跟随器接减法器，减法器的输出端接滞环比较控制器输入端，滞环比较控制器输出端接光电耦合器。
6、如权利要求1或2所述的交直流两用高压小电流功率电源，其特征在于，所述的高压模块之间通过绝缘板隔开。
7、如权利要求1或2所述的交直流两用高压小电流功率电源，其特征在于，高频隔离变压器的各个副边绕组全部采用高压电缆绕制。
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