60kV开关型直流高压电源

60kV开关型直流高压电源

肖如泉　王　琰　曾　嵘　程天强　李　军　李伟光　倪梅娟

(清华大学高压实验室　北京　100084)

　　摘　要　为提高教学实验的水平,适应当前国内、外发展的趋势,本文主要

介绍了采用大功率电力电子器件IG B T的电力电子技术,将交流电源从50Hz交

流变成直流,又变成高频(10kHz～20kHz)的交流,然后再用串级直流电路而得

到高压直流,这样不仅使用方便,便于携带,而且安全可靠,大大提高了教学水

平,推进了高电压技术的发展。

　　关键词　串级直流　电力电子　IG B T

11概述

许多高压电气设备,其绝缘都要进行直流高压试验。如:电力变压器的绝缘要进行直流泄漏电流的试验,电容较大的电力电缆、电力电容器等大都要进行直流耐压试验。

为了获得几十千伏的直流高压,通常是用220V工频交流电源经变压器升压、整流滤波而获得的。直流高压电源的接线方式很多,一般有:半波整流电路、桥式、全波、倍压、多相整流电路及串级电路等。

半波整流电路优点是接线简单,缺点是所用设备、元件的电压较高,体积、重量大,占地面积多,一般只能作为试验室内使用,若要经常移动或作为可携带的电源就不方便了。各种电路对半波整流电路来说,纹波要小一些,但在减小体积、重量和小型化方面,优越性不太明显。

另外,对于容量较大、要求纹波较小的直流电源来说,还可采用三相交流电源经整流、滤波后而获得直流高压电源。

对电压为几十千伏、电流约几个毫安的直流电源,往往用串级直流电路最为普遍,下面对串级直流电路作一介绍。

21串级直流电路

为获得几十千伏的直流高压,又希望体积较小、重量较轻、便于携带,可采用串级直流的电路,其接线图如图1所示。它采用多个电压较低的电容器(C1,C2,C3,C1′,C′2)和整流硅堆(D1,D2,D3,D4,D5)形成多极的串联电路获得直流高压,变压器T的电压也较低,其高压绕组还可一点接地。这种电路可大大减小试验电源的体积、重量。

串级直流电源接上负载(试品)以后,输出电压降低,同时产生纹波(电压脉振)。输出电流增加时,电压的降低和脉振也会增大,按G B31113规定纹波<3%,相关的计算机公

图1　串级直流电路原理图

a 1双倍数电压线路图

b 15倍(单)电压线路图

式如下。图1a 所示双倍数电路的情况为:

δu =n (n +1)/4f c

(1)u a =2nu m -Δu =2nu m -(I d /6f c )(4n 3+3n 2+2n )(2)

图1b 所示单倍数电路的情况为:δu =n (n +1)I d /4f c +(n +1)I d /2f c (3)

u a =(2n +1)u m -Δu =(2n +1)u m -[(I d /2f c 1)(2n 2+2n +1)+(I d /f c ′)n 2+(I d /6f c )(2n 3+n )+(I d /6f c ′)(2n 3-3n 2+n )]

(4)式中:n 为级数;f 为电源频率;I d 为流过负载的平均电流;C 1、C 2、C 3、C 1′、C 2′为级电容;U m 为变压器高压侧电压的最大值;δu 为电压脉振;U a 为最大输出电压的平均值。

31提高串级直流电源性能的措施

从上述公式可知,在一定的负载电流下,若要提高输出电压、减小脉振,可采取如下措施:(1)减小级数n ,增加变压器的电压U m ;(2)增大级电容C ;(3)提高交流电源的频率f 。

很显然:措施(1)用减小级数来提高输出电压是个好办法,但若级数太少,势必要提高变压器的电压U m ,这样将提高对变压器T 的要求,其体积、重量会增加,整个电源的体积和重量也势必会增加;措施(2)的缺点与之相似,用增加级电容C 以提高输出电压U a 和减小脉振δu 的同时,高压电源本体的体积和重量亦会成倍数的加大,另外,级电容加大,电容器储存电荷增多,对试验人员的安全也不利;措施(3)提高交流供电的频率f ,以减小电压脉振δu 和提高输出电压U a 是一种较好的方法,它非但不要求提高变压器、硅堆、级电容的额定工作电压,也不要求增大电容器的电容量,相反还减小变压器的体积和电容器的电容量,从而大幅度减轻重量、减小体积。提高频率的办法有多种,一方面可采用目前国内、外广泛应用的电力电子技术,这在串级直流中可得到很好的应用。另外,对于容量较大、要求纹波很小的直流电源,也可用三相或多相交流的整流电路以提高频率的方法。

对于三相或多相提高电源频率的方法可以采用如图2的线路来得到多相的整流电路。图2a 为三相桥式整流电路,图2b 为多相整流电路,它是由三相电源移相后整流得到的,可大大减小电压脉振。

三相及多相整流电路用于容量较大、脉振很小的电源效果是很好的;而对容量不大、

9

360kV 开关型直流高压电源

图2　a 1三相桥式整流电路　b 1多相桥式整流电路

便于携带的试验电源来说,还是采用电力电子技术,提高频率为好,因为该技术使用电力电子器件,其体积重量都小且易控制,下面将作一分析。

41电力电子技术的应用

电力电子技术在电工技术中得到了广泛的应用,如交流电机的调速、逆变电源等。在高电压技术方面,目前也正在得到广泛的应用,利用电力电子器件产生比工频高几百倍频率的方波或正弦波电压,可以大大减小高压电源的体积和重量,因为频率提高了,串级直流的级电容可以大大减小,从而使电源小型化。电力电子器件种类很多,如晶闸管、GTO 、GTR 、场效应管以及性能优异的IG B T —绝缘门极晶体管等。

用电力电子器件产生直流高压的方框图如图3所示,其基本原理简述如下:

交流电源经整流单元1整流、滤波后,变压器低压直流、逆变单元2由控制单元5控制,可使低压直流电压逆变成高频方波电压,然后经串级直流单元3,将电压升高变成直流高压,反馈单元6将输出的高压信号反馈到触发单元5,只要调整触发单元5的预置电压,就可调节直流高压的输出电压。单元4是提供触发单元5的低压直流电源。逆变单元2就是由电力电子器件组成的电路,具体接线如图4所示,图4a 为单相桥式逆变电路,该电路是由4只开关管(T 1、T 2、T 3、T 4)和四只二极管组成的,T 1、T 2和T 3、T 4两两导通和截止,a 、b 两点间将产生交变的方波电压。图4b 为单相半桥式逆变电路,此电路由两个电容器、两个开关管和两个二极管组成,即由两个电容器代替了桥式电路中的两个开关管,同样a 、b 两点为电压输出点,可接至串极直流单元3的变压器输入端

。

图3　用电力电子器件产生高质量高压的方框图

1—整流单元　2—逆变单元　3—串级直流单元

4—低压直流电源　5—触发单元　6—反馈单元

触发单元5控制逆变单元2中开关管的截止与导通。另外,触发单元5的控制芯片还有过流、过压和频率调节的功能,当高压电源输出出现过负荷及短路时,触发单元可使逆变单元2停止工作,从而保护了开关管和整个直流电源。通常用脉宽调制(PWM )调节

04实　验　技　术　与　管　理

图4　逆变单元接线图

a 　单相半桥式逆变电路

b 　单相桥式逆变电路

输出电压。

电力电子器件承受高电压的能力(过电压)比较差,采取什么样的保护措施,提高电力电子器件的安全和稳定性,以及如何应用于高电压大容量是今后要进一步研究的课题。此外,中高频升压变压器也有一些技术问题有待进一步研究解决。

(1998年11月)

参考文献

11张仁豫等编.高电压试验技术,清华大学出版社,1982年

21张立、赵永健编著.现代电力电子技术,科学出版社,1992年9月

(上接第37页)

对于《微机原理》《单片机原理》实验,利用PC 总线和单片机总线可以方便地将PC 机、单片机仿真器与各类单元电路接口,通过编制相应的接口驱动程序,控制实际的工艺模型,使理论与实践相结合;对于《计算机控制技术》实验,通过PC 总线将PC 机与实验设备接口,利用运放组合运算单元构造模拟控制对象或由各类传感器、执行器构造的实践控制对象,经过A/D 转换单元采样将对象特性数据送PC 机,用集成环境提供的多种控制算法,进行算法控制、屏幕显示、绘制曲线,经D/A 转换单元输出控制对象,构成了闭环控制系统,整个控制过程的参数调整、控制效果以灵活、直观、形象的形式展现给学生;对于《自动控制原理》实验,利用A/D 转换单元及相关接口电路,使PC 机工作在低频多通道存储示波器状态,由运放组合运算单元模拟实现各类控制对象,通过PC 机存储示波器功能记录有关数据,显示波形,供学生分析、计算、调整参数。同时利用多信号发生器、A/D 转换单元构造采样系统,完成采样系统实验。

上述应用仅从一个侧面介绍了集成化多媒体实验教学环境的特点和用途,其设计思想可以引深作为其他学科改善实验教学环境,培养学生获取知识、应用知识、科技创新的能力,提高学生的整体素质,适应现代化社会发展的需要。

(1998年12月)1

460kV 开关型直流高压电源