小型化桌面式直流高壓發(fā)生器教學(xué)裝置設(shè)計(jì)

王燕 李超然

摘 要：為了讓電氣本科學(xué)生更好地理解直流高壓發(fā)生器的基本原理及測量，讓學(xué)生更好掌握直流發(fā)生器的輸出電壓脈動系數(shù)與本體電容量、負(fù)載大小之間的關(guān)系。教學(xué)用直流高壓發(fā)生器小型化桌面式設(shè)計(jì)非常必要。本發(fā)生器級數(shù)為5級、輸出電壓為2kV，通過Soliderworks軟件對該裝置的各個(gè)元器件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，再通過Multisim仿真計(jì)算，仿真計(jì)算與理論設(shè)計(jì)相吻合。

關(guān)鍵詞：小型化;桌面式;直流發(fā)生器;教學(xué)裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.179

1 目的

為了讓電氣本科學(xué)生更好地理解直流高壓發(fā)生器的基本原理、直流高壓如何產(chǎn)生和測量。實(shí)驗(yàn)室獲得直流高電壓，一般由試驗(yàn)變壓器將交流電壓升壓后再進(jìn)行整流而獲得[1]，另外利用倍壓整流原理制成的直流高壓串級裝置能產(chǎn)生出更高的直流高電壓。針對本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)，如何保證實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生的安全、易操作性和便捷性。設(shè)計(jì)小型化桌面式直流高壓發(fā)生器裝置非常必要。讓學(xué)生更好掌握發(fā)生器輸出電壓脈動系數(shù)與本體電容量、級數(shù)、負(fù)載大小之間的關(guān)系。

2 串級直流高壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)

直流高壓發(fā)生器廣泛用于高壓設(shè)備的絕緣考核、還作為沖擊電壓發(fā)生器、沖擊電流發(fā)生器、振蕩回路等設(shè)備的直流充電電源[2]。目前使用最廣泛的串級倍壓直流高壓發(fā)生裝置的原理圖如圖1所示[3]。

串級直流高壓裝置的基本參數(shù)有三個(gè)：平均輸出電壓、平均輸出電流和電壓脈動系數(shù);根據(jù)充電電源頻率、每級電容量大小、輸出電壓大小以及其脈沖系數(shù)不大于3%的規(guī)定來確定發(fā)生器最佳級數(shù)[4]。

采用Soliderworks軟件設(shè)計(jì)，畫出每個(gè)器件的3D圖，組合成直流發(fā)生器本體如圖2所示。為了方便更換二極管，將其兩端焊接接線叉并固定在絕緣支架上。負(fù)載電阻采用大容量的線繞電阻安裝在有機(jī)玻璃板上并嵌入裝置最右邊的負(fù)載槽里，阻值為8MΩ、16MΩ和48MΩ，取樣電阻600kΩ。按照每級輸入電壓200V及5級設(shè)計(jì)，空載輸出最大電壓2kV。以防學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)誤操作造成高壓硅堆損壞，選2kV/0.5A硅堆。電源頻率固定，通過電容量變化改變其脈動系數(shù)，電容量參數(shù)分別為0.15?F、0.3?F、0.45?F三種。

該裝置電容量的變化通過乒乓開關(guān)的閉合實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)把左柱和右柱上對應(yīng)的開關(guān)全部向上合上或向下關(guān)閉就實(shí)現(xiàn)了電容量的變化，當(dāng)開關(guān)斷開或閉合時(shí)，可進(jìn)行0.15?F、0.3?F和0.45?F電容量測量。

實(shí)驗(yàn)裝置原理接線圖如圖3所示。采用工頻自耦調(diào)壓器T升壓，容量1kVA，每級電容器容量有三種，利用乒乓開關(guān)的閉合來改變，方便可靠。V1為交流電壓表，V2為3kV的靜電電壓表，測量發(fā)生器的輸出電壓。A為微安電流表。負(fù)載電阻R由若干個(gè)5W兆歐級電阻串聯(lián)成16MΩ、32MΩ、48MΩ，取樣電阻600kΩ，并將其接入示波器，觀察輸出電壓波形。為了保證設(shè)備和人身安全，直流高壓發(fā)生器本體放在接地的鋁板上。

3 仿真計(jì)算

直流高壓發(fā)生器的仿真回路如圖4所示。通過改變回路電容和負(fù)載電阻參數(shù)，得到仿真波形如圖5所示。結(jié)果表明電容值、負(fù)載電阻變化，其脈動系數(shù)在2.1%～2.9%之間。當(dāng)C=0.15?F、R=16MΩ時(shí)輸出的直流電壓波形如圖6所示。

4 可開實(shí)驗(yàn)

（1）測量發(fā)生器的輸出電壓平均值與電容量、負(fù)載等參數(shù)之間的關(guān)系;脈動值與電容量、負(fù)載等參數(shù)之間的關(guān)系;

（2）輸出電壓與負(fù)載電阻以及電容之間的關(guān)系表。1）空載時(shí)R阻值不同時(shí)，u2隨C變化的曲線、δu隨C變化的曲線、Ip隨C變化的曲線、u2/u1隨R變化的曲線;2）C阻值不同時(shí)，u2隨R變化的曲線、δu隨R變化的曲線、δu隨R變化的曲線、Ip隨R變化的曲線;3）理論計(jì)算與實(shí)測值比較：計(jì)算C與R都為最小值時(shí)的u2，δu與脈動系數(shù)S，并與實(shí)測值比較。

5 結(jié)論

該裝置設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)，可獲得理論和實(shí)際結(jié)合的經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)了動手能力。更清楚地理解了直流高壓的產(chǎn)生、測量及脈動系數(shù)跟頻率、電容量和負(fù)載的關(guān)系。通過該教學(xué)實(shí)驗(yàn)為本科生們今后工作打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]常美生.高電壓技術(shù)3版[M].北京：中國電力出版社，2016.

[2]華中工學(xué)院上海交通大學(xué)合編.高電壓試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：水利電力出版社，1985.

[3]林福昌.高電壓工程3版[M].北京：中國電力出版社，2016.

[4]沈詩佳，程航.高電壓技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2011.

作者簡介：王燕（1965-），女，湖北廣水人，學(xué)士，高級工程師，研究方向：高電壓絕緣與技術(shù)、脈沖功率技術(shù)。