10 kV/30mA直流高壓測(cè)試電源的設(shè)計(jì)

徐峰

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

電力系統(tǒng)中的電壓波形在正常情況下都是正弦波，電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于操作、雷擊、電氣設(shè)備參數(shù)配合不當(dāng)?shù)仍?，引起系統(tǒng)中某部分電壓突然升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用電設(shè)備的額定電壓。電氣設(shè)備耐壓強(qiáng)度測(cè)試是電氣設(shè)備絕緣性能測(cè)試的常規(guī)項(xiàng)目，高壓測(cè)試儀是電氣設(shè)備絕緣性能測(cè)試的必要設(shè)備[1-2]。本文基于高頻逆變開關(guān)電源技術(shù)，利用倍壓整流方法，設(shè)計(jì)一種用于電力系統(tǒng)檢測(cè)的直流高壓電源，電壓5～10 kV 連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大達(dá)30 mA。

1 高壓直流電源總體設(shè)計(jì)

直流高壓測(cè)試電源如圖1 所示主要由EMI濾波電路、整流電路、降壓電路、全橋逆變電路、高頻變壓器、倍壓電路和控制電路組成。直流高壓測(cè)試電源的性能主要有降壓電路、高頻變壓和倍壓電路的性能決定。本文重點(diǎn)討論高頻變壓器、倍壓電路。

圖1 高壓直流電源設(shè)計(jì)框圖

2 高頻變壓器的設(shè)計(jì)[1]

根據(jù)系統(tǒng)電源拓?fù)湟约半娫垂ぷ鳁l件可以得出高壓高頻變壓器的技術(shù)參數(shù)。

2.1 磁芯的選擇

高頻高壓變壓器由于工作頻率的提高，其體積相對(duì)于工頻變壓器就會(huì)大大減小，變壓器鐵耗也將隨工作頻率的提高大幅上升，高頻變壓器溫升問題較為突出，為了保證變壓器安全可靠的工作要滿足以下三個(gè)條件：

1）選擇高飽和磁通密度的磁芯，提高交變磁通幅值；

2）正常工作頻率范圍鐵損??；

3）磁芯溫度系數(shù)小，熱阻較小，在一定的損耗功率下，溫升小。

表1 常用鐵芯材料的特性

本文設(shè)計(jì)的高頻變壓器工作頻率為100 KHz，故選用Mn-Zn 磁性材料，該磁芯因功率大，電阻率高，溫升低，損耗小，工作穩(wěn)定高等特點(diǎn)在大功率的開關(guān)電源變壓器被廣泛采用。工作磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bm=0.2T，電流密度為J=100A/cm2，窗口利用系數(shù)K0=0.4，所需磁芯窗口有效橫截面積Ae 與窗口面積的乘積Aw：

故選取EE40 磁芯，Aw×Ae=1.5998 cm4，其有效截面積Ae=1.08×104。

2.2 變壓器變比及匝數(shù)的選擇

根據(jù)電源設(shè)計(jì)的基本要求，高頻變壓器的副邊輸出電壓為2000V，原邊輸入電壓為250V，其變壓器變比為8，由此可以確定低壓側(cè)線圈匝數(shù)為：

選擇原邊線圈匝數(shù)29，副邊線圈匝數(shù)為232。

3 倍壓整流電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[3-4]

由于高壓電源的輸出電壓較高，采用傳統(tǒng)方式的升壓變壓器直接升壓將會(huì)導(dǎo)致升壓變壓器的體積過大，并且絕緣的要求高，制作復(fù)雜，升壓變壓器的寄生參數(shù)對(duì)性能的電路的基本原理是利用二極管的整流和反影響也非常嚴(yán)重。引入電荷泵高壓直流電路可以顯著降低升壓變壓器的匝數(shù)比，降低升壓變壓器的體積和制作難度，電荷泵升壓向截止作用，把電能分貝存儲(chǔ)在每一個(gè)電容器上，利用電容同性相加的原則串聯(lián)起來，尤其適用于高壓弱電流的系統(tǒng)中。根據(jù)表2 給出的倍壓電路，分析比較其工作原理的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)選用正負(fù)對(duì)稱的CW 倍壓電路產(chǎn)生高電壓，其電路如圖2 所示。

表2 常用倍壓電路的比較

圖2 典型CW倍壓電路

假設(shè)變壓器變比為N，當(dāng)輸入交流電壓的正半周電容C1 充電到輸入電壓的峰值NU，負(fù)半周時(shí)C1 和變壓器同時(shí)給C2 充電，最終CW 電壓達(dá)到2NU，同理下一個(gè)周期C3 充電為2NU，以此類推，在電路最終穩(wěn)定時(shí)，C2，C4,……,C2n 均充電到2NU，故可輸出電壓2nNU。正負(fù)雙向倍壓整流電路把高壓變壓器安裝在倍壓電路中間,組成正負(fù)雙向倍壓整流的方式,使正負(fù)兩端一端接地,另一端輸出高壓,這樣整個(gè)電路相當(dāng)于兩個(gè)四倍整流電路串聯(lián)。這樣做的目的是為了減小倍壓整流電路的內(nèi)部壓降,提高直流電源的穩(wěn)定度和效率,增強(qiáng)其負(fù)載能力,大幅的減少電源輸出的紋波系數(shù)。

4 高壓直流電源仿真

按照上述設(shè)計(jì)的高壓直流電源的參數(shù)在psim9.0 中對(duì)其仿真驗(yàn)證。

圖3 低壓側(cè)輸入電源(紅)和整流后的電容電壓（藍(lán)）

圖4 輸出4.3 kV時(shí)降壓電路的輸出

圖5 a） 輸出4.3 kV時(shí)高頻變壓器副邊輸出

圖5 b） 輸出4.3 kV時(shí)高頻變壓器副邊輸出

圖6 輸出4.3 kV時(shí)倍壓電路的輸出

圖7 輸出10.0 kV時(shí)降壓電路的輸出

高壓直流電源是分級(jí)首先輸出電壓可控，提高變流器頻率和輸出電壓提高的基本功能。針對(duì)電源設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，仿真時(shí)重點(diǎn)關(guān)注各級(jí)電路的輸出，仿真主要考查了電源在帶有額定負(fù)載（輸出電流為30 mA）情況下低4.3 kV 電壓輸出和標(biāo)準(zhǔn)輸出10.0 kV 時(shí)各級(jí)電路輸出的情況。圖3 給出的是市電輸入為220 V/50 Hz 單相交流電以及經(jīng)過不控整流后的母線電壓。圖4 為Buck 降壓電路的輸出，BUCK 電路為電源輸出可調(diào)的關(guān)鍵電路，本電源是通過調(diào)整變壓器原邊輸入電壓的幅值進(jìn)而調(diào)整輸出電壓。圖5 給出了高頻變壓器副邊輸出的電壓波形，該波形為正負(fù)對(duì)稱的斬波波形，斬波頻率為100 kHz。圖6 給出了倍壓電路輸出的電壓，該電壓即為電源輸出的電壓。圖7-圖9 為高壓直流電源輸出為10.0 kV 時(shí)各級(jí)電路輸出的電壓波形。

圖8 輸出10.0 kV時(shí)高頻變壓器副邊輸出

圖9 輸出10.0 kV時(shí)倍壓電路的輸出

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款10 kV/30 mA 高壓直流測(cè)試電源，采用高壓變頻電源和對(duì)稱正負(fù)倍壓電路使得電源體積大為減小，通過psim9.0 仿真驗(yàn)證了高壓直流電源具有輸出電壓跌落小，輸出電壓紋波低的特點(diǎn)，驗(yàn)證了方案的正確性和可行性。