專利名稱：一種數(shù)字化高壓直流電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓直流電源，特別涉及用于絕緣材料耐壓試驗(yàn)的全數(shù)字化高壓直流電源。
背景技術(shù)：
絕緣材料在高壓設(shè)備中一直是限制設(shè)備電壓等級(jí)、體積及其壽命的關(guān)鍵囟素，而耐壓實(shí) 驗(yàn)是檢驗(yàn)材料絕緣特性最直觀的方法。耐壓實(shí)驗(yàn)需要對(duì)輸出電壓的幅值，上升速率，維持時(shí) 間等進(jìn)行準(zhǔn)確控制，并且涉及絕緣和千擾問(wèn)題。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)用高壓直流電源通過(guò)工頻變壓器 直接升壓再整流濾波得到，存在體積大，效率低，紋波系數(shù)大，操作麻煩等缺點(diǎn)。自七十年 代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字程控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些數(shù)字化的電源，使得電源在 效率、體積、穩(wěn)定度、控制性方面有明顯提高。中國(guó)專利01112942.5的"高壓直流電源程控系統(tǒng)"是由微處理器輸出數(shù)字量，經(jīng)DA 轉(zhuǎn)換得到可以調(diào)節(jié)的模擬直流電壓。中國(guó)專利02121413.1的"大功率高壓直流靜電電源 裝置"主要用于靜電除塵領(lǐng)域，利用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，將工頻交流電逆變成高頻交流電，再整 流得到直流高壓，其調(diào)壓方式采用前級(jí)調(diào)壓器調(diào)壓。中國(guó)專利200510101555.6的"數(shù)字 化高頻軟開(kāi)關(guān)電鍍電源"采用諧振變換器，實(shí)現(xiàn)變頻和軟開(kāi)關(guān)，再由高頻變壓器得到適于電 鍍用的0 12伏穩(wěn)壓電源。上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)主要在于調(diào)壓方式不靈活，電壓等級(jí)不夠， 不能滿足絕緣材料耐壓實(shí)驗(yàn)的要求。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中調(diào)壓方式不靈活、電壓等級(jí)不夠等缺點(diǎn)，.提出一種全數(shù) 字化控制的高壓直流電源，滿足絕緣材料耐壓實(shí)驗(yàn)的要求。本發(fā)明包括以下幾個(gè)組成部分功率主電路，基于DSP的數(shù)字化控制電路和基于PC機(jī)的上位機(jī)控制程序。其中，功率主電路包括三相整流單元、軟啟動(dòng)單元、濾波單元、諧振逆變單元、高頻高壓變壓器、倍壓電路、二級(jí)分壓器；基于DSP的數(shù)字化控制電路包括IPM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口電路、高壓反饋單元、諧振過(guò)流保護(hù)單元、軟啟動(dòng)電路、串行通訊接口電路。 功率主電路的三相整流單元、軟啟動(dòng)單元、濾波單元、諧振逆變單元、高頻高壓變壓器、 倍壓電路之間按輸入/輸出依次串接，二級(jí)分壓器跨接倍壓電路的高壓輸出端和大地之間?；?于DSP的數(shù)字化控制電路的軟啟動(dòng)電路的控制接口和IPM驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口分別接軟啟動(dòng)單元
的控制端和諧振逆變單元的控制端；高壓反饋單元的輸入為二級(jí)分壓器的取樣輸出，輸出通 過(guò)光纖接DSP的反饋輸入腳；諧振過(guò)流保護(hù)單元檢測(cè)端接諧振回路的Rogowski檢測(cè)線圈， 輸出接DSP的AD輸入口；基于PC機(jī)的上位機(jī)控制程序通過(guò)串口與基于DSP的數(shù)字化控 制電路相接通訊。工頻電網(wǎng)電壓經(jīng)三相整流電路、軟啟動(dòng)電路和濾波單元后得到平滑的直流 作為母線電壓；然后經(jīng)過(guò)諧振逆變電路得到高頻的準(zhǔn)正弦交流電，該輸出電壓接高頻高壓變 壓器，得到高頻(20kHz)高壓正弦電壓，再由倍壓電路倍壓后得到低脈動(dòng)高壓直流作為輸出； 基于DSP的數(shù)字化控制電路根據(jù)二級(jí)分壓器取樣的反饋電壓計(jì)算諧振逆變單元的前后橋臂 相位差來(lái)控制輸出電壓，得到0-100kV的任意調(diào)節(jié)的高壓輸出；基于PC機(jī)的上位機(jī)控制程 序通過(guò)串口控制DSP，從而控制整個(gè)電源裝置的工作。本發(fā)明所述的諧振逆變單元采用移相式全橋并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)；開(kāi)關(guān)器件采用集成功率模塊 (IPM);諧振回路用大電感和小電容串聯(lián)諧振并聯(lián)輸出方式，其諧振頻率小于開(kāi)關(guān)頻率 (20kHz)，通過(guò)控制前后橋臂的相位差，得到幅值隨相位差變化的20kHz的準(zhǔn)正弦高頻交流 電壓。此種結(jié)構(gòu)調(diào)壓方便穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。本發(fā)明所述的高頻高壓變壓器和倍壓電路封裝在一個(gè)油箱中，用25#變壓器油作為絕緣 介質(zhì)，內(nèi)部全以有機(jī)玻璃做緊固件，輸出端用70cm高有機(jī)玻璃作為絕緣套管，zfe證絕緣強(qiáng) 度；所述的二級(jí)分壓器的前級(jí)分壓結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離變壓器置于油箱內(nèi)，二級(jí)分壓置于油箱外，保證 絕緣強(qiáng)度的同時(shí)盡量減小了干擾。本發(fā)明中所述的高壓反饋單元是指基于AD652的光電轉(zhuǎn)換電路。電壓信號(hào)由二級(jí)分壓 器7取樣，進(jìn)入壓頻轉(zhuǎn)換芯片AD652，將反饋電壓轉(zhuǎn)成頻率信號(hào)，由HFBR-1521轉(zhuǎn)成光信 號(hào)傳輸，用單根光纖隔離并串行傳輸反饋信號(hào)，接收端由HFBR-2521轉(zhuǎn)成電信號(hào)進(jìn)DSP的 TCLKINB引腳，通過(guò)編程定時(shí)計(jì)脈沖數(shù)的方式計(jì)算反饋電壓，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，良好的隔離 了高低壓電路，增加了電源的可靠性。本發(fā)明所述的電源裝置具有軟啟動(dòng)電路和多套自動(dòng)保護(hù)功能；其中軟啟動(dòng)電路采用固態(tài) 繼電器短接限流電組的方式進(jìn)行；上電之初三相整流單元通過(guò)限流電阻給濾波單元的電容充 電以限制電流，穩(wěn)定時(shí)控制電路控制固態(tài)繼電器短接限流電阻完成軟啟動(dòng)。保護(hù)功能包括過(guò) 流保護(hù)、集成功率模塊IPM故障保護(hù)、閃絡(luò)擊穿保護(hù)；過(guò)流保護(hù)由Rogowski線圈取樣諧振 電流后由DSP的AD模塊采集比較，超過(guò)設(shè)定值自動(dòng)停機(jī)；集成功率模塊IPM故障保護(hù)是 指當(dāng)IPM內(nèi)部故障檢測(cè)電路檢測(cè)到過(guò)流、短路、欠壓或者過(guò)熱等故障時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào) 由低速光耦隔離后接DSP的PDPINTA管腳，使得故障一旦產(chǎn)生，DSP則停止輸出PWM驅(qū) 動(dòng)，系統(tǒng)停機(jī)；閃絡(luò)擊穿保護(hù)是指當(dāng)強(qiáng)烈閃絡(luò)發(fā)生時(shí)，會(huì)引起輸出電壓陡降，反饋環(huán)檢測(cè)該 電壓降，當(dāng)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)停機(jī)。
本發(fā)明所用的移相控制方式，其具體實(shí)現(xiàn)是在DSP事件管理器EVA的計(jì)數(shù)器的每個(gè)周 期和下溢中斷處根據(jù)反饋量改變EVA相應(yīng)比較寄存器CMPR1和CMPR2的值，使得兩路驅(qū) 動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生相差，這種方式比起傳統(tǒng)的雙事件管理器實(shí)現(xiàn)移相的方式節(jié)省了外設(shè)資源。本發(fā)明所述的基于PC機(jī)的上位機(jī)控制程序采用Visual Basic6.0語(yǔ)言編寫(xiě)，接口用 MSComm控件實(shí)現(xiàn)。程序完成系統(tǒng)的所有控制和波形顯示功能。通過(guò)與DSP控制單元的通 訊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的升壓模式、上升沿、下降沿、維持時(shí)間等各種控制并能提供最大達(dá)lOOkV 的電壓等級(jí)；同時(shí)具有閃絡(luò)輔助紀(jì)錄功能，通過(guò)檢測(cè)閃絡(luò)擊穿時(shí)電壓陡降來(lái)判定閃絡(luò)的發(fā)生， 并在上位機(jī)提示，滿足絕緣材料耐壓實(shí)驗(yàn)研究的需要。本發(fā)明的積極效果是-1. 采用了移相式高頻諧振變換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，降低了干擾，提高了效率，同時(shí)高頻 使得裝置體積大大減小，并加快了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間；2. 采用了串行光纖反饋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高低壓遠(yuǎn)距離隔離，增加了耐壓實(shí)驗(yàn)的安全性；3. 采用了DSP為控制核心，使得裝置控制完全數(shù)字化，并實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面控制，使得 輸出直流高壓的幅值、上升時(shí)間、下降時(shí)間、維持時(shí)間和升降壓曲線等特性能夠任意控制， 同時(shí)帶有閃絡(luò)檢測(cè)功能，給絕緣材料的耐壓實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)極大便利；4. 本發(fā)明帶有過(guò)流保護(hù)功能，功率模塊帶有過(guò)流、短路、過(guò)溫、欠壓等檢測(cè)功能， 一旦 發(fā)生故障，裝置立即停機(jī)并報(bào)警。


圖l為本發(fā)明的總體設(shè)計(jì)框圖；圖2為功率主電路圖；圖3為高壓反饋單元原理圖；圖4為IPM驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口電路原理圖。圖5為諧振過(guò)流保護(hù)單元和軟啟動(dòng)電路原理圖；圖6為移相驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生示意圖圖7為DSP程序流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容。如圖1所示，本發(fā)明包括以下幾個(gè)組成部分功率主電路，基于DSP的數(shù)字化控制電路和基于PC機(jī)的上位機(jī)控制程序。其中，功率主電路包括三相整流單元l、軟啟動(dòng)單元2、 濾波單元3、諧振逆變單元4、高頻高壓變壓器5、倍壓電路6、 二級(jí)分壓器7。基于DSP的 數(shù)字化控制電路包括IPM驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口電路、高壓反饋單元、諧振過(guò)流保護(hù)單元、軟啟動(dòng)電
路、串行通訊接口電路。功率主龜路的三相整流單元1、軟啟動(dòng)單元2、濾波單無(wú)3、諧振逆 變單元4、高頻高壓變壓器5、倍壓電路6之間按輸入/輸出依次串接，二級(jí)分壓器7跨接倍 壓電路的高壓輸出端和大地之間；基于DSP的數(shù)字化控制電路的軟啟動(dòng)電路控制接口和驅(qū) 動(dòng)信號(hào)接口分別接軟啟動(dòng)單元3的控制端和諧振逆變單元4的控制端；高壓反饋單元的輸入 為二級(jí)分壓器的取樣輸出，輸出通過(guò)光纖接DSP的反饋輸入腳；諧振過(guò)流保護(hù)單元檢測(cè)端 接諧振回路的Rogowski檢測(cè)線圈8,輸出接DSP的AD輸入口 ；基于PC機(jī)的上位機(jī)控制 程序通過(guò)RS232串口與基于DSP的數(shù)字化控制電路相接通訊。工頻電網(wǎng)電壓經(jīng)三相整流電 路l、軟啟動(dòng)電路2和濾波單元3后得到平滑的直流作為母線電壓；然后經(jīng)過(guò)諧振逆變電路 4得到高頻的準(zhǔn)正弦交流電，該輸出電壓接高頻高壓變壓器5，得到高頻(20kHz)高壓正弦電 壓，再由倍壓電路[6]倍壓后得到低脈動(dòng)高壓直流作為輸出；基于DSP的數(shù)字化控制電路根 據(jù)二級(jí)分壓器7取樣的反饋電壓計(jì)算諧振逆變單元[4]的前后橋臂相位差來(lái)控制輸出電壓，得 到0-100kV的任意調(diào)節(jié)的高壓輸出;基于PC機(jī)的上位機(jī)控制程序通過(guò)RS232串口控制DSP， 從而控制整個(gè)電源裝置的工作。如圖2所示，電源的功率主電路的三相整流單元l由六只二極管連接成全波整流電路； 軟啟動(dòng)單元由一個(gè)限流電阻RO和一個(gè)固態(tài)繼電器TO并聯(lián)組成；濾波單元3由濾波電容CO 和放電電阻RO并聯(lián)組成；諧振逆變單元4由兩只雙單元功率模塊IPM連接成全橋結(jié)構(gòu)，諧 振回路由諧振電感Lr和諧振電容Cr串聯(lián)組成；倍壓電路6由4只高壓電容和4只高壓硅堆 組成4倍壓結(jié)構(gòu)；二級(jí)分壓器7由高壓臂電阻和低壓臂電阻組成，其中低壓臂電阻又分出第 二級(jí)分壓器，同樣有高低壓臂電阻組成。工頻電網(wǎng)電壓經(jīng)初級(jí)三相整流電路1實(shí)現(xiàn)AC-DC 轉(zhuǎn)換。啟動(dòng)階段通過(guò)RO給濾波電容CO充電限制啟動(dòng)電流，穩(wěn)定時(shí)短接雙向晶閘管TO，實(shí) 現(xiàn)軟啟動(dòng)，從而在濾波電容CO兩端得到平滑的低壓直流電壓。然后經(jīng)過(guò)移相控制的諧振逆 變單元4得到高頻的準(zhǔn)正弦交流電，其中Lr,G構(gòu)成串聯(lián)諧振并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)，其諧振頻率低 于開(kāi)關(guān)頻率(20kHz)。 Cr上輸出電壓Ucr， Cr接高頻高壓變壓器5，得到高頻(20kHz)高壓正 弦電壓，再由倍壓電路6倍壓后得到低脈動(dòng)高壓直流作為輸出。二級(jí)分壓器7取樣輸出電壓 做反饋閉環(huán)，穩(wěn)定輸出。功率主電路l，軟啟動(dòng)單元2，濾波單元3，諧振逆變單元4封裝在 低壓控制柜中，高頻高壓變壓器5，倍壓電路6和二級(jí)分壓器7的一級(jí)分壓封裝在大油箱中 以增加絕緣強(qiáng)度。二級(jí)分壓器7的二級(jí)分壓在油箱外以減小變壓器干擾。另外用于過(guò)流檢測(cè) 的Rogowski檢測(cè)線圈8串接在諧振電路中。如圖3所示的高壓反饋單元，由二級(jí)分壓器7取樣到的反饋信號(hào)由電壓跟隨器穩(wěn)定輸出 后接壓頻轉(zhuǎn)換芯片AD652的7腳，在雙電源供電和2MHz工作頻率下，在AD652的11腳 得到與輸入電壓線性對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)，該頻率信號(hào)上拉后接與門驅(qū)動(dòng)芯片DS75451得到穩(wěn)定的頻率信號(hào)，由HFBR-1521光電轉(zhuǎn)換頭轉(zhuǎn)成^e信號(hào)由單根光線傳給DSP接收。DSP端由 HFBR-2521電光轉(zhuǎn)換頭頻率轉(zhuǎn)成電信號(hào)接DSP的TCLKINB 口，通過(guò)定時(shí)計(jì)脈沖數(shù)的方式 計(jì)算反饋電壓大小。圖4為一路集成功率模塊IPM驅(qū)動(dòng)接口單元電路，其他三路完全相同。DSP的PWM發(fā) 出引腳經(jīng)過(guò)LVTH245緩沖后經(jīng)限流電阻R3接快速光耦HCPL4504的2， 3腳，驅(qū)動(dòng)光耦的 通斷，J3為取自JS158電源模塊的隔離15V電源，經(jīng)濾波電容穩(wěn)壓后作為驅(qū)動(dòng)電源。J13直 接插IPM的驅(qū)動(dòng)管腳，其中5腳為故障信號(hào)腳，當(dāng)IPM內(nèi)部故障檢測(cè)電路檢測(cè)到過(guò)流、短 路、欠壓或者過(guò)熱等故障時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈寬為L(zhǎng)8ms的脈沖信號(hào)Fo，此信號(hào)由低速光耦PC817 隔離，輸出接DSP的PDPINTA管腳。程序上設(shè)置為當(dāng)連續(xù)產(chǎn)生3個(gè)Fo故障信號(hào)時(shí)認(rèn)為是 真實(shí)故障，DSP停止輸出PWM驅(qū)動(dòng)并置高阻，系統(tǒng)停機(jī)，而不采用故障中斷保護(hù)，以防止 干擾誤動(dòng)作。圖5為諧振過(guò)流保護(hù)和軟啟動(dòng)的原理圖?；贒SP的數(shù)字化控制電路的諧振過(guò)流保護(hù) 單元中，過(guò)流保護(hù)諧振電流由Rogowski線圈8取樣后由快速二極管MUR810單波整流，由 RC濾波得到能夠反映諧振電流大小的直流電壓，再由電壓跟隨器增大驅(qū)動(dòng)后接DSP的AD 模塊ADCIN1管腳，通過(guò)采集該電電壓值來(lái)判斷諧振電流是否超過(guò)設(shè)定值，如超過(guò)則DSP 停止輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，系統(tǒng)停機(jī)。功率主電路的軟啟動(dòng)單元2由功率和固態(tài)繼電器組成，系統(tǒng) 上電時(shí)，三相整流得到的540V電壓將直接加在濾波電容兩端，為限制大電流，通過(guò)一 330Q/100W的功率電阻給電容充電，當(dāng)穩(wěn)定時(shí)由DSP的IO 口發(fā)出高電平控制信號(hào)，經(jīng)三極 管驅(qū)動(dòng)放大后觸發(fā)固態(tài)繼電器，短接電阻，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。采用固態(tài)繼電器可以簡(jiǎn)化電路，降 低干擾，增加系統(tǒng)可靠性。圖6為移相驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生示意圖。DSP事件管理器EVA的計(jì)數(shù)器在每個(gè)周期中期和 下溢中斷處根據(jù)反饋量?jī)纱胃淖儽容^寄存器CMPR1和CMPR2的值，使得兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào) PWM1和PWM3產(chǎn)生相差，比較寄存器CMPR1和CMPR2的差值大小即對(duì)應(yīng)于PWM1和 PWM3的相差大小；另兩路PWM2和PWM4與PWM1和PWM3分別互鎖。這種方式比起 傳統(tǒng)的雙事件管理器實(shí)現(xiàn)移相的方式節(jié)省了外設(shè)資源。圖7為DSP程序的流程圖，由主程序和中斷程序組成。其工作過(guò)程如下系統(tǒng)上電后初始 化DSP各寄存器和變量，延時(shí)一段時(shí)間發(fā)脈沖控制軟啟動(dòng)單元2短接電阻完成軟啟動(dòng)，然 后等待上位機(jī)命令。當(dāng)接收到升壓等命令時(shí)，DSP根據(jù)設(shè)定的升壓時(shí)間將電壓調(diào)節(jié)分成若干 個(gè)小區(qū)間，在每個(gè)小區(qū)間內(nèi)通過(guò)定時(shí)器中斷計(jì)算當(dāng)前反饋電壓值，然后根據(jù)反饋電壓值與設(shè) 定的電壓值采用PI控制算法計(jì)算驅(qū)動(dòng)脈沖的相位，使得輸出電壓根據(jù)設(shè)定值變化。中斷程 序主要包括功率保護(hù)中斷的響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位差的產(chǎn)生，反饋電壓的計(jì)算，串口通訊的實(shí) 現(xiàn)以及其他一些輔助功能。當(dāng)中段產(chǎn)生時(shí)，DSP的CPU根據(jù)中斷優(yōu)先級(jí)相應(yīng)各中斷，并跳 入相應(yīng)的中斷子程序執(zhí)行。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)字化高壓直流電源，其特征在于包括功率主電路，基于DSP的數(shù)字化控制電路和基于PC機(jī)的上位機(jī)控制程序；功率主電路包括三相整流單元[1]、軟啟動(dòng)單元[2]、濾波單元[3]、諧振逆變單元[4]、高頻高壓變壓器[5]、倍壓電路[6]、二級(jí)分壓器[7]；基于DSP的數(shù)字化控制電路包括IPM驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口電路、高壓反饋單元、諧振過(guò)流保護(hù)單元、軟啟動(dòng)電路、串行通訊接口電路；功率主電路的三相整流單元[1]、軟啟動(dòng)單元[2]、濾波單元[3]、諧振逆變單元[4]、高頻高壓變壓器[5]、倍壓電路[6]之間按輸入/輸出依次串接，二級(jí)分壓器[7]跨接倍壓電路的高壓輸出端和大地之間；基于DSP的數(shù)字化控制電路的軟啟動(dòng)電路控制接口和驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口分別接軟啟動(dòng)單元[2]的控制端和諧振逆變單元[4]的控制端；高壓反饋單元的輸入為二級(jí)分壓器的取樣輸出，輸出通過(guò)光纖接DSP的反饋輸入腳；諧振過(guò)流保護(hù)單元檢測(cè)端接諧振回路的Rogowski檢測(cè)線圈[8]，輸出接DSP的AD輸入口；基于PC機(jī)的上位機(jī)控制程序通過(guò)RS232串口與基于DSP的數(shù)字化控制電路相接通訊；工頻電網(wǎng)電壓經(jīng)三相整流電路[1]、軟啟動(dòng)電路[2]和濾波單元[3]后得到平滑的直流作為母線電壓；然后經(jīng)過(guò)諧振逆變電路[4]得到高頻的準(zhǔn)正弦交流電，該輸出電壓接高頻高壓變壓器[5]，得到高頻(20kHz)高壓正弦電壓，再由倍壓電路[6]倍壓后得到低脈動(dòng)高壓直流作為輸出；基于DSP的數(shù)字化控制電路根據(jù)二級(jí)分壓器[7]取樣的反饋電壓計(jì)算諧振逆變單元[4]的前后橋臂相位差來(lái)控制輸出電壓，得到0-100kV的任意調(diào)節(jié)的高壓輸出；基于PC機(jī)的上位機(jī)控制程序通過(guò)RS232串口控制DSP，從而控制整個(gè)電源裝置的工作。
2、 按照權(quán)利要求1所述的數(shù)字化高壓直流電源，其特征在于所述的功率主電路的三相 整流單元[l]由六只二極管連接成全波整流電路；軟啟動(dòng)單元[2]由一個(gè)限流電阻R0和一個(gè)固 態(tài)繼電器TO并聯(lián)組成；濾波單元[3]由濾波電容C0和放電電阻R0并聯(lián)組成；諧振逆變單元 [4]由兩只雙單元功率模塊IPM連接成全橋結(jié)構(gòu)，諧振回路由諧振電感Lr和諧振電容Cr串聯(lián) 組成；倍壓電路[6]由4只高壓電容和4只高壓硅堆組成4倍壓結(jié)構(gòu)；二級(jí)分壓器[7]由高壓 臂電阻和低壓臂電阻組成，其中低壓臂電阻又分出第二級(jí)分壓器，同樣由高低壓臂電阻組成。
3、 按照權(quán)利要求2所述的數(shù)字化高壓直流電源，其特征在于所述的諧振逆變單元[4]中， 由諧振電感Lr和諧振電容Cr串聯(lián)組成的諧振回路的諧振頻率低于開(kāi)關(guān)頻率；通過(guò)控制前后 橋臂的相位差，得到準(zhǔn)正弦高頻交流電壓，Cr接高頻高壓變壓器[5]，得到高頻高壓正弦電 壓，再由倍壓電路[6]倍壓后得到低脈動(dòng)高壓直流作為輸出，二級(jí)分壓器7取樣輸出電壓做反 饋閉環(huán)，穩(wěn)定輸出。
4、 按照權(quán)利要求1所述的數(shù)字化高壓直流電源裝置，其特征在于所述的基于DSP的數(shù) 字化控制電路的高壓反饋單元，電壓信號(hào)由二級(jí)分壓器[7]取樣，進(jìn)入壓頻轉(zhuǎn)換芯片AD652; 壓頻轉(zhuǎn)換芯片AD652將反饋電壓轉(zhuǎn)成頻率信號(hào)，由HFBR-1521轉(zhuǎn)成光信號(hào)傳輸，接收端由 HFBR-2521轉(zhuǎn)成電信號(hào)進(jìn)DSP的TCLKINB引腳，通過(guò)定時(shí)計(jì)脈沖數(shù)的方式計(jì)算反饋電壓。
5、 按照權(quán)利要求1所述的數(shù)字化高壓直流電源裝置，其特征在于基于DSP的數(shù)字化控 制電路的IPM驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口電路中，DSP的PWM發(fā)出引腳經(jīng)過(guò)LVTH245緩沖后經(jīng)限流電 阻R3接快速光耦HCPL4504的2、 3腳，驅(qū)動(dòng)光耦的通斷，J3經(jīng)濾波電容穩(wěn)壓后作為驅(qū)動(dòng) 電源；J13插IPM的驅(qū)動(dòng)管腳，其中5腳為故障信號(hào)腳，當(dāng)IPM內(nèi)部故障檢測(cè)電路檢測(cè)到過(guò) 流、短路、欠壓或者過(guò)熱等故障時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈寬為1.8ms的脈沖信號(hào)Fo，此信號(hào)由低速光 耦PC817隔離，輸出接DSP的PDPINTA管腳，程序上設(shè)置為當(dāng)連續(xù)產(chǎn)生3個(gè)Fo故障信號(hào) 時(shí)認(rèn)為是真實(shí)故障，DSP停止輸出PWM驅(qū)動(dòng)并置高阻，系統(tǒng)停機(jī)，而不采用故障中斷保護(hù)， 以防止干擾誤動(dòng)作。
6、 按照權(quán)利要求1所述的數(shù)字化高壓直流電源裝置，其特征在于系統(tǒng)上電時(shí)，三相整 流得到的540V電壓將直接加在濾波電容兩端，為限制大電流，通過(guò)一330Q/100W的功率電 阻給電容充電，當(dāng)穩(wěn)定時(shí)由DSP的IO口發(fā)出高電平控制信號(hào)，經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)放大后觸發(fā)固 態(tài)繼電器，短接電阻，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。
7、 按照權(quán)利要求1所述的數(shù)字化高壓直流電源裝置，其特征在于基于DSP的數(shù)字化控 制電路的諧振過(guò)流保護(hù)單元過(guò)流保護(hù)由Rogowski線圈[8]取樣電流后由快速二極管MUR810 單波整流，由RC濾波得到反應(yīng)諧振電流大小的直流電壓，再由電壓跟隨器增大驅(qū)動(dòng)后接 DSP的AD模塊ADCIN1管腳，通過(guò)采集該電壓值來(lái)判斷諧振電流是否超過(guò)設(shè)定值，如超過(guò) 則DSP停止輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，系統(tǒng)停機(jī)。
8、 按照權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字化高壓直流電源裝置，其特征在于控制上采用移相 方式，其具體實(shí)現(xiàn)是在DSP事件管理器EVA的計(jì)數(shù)器的每個(gè)周期和下溢中斷處根據(jù)反饋量 改變EVA相應(yīng)比較寄存器CMPR1和CMPR2的值，使得兩路信號(hào)產(chǎn)生相差。
9、按照權(quán)利要求1所述的數(shù)字化高壓直流電源裝置，其特征在于高頻高壓變壓器[5]和倍壓 整流電路[6]封裝在一個(gè)油箱中，內(nèi)部以有機(jī)玻璃做緊固件，輸出端用70cm高有機(jī)玻璃作為 絕緣套管；所述的二級(jí)分壓器[7]的一級(jí)分壓遠(yuǎn)離變壓器置于油箱內(nèi)，二級(jí)分壓置于油箱外。
全文摘要
一種數(shù)字化高壓直流電源，包括功率主電路，基于DSP的數(shù)字化控制電路和基于PC機(jī)的上位機(jī)控制程序。功率主電路包括三相整流單元[1]、軟啟動(dòng)單元[2]、濾波單元[3]、諧振逆變單元[4]、高頻高壓變壓器[5]、倍壓電路[6]、二級(jí)分壓器[7]；基于DSP的數(shù)字化控制電路包括IPM驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口電路、高壓反饋單元、諧振過(guò)流保護(hù)單元、軟啟動(dòng)電路、串行通訊接口電路。工頻電網(wǎng)電壓經(jīng)三相整流，軟啟動(dòng)和濾波后得到直流電壓作為母線電壓，由DSP根據(jù)反饋信號(hào)計(jì)算相位差驅(qū)動(dòng)諧振變換單元將母線電壓變換成20KHz準(zhǔn)正弦，再由高頻高壓變壓器[5]和倍壓電路[6]輸出0-100Kv的直流高壓。本發(fā)明采用上位機(jī)控制，通過(guò)DSP相應(yīng)命令的方式來(lái)控制輸出電壓，使其滿足絕緣材料耐壓實(shí)驗(yàn)的要求。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK101127484SQ200710099498
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月23日
發(fā)明者萍 嚴(yán), 張春林, 袁偉群, 高迎慧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所