專利名稱：基于全plc控制的高壓脈沖電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于全PLC控制的高壓脈沖電源，屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
近年來，高壓脈沖電源廣泛應(yīng)用于等離子體表面處理、廢水和煙霧處理、半導(dǎo) 體制造等領(lǐng)域，電源的穩(wěn)定性、可靠性有了長(zhǎng)足進(jìn)步。與此同時(shí)，為了簡(jiǎn)化電源使用時(shí) 繁瑣的操作流程以及避免一些很難通過人工來實(shí)現(xiàn)的工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，例如特定時(shí)間 內(nèi)電壓的線性加載、長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)多步驟的流程控制等，迫切需要電源具有穩(wěn)定可靠的智能 控制系統(tǒng)。高壓脈沖電源主要由初始能源、調(diào)功系統(tǒng)、儲(chǔ)能單元、開關(guān)、觸發(fā)控制回路和 負(fù)載組成，其中，觸發(fā)控制回路和開關(guān)是最為核心的部分。觸發(fā)控制回路為開關(guān)器件提 供開關(guān)信號(hào)，從而形成高壓脈沖，通過改變觸發(fā)控制回路中觸發(fā)信號(hào)的開關(guān)頻率和每次 開通的時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)輸出高壓脈沖頻率和脈寬的調(diào)節(jié)，觸發(fā)控制回路中的穩(wěn)定性直接 關(guān)系到整個(gè)電源系統(tǒng)的好壞。早一代高壓脈沖電源的觸發(fā)控制回路部分完全由分立電子元器件的搭建來實(shí) 現(xiàn)，這種控制模式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的高壓脈沖輸出，但其最大的缺點(diǎn)在于操作界面不 夠友好，例如手動(dòng)旋鈕式頻率、脈寬等參數(shù)的調(diào)節(jié)及模擬表參數(shù)的顯示，這樣就很難實(shí) 現(xiàn)對(duì)各參數(shù)精確地顯示和重復(fù)調(diào)節(jié)。另外，若要實(shí)現(xiàn)電源自身的一些自鎖和保護(hù)功能， 就造成控制繼電器較多，輔助電路較復(fù)雜，大大增加了整個(gè)電源系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了 可靠性。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已有一些高壓脈沖電源采用單片機(jī)為主控芯片，加上 一些外圍電路來實(shí)現(xiàn)觸發(fā)控制，這類高壓脈沖電源的參數(shù)一般采用鍵盤設(shè)定并用LCD顯 示，克服了上述全分立組件控制電源的弊端，中國(guó)專利《一種脈沖高壓電源》，專利號(hào) 為200420031116.3，授權(quán)公告號(hào)為CN2710252Y，授權(quán)公告日為2005年7月13日，公開 了一種脈沖高壓電源，該專利提出用單片機(jī)控制作為觸發(fā)電路的控制核心，但由于高壓 脈沖電源系統(tǒng)空間輻射和高壓脈沖的傳導(dǎo)干擾較強(qiáng)，給單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)帶 來一定的困難?？删幊踢壿嬁刂破鱌LC是一種常用的自動(dòng)控制工具，具有可靠性高，抗干擾能 力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它具有I/O控制、DA/AD轉(zhuǎn)換、PWM輸出等功能，功能較為固化，軟件 采用梯形圖語言，易于掌握，二次開發(fā)的周期相對(duì)較短，配合觸摸屏的使用，能很方便 地實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的顯示和調(diào)節(jié)，為其在高壓脈沖電源觸發(fā)控制中的應(yīng)用提供了便利的條 件，但由于PLC運(yùn)算速度相對(duì)較慢，要通過其I/O輸出微秒量級(jí)、脈寬和頻率同時(shí)連續(xù) 可調(diào)的觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)短脈沖高壓電源的控制顯得力不從心，因此大大限制了 PLC在高 壓脈沖電源系統(tǒng)中的應(yīng)用。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有高壓脈沖電源的單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾能力 差及其主電路的原始體積大的問題，提供一種基于全PLC控制的高壓脈沖電源。本實(shí)用新型由供電電源回路、主回路和控制回路組成，供電電源回路由主電路EMI濾波器、三相整流橋電路、主電路濾波電容、全橋 逆變器和升壓變壓器的初級(jí)線圈組成，主回路由升壓變壓器的次級(jí)線圈、高頻高壓硅堆整流電路、充電限流電阻、儲(chǔ) 能電容、空心電感、負(fù)載放電限流電阻、真空四極管、燈絲電源、充電二極管、下拉電 阻、電容分壓器和柵極電路組成，主電路EMI濾波器的輸入端連接外部380V工頻供電電源，主電路EMI濾波器的 輸出端連接三相整流橋電路的輸入端，三相整流橋電路的輸出端連接主電路濾波電容的 輸入端，主電路濾波電容的輸出端連接全橋逆變器的輸入端，全橋逆變器的輸出端連接 升壓變壓器的初級(jí)線圈，升壓變壓器的次級(jí)線圈連接高頻高壓硅堆整流電路的輸入端， 高頻高壓硅堆整流電路的第一輸出端接地，高頻高壓硅堆整流電路的第二輸出端連接充 電限流電阻的一端，充電限流電阻的另一端與脈沖電源的負(fù)載連接端之間串聯(lián)儲(chǔ)能電容，充電限流電阻的另一端與真空四極管的陽(yáng)極之間串聯(lián)空心電感和負(fù)載放電限流 電阻，燈絲電源給真空四極管的陰極燈絲供電，真空四極管陰極的一端連接脈沖電源的 負(fù)載接地端，柵極電路用來給真空四極管的一柵、二柵供電；脈沖電源的負(fù)載連接端和脈沖電源的負(fù)載接地端之間并聯(lián)有充電二極管、下拉 電阻和電容分壓器，其中充電二極管的陽(yáng)極連接脈沖電源的負(fù)載連接端，充電二極管的陰極連接脈沖電 源的負(fù)載接地端；控制回路包括可編程邏輯控制器、逆變控制電路、四極管柵極觸發(fā)控制電路、 人機(jī)界面、過流保護(hù)電路、電壓檢測(cè)電路和電流傳感器，電壓檢測(cè)電路用于檢測(cè)電容分壓器低壓端的電壓，電壓檢測(cè)電路的輸出端連接 可編程邏輯控制器的電壓信號(hào)輸入端；電流傳感器用于檢測(cè)所述主回路的電流，電流傳感器的輸出端連接過流保護(hù)電 路的輸入端，過流保護(hù)電路的過流信號(hào)輸出端連接可編程邏輯控制器過流信號(hào)輸入端；可編程邏輯控制器的觸發(fā)信號(hào)輸出端連接四極管柵極觸發(fā)控制電路的觸發(fā)信號(hào) 輸入端，四極管柵極觸發(fā)控制電路的電流信號(hào)輸入端連接過流保護(hù)電路的電流信號(hào)輸出 端，四極管柵極觸發(fā)控制電路的觸發(fā)信號(hào)輸出端連接?xùn)艠O電路的觸發(fā)信號(hào)輸入端，可編程邏輯控制器的逆變控制信號(hào)輸出端連接逆變控制電路的逆變控制信號(hào)輸 入端，逆變控制電路的逆變信號(hào)輸出端連接全橋逆變器的逆變信號(hào)輸入端；可編程邏輯控制器的顯示信號(hào)輸出端連接人機(jī)界面的輸入端，人機(jī)界面的輸出 端連接可編程邏輯控制器的控制信號(hào)輸入端。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是本實(shí)用新型以可編程邏輯控制器PLC為控制核心來產(chǎn)生 瞬間高壓脈沖，實(shí)現(xiàn)了高壓電源的智能控制。由于可編程邏輯控制器自身具有可靠性高 及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使本實(shí)用新型所述電源具有強(qiáng)抗干擾能力。它的人機(jī)界面友好，可以方便地設(shè)定和顯示電源的各工作參數(shù)，并對(duì)電源的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)故 障能及時(shí)提示報(bào)警，大大提高了電源的可靠性和安全性。主回路采用真空四極管作為高 壓主開關(guān)，穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)了高壓脈沖的調(diào)制。它的各部分供電電路都采用全橋逆變結(jié) 構(gòu)，大大減小了電源系統(tǒng)的體積和重量。整個(gè)高壓脈沖電源具有操作簡(jiǎn)單、方便，性能 穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于離子注入、廢水處理及等離子體電解沉積等領(lǐng)域。

圖1為本實(shí)用新型的電路原理框圖；圖2為柵極電路的電路原理框圖；圖3為本實(shí)用新型的工作原理框圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式由供電電源回 路、主回路和控制回路組成，供電電源回路由主電路EMI濾波器1-2、三相整流橋電路1_3、主電路濾波電容 1-4、全橋逆變器1-5和升壓變壓器1-6的初級(jí)線圈組成，主回路由升壓變壓器1-6的次級(jí)線圈、高頻高壓硅堆整流電路1-7、充電限流電 阻1-8、儲(chǔ)能電容1-9、空心電感1-10、負(fù)載放電限流電阻1-11、真空四極管1-12、燈絲 電源1-13、充電二極管1-14、下拉電阻1-15、電容分壓器1-16和柵極電路1_17組成，主電路EMI濾波器1-2的輸入端連接外部380V工頻供電電源1_1，主電路EMI 濾波器1-2的輸出端連接三相整流橋電路1-3的輸入端，三相整流橋電路1-3的輸出端連 接主電路濾波電容1-4的輸入端，主電路濾波電容1-4的輸出端連接全橋逆變器1-5的輸 入端，全橋逆變器1-5的輸出端連接升壓變壓器1-6的初級(jí)線圈，升壓變壓器1-6的次級(jí) 線圈連接高頻高壓硅堆整流電路1-7的輸入端，高頻高壓硅堆整流電路1-7的第一輸出端 接地，高頻高壓硅堆整流電路1-7的第二輸出端連接充電限流電阻1-8的一端，充電限流電阻1-8的另一端與脈沖電源的負(fù)載連接端A之間串聯(lián)儲(chǔ)能電容1-9，充電限流電阻1-8的另一端與真空四極管1-12的陽(yáng)極之間串聯(lián)空心電感1-10和 負(fù)載放電限流電阻1-11，燈絲電源1-13給真空四極管1-12的陰極燈絲供電，真空四極管 1-12陰極的一端連接脈沖電源的負(fù)載接地端T，柵極電路1-17用來給真空四極管1-12的 一柵、二柵供電；脈沖電源的負(fù)載連接端A和脈沖電源的負(fù)載接地端T之間并聯(lián)有充電二極管 1-14、下拉電阻1-15和電容分壓器1-16，其中充電二極管1-14的陽(yáng)極連接脈沖電源的負(fù)載連接端A，充電二極管1-14的陰極 連接脈沖電源的負(fù)載接地端T；控制回路包括可編程邏輯控制器2-1、逆變控制電路2-2、四極管柵極觸發(fā)控制 電路2-3、人機(jī)界面2-4、過流保護(hù)電路2-6、電壓檢測(cè)電路2-7和電流傳感器2-8，電壓檢測(cè)電路2-7用于檢測(cè)電容分壓器1-16低壓端的電壓，電壓檢測(cè)電路2_7 的輸出端連接可編程邏輯控制器2-1的電壓信號(hào)輸入端；電流傳感器2-8用于檢測(cè)所述主回路的電流，電流傳感器2-8的輸出端連接過流保護(hù)電路2-6的輸入端，過流保護(hù)電路2-6的過流信號(hào)輸出端連接可編程邏輯控制器2-1 過流信號(hào)輸入端；可編程邏輯控制器2-1的觸發(fā)信號(hào)輸出端連接四極管柵極觸發(fā)控制電路2-3的觸 發(fā)信號(hào)輸入端，四極管柵極觸發(fā)控制電路2-3的電流信號(hào)輸入端連接過流保護(hù)電路2-6的 電流信號(hào)輸出端，四極管柵極觸發(fā)控制電路2-3的觸發(fā)信號(hào)輸出端連接?xùn)艠O電路1-17的 觸發(fā)信號(hào)輸入端，可編程邏輯控制器2-1的逆變控制信號(hào)輸出端連接逆變控制電路2-2的逆變控制 信號(hào)輸入端，逆變控制電路2-2的逆變信號(hào)輸出端連接全橋逆變器1-5的逆變信號(hào)輸入 端；可編程邏輯控制器2-1的顯示信號(hào)輸出端連接人機(jī)界面2-4的輸入端，人機(jī)界面 2-4的輸出端連接可編程邏輯控制器2-1的控制信號(hào)輸入端。本實(shí)施方式中人機(jī)界面2-4可采用觸摸屏控制，它的操控界面友好，可以方便 地實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的顯示和調(diào)整。圖1中380V工頻供電電源1-1為三相供電電源，主電路EMI濾波器1_2能夠 抑制高頻干擾，三相整流橋電路1-3用來將三相交流電變成三相直流電，主電路濾波電 容1-4起平波作用，全橋逆變器1-5可采用四個(gè)IGBT組成，將直流斬成高頻脈沖，下拉 電阻1-15用于脈沖關(guān)斷時(shí)，釋放回路電纜的寄生電容和容性負(fù)載殘存的電荷，控制高壓 脈沖拖尾時(shí)間，電容分壓器1-16用于檢測(cè)負(fù)載3的電壓，逆變控制電路2-2用來控制逆 變橋開關(guān)工作占空比，實(shí)現(xiàn)調(diào)功調(diào)壓，柵極電路1-17用于給真空四極管1-12的一柵、二 柵供電，四極管柵極觸發(fā)控制電路2-3通過控制柵極來實(shí)現(xiàn)對(duì)真空四極管1-12的通斷控 制，故障監(jiān)控電路2-5用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)真空四極管1-12的柵極和燈絲工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常 立即向PLC發(fā)出故障處理請(qǐng)求，過流保護(hù)電路2-6，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的電流判斷是否過 流，如過流立即關(guān)斷四極管柵極觸發(fā)控制電路2-3，并報(bào)警提示，同時(shí)將處理后的過流信 號(hào)傳送給PLC，如長(zhǎng)時(shí)間過流，則由PLC執(zhí)行關(guān)機(jī)程序，電壓檢測(cè)電路2-7將檢測(cè)到的 電壓處理后傳送給PLC，并可由觸摸屏顯示，同時(shí)PLC還將該檢測(cè)到的電壓值與預(yù)設(shè)定 的電壓值進(jìn)行比較，再根據(jù)比較后的誤差大小控制全橋逆變器1-5的工作占空比，實(shí)現(xiàn) 閉環(huán)恒壓控制。
具體實(shí)施方式
二下面結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)實(shí) 施方式一的進(jìn)一步限定，所述柵極電路1-17由柵極EMI濾波器1-17-2、柵極整流橋 1-17-3、柵極濾波電路1-17-4、二柵逆變橋1-17-5、二柵變壓器1_17_6、二柵高頻整流 橋1-17-7、二柵阻容濾波電路1-17-8、二柵限流電阻1-17-9、一柵負(fù)逆變橋1_17_10、 一柵負(fù)變壓器1-17-11、一柵負(fù)高頻整流橋1-17-12、一柵負(fù)阻容濾波電路1-17-13、 耦合電阻1-17-14、一柵負(fù)限流電阻1-17-15、一柵正逆變橋1_17_16、一柵正變壓器 1-17-17、一柵正高頻整流橋1-17-18、一柵正阻容濾波電路1_17_19、一柵正限流電阻 1-17-20、脈沖變壓器1-17-21和柵極IGBT1-17-22組成，柵極EMI濾波器1-17-2的輸入端連接外部220V工頻供電電源，柵極EMI濾波 器1-17-2的輸出端連接?xùn)艠O整流橋1-17-3的輸入端，柵極整流橋1-17-3的輸出端連接 柵極濾波電路1-17-4的輸入端，二柵逆變橋1-17-5的輸入端、一柵負(fù)逆變橋1-17-10的 輸入端及一柵正逆變橋1-17-16的輸入端均與柵極濾波電路1-17-4的輸出端連接；[0044]二柵逆變橋1-17-5的輸出端連接二柵變壓器1-17-6的初級(jí)線圈，二柵變壓器 1-17-6的次級(jí)線圈連接二柵高頻整流橋1-17-7的輸入端，二柵高頻整流橋1-17-7的輸 出端連接二柵阻容濾波電路1-17-8的輸入端，二柵阻容濾波電路1-17-8的第一輸出端接 地，二柵阻容濾波電路1-17-8的第二輸出端與柵極電路1-17的二柵輸出端P之間串聯(lián)二 柵限流電阻1-17-9，柵極電路1-17的二柵輸出端P用來給真空四極管1-12的二柵供電；一柵負(fù)逆變橋1-17-10的輸出端連接一柵負(fù)變壓器1-17-11的初級(jí)線圈，一柵負(fù) 變壓器1-17-11的次級(jí)線圈連接一柵負(fù)高頻整流橋1-17-12的輸入端，一柵負(fù)高頻整流 橋1-17-12的輸出端連接一柵負(fù)阻容濾波電路1-17-13的輸入端，一柵負(fù)阻容濾波電路 1-17-13的第一輸出端接地，一柵負(fù)阻容濾波電路1-17-13的第二輸出端與柵極電路1_17 的一柵輸出端Q之間串聯(lián)耦合電阻1-17-14和一柵負(fù)限流電阻1-17-15，柵極電路1-17 的一柵輸出端Q用來給真空四極管1-12的一柵供電；—柵正逆變橋1-17-16的輸出端連接一柵正變壓器1-17-17的初級(jí)線圈，一柵 正變壓器1-17-17的次級(jí)線圈連接一柵正高頻整流橋1-17-18的輸入端，一柵正高頻整 流橋1-17-18的輸出端連接一柵正阻容濾波電路1-17-19的輸入端，一柵正阻容濾波 電路1-17-19的第一輸出端接地，一柵正阻容濾波電路1-17-19的第二輸出端與柵極 IGBT1-17-22的集電極之間依次串聯(lián)一柵正限流電阻1_17_20和脈沖變壓器1-17-21的初 級(jí)線圈，脈沖變壓器1-17-21的次級(jí)線圈與耦合電阻1-17-14相關(guān)聯(lián)，柵極IGBT1-17-22 的發(fā)射極接地，柵極IGBT1-17-22的柵極是柵極電路1_17的觸發(fā)信號(hào)輸入端。本實(shí)施方式中采用真空四極管1-12作為主開關(guān)，具有耐壓高、可靠性好等特 點(diǎn)，它的控制柵極，一柵電壓通過一柵負(fù)逆變橋1-17-10的通斷來控制，實(shí)現(xiàn)脈沖的調(diào) 制，而一柵負(fù)逆變橋1-17-10則是由PLC控制的觸發(fā)信號(hào)控制通斷。本實(shí)用新型中主回 路和真空四極管1-12的二柵、一柵電路都采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，柵極電壓調(diào)節(jié)方便，并且 大大減小了整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量。本實(shí)施方式中的柵極電路1-17采用外部220V工頻供電電源1-17-1供電，所述 220V工頻供電電源1-17-1為單相供電電源，二柵逆變橋1-17-5可采用四個(gè)IGBT組成， 柵極IGBT1-17-22，用來控制真空四極管1_12的一柵脈沖電壓。一柵抑制電壓一般范圍 為-950V -450V，而一柵導(dǎo)通電壓范圍為+40V +400V，當(dāng)柵極IGBT1-17-22在觸 發(fā)信號(hào)控制下導(dǎo)通時(shí)，一柵的正、負(fù)兩個(gè)電源的耦合作用，使得真空四極管1-12導(dǎo)通。供電電源回路部分三相380V工頻供電電源1-1經(jīng)過主電路EMI濾波器1-2濾波后，由三相整流橋 電路1-3整流，再由主電路濾波電容1-4濾波后供給全橋逆變器1-5，全橋逆變器1-5將 直流電壓斬成方波后由升壓變壓器1-6升壓，然后給主回路部分供電。主回路部分首先將負(fù)載3連接在脈沖電源的負(fù)載連接端A和脈沖電源的負(fù)載接地端T之間，將升壓變壓器1-6升壓后的信號(hào)再經(jīng)過高頻高壓硅堆整流電路1-7整流后給儲(chǔ)能電容1-9 充電，儲(chǔ)能電容1-9存儲(chǔ)的能量在真空四極管1-12開通時(shí)以瞬間脈沖的形式釋放供給負(fù) 載3，從而在負(fù)載3上形成一個(gè)高壓脈沖，真空四極管1-12關(guān)斷時(shí)，開始進(jìn)入下一個(gè)循環(huán) 周期。改變?nèi)珮蚰孀兤?-5的工作占空比，可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。本實(shí)施方式中利 用逆變式主電路結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)工頻變壓器的升壓方式相比，具有體積小、重量輕、電壓紋波小優(yōu)點(diǎn)?？刂苹芈凡糠諴LC在現(xiàn)有電氣系統(tǒng)中用于繼電器控制，其相關(guān)技術(shù)已較為成熟，而用作高壓電源的主控制器，關(guān)鍵技術(shù)在于實(shí)現(xiàn)微秒量級(jí)的短脈沖控制。由于PLC自身運(yùn)算速度 的限制，它很難通過I/O 口直接輸出一個(gè)幾百赫茲頻率、微秒量級(jí)脈寬并同時(shí)連續(xù)可調(diào) 的脈沖，本實(shí)用新型通過外圍電路的設(shè)計(jì)，用PLC的I/O 口輸出一個(gè)占空比一定、頻 率連續(xù)可調(diào)的脈沖，同步觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)同頻率、脈寬固定的矩形波，再經(jīng)過積分電路將 其變?yōu)閷挾纫欢ǖ匿忼X波，該鋸齒波與PLC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出的模擬量比較產(chǎn)生一個(gè)新 的脈沖，通過改變輸出模擬量的大小，實(shí)現(xiàn)脈寬的連續(xù)調(diào)節(jié)，最小輸出脈寬可以達(dá)到幾 個(gè)微秒，該脈沖再經(jīng)過功率放大，驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O控制一柵負(fù)逆變橋1-17-10和一柵正逆變橋 1-17-16，實(shí)現(xiàn)高壓脈沖的調(diào)制。另外，由于負(fù)載3條件的變化，會(huì)引起輸出電壓的波動(dòng)，普通開環(huán)電壓控制系 統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)恒定的電壓輸出，本實(shí)用新型用PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載3電壓，通過逆變控制實(shí) 時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電壓的閉環(huán)控制，可以得到恒定的輸出電壓。對(duì)負(fù)載3的脈沖 電流通過電流傳感器2-8實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)過流或短路的情況，會(huì)立即關(guān)斷真空四極管 1-12的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖，可采用蜂鳴報(bào)警，同時(shí)將過流信號(hào)發(fā)送給PLC，若在一定時(shí)間內(nèi) 有多次過流發(fā)生，PLC會(huì)自動(dòng)關(guān)斷主回路高壓。當(dāng)真空四極管1-12的燈絲或柵極電路 1-17出現(xiàn)故障后，會(huì)被相應(yīng)的監(jiān)測(cè)電路檢測(cè)到后送給PLC，PLC會(huì)立即切斷高壓并在觸 摸屏上提示故障。本實(shí)用新型的輸出電壓、頻率和脈寬可以方便地通過人機(jī)界面2-4，采用觸摸屏 進(jìn)行設(shè)定，系統(tǒng)各部分供電順序和加載過程按既定程序執(zhí)行，大大減少了人工操作的過 程。另外，還可以根據(jù)工藝需要，預(yù)先設(shè)定多步不同的加工參數(shù)，讓電源按照設(shè)定好的 流程自動(dòng)運(yùn)行。圖3是本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)原理圖，它通過脈沖整形將可編程邏輯控制器2-1PLC 發(fā)出的固定占空比頻率連續(xù)可調(diào)的脈沖，可以采用由CD4098構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路變 成脈寬固定的矩形波，再經(jīng)過積分電路變?yōu)槊}寬一定的鋸齒波，然后由比較器將鋸齒波 信號(hào)與PLC發(fā)出的直流電平進(jìn)行比較，產(chǎn)生脈寬可調(diào)的方波脈沖，光電隔離電路可以保 護(hù)PLC系統(tǒng)不受電磁干擾，過流保護(hù)可以在檢測(cè)到過流信號(hào)時(shí)，迅速關(guān)斷四極管柵極觸 發(fā)控制電路2-3的驅(qū)動(dòng)脈沖，實(shí)現(xiàn)“打嗝”式保護(hù)，同時(shí)將過流信號(hào)傳給PLC，若長(zhǎng)時(shí) 間過流，則由PLC關(guān)斷主回路高壓和驅(qū)動(dòng)脈沖。圖3中所示的比較器的參考電壓可以由PLC的模擬量輸出DA模塊直接輸出，也 可以先由PLC發(fā)出頻率連續(xù)變化的脈沖，再經(jīng)過頻壓轉(zhuǎn)化后得到。圖3中的光電隔離，它可以采用光電耦合的方式實(shí)現(xiàn)主電與控制信號(hào)的隔離， 防止PLC系統(tǒng)受外界干擾，也可以將觸發(fā)信號(hào)先放大，再由脈沖變壓器傳輸信號(hào)，通過 電磁耦合方式實(shí)現(xiàn)隔離。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步限定，所述儲(chǔ)能電 容1-9的電容容量范圍為0.05yF-5yF。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一或二相同。當(dāng)電壓一定時(shí)，可以根據(jù)脈沖高壓電源輸出的最大脈沖電流和脈寬的要求，來 選擇儲(chǔ)能電容1-9的容量。[0062]具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步限定，所述下拉電 阻1-15是可調(diào)電阻，其阻值可調(diào)范圍為IOkQ-IOOkQ。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式 一或二相同。由于負(fù)載3的容性和回路電纜的分布電容的存在，使得輸出的高壓脈沖關(guān)斷 時(shí)，脈沖的拖尾很長(zhǎng)，下拉電阻1-15用來釋放殘存的電荷，可以有效控制脈沖拖尾，下 拉電阻1-15的阻值變化需根據(jù)拖尾時(shí)間長(zhǎng)短的要求進(jìn)行選擇。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步限定，所述負(fù)載放 電限流電阻1-11是可調(diào)電阻，其阻值可調(diào)范圍為10 Ω-200 Ω。其它組成及連接關(guān)系與實(shí) 施方式一或二相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步限定，所述真空四 極管1-12的型號(hào)為TM-702F。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一或二相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步限定，所述可編程 邏輯控制器2-1的型號(hào)為松下FPX-C30T PLC。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一或二 相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步限定，所述升壓變 壓器1-6的升壓比為1 65。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一或二相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與實(shí)施方式一或二的不同之處在于，所述控制回 路還包括故障監(jiān)控電路2-5，故障監(jiān)控電路2-5用于燈絲電源1-13和柵極電路1-17的故 障監(jiān)測(cè)，故障監(jiān)控電路2-5的輸出端連接可編程邏輯控制器2-1故障信號(hào)輸入端。其它 組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一或二相同。本實(shí)用新型不局限于上述實(shí)施方式，還可以是上述各實(shí)施方式中所述技術(shù)特征 的合理組合。
權(quán)利要求1. 一種基于全PLC控制的高壓脈沖電源，其特征在于它由供電電源回路、主回路 和控制回路組成，供電電源回路由主電路EMI濾波器(1-2)、三相整流橋電路(1-3)、主電路濾波電容 (1-4)、全橋逆變器(1-5)和升壓變壓器(1-6)的初級(jí)線圈組成，主回路由升壓變壓器(1-6)的次級(jí)線圈、高頻高壓硅堆整流電路(1-7)、充電限流電 阻(1-8)、儲(chǔ)能電容(1-9)、空心電感(1-10)、負(fù)載放電限流電阻(1-11)、真空四極管 (1-12)、燈絲電源(1-13)、充電二極管(1-14)、下拉電阻(1-15)、電容分壓器(1_16)和 柵極電路(1-17)組成，主電路EMI濾波器(1-2)的輸入端連接外部380V工頻供電電源，主電路EMI濾波 器(1-2)的輸出端連接三相整流橋電路(1-3)的輸入端，三相整流橋電路(1-3)的輸出端 連接主電路濾波電容(1-4)的輸入端，主電路濾波電容(1-4)的輸出端連接全橋逆變器 (1-5)的輸入端，全橋逆變器(1-5)的輸出端連接升壓變壓器(1-6)的初級(jí)線圈，升壓變 壓器(1-6)的次級(jí)線圈連接高頻高壓硅堆整流電路(1-7)的輸入端，高頻高壓硅堆整流電 路(1-7)的第一輸出端接地，高頻高壓硅堆整流電路(1-7)的第二輸出端連接充電限流電 阻(1-8)的一端，充電限流電阻(1-8)的另一端與脈沖電源的負(fù)載連接端(A)之間串聯(lián)儲(chǔ)能電容 (1-9)，充電限流電阻(1-8)的另一端與真空四極管(1-12)的陽(yáng)極之間串聯(lián)空心電感(1-10) 和負(fù)載放電限流電阻(1-11)，燈絲電源(1-13)給真空四極管(1-12)的陰極燈絲供電，真 空四極管(1-12)陰極的一端連接脈沖電源的負(fù)載接地端(T)，柵極電路(1-17)用來給真 空四極管(1-12)的一柵、二柵供電；脈沖電源的負(fù)載連接端(A)和脈沖電源的負(fù)載接地端(T)之間并聯(lián)有充電二極管 (1-14)、下拉電阻(1-15)和電容分壓器(1-16)，其中充電二極管(1-14)的陽(yáng)極連接脈沖電源的負(fù)載連接端(A)，充電二極管(1-14)的陰 極連接脈沖電源的負(fù)載接地端(T)；控制回路包括可編程邏輯控制器(2-1)、逆變控制電路(2-2)、四極管柵極觸發(fā)控制 電路(2-3)、人機(jī)界面(2-4)、過流保護(hù)電路(2-6)、電壓檢測(cè)電路(2-7)和電流傳感器 (2-8)，電壓檢測(cè)電路(2-7)用于檢測(cè)電容分壓器(1-16)低壓端的電壓，電壓檢測(cè)電路(2-7) 的輸出端連接可編程邏輯控制器(2-1)的電壓信號(hào)輸入端；電流傳感器(2-8)用于檢測(cè)所述主回路的電流，電流傳感器(2-8)的輸出端連接過流 保護(hù)電路(2-6)的輸入端，過流保護(hù)電路(2-6)的過流信號(hào)輸出端連接可編程邏輯控制器 (2-1)過流信號(hào)輸入端；可編程邏輯控制器(2-1)的觸發(fā)信號(hào)輸出端連接四極管柵極觸發(fā)控制電路(2-3)的 觸發(fā)信號(hào)輸入端，四極管柵極觸發(fā)控制電路(2-3)的電流信號(hào)輸入端連接過流保護(hù)電路 (2-6)的電流信號(hào)輸出端，四極管柵極觸發(fā)控制電路(2-3)的觸發(fā)信號(hào)輸出端連接?xùn)艠O電 路(1-17)的觸發(fā)信號(hào)輸入端，可編程邏輯控制器(2-1)的逆變控制信號(hào)輸出端連接逆變控制電路(2-2)的逆變控制 信號(hào)輸入端，逆變控制電路(2-2)的逆變信號(hào)輸出端連接全橋逆變器(1-5)的逆變信號(hào)輸入端；可編程邏輯控制器(2-1)的顯示信號(hào)輸出端連接人機(jī)界面(2-4)的輸入端，人機(jī)界面 (2-4)的輸出端連接可編程邏輯控制器(2-1)的控制信號(hào)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全PLC控制的高壓脈沖電源，其特征在于所述 柵極電路(1-17)由柵極EMI濾波器(1-17-2)、柵極整流橋(1_17_3)、柵極濾波電路 (1-17-4)、二柵逆變橋(1-17-5)、二柵變壓器(1-17-6)、二柵高頻整流橋(1-17-7)、二 柵阻容濾波電路(1-17-8)、二柵限流電阻(1-17-9)、一柵負(fù)逆變橋(1-17-10)、一柵負(fù) 變壓器(1-17-11)、一柵負(fù)高頻整流橋(1-17-12)、一柵負(fù)阻容濾波電路(1-17-13)、耦 合電阻(1-17-14)、一柵負(fù)限流電阻(1-17-15)、一柵正逆變橋(1-17-16)、一柵正變壓 器(1-17-17)、一柵正高頻整流橋(1-17-18)、一柵正阻容濾波電路(1_17_19)、一柵正 限流電阻(1-17-20)、脈沖變壓器(1-17-21)和柵極IGBT (1_17_22)組成，柵極EMI濾波器(1-17-2)的輸入端連接外部220V工頻供電電源，柵極EMI濾波器 (1-17-2)的輸出端連接?xùn)艠O整流橋(1-17-3)的輸入端，柵極整流橋(1-17-3)的輸出端 連接?xùn)艠O濾波電路(1-17-4)的輸入端，二柵逆變橋(1-17-5)的輸入端、一柵負(fù)逆變橋 (1-17-10)的輸入端及一柵正逆變橋(1-17-16)的輸入端均與柵極濾波電路(1-17-4)的輸 出端連接；二柵逆變橋(1-17-5)的輸出端連接二柵變壓器(1-17-6)的初級(jí)線圈，二柵變壓器 (1-17-6)的次級(jí)線圈連接二柵高頻整流橋(1-17-7)的輸入端，二柵高頻整流橋(1-17-7) 的輸出端連接二柵阻容濾波電路(1-17-8)的輸入端，二柵阻容濾波電路(1-17-8)的第一 輸出端接地，二柵阻容濾波電路(1-17-8)的第二輸出端與柵極電路(1-17)的二柵輸出端 (P)之間串聯(lián)二柵限流電阻(1-17-9)，柵極電路(1-17)的二柵輸出端(P)用來給真空四 極管(1-12)的二柵供電；一柵負(fù)逆變橋(1-17-10)的輸出端連接一柵負(fù)變壓器(1-17-11)的初級(jí)線圈，一柵 負(fù)變壓器(1-17-11)的次級(jí)線圈連接一柵負(fù)高頻整流橋(1-17-12)的輸入端，一柵負(fù)高 頻整流橋(1-17-12)的輸出端連接一柵負(fù)阻容濾波電路(1-17-13)的輸入端，一柵負(fù)阻 容濾波電路(1-17-13)的第一輸出端接地，一柵負(fù)阻容濾波電路(1-17-13)的第二輸出 端與柵極電路(1-17)的一柵輸出端(Q)之間串聯(lián)耦合電阻(1-17-14)和一柵負(fù)限流電阻 (1-17-15)，柵極電路(1-17)的一柵輸出端(Q)用來給真空四極管(1-12)的一柵供電；一柵正逆變橋(1-17-16)的輸出端連接一柵正變壓器(1-17-17)的初級(jí)線圈，一柵 正變壓器(1-17-17)的次級(jí)線圈連接一柵正高頻整流橋(1-17-18)的輸入端，一柵正高 頻整流橋(1-17-18)的輸出端連接一柵正阻容濾波電路(1-17-19)的輸入端，一柵正阻 容濾波電路(1-17-19)的第一輸出端接地，一柵正阻容濾波電路(1-17-19)的第二輸出 端與柵極IGBT (1-17-22)的集電極之間依次串聯(lián)一柵正限流電阻(1_17_20)和脈沖變壓 器(1-17-21)的初級(jí)線圈，脈沖變壓器(1-17-21)的次級(jí)線圈與耦合電阻(1_17_14)相關(guān) 聯(lián)，柵極IGBT (1-17-22)的發(fā)射極接地，柵極IGBT (1_17_22)的柵極是柵極電路(1_17) 的觸發(fā)信號(hào)輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于全PLC控制的高壓脈沖電源，其特征在于所述 儲(chǔ)能電容(1-9)的電容容量范圍為0.05 μ F-5 μ F。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于全PLC控制的高壓脈沖電源，其特征在于所述下拉電阻(1-15)是可調(diào)電阻，其阻值可調(diào)范圍為IOkQ-IOOkQ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于全PLC控制的高壓脈沖電源，其特征在于所述 負(fù)載放電限流電阻(1-11)是可調(diào)電阻，其阻值可調(diào)范圍為10 Ω-200 Ω。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于全PLC控制的高壓脈沖電源，其特征在于所述 真空四極管(1-12)的型號(hào)為TM-702F。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于全PLC控制的高壓脈沖電源，其特征在于所述 可編程邏輯控制器(2-1)的型號(hào)為松下FPX-C30TPLC。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于全PLC控制的高壓脈沖電源，其特征在于所述 升壓變壓器(1-6)的升壓比為1 65。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于全PLC控制的高壓脈沖電源，其特征在于所述 控制回路還包括故障監(jiān)控電路(2-5)，故障監(jiān)控電路(2-5)用于燈絲電源(1-13)和柵極電 路(1-17)的故障監(jiān)測(cè)，故障監(jiān)控電路(2-5)的輸出端連接可編程邏輯控制器(2-1)故障 信號(hào)輸入端。
專利摘要基于全PLC控制的高壓脈沖電源，屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有高壓脈沖電源的單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾能力差及其主電路的原始體積大的問題。它由主回路和控制回路組成，用可編程邏輯控制器輸出占空比一定、頻率連續(xù)可調(diào)的脈沖，同步觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)同頻率、脈寬固定的矩形波，再將其變?yōu)閷挾纫欢ǖ匿忼X波，該鋸齒波與PLC輸出的模擬量比較產(chǎn)生一個(gè)新的脈沖，通過改變輸出模擬量的大小，實(shí)現(xiàn)脈寬的連續(xù)調(diào)節(jié)，最小輸出脈寬可以達(dá)到幾個(gè)微秒，該脈沖再經(jīng)過功率放大，驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電路，實(shí)現(xiàn)高壓脈沖的調(diào)制，它以可編程邏輯控制器作為控制核心，通過人機(jī)界面，方便地設(shè)定和顯示電源的各工作參數(shù)。本實(shí)用新型用作高壓脈沖電源。
文檔編號(hào)H02M1/14GK201797448SQ201020540368
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者鞏春志, 朱宗濤, 楊士勤, 田修波 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)