小型化桌面式直流高壓發生器教學裝置設計

王燕 李超然

摘 要：為了讓電氣本科學生更好地理解直流高壓發生器的基本原理及測量，讓學生更好掌握直流發生器的輸出電壓脈動系數與本體電容量、負載大小之間的關系。教學用直流高壓發生器小型化桌面式設計非常必要。本發生器級數為5級、輸出電壓為2kV，通過Soliderworks軟件對該裝置的各個元器件進行選型設計，再通過Multisim仿真計算，仿真計算與理論設計相吻合。

關鍵詞：小型化;桌面式;直流發生器;教學裝置

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

1 目的

為了讓電氣本科學生更好地理解直流高壓發生器的基本原理、直流高壓如何產生和測量。實驗室獲得直流高電壓，一般由試驗變壓器將交流電壓升壓后再進行整流而獲得[1]，另外利用倍壓整流原理制成的直流高壓串級裝置能產生出更高的直流高電壓。針對本科教學實驗，如何保證實驗時學生的安全、易操作性和便捷性。設計小型化桌面式直流高壓發生器裝置非常必要。讓學生更好掌握發生器輸出電壓脈動系數與本體電容量、級數、負載大小之間的關系。

2 串級直流高壓發生器的設計

直流高壓發生器廣泛用于高壓設備的絕緣考核、還作為沖擊電壓發生器、沖擊電流發生器、振蕩回路等設備的直流充電電源[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有三個：平均輸出電壓、平均輸出電流和電壓脈動系數;根據充電電源頻率、每級電容量大小、輸出電壓大小以及其脈沖系數不大于3%的規定來確定發生器最佳級數[4]。

采用Soliderworks軟件設計，畫出每個器件的3D圖，組合成直流發生器本體如圖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。負載電阻采用大容量的線繞電阻安裝在有機玻璃板上并嵌入裝置最右邊的負載槽里，阻值為8MΩ、16MΩ和48MΩ，取樣電阻600kΩ。按照每級輸入電壓200V及5級設計，空載輸出最大電壓2kV。以防學生實驗時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，電容量參數分別為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的閉合實現，實驗時把左柱和右柱上對應的開關全部向上合上或向下關閉就實現了電容量的變化，當開關斷開或閉合時，可進行0.15?F、0.3?F和0.45?F電容量測量。

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

3 仿真計算

直流高壓發生器的仿真回路如圖4所示。通過改變回路電容和負載電阻參數，得到仿真波形如圖5所示。結果表明電容值、負載電阻變化，其脈動系數在2.1%～2.9%之間。當C=0.15?F、R=16MΩ時輸出的直流電壓波形如圖6所示。

4 可開實驗

（1）測量發生器的輸出電壓平均值與電容量、負載等參數之間的關系;脈動值與電容量、負載等參數之間的關系;

（2）輸出電壓與負載電阻以及電容之間的關系表。1）空載時R阻值不同時，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，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）理論計算與實測值比較：計算C與R都為最小值時的u2，δu與脈動系數S，并與實測值比較。

5 結論

該裝置設計實驗內容豐富，學生通過該實驗，可獲得理論和實際結合的經驗，增強了動手能力。更清楚地理解了直流高壓的產生、測量及脈動系數跟頻率、電容量和負載的關系。通過該教學實驗為本科生們今后工作打下更堅實的基礎。

參考文獻：

[1]常美生.高電壓技術3版[M].北京：中國電力出版社，2016.

[2]華中工學院上海交通大學合編.高電壓試驗技術[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[M].北京：中國電力出版社，2011.

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