一種新型抗強磁場的高壓電力裝置的研究與設計*

夏德印 ， 張 賽

（許昌電氣職業學院，河南 許昌 461000）

0 引言

隨著科技的發展和微波技術的廣泛應用，小功率高壓直流電源的研發與應用也得到了較廣泛的推廣，小功率高壓電源在高壓靜電除塵、行波管電源、速調管電源等系統中起著重要的作用[1]。

設計的小功率高壓模塊的主要功能：輸入220 V±15%交流電壓，輸出0 kV～5 kV高壓直流電壓，輸出電流能夠在0 μA～1 000 μA范圍內根據負載自適應；輸出電流檢測范圍為0 μA～1 000 μA，2 μA～1 000 μA過流檢測且過流告警值可以任意設置；設備具備本控和遠控操作功能；設有監控單元，能夠監測電源運行狀態和運行參數，并通過PLC及通信模塊上報監控信息；具備交流輸入過/欠壓保護、輸出過壓保護、過載保護、過流告警等功能[2]，且具有快速保護、光纖通信、顯示功能，大大擴展了其適應性。

設計的電源模塊安全可靠性高，系統綜合采用了光纖通信、壓率變換、變壓器設計、倍壓整流、PLC編程等技術，實現了電氣的高低壓隔離，提高了系統的抗干擾能力及安全性，具有較強的抗磁場干擾能力。設計的電源具有電壓高、電流精度高、保護功能齊全等重要優點[3]，且該產品具有體積小、重量輕、控制方便、便于安裝等特點，適用于微波發射、軍工、國防、通信、醫療、工業、科學研究等領域，應用極為廣泛。因此，本研究具有極為重要的參考價值及應用推廣意義[4]。

1 研究背景

隨著電子技術發展的日新月異，新的電子器件、技術理論等也隨之涌現，這些新技術被不斷應用于電源電路設計中，使得電源越來越先進，具有高智能、高頻、高效、高可靠性、體積小、質量輕等優點的電源是科技工作者研發與設計的必然趨勢。

微波技術的發展極大地促進了小功率高壓電源的發展，其在工業除塵、材料改性、環境保護、微波發射和激光武器等領域得到了廣泛的應用。現有的很多高壓電源仍然采用工頻電源等較傳統的技術，存在體積大、重量沉、紋波大、效率低、穩定性差等缺點[5]。隨著科技的發展，社會對小功率高壓電源提出了具有小型化、智能化、經濟性高、效率高等優點的發展要求。

因此，本設計從小功率高壓電源的原理入手，采用光纖通信、電壓-頻率、倍壓整流、PLC編程等技術設計了一種小功率高電壓直流電源，它的設計組合方式區別于以往同類高、低電壓組合式電源的設計方式，體積變得更小、重量變得更輕[2]。

2 電路原理及功能

2.1 電路原理

設計的高壓直流電源模塊，主要由四個部分組成：輸入單元、控制單元、通信單元、高壓單元，如圖1所示。

圖1 電路原理

工作過程：輸入單相交流電源經隔離、EMI濾波后，給輔助電源供電轉換成包括+5 V、+24 V、±12 V的電源，給裝置內部各個單元供電；裝置以PLC控制器為核心，實現對模塊開關、輸出電壓設定、運行參數的監視等，電壓采樣單元對電路輸出電壓進行采樣并將采樣結果傳送給PLC，PLC通過設定調節設定參數實現對輸出電壓的閉環控制[6]，得到穩定的輸出高壓。

2.2 原理功能

輸入單元：系統供電，EMI模塊進行交流輸入的濾波，輔助電源模塊為控制單元、通信單元、高壓電源供電。

控制單元：具有控制系統運行、參數采樣、系統保護、系統告警等功能，且具有過流故障信號通過光纖傳輸給控制單元功能。可通過其輸出電壓、自適應的電流值監視控制電源的運行狀態。

通信單元：P L C控制器通過光纖通信模塊ADAM-4541，可實現與總控單元間參數的光纖傳輸。

高壓單元：利用推挽變壓器、倍壓整流電路技術，完成輸入低電壓到輸出高電壓的變換，實現高電壓的輸出與調節。

3 電路控制技術

3.1 電壓采樣技術

設計的電壓回饋電路中采用了光耦PC817的線性傳輸特性，其具有價格低、電路簡單、輸入電壓范圍較寬、測量精度好等優點[7]，如圖2所示。

圖2 控制電壓測量電路

假設光耦PC817的傳輸特性公式：

其中，IP是光耦PC817的正向電流，VP是光耦PC817的導通壓降。

目標傳輸特性公式：

電壓基準芯片TL431的基準電壓Vref：

令R6=R7=R8=R9，可知：

利用電阻R8和R11進行調節，實現光耦PC817的特性傳輸方程是：

3.2 芯片AD654壓頻V/F電路技術

利用芯片AD654型V/F集成電路的特性原理，設計了一款信號調制的電路。芯片AD654是美國公司生產的一種低成本電壓頻率（V/F）變換器件，其輸出的頻率與輸入的電壓成正比例關系[8]，比例系數與外圍相關的電阻、電容參數有關，可用作信號發生源、信號解調和V/F變換等。它可以是單電源供電，也可是雙電源供電，且工作電壓范圍也比較寬。AD654芯片輸入電壓VIN與輸出頻率FOUT之間的轉換公式為：

在AD654芯片的使用過程中，外圍電路器件特性會嚴重影響轉換精度，如溫度特性、精度等會對轉換精度產生明顯的影響，故選取性能可靠、溫度特性好、材質合適的外圍電阻及容器件等提高轉換精度。樣機測試結果表明，電路壓頻V/F轉換精度較好[9]，證實了設計方法的正確性和可行性。電路設計將電壓信號轉換成頻率信號，并把輸出的頻率信號傳送給 PLC控制器，利用先前定義好的頻率/電壓對應公式轉換成相應的電壓信號。實驗結果表明，所設計的壓/頻信號電路，可以將頻率信號通過光纖實現遠距離傳輸，提高了信號的抗干擾能力及安全性。

3.3 倍壓整流電路設計

倍壓整流設計具有將交流電轉換成直流電的功能，同時可以得到高出多倍的直流電壓（倍壓），在電路設計中采用倍壓整流設計可減小設計裝置的體積與重量。

高壓單元為減少倍壓整流短路單元的級數及提高電路工作的效率，將變壓器與倍壓整流電路相結合，先進行變壓器升壓，然后利用倍壓整流電路原理調節出輸出的高壓，將輸入的低電壓轉變成高壓進行輸出，實現了電路的高增益隔離升壓變換[9]。

3.3.1 倍壓電路的設計

本文設計的高壓直流電源采用推挽逆變一級升壓，再進行倍壓整流二級升壓的主拓撲，若變壓器副邊輸出電壓為U，則采用4倍壓整流電路進行設計，如圖3所示。

圖3 高壓電源主電路

其中，DC+是輸入直流電源的正、DC-是輸入直流電源的負；Uo+是輸出高壓的正、Uo-是輸出高壓的負；E是輸入電壓儲能，具有穩壓、濾波的作用；C1對輸入電源的高頻紋波進行濾除；Q1、Q2是推挽逆變電路的開關，控制著變壓器T的導通與關斷。

3.3.2 倍壓電路工作原理

在倍壓電路工作原理分析過程中，假定電容的充電速率遠遠大于其放電速率、變壓器副邊的電壓是U。工作過程開始，在第一周期的正半周，副邊電壓U通過二極管D1給電容C2充電到U1=U，在第一周期的負半周U與C1上的電壓串聯在一起給電容C3充電。第二個周期的正半周，電壓U再給C1充電，此時二極管D1已導通，電容C4上暫無電壓，將通過二極管D1、D3向C4充電；第二個周期的負半周，變壓器副邊電壓U與電容C2在向電容C3充電的同時，電容C4也向暫無電壓的電容C5充電。因此，倍壓整流電路中的能量是從前級逐漸向后級傳遞的，設計的倍壓整流電路經過兩個周期可將部分電量傳遞給電容C5。電路經過多個工作周期后，除電容C2上的電壓是U1=U外，電路中其他電容均為U2=U3=U5=2U，C3、C5上電壓之和是4U，也就是電路負載R1上的電壓4U，即四倍壓整流電路[10]。

4 控制策略設計

4.1 控制原理設計

裝置工作時，輸出電壓參數通過PLC下發給控制板，控制板進行信號變換后輸入到高壓模塊的輸入給定端，控制高壓模塊的輸出電壓值；高壓電源模塊工作時，實時采樣輸出電壓，并將采集的電壓信號轉換成頻率信號，通過隔離后傳送給PLC，通過PLC對輸出電壓進行閉環調節，調整輸出電壓設置值，使電壓反饋和電壓設置趨向一致，偏差在設定允許的范圍內[11]。

4.2 控制軟件設計

裝置的控制主要由上位機（計算機）、PLC控制單元以及配套軟件組成，根據系統環境適應性相關的要求以及電源系統所需要的輸入/輸出點數量，PLC選擇滿足條件的西門子系列S7-200控制器[12]。

4.3 控制流程圖

裝置通過軟件設定自校準程序實現輸出的穩定，使得設計電源輸出電壓能夠按照設定電壓穩定輸出，其控制流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

5 實驗結果

原理樣機具有電氣高低壓隔離、抗干擾能力強、操作便捷、安全可靠性高、穩定性高、電流精度高、保護功能齊全等特點，樣機輸出結果良好，達到了設計目的。

6 結論

本文對設計樣機的電路拓撲、工作原理、控制策略、控制方法和運行特性等方面的研究與分析進行了詳細論述，最后完成了原理樣機的設計。經過對樣機進行測試，證明了設計電源達到了要求，其具有可靠性高、損耗低、穩定性好、成本低、結構簡單、體積小、維護方便、抗干擾能力強等優點，同時證實了設計的小功率高壓電源硬件、軟件

控制策略和理論分析的科學性與可行性；設計的電力裝置是微波發射、工業等多個領域較為理想的小功率電源，具有較高的應用及推廣價值。因此，本課題的研究為小功率高壓電源相關理論補充了有價值的參考資料，具有重要的研究意義。