摘 要:为满足脉冲功率技术应用研究的需要,研制以Tesla变压器为核心组成的200 kV脉冲发生器,由可调直流高压电源、储能器、高压脉冲变压器、高压开关、控制器、工控机、打印机、存贮示波器、限流电阻箱、极性转换器和高压脉冲分压器等构成。采用计算机控制技术高压脉冲的产生、输出幅度、“+/-”极性和限流电阻转换进行程序控制,高压脉冲输出幅度和输出频率连续可调,其性能指标满足技术要求,且操作简单、安全、性能稳定可靠。
关键词:高压脉冲发生器;高压脉冲变压器;工控机;自动控制
中图分类号:TP273文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)04-201-03
Development of 200 kV Pulse Voltage Generator
MI Lun,ZHANG Peng
(Institute of Electronic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang,621900,China)
Abstract:The 200kV pulse voltage-generator based on Tesla transformer is made for the research on high voltage pulse technology.The program controlled equipment is made up of adjustable high-voltage direct current power,energy store part,high-voltage pulse transformer,high-voltage switch,controller,industrial computer,printer,oscillograph,current limiting resistor,pulse polarity transfer and high-voltage distribute.Based on program control technology,the high-voltage pulse is generated and computer can switch "+/-" polarities and the current-restricted resistance.The range and frequency of the output pulse can be continuous adjusted.The generator is reliable and easy to operate.
Keywords:high-voltage pulse generator;high-voltage pulse transformer;industry computer;automatic switch
0 引 言
随着脉冲功率技术的研究与应用工作的深入开展,对高压脉冲发生器的自动化及相关技术提出了更高的要求。在脉冲功率技术的应用研究过程中,需要一种200 kV的高压脉冲发生器,其高压脉冲输出幅度和频率连续可调,并能进行脉冲“+/-”极性及限流电阻的自动转换。
为满足脉冲功率技术应用研究的需要,在“200 kV脉冲发生器”[1]研制成果的基础上,采用计算机控制技术对高压脉冲的产生、输出幅度、“+/-”极性和限流电阻转换进行自动控制。在“程控200 kV脉冲发生器”工作时,因贮能放电产生数十千安培的脉冲电流,同时,仪器还处于各种电器频繁启动 停止的环境中,因此,仪器的各种功能、技术指标和可靠性取决于控制过程、高压绝缘、抗强电磁干扰等技术的设计。
1 程控高压脉冲发生器的组成和工作原理
程控200 kV脉冲发生器主要由可调直流高压电源、储能器、高压脉冲变压器、高压开关、触发器、控制器、工业控制计算机、打印机、存贮示波器、限流电阻箱、极性转换器、电流测试环、高压脉冲分压器和可调直流电源等构成,其原理方框图如图1所示。
图1 程控高压脉冲发生器示意图
程控200 kV脉冲发生器的工作原理是采用高压电容器贮能通过高压开关瞬间放电[2],由高压脉冲变压器产生60～200 kV的高压脉冲,该高压脉冲经“限流电阻转换箱”加载到“负载”上,“高压脉冲分压器”与“负载”并联,“存贮示波器”监测脉冲电压/电流波形。计算机根据技术要求控制“可调直流电源”的输出电压即可得到不同的脉冲高压输出幅度;计算机输出触发脉冲便可调节高压脉冲输出的频率;通过“示波器”采集电压和电流波形的变化,分析负载的工作状况,由此来决定电压幅度和限流电阻的增加或减少。计算机通过控制“控制器”实现高压脉冲“+/-”极性和限流电阻的自动转换。
在整个程控过程中,计算机进行状态检测,一旦出现故障,立即声光报警,保存信息,并停止控制进程,等排除故障后可重新进入程控。
2 关键技术
程控高压脉冲发生器的输出电压高达200 kV,在工作时,贮能放电产生数十千安培的脉冲电流,因此,发生器的各种功能、技术指针和可靠性取决于高压脉冲的产生、控制、高压绝缘、抗强电磁干扰等技术,其中绝缘耐压和抗干扰是高压脉冲发生器的关键问题。高压绝缘决定了高压脉冲发生器、高压脉冲“+/-”极性和限流电阻自动转换的可靠性和寿命,因此,在重点设计高压绝缘的同时,需选用抗电磁干扰能力强的元器件(如:低压继电器、真空高压继电器、牵引电磁铁和隔离变压器等)构成特殊的功能单元电路,以提高系统的抗干扰能力。
2.1 高压脉冲产生器
高压脉冲产生器由可调直流高压电源、储能器、高压脉冲变压器、高压开关、触发器和直流电源组成[3,4],如图1所示。计算机根据技术要求输出数码,由D/A转换及放大后控制“可调直流电源”的电压输出,该电压经DC/AC变换后产生的高频高压,由倍压整流滤波后得直流高压;直流高压为“储能器”充电;“储能器”所储存的能量由“触发器”使“高压开关(K)”导通,“储能器”、“高压开关(K)”和“高压脉冲变压器”的初级构成的回路放电,在“高压脉冲变压器”的次级输出60～200 kV的高压脉冲。
2.2 高压脉冲“+/-”极性的转换
为保证高压脉冲正负波形的一致,在设计的转换时,应不改变脉冲变压器的初级回路参数而影响脉冲变压器的输出幅度和脉冲宽度。采用真空高压继电器设计一种新型的“+/-”极性转换控制器,计算机根据技术控制真空高压继电器实现脉冲高压“+/-”极性的自动转换,其原理示意图如图2所示。
2.3 限流电阻的自动转换
限流电阻是工作在高压脉冲变压器的输出端和“负载”之间,因此,需对限流电阻的功率、耐压绝缘进行设计,以确保其功能的可靠性。
采用低压继电器和牵引电磁铁组成限流电阻的自动转换控制器,其原理示意图如图3所示。绝缘结构的设计是根据牵引电磁铁的行程、绝缘介质、工作电压以及限流电阻的触点和移动触头良好接触进行综合设计,采用有机玻璃箱,将限流电阻、移动触头、触点浸在变压器油中,以保证其耐压强度。
图2 高压脉冲“+/-”极性的转换原理图
图3 限流电阻转换原理示意图
3 软件设计
VB语言具有人机界面简单明了,易于编写的特点,故该程序采用VB语言编写[5]。为降低编程的难度,便于程序的编制和调试,软件设计采用模块化[6]。
人机界面采用两个窗体:一个用于输入参数,一个用于运行控制(实现参数输入、运行、暂停、打印以及关机等功能),输入的参数以文件的方式保存。
在运行窗体上采用串行口通信控件来实现示波器的脉冲电压和电流数值的采集,在程序运行过程中,以“时间”控件作为脉冲频率控制,其电压数值的输出采用数码输出,经D/A转换去控制高压电源的高压值,而电压值的升降和限流电阻转换决定于负载的工作状况,用条件判断语句即可。
4 抗干扰技术
程控高压脉冲发生器在工作过程中将产生60～200 kV的高压脉冲,数千安培的脉冲电流,同时,高压脉冲“+/-”极性和限流电阻的自动转换使得各种电器频繁启动或停止。因此,设备的各种功能、技术指标和可靠性都取决于系统特别是计算机抗强电磁干扰的能力。
为保证系统的性能和工作的可靠性,采用光电、电磁和变压器等隔离技术,优化系统设计,设计好安全接地(大地)和工作接地,提高系统的抗干扰能力[7-10],系统抗干扰的示意图如图4所示。
图4 系统抗干扰示意图
4.1 系统的优化设计
为提高系统的抗干扰能力和工作的可靠性,根据技术要求确定合理的、科学的控制程序的同时,首先优化系统的配置,选用适合于工业生产环境、抗干扰能力强的设备仪器,如工业控制计算机、直流电源和继电器(真空高压继电器、牵引电磁铁)等,其次是设置合理控制量,以避免程序进入死循环。
4.2 隔离技术
用带屏蔽的隔离变压器(1∶1)来抑制交流电源的高频噪声,并且屏蔽层可靠接地,以提高抗共模干扰能力。
采用光电隔离实现计算机总线与被控制对象(真空高压继电器、牵引电磁铁和低压继电器)测之间完全的电隔离,并消除公共地线和电源的干扰,从而保证计算机系统可靠工作。
采用继电器用作系统信号传递、电路切换以及功能的执行等,可以提高抗外部环境对系统的电磁干扰能力,但它本身又是噪声源。因此,对继电器线圈应采取相应的“瞬态抑制电路”和触点消弧电路。
4.3 程序加固
在软件设计时,采用软件陷井和指令冗余技术对程序进行加固,使程序受到某种干扰,进程号被改变,密码不对,从而程序进入出错处理,减少了干扰情况下弹飞的程序造成的不良后果的机会,以提高程序运行的可靠性。
5 样机与结论
程控高压脉冲发生器采用计算机控制技术,实现了输出幅度为±60～200 kV连续可调、高压脉冲“+/-极性”及“限流电阻2～17 kΩ”转换器的自动控制,其输出波形图如图5所示。
图5 程控高压脉冲发生器输出的高压脉冲
“+/-”极性波形图
6 结 语
采用计算机控制由低压继电器、真空高压继电器和牵引电磁铁等特殊器件构成具有特殊功能的“控制器”实现高压脉冲“+/-”极性和限流电阻的程控转换。采用隔离变压器、光电耦合和电磁屏蔽等抗干扰技术,提高了程控系统的抗强电磁干扰能力,其性能稳定可靠、操作简单和安全。
参 考 文 献
[1]米伦.200 kV脉冲发生器的研制[J].高压电器,2004,41(11):21-24.
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[3]王宗仁.核仪器电子技术[M].北京:原子能出版社,1977.
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[5]韦源,于平.Visual Basic程序设计基础[M].北京:清华大学出版社,1998.
[6]冯树椿,徐六通.程序设计方法学[M].杭州:浙江大学出版社,1988.
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[8]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1983.
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