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特殊而應用廣泛的電源—特種電源

作者:admin 發布日期:2018/1/15 關注次數: 二維碼分享

摘要:本文討論了特種電源的要求和用途,詳細論述了雷達發射機高壓電源、電子束焊機用大功率高壓電源、高壓脈沖電源和加速器電源系統等幾種類型的特種電源。

關鍵詞:特種電源 高壓電源 脈沖電源 行波管 雷達 電子束 加速器

1、概述

特種電源即特殊種類的電源。所謂特殊主要是由于衡量電源的技術指標要求不同于常用的電源,其主要是輸出電壓特別高,輸出電流特別大,或者對穩定度、動態響應及紋波要求特別高,或者要求電源輸出的電壓或電流是脈沖或其它一些要求。這就使得在設計及生產此類電源時有差比普通電源有更特殊甚至更嚴格的要求。

特種電源一般是為特殊負載或場合要求而設計的,它的應用十分廣泛。主要有:電鍍電解、陽極氧化、感應加熱、醫療設備、電力操作、電力試驗、環保除塵、空氣凈化、食品滅菌、激光紅外、光電顯示等。而在國防及軍事上,特種電源更有普通電源不可取代的用途,主要用于:雷達導航、高能物理、等離子體物理及核技術研究等。

可見特種電源就是運用電力電子技術及一些特殊手段,將發電廠或蓄電池輸出的一次電能,變換成能滿足對電能形式特殊需要的場合要求而設計的電源。本文僅介紹具有廣泛代表性的高壓電源、脈沖電源和加速器電源系統。

2、幾種類型的特種電源

2.1雷達發射機用的高壓電源

在現代雷達發射機中,用行波管(TWT)作為微波功率放大器件占有很大的比例,作為高功率部分,它的可靠性與技術指標如何,對雷達發射機乃至整個雷達有著直接的影響.而支撐著行波管的高壓電源(系統)更顯得至為重要.

開關電源技術作為一種高頻、高效電力電子技術, 隨著電子元器件、產品的不斷更新,大功率器件的更新換代, 大功率開關電源技術得到了發展。本文所介紹的雷達行波管用高壓開關電源,采用全橋諧振PWM調制方式, 大功率開關器件采用先進的IGBT模塊及先進可靠的驅動電路,使得電源的整體性能良好, 穩定度好, 并且具有各種保護功能。

電源電路由以下幾部分組成:1)電網濾波器,2) 整流濾波,3)全橋變換器,4)高壓變壓器,5)高壓整流濾波,6)脈寬調制與控制電路,7)驅動電路,8)保護電路等。

工作原理:將50HZ三相380V通過電網濾波器,經整流及濾波得到500多伏的直流電壓,供給串聯諧振變換器。由于本電源輸出高達20KV,為了減輕變壓器的設計難度以及減小高壓整流二極管的耐壓值、提高電源的可靠性,我們采用變壓器兩個次級分別全橋整流,然后疊加輸出。全橋變換器由四個IGBT、一個高頻變壓器及整流電路組成。控制電路提供兩對彼此絕緣、相位相差1800的脈沖輸入到IGBT驅動電路,控制IGBT的通斷。將直流電壓變換成為交變的20KHZ脈沖電壓,經變壓器及全橋整流和濾波電路,得到幾十KV的電壓。

2.2電子束焊機用大功率高壓電源

電子束焊接因具有不用焊條、不易氧化、工藝重復性好及熱變形量小的優點而廣泛應用于航空航天、原子能、國防及軍工、汽車和電氣電工儀表等眾多行業。電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發射電子,該電子在高壓靜電場的加速下在通過電磁場的聚焦就可以形成能量密度極高的電子束,用此電子束去轟擊工件,巨大的動能轉化為熱量,使焊接處工件熔化,形成熔池,從而實現對工件的焊接。高壓電源是設備的關鍵技術之一,它主要為電子槍提供加速電壓,其性能好壞直接決定電子束焊接工藝和焊接質量。電子束焊機用高壓電源與其它類型的高壓電源相比,具有不同的技術特性,技術要求主要為紋波系數和穩定度,紋波系數要求小于1%,穩定度為±1%,甚至紋波系數小于0.5%,穩定度為±0.5%,同時還重復性要求小于0.5%。以上要求均根據電子束斑和焊接工藝所決定。電子束焊機用高壓電源在操作是必須與有關系統進行連鎖保護,主要有真空連鎖、陰極連鎖、閘閥連鎖、聚焦連鎖等,以確保設備和人身安全。高壓電源必須符合EMC標準,具有軟起動功能,防止突然合閘對電源的沖擊。

這種電源由于功率大(達30kW),輸出電壓高(150kV),工作頻率較高(20kHz),而對穩定精度、紋波及電壓調節率均有較高的要求。選用先進的三相全控可控整流技術、大功率高頻逆變器,用新型功率器件IGBT作為功率開關。三相全控可控整流和逆變器各自采用獨立的控制板,IGBT驅動采用進口厚膜驅動電路,加上輸入電網濾波器和平波電抗器及電容組成的濾波電路。使電源的功率變換部分具有較好的技術先進性和良好的功率變換性。

高壓部分:高壓變壓器磁芯采用較新的非晶態材料,采用獨特的高頻高壓繞制工藝,雙高壓變壓器疊加工作。先進的整流和合理的倍壓電路以及高壓均壓技術保證高壓電源的高壓部分穩定可靠,反饋及高壓指示信號用精密的分壓器,由高壓輸出端直接采樣,保證電源有很高的穩壓精度、電壓調整率和準確可信的高壓測量精度。采用合理的高壓濾波技術,保證電源有良好的紋波。高壓部分放在一個油箱內。

2.3高壓脈沖電源

在雷達導航設備中,其發射部分一般都需要一高電壓、窄脈沖,不同重復頻率的強功率脈沖源,這種強功率脈沖源一般通過一個高壓電源將市電升為幾千伏至幾十千伏直流高壓,然后由一個調制器將直流高壓調制為所需脈寬及頻率的脈沖源以供發射管使用。本文介紹的高壓脈沖源主要由高壓電源及調制器組成,高壓電源系用開關穩壓電源,調制器系用半導體固態器件。

脈沖源主要由高壓電源及調制器部分組成,高壓電源采用開關穩壓電源,調制器采用半導體器件的固態調制器。

使用方給出的觸發脈沖是TTL電平的信號,應在輸入隔離變壓器前增加接口電路,此接口電路一是為了預放大TTL脈沖信號,二是為了與隔離變壓器匹配。為了達到隔離的目的,使用方可提供此接口電路的電源,制造方只需提出電源需求并在電路中設計相應的變換、濾波電路即可。

觸發脈沖經過脈沖變壓器隔離后經過預調器脈沖整形,功率放大后去觸發調制板和截尾板工作。由預調器產生的激勵脈沖經過變壓器隔離去驅動調制板的每一只場效應管,此時調制板導通高壓電源送到微波三極管的陽極,微波三極管的陰極電子開始發射,微波三極管將送入輸入端的小工率高頻信號放大成大功率的高頻信號。當脈沖結束時,由預調器產生的截尾脈沖去觸發截尾板,截尾板導通后將微波三極管的分布電容釋放,所以可以得到很好的脈沖后沿)。

2.4 在醫學領域的應用

在醫學領域,許多醫療設備都需要高壓電源或高壓脈沖電源、典型的如CT 機、X射機光機等。本文介紹一種在神經和精神疾病治療領域中高壓脈沖電源的應用——經顱磁刺激系統。

根據電磁感應原理,一個隨時間變化的均勻磁場在其所通過的空間內將產生感應電場。脈沖磁場通過生物組織產生感應電場,使生物組織內產生感應電流而達到刺激的效果。經顱磁刺激是利用時變磁場作用于大腦皮層產生感應電流,改變皮層神經細胞的動作電位,從而影響腦內代謝和神經電活動的生物刺激技術。

整個系統主要由主升壓電路、充/放電回路(含控制部分)和刺激線圈電路等幾部分組成。見圖1。主升壓電路包括功率因子校正、全橋逆變、升壓變壓器、再整流電路,充/放電回路主要由儲能電容、充/放電開關(可控硅)及單片機控制部分構成,控制充/放電電路的工作,同時提供操作接口。刺激線圈可采用單線圈和八字形兩種線圈。

特種電源

用以產生刺激生物組織的時變磁場的方法很多。目前,較常用的方法是通過電容器儲存電能,再通過對線圈放電產生脈沖電流,從而產生脈沖磁場。

2.5 大功率高壓脈沖電源在污水處理中的應用

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用大功率高壓電脈沖處理污水是利用在水中高電壓(30~50千伏)、大電流(幾十千安)脈沖放電產生的等離子體(自由基和紫外輻射),及等離子體通道剛性條件下迅速膨脹產生的沖擊波對污水中有機化和物的等離子體物理及電化學的復雜作用,使其降解為二氧化碳、水等簡單分子,達到處理污水的目的。

本系統由高壓電源、反應器和水路部分組成。如圖2所示。

高壓電源較為關鍵,它產生高壓大電流脈沖。工作原理為,三相50HZ380V交流電,經高壓電源變為電壓為30~50千伏的直流高壓,此直流高壓儲存在能量儲存器內,高功率脈沖發生器將所儲存的能量壓縮為在短時間內可輸出高電壓大電流的強功率脈沖,以輸送給反應器而發生等離子體作用。

反應器是一個密封的帶有一組正、負電極的腔體。污水由腔體下方的進水口由水泵壓入,經過一個反應過程后,由上方的出水口“溢”到儲水槽,經過若干次的循環后,可使含有污水達到排放標準。反應器的制作時應注意腔體可抵抗水的壓力外,還應注意電板在里面的合理安排與布局,更重要的是還要注意有幾十千伏的高壓電要絕緣好。

對于水路部分,待處理的廢水通過管道由閥門控制放入儲水槽中,儲水槽中的水由水泵壓入反應器中,并由反應器上方的出水口“溢”到水槽中。經過若干次的循環,當水槽中的水達到排放標準后,打開閥門口排出去。

2.6 高壓脈沖電源在食品殺菌中的應用

高壓脈沖電源殺菌技術的應用研究主要集中在液態食品(如飲料、牛奶等)的殺菌,經高壓脈沖電場殺菌加工的飲料具有安全、風味和口感近似新鮮飲料、營養好的特點,故此技術對食品加工廠家具有極大的吸引力,具有良好的市場前景。

高壓脈沖電源食品殺菌裝置的基本結構如圖3所示:

如圖3所示,液體食品的流量通過變量泵調節,脈沖電源的電壓值、脈寬、脈間可由殺菌裝置控制器進行控制;殺菌室的主要功能是將高壓脈沖電場傳遞給流經此室的液體食品,內有冷卻裝置;在高壓殺菌區域有溫度傳感器;在處理室內,兩電極內部帶有冷卻管道,溫度沒有通過冷卻管道內的循環冷卻水加以調節,各種電參數,如作用在食品上的電壓、電流波形,通過數據檢測系統加以檢測,為減少電磁場的干擾,示波器和計算機放置在屏蔽區域。

圖3 殺菌裝置結構框圖

高壓脈沖電源為雙極性,如圖4所示,它能提供正、負脈沖達到60KV、750A峰值,每個極都用獨立供電電源和無觸點開關,允許安全控制脈沖參數。用這個結構,脈寬、脈沖重復頻率和正、負電壓都是獨立變量,且具有很寬的調節范圍,這個系統功率限制在75KW,必要時,要避免正、負脈沖同時輸出。

在這個單元中,每個無觸點開關都是由多個串聯的IGBT組成,這些所有的單個IGBT的開關能同時開和閉。并且電壓通過這些開關來分配,用這種方法,每個開關操作為一個單獨裝置,在正常工作或過載期間,可根據開關所能通過的較大電壓,來決定串多少個獨立裝置。

高壓脈沖電源與殺菌室相連,用所期望的頻率、電壓縫值、產生連續不斷的高壓脈沖。

圖4 高壓脈沖電場系統方框圖

2.7 高壓電源在(塑料薄膜)材料表面處理中的應用。

塑料薄膜已經成為現代包裝工藝的主流材料,具有透明、防潮、氣密性好等突出優點。但大部分塑料薄膜屬于非極性高分子材料,對油墨的親和性都比較差,而且在形成過程中加入的增塑劑、引發劑、殘留單體和降解物等低分子物質很容易析出而匯集于材料表面形成無定性層,使塑料薄膜表面的潤濕性能變差,所以在印刷前必須經過處理。

要進行這種處理,就需要用高頻高壓放電電源系統,它主要包括晶閘管可控整流電路、單相全橋IGBT逆變電路和高頻升壓變壓器、檢測電路、保護電路、上下位機電路和液晶顯示等幾個部分。三相交流電經過傳統的相控整流后,通過電容濾波輸入由IGBT管組成的單相全橋逆變電路。逆變電路的輸出經過高頻高壓升壓變壓器升壓后提供給放電負載。檢測電路主要對輸入電壓、輸入電流、負載電流、直流母線電壓和電流、工作頻率等量進行檢測,以便實現顯示和保護。系統具有完善的保護電路,主要包括:過流保護、逆變器失鎖保護、缺相保護、錯相保護、停轉保護、放電架開啟保護、絕緣介質擊穿保護等。高頻高壓放電電源的主電路如圖5所示。

選擇適合的電參數和流體食品的流量,以使每單位食品體積經受足夠數目的高壓脈沖電場的作用,從而達到所希望的微生物細胞的致死率。

圖5高頻高壓放電電源主電路

塑料薄膜表面處理系統示意圖如圖6所示。待處理的塑料薄膜通過電極裝置的間隙進行處理。表面包有絕緣介質的滾筒接地,并通過傳動帶和電動機的轉軸相連。長條形的放電架與滾筒面平行,接高壓電源。放電電極一般為多刀型,能提高載流子數量,增加放電面積。滾筒長度為160cm,介質層厚度為3m㈩。采用這一厚度是為了確保在高壓下不被擊穿。放電間隙為3mm,可以滿足工業應用的要求。

2.8加速器電源系統

電源系統是加速器中一個重要組成部分,其主要功能是和負載一起為加速器提供所需的磁場和電場。這個電源系統絕大多數是高精度線性電源,幾乎全部是直流穩流和直流穩壓電源。其基本結構是開關電源和晶閘管相控電源。主要技術指標(長期電流穩定度,電流紋波等)要求很高,二極鐵電源電流長期穩定度一般小于2′10-4/8小時,四極鐵電源電流長期穩定度一般小于5′10-4/8小時。

直流電源主要采用以下技術方案:對于輸出功率在50KW以上的二極磁鐵電源和大的四極磁鐵電源,采用了晶閘管相控整流技術,大部分為晶閘管12脈波整流技術,同時根據具體情況采用并聯式有源濾波技術以抑制紋波。穩定度要求為5′10-6/8小時的主磁場電源采用24脈波晶閘管整流技術,同時控制電路和測試電路都采取了恒溫措施。晶閘管相控電源技術成熟,性能穩定可靠,價格低廉,

原理簡圖如圖7所示;對于50KW以下的中小功率電源全部采用高頻開關技術,主要采用全橋零電壓/零電流軟開關技術、斬波電源,工作原理見圖8。還有部分電源,特別是開關磁鐵電源,需要電源輸出電流在200ms的時間內完成從0到額定值的轉換或從額定值到0的轉換,因此這部分電源采用高頻斬波技術,該電路能夠有效吸收電流快速下降時磁鐵負載產生的反向電壓,工作原理見圖9。對于注入引出系統的低壓大電流電源采用多模塊并聯穩流技術,每個模塊實際上是一個自己閉環工作的小功率開關電源,輸出電流在100-250A,電壓為10-30V,根據電源輸出電流選擇不同規格和不同數量的模塊并聯,所有模塊受一個總的調節器控制,工作原理見圖10。

脈沖電源實現方案與直流電源類似,對于輸出功率在50KW以上的二極磁鐵電源和大的四極磁鐵電源,采用了晶閘管相控整流技術,中小功率電源則全部采用高頻斬波技術。

圖11為電源工作于脈沖模式時輸出脈沖電流電壓波形。每個脈沖上升和下降時間各為3秒,平頂為1秒,平底10秒。電流波形實際上是一個梯形波,為便于電源實現,該梯形波分為五段:前平底段、上升段、平頂段、下降段、后平底段,每段之間用二次曲線光滑連接起來。

主環和實驗環二極鐵電源及部分大功率四極鐵電源,采用十二相或二十四相可控硅整流器實現,主要工作方式為整流/逆變方式。電源由十二相/二十四可控硅整流器、紋波反饋、無源濾波器、有源濾波器和電源控制器組成,圖12為電源電氣原理圖。多相可控硅整流器通過多臺變壓器錯相。電源調節器采用電壓電流雙閉環控制,電壓環為內環調節,為了實現較快的響應速度和抑制電網電壓波動的影響,電壓環增益不高,但有較寬的帶寬,外環為電流環,電源的精度主要由電流環決定,因此電流調節器增益很高,同時電流環帶寬受到限制。為了進一步提高動態響應速度以及衰減紋波,主環二極磁鐵電源在無源濾波器之后還使用了并聯式有源濾波器,該濾波器是由多級斬波式開關電源串聯組成,在電流上升下降段提供所需電流,以彌補晶閘管整流器響應較慢的缺陷,在平頂和平底段作為有源濾波器工作。需要指出的是為了同時滿足電源精度和良好動態特性的要求,必須精心選擇電源調節器和濾波器的參數。

主環和實驗環及其他系統的中小功率的電源,采用帶倍頻功能的高頻雙管斬波式開關電源。電路工作原理圖如圖 9所示。開關管工作頻率為10KHz以上,電源工作頻率則在20KHz以上,具有響應時間快、較小的紋波、體積小、效率高等優點。這種電路可以有效的減小電源對電網的影響,同時還低功率損耗、不存在開關元件的直通故障、可工作與二象限和四象限狀態、電路簡單等優點。通過控制兩個開關管,實現能量反饋,此種電源既可工作于脈沖狀態,也可工作于直流狀態。雙極性輸出的主環和實驗環中的校正線圈和校正磁鐵電源,采用四象限輸出的開關電源,不同的控制方式便可實現輸出極性的改變或輸出電流從正到負的連續變化。

在注入引出系統中,主要包括踢軌電源(KICKER)、突凸軌電源(BUNPER)、靜電偏轉板電源。其工作原理與波形與普通磁鐵電源完全不一樣。KICKER電源要求電流脈沖上升沿在150ns以內,周期重復工作,主要用于主環快引出; BUMPER也是以較快脈沖工作,但要求電流在60-20us內從額定值下降到0,且四臺BUMPER必須同步,該種電源主要用于主環注入系統中;靜電偏轉板電源全部是150KV高壓直流穩壓電源,主要用于慢引出。 圖15-18為KICKER和BUMPER電源工作原理圖以及相應的測試波形。

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