高壓直流電源的工作原理

高壓直流電源原理

高壓直流電源又稱直流高壓電源，它是由交流市電或三相電輸入，數千伏以上或數萬伏以上直流電壓輸出的電源，輸出功率數百瓦至數千瓦，一般可穩壓或穩流。早先的直流高壓電源是將交流市電或三相電由工頻高壓變壓器升壓變成交流高壓電，然后整流濾波得到直流高壓電。由于頻率低，電源的體積和重量都比較大，轉換效率和穩定度差。隨著開關電源技術的發展與成熟，采用高頻開關變換技術結合高壓電源的特點而研制的直流高壓電源成為主流。

主要用于化肥、焦化、城市煤氣、冶金、建材、碳素、陶瓷等行業的氣體凈化，用以回收煤氣、焦爐氣中的焦油，同時去除其中的粉塵、水霧等雜質，達到物料回收和氣體凈化雙重效果，對保證工藝流程中后工段設備的正常穩定運行也起著至關重要的作用。

由恒流高壓直流電源和捕焦本體（機械塔體）兩大部分組成，前者選用CS-Ⅲ恒流型靜電沉積用高壓直流電源；后者結構上可選用TD套筒式（同心圓式），GD管式，FD蜂窩式或SJD濕管式。四種結構的本體均主要由筒體和放電極（電暈極）以及吸捕極（沉淀極）組成。

新型低紋波高壓直流電源工作原理

高壓直流電源已越來越廣泛的應用于工業、醫學、核物理、檢測等領域。本文采用雙路電源并聯輸出的方法得到低紋波直流。在開關管頻率受限的今天，本方法可以在頻率較低的情況下得到低紋波直流。

1 主回路工作原理

電源的系統框圖及主回路原理圖別如圖1 和圖2 所示。

主電路含有兩套完全相同的半橋逆變電路，逆變開關元件選用IGBT.每一路均采用獨立的三相全控整流橋供電，逆變電路采用PWM 方式，工作頻率遠高于諧振頻率， 逆變后的電壓波形為方波。 電路的功率調節通過控制全控整流橋的移相角來實現。IGBT 的觸發脈沖參數：0 kHz~20 kHz、占空比45%，-5 V~+15 V，上下橋臂脈沖相差半個周期如圖3 所示，兩路半橋逆變電路的輸出波形如圖4 所示。將兩路電壓并聯，即可得平直電壓。

2 電壓跟蹤電路

由于采用兩路輸出并聯來獲得平直的直流電壓， 設備正常工作的關鍵問題是兩路并聯電源的電壓平衡問題，即要求兩路輸出的電壓幅值時刻保持相同。為使兩路輸出保持一致，元器件參數應選取一致，還需要一套輸出電壓檢測、比較及自動調節電路，實際設計的電路工作過程如圖5 所示。

在檢測電路中主要包含隔離和離散化兩部分電路，隔離電路可以有效地抑制系統噪聲， 消除接地回路的干擾。把檢測到的輸出電壓離散化是為了解決當相近的模擬量直接比較時運放輸出抖動的問題， 同時可以使后面的比較電路的反應速度調節方便。在離散化電路中具體由鋸齒波來調制經過隔離的輸出電壓來實現。它將檢測到的電壓信號，轉化為脈寬與其電壓成正比的方波信號。

在具體應用中，應根據頻率范圍來設計合理的RC 濾波電路。濾波器的輸出與其輸入之比β 為：

3 實驗結果

應用本方案試制了一套小功率系統，以此來驗證電路的可行性。

為了方便調試，樣機采用晶閘管整流，本樣機選用西安電力電子技術研究所生產的KK200 整流晶閘管。三相電經過一個降壓變壓器（變比10∶1）接到2 個整流橋。

三相全控整流橋輸出直流平均電壓為：Ud=1.35U1cosα式中，U1-輸入三相線電壓有效值;α-三相橋式全控整流控制角。

本樣機整流橋進線線電壓有效值為380 V，采用三相橋式全控整流，所以整流橋輸出最大直流平均電壓為380*1.35 / 10=51.3 V 左右。

T1、T2 變壓器變比1:40，負載阻抗100 kΩ。下面給出了各路逆變頻率為13 kHz 時的相關波形圖：

圖6 中所標的電壓值為乘以分壓器變比以后的值。圖6（a） 為沒有經過并聯的兩路分別輸出時的電壓波形，可以看到，單路電壓輸出存在缺口，而且缺口處脈動較大，并有一定的毛刺。圖中6（b）為兩路并聯后輸出的電壓波形（未經電容濾波），與圖6（a）相比較，可以清楚地看到兩路并聯后，大的缺口在輸出波形中消失，輸出電壓脈動明顯減小，紋波變低，達到了實驗目的，驗證了設計思想的正確性。

4 結論

通過小功率試驗的驗證，證明了該方案的可行性，采用本方案可以在較低的工作頻率下達到輸出低紋波直流電壓的目的，可以減小半導體開關元件的損耗，提高元器件使用壽命和設備的穩定性，同時對控制等輔助電路的要求也降低;另外并聯后輸出電壓的脈動頻率高且幅值小，容易濾波，所以可以減小輸出端的濾波電容。由于電路是兩路電源并聯的結構，可以提高電源的輸出容量。
責任編輯：YYX