引言

近年來,電力系統(tǒng)設備過壓檢測等領域對高壓電源的體積和電壓增益提出了更高的要求。部分電力系統(tǒng)中的設備往往暴露在較為惡劣的環(huán)境中,如果受到諸如雷擊、誤操作等影響,會引起局部電壓過高,因此對于電氣設備的絕緣和過壓檢測顯得尤為重要。作為電氣設備絕緣檢測激勵源的高壓電源在該應用領域受到了業(yè)界的廣泛關注[1—2],這也對激勵源的體積提出了要求,因此本文對適用于電氣設備絕緣檢測的高壓電源開展研究。圖1給出了電氣設備耐壓檢測的場景。

1高壓電源的拓撲組成

本文提出的高壓電源由整流模塊、高頻變壓器和倍壓單元組成。圖2為整流模塊,該模塊由整流二極管和濾波模塊組成。圖3為高頻變壓器和倍壓單元,其中高頻變壓器由升壓比為1:N的升壓變壓器和開關管S1組成,CW電壓倍增電路是由多個倍增電容和倍增二極管進行串并聯(lián)構成的升壓網(wǎng)絡,當該網(wǎng)絡的輸入電壓呈現(xiàn)交替變化時,輸出電壓隨著倍壓單元級數(shù)成倍增加[3]。圖3為級數(shù)為n的CW電壓倍壓網(wǎng)絡,通過多級倍壓網(wǎng)絡的升壓作用,負載端會得到高電壓等級且高功率密度的直流電壓。在級數(shù)為n的CW倍壓電路中,當S1導通時,二極管按照D2、D4、D2n的順序導通,當開關管S1關斷時,倍增二極管按照D2n—1、D3、D1的順序導通。

圖4為本文所提出的高壓電源拓撲圖,該電源由整流單元、高頻隔離升壓變壓器和倍壓單元級聯(lián)而成,市電經過整流單元后饋入隔離升壓變壓器單元進行升壓,再經過后級的倍壓單元對電壓進行進一步的提升,從而提高了該電源的電壓增益,而該級聯(lián)的結構也減小了電源的體積,從而提高了電源的功率密度[4],降低了高頻變壓器的工藝難度。本文所提出的高壓電源非常適合應用于電力系統(tǒng)中電氣設備的過壓檢測[5—6]。

2高壓電源的設計和工作特性分析

2.1電壓增益分析

交流電經過整流單元整流后電壓vin/為:

整流后的電壓饋入后級變壓器和倍壓單元,可以根據(jù)升壓變壓器的勵磁電感Lm上的伏秒平衡進行推導,開關管導通和關斷時勵磁電感Lm上的電壓VLmon、VLmoff分別如式(2)和(3)所示:

為了獲取10 kv的輸出電壓,并使有源器件的電壓應力較低,最終選取倍壓單元的級數(shù)為5,變壓器的升壓比為6,該高壓電源可以在AC220 v的輸入下,在較低占空比(D=0.4)的條件下實現(xiàn)輸出電壓為10 kv的升壓變換。

3高壓電源的控制回路

圖5所示為本文提出的高壓電源的控制回路,其中k1為輸出電壓的采樣比。該變換器采用閉環(huán)控制來控制輸出電壓vo,電壓比較器副邊控制電路產生的誤差信號oe1通過電壓比較器與鋸齒信號進行比較,得到復位信號ore,其中oe1是PI補償下ors1與參考電壓vref1之間的誤差電壓,從而實現(xiàn)恒壓輸出?？刂苹芈返母綦x通過光耦元件實現(xiàn),從而保證了該高壓電源運行的可靠性。

4仿真驗證

本文搭建了一臺高壓電源的仿真平臺,在表1給出的參數(shù)條件下進行實驗。經過上述分析,開關管的占空比選取在0.4左右。與單開關高增益變換器相同,選取倍壓單元級數(shù)n=5,并選擇合適的變壓器匝比N。

圖6為高壓電源的變壓器原邊和副邊電流波形圖,原邊電流為諧振電流和勵磁電感電流波形的疊加,副邊電流波形為諧振電流波形,在諧振期間,原邊電流波形近似為正弦波形;圖7為穩(wěn)定后的輸出電壓的波形,由圖可知,輸出電壓vo穩(wěn)定在10 kv。

結束語

本文基于電力系統(tǒng)中電氣設備過壓檢測的應用場景設計了一款高壓電源,該電源由整流模塊、高頻變壓器和倍壓單元組成,從而有效提高了高壓電源的功率密度,并降低了高頻變壓器的工藝難度。該電源可以實現(xiàn)最高電壓10 kv的恒壓輸出,本文詳細介紹了高壓電源的參數(shù)設計、工作特性和損耗分析,并通過仿真驗證了其可行性,以證明該高壓電源在電氣設備過壓檢測場景中的適用性。