模块化可编程电压基准源的研制

本文介绍了新研制的模块化可编程电压基准系列 PVR-000,PVR-100,PVR-200。它具有可编程、体积小,成本低,稳定度高等优点,可广泛用于各种高精度自动控制的电源、电测与仪表设备中。     

具有负载普适性的高压双极性方波脉冲源研制

为满足高压脉冲杀菌灭藻实验的需求,研制了一种新型极性可调方波高压脉冲电源。该电源前端为半桥式Marx电路,产生单极性重复频率的方波高压脉冲,后端级联一个H桥,通过控制H桥正、负向放电通道开闭的不同时序实现对高压脉冲极性的调节。本文对拓扑结构设计思路、不同负载时的工作原理和开关控制策略进行了阐述和分析,并利用PSIM软件仿真验证了该脉冲源设计方案的正确性。最后,研制了脉冲源样机,经测试证明,该脉冲源所采用的IGBT浮地驱动技术安全可靠,其最大输出电压达±7k V,输出电流达±10A,脉冲数达1kpps,额定输出时上升沿可达160ns,脉宽3.5μs,且能在阻性、容性、感性等各类负载下正常工作,并易于实现电压、频率、脉宽、极性的调节,易于实现模块化和小型化。     

软开关双极性高重频高压脉冲源

提出一种控制模式,构造了一种基于Boost变换器的双极性高压双快沿脉冲源,形成双极性高压脉冲的原理是利用两组Boost变换器,通过对称控制在负载上输出交替变化的电位。由于二极管转换速度比有源功率开关管快,因此输出脉冲前沿比后沿陡峭,前沿时间约为40 as,而后沿时间约为160 ns。输出脉冲顶部平坦,约为350 ns。脉冲源工作于不连续模式,实测升压比约540倍。谐振实现了功率MOSFET的软开关。     

双极性脉冲磁场装置研制及其阻垢实验

工业循环冷却水的结垢问题越来越受到关注,为此提出一种新型的双极性脉冲磁场发生装置,以产生气隙磁通密度0.1T为目标,并与电磁发生装置进行对比,研究了此磁场发生装置的可行性与经济性。运用ANSYS磁场分析模块重点研究了异极相对的永磁体气隙磁通密度与气隙间距及磁体特性的关系。在单相异步电动机定子电压输入端串入电子调速开关,保证了脉冲磁场频率的平滑调节。通过多组检验实验确定系统是具备实验重复性的。最后进行了阻垢实验,发现脉冲磁场在90Hz时实验溶液中钙离子浓度最高、电导率最大,阻垢率达到33.3%;而频率为80Hz组的实验钙离子浓度、电导率与恒定磁场组结果相近。结果说明了并非所有频率下脉冲磁场都具备较高的阻垢效果,只有选择合适的频率,运用该装置才能很好地实现阻垢效果     

双极性加载脉冲源中储开关同步击穿特性

采用2级压缩回路和双极性脉冲叠加技术可以获得高电压快脉冲,但这对脉冲源各级开关同步特性要求较高。为研究初级源对中间储能电容器充电时间约120 ns时中储开关击穿特性对脉冲源运行的影响,文中分析了一种双极性加载脉冲源对中储开关同步击穿的要求,通过实验获得了自触发预电离中储开关在相应充电时间下的击穿电压、时延及抖动特性,并根据实验数据计算了正、负极性脉冲下中储开关击穿时延差值的概率分布。结果表明,该双极性脉冲源需要控制中储开关击穿时延差值小于10 ns;自触发预电离中储开关在0.2～0.7 MPa氮气中、不同极性脉冲下的击穿时延抖动均小于3 ns;取99.99%置信区间时,气压0.5～0.7 MPa时正、负极性中储开关击穿时延差值小于10.8 ns。该结果可作为考核中储开关同步特性和分析峰化电容器绝缘裕度设计要求的参考。     

镁合金微弧氧化大功率双极性脉冲电源的研制

介绍一种用于镁合金微弧氧化表面处理的脉冲电源数字控制系统设计.该电源采用三相半波晶闸管整流电路,用IGBT进行直流斩波;根据电流电压反馈信号计算偏差,进行数字PI调节,以获得恒流、恒压的输出特性;控制系统通过20mA电流环异步串行通讯接口,与人机界面交换数据.研制的样机在运行中表现出良好的稳定性和可靠性.     

双极性脉冲电压下介质阻挡放电及其涤纶表面改性

大气压下空气中介质阻挡放电(ADBD)在工业材料表面改性处理上具有广泛的应用前景。为研究陡前沿双极性脉冲电源在介质阻挡放电(DBD)均匀性及涤纶表面改性上的应用,在相同条件下采用脉冲电源放电与工频电源、高频电源DBD进行对比,分析了放电特性并测试了涤纶改性后的不同效果。用高速摄影仪拍摄了放电的快速曝光照片并记录了电压、电流波形;用扫描电镜、能谱仪等测量手段观察了涤纶纤维改性前后的表面形貌以及含氧量的变化;并比较了改性后芯吸性的改善情况。研究结果表明,采用双极性陡前沿的窄脉冲电源有利于在空气中实现较均匀、稳定的介质阻挡放电。     

一种采用全固态开关的高压双极性脉冲源

为满足高压脉冲电场灭菌实验的需要,提出一种结合经典Marx发生器与全固态开关器件的高压双极性方波脉冲源设计方案。选用全固态开关器件替代传统的火花间隙开关,以单极性Marx发生器为核心,实现能量压缩,通过全桥固态调制器可实现高压方波脉冲的双极性输出。详细分析了电路的结构、工作过程、控制策略和负载适应能力。以全固态IGBT为主开关器件,研制了脉冲源的高压主回路部分;设计了相应的控制电路和开关同步触发电路,通过光纤和隔离供电模块实现了信号传输和强弱电的隔离。相比于常规的双极性高压脉冲源,该方案具有更简洁的电路结构和良好的负载适应能力,实现了输出脉冲极性可控、前沿更陡,脉冲频率、脉宽、电压幅值可调等优点。实验结果表明,该脉冲源系统可以产生幅值范围-7~7 k V、每秒脉冲数1~1 000、脉宽范围2~10μs、极性可变的高压方波脉冲,为开展高压脉冲电场灭菌实验,寻找最佳灭菌电参数条件,提供了硬件支持。     

多次双极性振荡衰减冲击电压作用下的油纸绝缘累积效应

为研究电力变压器实际遭受的雷电冲击电压波和IEC规定的标准雷电冲击电压波(SLIW)对油浸绝缘纸累积作用,基于变电站实测的雷电侵入波形,通过试验方法产生了不同波形参数的双极性振荡衰减冲击电压,采用匝间绝缘模型模拟真实状况下油纸绝缘所承受的电场,并通过测量冲击电压幅值与冲击电压累积次数之间的关系特性和不同次数冲击电压作用前后相对介电常数等电气参数,探索了多次冲击电压作用对油纸绝缘的累积效应。研究表明:多次双极性振荡衰减冲击电压作用下油纸绝缘表现出明显的累积效应,在不同波形参数的冲击电压作用下油浸绝缘纸的U-N特性曲线均呈指数变化规律;在相同电压幅值下,油浸绝缘纸对双极性振荡衰减波的累积耐受能力比标准雷电冲击电压波更好,表明相同电压幅值下标准雷电冲击电压对绝缘的要求偏严;油浸绝缘纸的相对介电常数和介质损耗角正切值均随累积次数的增加呈明显上升趋势,表明多次双极性振荡衰减冲击电压作用对油纸绝缘性能有明显的影响。     

单信号驱动的固态脉冲源

随着脉冲功率电源在材料表面改性、污水处理以及生物医学等方面的广泛应用,脉冲功率电源正在朝着小型化、驱动简单及稳定的方向发展。目前,由于固态脉冲电源信号需要进行高压隔离,造成系统复杂且体积庞大。为了降低系统的质量和体积,文中提出了一种单信号驱动的固态脉冲源的拓扑结构,通过一个信号控制第一级开关的导通和关断,经主电容对剩余开关的门极电容充电后自行触发余下开关。最后,基于该拓扑结构在通用电路分析(PSPICE)中仿真了10级单信号驱动的固态脉冲源电路,结果表明该新型电路拓扑直流充电源工作在800 V,系统输出幅值约为8 kV,脉宽约为200～800 ns的脉冲电压,对于生物医学应用、肿瘤消融以及污水处理有重大意义。     

双极性振荡衰减冲击电压作用下油浸绝缘纸的绝缘累积效应特性

变压器内油纸绝缘在雷电冲击电压的重复作用下会产生累积损伤,从而对变压器的安全运行产生威胁。实际侵入变压器的雷电冲击电压波受变电站进线衰减、折反射及绕组谐振等因素的影响,具有显著的振荡特性,该波形与IEC规定的标准雷电波形有显著差异。为此基于变电站实测的雷电侵入波形,通过试验方法产生了不同波形参数的双极性振荡衰减冲击电压,采用柱–柱电极结构测量了冲击电压幅值与冲击电压累积次数之间的关系特性(U-N特性)。通过观察累积冲击作用前后油浸绝缘纸的微观形貌变化并测量其相对介电常数和介质损耗角正切,探索了多次冲击电压作用对油浸绝缘纸的累积损伤效应。研究表明,多次双极性振荡衰减冲击电压作用下油浸绝缘纸表现出明显的累积效应,随着冲击次数的增加,电极覆盖区域的试品表面会出现乳白色胶状附着物,且试品表面的纤维结构发生变化,粗糙程度逐渐增大,其相对介电常数和介质损耗角正切值均呈明显上升趋势。     

模块化多电平电压源换流器的数学模型

为了得到能够直观反映装置运行规律的数学模型,为装置性能的研究、主电路参数设计及控制系统设计等提供研究基础,将开关函数和瞬时功率结合,建立模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的时域解析数学模型。该模型给出换流器交直流电压、桥臂电流电压、桥臂子模块电容电压总和以及单个子模块电容的电压电流的时域解析表达式,可以正确反映上述各电气量与主回路参数的关系。计算和仿真结果表明,该建模方法是可行的,并具有较高的精确度。     

模块化绝缘老化试验高压脉冲电源的研制

根据绝缘材料检测的需要,研制了一种新型的无输出脉冲变压器的高压脉冲电源.基于模块化思想,通过增减模块可以改变系统最大输出峰峰值电压,开发的脉冲电源由4个模块串联而成,电源输出峰峰值电压0～4kV,频率1～20kHz,占空比50%,空载时上升沿小于100 ns,加最大负载时上升沿小于200 ns,完全满足对绝缘材料的检测要求.     

200 kV脉冲电压发生器的研制

研制了以Tesla变压器为核心组成的200kV脉冲电压发生器,介绍了高压脉冲变压器以及脉冲极性和限流电阻自动转换的设计、制作与试验。高压脉冲发生器的输出为±(60～200)kV,连续可调;输出波形为半正弦波;波形宽度约6μs;限流电阻调节范围为2～17kΩ;高压脉冲极性和限流电阻可自动转换,其性能指标满足使用要求,且操作简单、安全,性能稳定可靠。     

模块化高效隔离可编程序电压源装置设计

针对低压电气设备对电压源测试的需要,实现数字化可控的大功率电压源装置需求,研制一种模块化高效隔离可编程序电压源装置,多组电压源发生单元并联扩容冗余,采用数模转换的方式生成试验波形。通过对所需波形电压幅值、相位数值归一化,经过主控系统进行指令计算,实现电压的幅值、频率、阶跃和渐变等功能。通过理论研究和样机测试,为性能提升提供理论和实验依据。     

双极性脉冲臭氧发生的实验研究

为了更有效地产生臭氧,采用双极性脉冲电源为臭氧发生器供电,并与传统的交流电源做比较,实验所用气源为干燥空气,臭氧发生器放电管采用工业上常用的搪瓷圆柱形放电管,分别对放电参数、臭氧体积分数和能效、红外光谱以及产物中二氧化氮体积分数这些方面做出比较分析。实验结果表明,两种电源下的放电功率随着电压的增大近似线性增长,交流电源的增长速度更快;采用双极性脉冲电源时,介质电容和最小放电电压更小;在同样的能量密度下,采用双极性脉冲电源得到的臭氧体积分数和能量效率均明显高于交流电源;红外光谱分析显示两种电源下得到的尾气成分一致,均检测不到NO;在得到同样的臭氧浓度时,采用双极性脉冲电源产生的二氧化氮量更低。该研究可以为臭氧发生系统的电源选择和优化提供参考。     

脉冲电场灭菌用固态高压开关的研制

针对脉冲电场灭菌技术对开关性能的特殊要求,提出了利用IGBT串联构成高压、大容量固态开关的技术。设计并实际制造出了可供高压脉冲电场灭菌用额定电压10 k V的固态高压开关。该开关采用8个1 700 V、400 A的IGBT串联,以栅极动态RCD为基本均压方式,以FPGA为主控单元,产生8路相对独立的基准控制脉冲,其脉宽、周期、延时均可调节,且以25 ns为步进调节。通过调节各路驱动信号的相对延时,使各单元分压均匀,消除过压影响,从而在负载端得到较为理想的方波脉冲。采用光纤隔离,使隔离电压不受限制。实验结果表明,该装置性能良好,可以满足脉冲电场灭菌的实际需求。     

双极性移相控制电压源高频交流环节AC/AC变换器研究

提出了一类双极性移相控制电压源高频交流环节AC／AC交换器，以半桥全波式电路拓扑为例，深入研究了这类变换器的稳态工作原理，获得了变换器功率器件实现软开关的设计准则。借助输出周波变换器换流重叠、输入电网电压极性选择和输出滤波电感电流极性选择，实现了变压器漏感能量和输出滤波电感电流的自然换流，解决了周波变换器固有的电压过冲和环流问题，实现了输入周波变换器功率器件的ZVS开关和输出周波变换器功率器件的ZCS开关，为获得新型正弦交流稳压器和电子变压器奠定了关键技术基础。仿真与原理试验结果均证实了这类变换器的正确性与先进性。     

环氧树脂针-板缺陷在指数衰减脉冲和正弦电压作用下的局部放电特性

制作了环氧树脂针-板缺陷,模拟饱和电抗器环氧树脂内部金属突出物缺陷,研究环氧树脂在指数衰减脉冲电压和正弦电压下的局部放电特性。从起始放电电压、放电次数、平均放电幅值和局部放电的统计分布特性等方面进行对比,同时分析了环氧树脂样品在25℃和110℃下的局部放电特性。研究发现,在同样峰值的正弦电压和指数衰减脉冲电压下,脉冲电压下的起始放电电压更低,平均放电幅值更大,放电次数更少;对于相同的外施电压,110℃下的起始放电电压较25℃下的更低,平均放电幅值更大,放电次数减少。实验结果可为在指数衰减脉冲电压下饱和电抗器绝缘的优化设计提供依据。