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摘要：高压直流电源能够将工频电网的电能变换成所需的高压直流电能供给特定的设备使用，在当今的军事、工业、农业、医疗、科研及日常生活等领域有广泛的应用。工业上用于环保的静电除尘，污水处理，激光器等，医学方面用于X 光机，CT 机等大型医疗设备，科研上用于高能物理、等离子体物理，军事上雷达发射器等。研究和开发适合个领域要求的高压直流电源已经成为一种客观需求。本文分析了高压直流电源的设计与调试，并以实例探讨了高压直流电源的放电产生低温等离子体，来实现对废水的处理。
关键词：数控高压；直流电源；设计；调试
直流高压发生器广泛应用于高压电气设备的直流耐压试验、核辐射探测仪器等领域中。但早期的直流高压发生器多为模拟式控制，电压值由电压表头指示。这种控制方式调整麻烦、响应速度慢、精度低，更不能在大负载和其他异常情况下自动监测和自我保护。在升压方面采用低频或中频技术，电源体积大、电路复杂。而高压电源的小型化、智能化是当今电源技术发展的重要方向之一。
一、高压开关电源简介
随着电力电子技术的不断发展和电力电子器件不断的更新换代，大功率开关器件的问世，推动了电源技术的发展，将半导体功率器件作为开关，将电源形态转变成为另一种形态，在转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节的新型电源产生了。
二、设计内容概述
1.研究高压开关电源的原理，完成高压精密电源的方案论证，设计计算，设计主电路，信号检测电路，设计控制系统的硬件和软件。电源的性能指标如下：第一，输入交流220V，50Hz；输出直流30KV，3000W；精度为5‰；第二，具有过流，过压保护功能。综合考虑各种形式电路的特点和本次设计的要求，决定本电源系统主电路结构选用全桥式变换器，全桥式变换器是目前应用比较广泛的一种变换电路，在采用相同电压和电流容量的功率开关器件时，全桥式电路可以达到最大功率，并且它所适用的功率范围满足设计的要求。虽然这种电路存在同一桥臂上的两个功率开关器件直通的可能，但通常选用合适的PWM控制芯片，通过设置死区电压来解决，因此不会对此设计构成不利因素。本电源系统采用倍压整流电路。
2.控制电路设计
（1）控制电路结构。控制电路由单片机系统和模拟电路构成，输出电压降压后送入A/D转换器，变为数字量后进入单片机，通过键盘输入给定，给定量和反馈量将送入单片机内部由编程产生的PI调节器，产生后级电路所需的控制信号，经D/A转换后模拟电路部分，并完成输出参数的显示。模拟电路接受单片机系统产生的控制信号，产生各个功率开关器件所需的PWM驱动信号，完成系统的软启动，过压、过流的保护功能。斩波器的PWM控制目的是为使输出高压范围可调，因此，它的PWM驱动信号占空比要能够大范围调整，全桥逆变器不再需要调节占空比来调整电压，因此这部分PWM驱动信号的占空比是固定的，为了避免上下两个功率开关器件直通，此PWM驱动信号的占空比应小于50%，并且应该使两路驱动信号有明显的死区存在。
（2）TL494 应用设计。根据功能要求、芯片技术资料设计TL494与4脚相连的部分为软启动与死区控制电路，已经介绍过了。5脚、6脚为内置振荡器的外接阻容，为了获得10KHz 的振荡信号电阻电容分别取11和0.01。输出模式控制脚13脚与基准电压5V相连，输出模式为双端模式输出，但输出管的8脚和11脚短接，所以输出模式仍为单端模式。1脚、16脚、2脚、15脚分别为两个误差放大器的同相输入端和反相输入端，接法两个误差放大器的输出将始终为负值，这样做的目的是为了封闭两个误差放大器，控制信号直接由3 脚给入。
3.实际系统调试。将与TL494 的3 脚相连的电路断开，在3脚加一临时多圈电位计，通过电位计以手动方式给出控制电压，控制电压范围在0-4.0V之间。测得控制电压与波形占空比之间的关系。将测得的控制电压与波形占空比关系绘制成图可以看出，控制电压与波形占空比之间接近于线形关系，这对于提高控制是非常有利的。
实例分析
1.近年来，利用高压直流电源的放电产生低温等离子体，来实现对废水的处理逐渐成为研究的热点，而脉冲电源的大功率工业化难度的限制是其一直没有应用于实际工程中。本实例介绍的高压直流电源能够最终实现大功率、高可靠性、适合大规模工业应用的高压电源新技术的开发，此电源高压电源为交直流叠加电源，因此工作时希望直流电源可以稳定在正常流光放电电压点上，所以对交直流电源的控制系统需要具有高可靠性和实时性。
2.系统原理及控制系统
（1）系统原理。主电路如图1 所示，主电路为高频高压电源采用高频开关电源技术，将高频高压直流电源与高频高压电源通过耦合技术，获得一定偏压基础上的高频电压，其波形、幅值、上升前沿陡度等符合脉冲电源产生等离子体自由基规律，以此代替脉冲电源产生电晕等离子体解决电源工业化问题。
（2）控制系统。电源采样电路将反应器的直流电压电流和交流电压电流信号分别进行采集，交流电压电流采集分为两级处理，前级通过电压和电流互感器对其电压和电流进行采集将大信号转换为小信号，后级处理通过交信号转换电路将交流信号转换为适合A/ D 转换采集的直流信号，直流电压采集通过电压和电流传感器进行，然后通过低通滤波、线性光耦隔离和差分比例放大最后输出适合A/ D 采集的直流信号。实现对三相全桥可控整流电路的输出电压调节.进而实现对电源电压的闭环控制。
3.控制系统的设计
（1）信号采集电路。为了能够有效地对高频高压电源进行调节，需分别采集直流电源的电压电流信号和交流电源的电压电流信号。交流电源的信号采集：以采集交流电压为例进行说明，交流侧电压的采集通过电压互感器把高电压变成低电压，同时还可以隔离高电压对控制电路的影响。交流电压采用380V/10V 的变压器进行降压并可以很好地实现控制电路与主电路的隔离，然后通过一个全波整流电路，比例放大电路和钳位电路把电压信号转换为MAX187 片能够采集到的0-4.096V直流电压信号。直流电源的信号采集：直流电源输出的电压和电流均为直流信号，所以直流电压采用电阻分压的方法进行采集，在经过滤波和电压跟随器送入MAX187 芯片。直流电流由电流型霍尔传感器输出的电流信号通过精敏电阻输出电压，通过比例放大电路整定为MAX187 采样允许的电压范围内。
（2）DSP的数字PID控制电路。采样电路将直流电源的电压电流信号采集滤波后输入到DSP，DSP将信号采集值和输入值相比较进行数字PID运算，如果偏差绝对值较大则比例环节增益取较大值，反之取较小值。如果偏差绝对值较小则积分和微分环节增益取较大值，反之取较小值。这样有利于保证稳态无静差，加快对小偏差的反应速度提高控制器对干扰的灵敏度，又可以避免积分饱和引起的调节时间延长。由DSP 的事件管理器模块EV 输出PWM 信号经电平转换，光耦隔离，整形滤波后输出0- 5 V 的调节信号驱动（PWM 驱动器）输出PWM 触发脉冲以调节晶闸管的导通和关断来调节整流电路输出，从而实现了电源的闭环控制。
（3）通信电路。远程监控通过串行通讯方式与DSP 控制器进行通信。通信电路采用DSP 自带的SCI（串行通信接口），这样硬件电路比较简单，只需电平转换芯片就可以方便的同上位机进行通信。
利用高压直流电源脉冲放电技术处理废水中不同污染物的研究较多，主要集中于有毒有害的生物难降解的有机污染物的处理。
参考文献：
[1]张健雄，张 进，李豪彦.一种可控的直流高压电源[J].核电子学与探测技术，2012，25（6）：819-820.
[2]高新华，江秀臣，曾 奕.智能直流高压发生器设计[J].电力设备，2011（6）：56-58.
[3]陈传虞，陈家桢．新型集成电路工作原理与应用[J].北京：人民邮电出版社，2011．
论文作者:金明1,刘兴兴2,于为3
论文发表刊物:《基层建设》2015年23期供稿
论文发表时间:2016/4/5
标签：电压论文; 电路论文; 信号论文; 电源论文; 高压论文; 直流电源论文; 电流论文; 《基层建设》2015年23期供稿论文;