摘 要:為滿足脈沖功率技術(shù)應(yīng)用研究的需要，研制以Tesla變壓器為核心組成的200 kV脈沖發(fā)生器，由可調(diào)直流高壓電源、儲能器、高壓脈沖變壓器、高壓開關(guān)、控制器、工控機(jī)、打印機(jī)、存貯示波器、限流電阻箱、極性轉(zhuǎn)換器和高壓脈沖分壓器等構(gòu)成。采用計算機(jī)控制技術(shù)高壓脈沖的產(chǎn)生、輸出幅度、“+/-”極性和限流電阻轉(zhuǎn)換進(jìn)行程序控制，高壓脈沖輸出幅度和輸出頻率連續(xù)可調(diào)，其性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求，且操作簡單、安全、性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞:高壓脈沖發(fā)生器;高壓脈沖變壓器;工控機(jī);自動控制

中圖分類號:TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)04-201-03

Development of 200 kV Pulse Voltage Generator

MI Lun，ZHANG Peng

(Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang，621900，China)

Abstract:The 200kV pulse voltage-generator based on Tesla transformer is made for the research on high voltage pulse technology.The program controlled equipment is made up of adjustable high-voltage direct current power，energy store part，high-voltage pulse transformer，high-voltage switch，controller，industrial computer，printer，oscillograph，current limiting resistor，pulse polarity transfer and high-voltage distribute.Based on program control technology，the high-voltage pulse is generated and computer can switch \"+/-\" polarities and the current-restricted resistance.The range and frequency of the output pulse can be continuous adjusted.The generator is reliable and easy to operate.

Keywords:high-voltage pulse generator;high-voltage pulse transformer;industry computer;automatic switch

0 引 言

隨著脈沖功率技術(shù)的研究與應(yīng)用工作的深入開展，對高壓脈沖發(fā)生器的自動化及相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求。在脈沖功率技術(shù)的應(yīng)用研究過程中，需要一種200 kV的高壓脈沖發(fā)生器，其高壓脈沖輸出幅度和頻率連續(xù)可調(diào)，并能進(jìn)行脈沖“+/-”極性及限流電阻的自動轉(zhuǎn)換。

為滿足脈沖功率技術(shù)應(yīng)用研究的需要，在“200 kV脈沖發(fā)生器”[1]研制成果的基礎(chǔ)上，采用計算機(jī)控制技術(shù)對高壓脈沖的產(chǎn)生、輸出幅度、“+/-”極性和限流電阻轉(zhuǎn)換進(jìn)行自動控制。在“程控200 kV脈沖發(fā)生器”工作時，因貯能放電產(chǎn)生數(shù)十千安培的脈沖電流，同時，儀器還處于各種電器頻繁啟動 停止的環(huán)境中，因此，儀器的各種功能、技術(shù)指標(biāo)和可靠性取決于控制過程、高壓絕緣、抗強(qiáng)電磁干擾等技術(shù)的設(shè)計。

1 程控高壓脈沖發(fā)生器的組成和工作原理

程控200 kV脈沖發(fā)生器主要由可調(diào)直流高壓電源、儲能器、高壓脈沖變壓器、高壓開關(guān)、觸發(fā)器、控制器、工業(yè)控制計算機(jī)、打印機(jī)、存貯示波器、限流電阻箱、極性轉(zhuǎn)換器、電流測試環(huán)、高壓脈沖分壓器和可調(diào)直流電源等構(gòu)成，其原理方框圖如圖1所示。

圖1 程控高壓脈沖發(fā)生器示意圖

程控200 kV脈沖發(fā)生器的工作原理是采用高壓電容器貯能通過高壓開關(guān)瞬間放電[2]，由高壓脈沖變壓器產(chǎn)生60～200 kV的高壓脈沖，該高壓脈沖經(jīng)“限流電阻轉(zhuǎn)換箱”加載到“負(fù)載”上，“高壓脈沖分壓器”與“負(fù)載”并聯(lián)，“存貯示波器”監(jiān)測脈沖電壓/電流波形。計算機(jī)根據(jù)技術(shù)要求控制“可調(diào)直流電源”的輸出電壓即可得到不同的脈沖高壓輸出幅度;計算機(jī)輸出觸發(fā)脈沖便可調(diào)節(jié)高壓脈沖輸出的頻率;通過“示波器”采集電壓和電流波形的變化，分析負(fù)載的工作狀況，由此來決定電壓幅度和限流電阻的增加或減少。計算機(jī)通過控制“控制器”實現(xiàn)高壓脈沖“+/-”極性和限流電阻的自動轉(zhuǎn)換。

在整個程控過程中，計算機(jī)進(jìn)行狀態(tài)檢測，一旦出現(xiàn)故障，立即聲光報警，保存信息，并停止控制進(jìn)程，等排除故障后可重新進(jìn)入程控。

2 關(guān)鍵技術(shù)

程控高壓脈沖發(fā)生器的輸出電壓高達(dá)200 kV，在工作時，貯能放電產(chǎn)生數(shù)十千安培的脈沖電流，因此，發(fā)生器的各種功能、技術(shù)指針和可靠性取決于高壓脈沖的產(chǎn)生、控制、高壓絕緣、抗強(qiáng)電磁干擾等技術(shù)，其中絕緣耐壓和抗干擾是高壓脈沖發(fā)生器的關(guān)鍵問題。高壓絕緣決定了高壓脈沖發(fā)生器、高壓脈沖“+/-”極性和限流電阻自動轉(zhuǎn)換的可靠性和壽命，因此，在重點設(shè)計高壓絕緣的同時，需選用抗電磁干擾能力強(qiáng)的元器件(如:低壓繼電器、真空高壓繼電器、牽引電磁鐵和隔離變壓器等)構(gòu)成特殊的功能單元電路，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.1 高壓脈沖產(chǎn)生器

高壓脈沖產(chǎn)生器由可調(diào)直流高壓電源、儲能器、高壓脈沖變壓器、高壓開關(guān)、觸發(fā)器和直流電源組成[3，4]，如圖1所示。計算機(jī)根據(jù)技術(shù)要求輸出數(shù)碼，由D/A轉(zhuǎn)換及放大后控制“可調(diào)直流電源”的電壓輸出，該電壓經(jīng)DC/AC變換后產(chǎn)生的高頻高壓，由倍壓整流濾波后得直流高壓;直流高壓為“儲能器”充電;“儲能器”所儲存的能量由“觸發(fā)器”使“高壓開關(guān)(K)”導(dǎo)通，“儲能器”、“高壓開關(guān)(K)”和“高壓脈沖變壓器”的初級構(gòu)成的回路放電，在“高壓脈沖變壓器”的次級輸出60～200 kV的高壓脈沖。

2.2 高壓脈沖“+/-”極性的轉(zhuǎn)換

為保證高壓脈沖正負(fù)波形的一致，在設(shè)計的轉(zhuǎn)換時，應(yīng)不改變脈沖變壓器的初級回路參數(shù)而影響脈沖變壓器的輸出幅度和脈沖寬度。采用真空高壓繼電器設(shè)計一種新型的“+/-”極性轉(zhuǎn)換控制器，計算機(jī)根據(jù)技術(shù)控制真空高壓繼電器實現(xiàn)脈沖高壓“+/-”極性的自動轉(zhuǎn)換，其原理示意圖如圖2所示。

2.3 限流電阻的自動轉(zhuǎn)換

限流電阻是工作在高壓脈沖變壓器的輸出端和“負(fù)載”之間，因此，需對限流電阻的功率、耐壓絕緣進(jìn)行設(shè)計，以確保其功能的可靠性。

采用低壓繼電器和牽引電磁鐵組成限流電阻的自動轉(zhuǎn)換控制器，其原理示意圖如圖3所示。絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計是根據(jù)牽引電磁鐵的行程、絕緣介質(zhì)、工作電壓以及限流電阻的觸點和移動觸頭良好接觸進(jìn)行綜合設(shè)計，采用有機(jī)玻璃箱，將限流電阻、移動觸頭、觸點浸在變壓器油中，以保證其耐壓強(qiáng)度。

圖2 高壓脈沖“+/-”極性的轉(zhuǎn)換原理圖

圖3 限流電阻轉(zhuǎn)換原理示意圖

3 軟件設(shè)計

VB語言具有人機(jī)界面簡單明了，易于編寫的特點，故該程序采用VB語言編寫[5]。為降低編程的難度，便于程序的編制和調(diào)試，軟件設(shè)計采用模塊化[6]。

人機(jī)界面采用兩個窗體:一個用于輸入?yún)?shù)，一個用于運(yùn)行控制(實現(xiàn)參數(shù)輸入、運(yùn)行、暫停、打印以及關(guān)機(jī)等功能)，輸入的參數(shù)以文件的方式保存。

在運(yùn)行窗體上采用串行口通信控件來實現(xiàn)示波器的脈沖電壓和電流數(shù)值的采集，在程序運(yùn)行過程中，以“時間”控件作為脈沖頻率控制，其電壓數(shù)值的輸出采用數(shù)碼輸出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換去控制高壓電源的高壓值，而電壓值的升降和限流電阻轉(zhuǎn)換決定于負(fù)載的工作狀況，用條件判斷語句即可。

4 抗干擾技術(shù)

程控高壓脈沖發(fā)生器在工作過程中將產(chǎn)生60～200 kV的高壓脈沖，數(shù)千安培的脈沖電流，同時，高壓脈沖“+/-”極性和限流電阻的自動轉(zhuǎn)換使得各種電器頻繁啟動或停止。因此，設(shè)備的各種功能、技術(shù)指標(biāo)和可靠性都取決于系統(tǒng)特別是計算機(jī)抗強(qiáng)電磁干擾的能力。

為保證系統(tǒng)的性能和工作的可靠性，采用光電、電磁和變壓器等隔離技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計好安全接地(大地)和工作接地，提高系統(tǒng)的抗干擾能力[7-10]，系統(tǒng)抗干擾的示意圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)抗干擾示意圖

4.1 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

為提高系統(tǒng)的抗干擾能力和工作的可靠性，根據(jù)技術(shù)要求確定合理的、科學(xué)的控制程序的同時，首先優(yōu)化系統(tǒng)的配置，選用適合于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、抗干擾能力強(qiáng)的設(shè)備儀器，如工業(yè)控制計算機(jī)、直流電源和繼電器(真空高壓繼電器、牽引電磁鐵)等，其次是設(shè)置合理控制量，以避免程序進(jìn)入死循環(huán)。

4.2 隔離技術(shù)

用帶屏蔽的隔離變壓器(1∶1)來抑制交流電源的高頻噪聲，并且屏蔽層可靠接地，以提高抗共模干擾能力。

采用光電隔離實現(xiàn)計算機(jī)總線與被控制對象(真空高壓繼電器、牽引電磁鐵和低壓繼電器)測之間完全的電隔離，并消除公共地線和電源的干擾，從而保證計算機(jī)系統(tǒng)可靠工作。

采用繼電器用作系統(tǒng)信號傳遞、電路切換以及功能的執(zhí)行等，可以提高抗外部環(huán)境對系統(tǒng)的電磁干擾能力，但它本身又是噪聲源。因此，對繼電器線圈應(yīng)采取相應(yīng)的“瞬態(tài)抑制電路”和觸點消弧電路。

4.3 程序加固

在軟件設(shè)計時，采用軟件陷井和指令冗余技術(shù)對程序進(jìn)行加固，使程序受到某種干擾，進(jìn)程號被改變，密碼不對，從而程序進(jìn)入出錯處理，減少了干擾情況下彈飛的程序造成的不良后果的機(jī)會，以提高程序運(yùn)行的可靠性。

5 樣機(jī)與結(jié)論

程控高壓脈沖發(fā)生器采用計算機(jī)控制技術(shù)，實現(xiàn)了輸出幅度為±60～200 kV連續(xù)可調(diào)、高壓脈沖“+/-極性”及“限流電阻2～17 kΩ”轉(zhuǎn)換器的自動控制，其輸出波形圖如圖5所示。

圖5 程控高壓脈沖發(fā)生器輸出的高壓脈沖

“+/-”極性波形圖

6 結(jié) 語

采用計算機(jī)控制由低壓繼電器、真空高壓繼電器和牽引電磁鐵等特殊器件構(gòu)成具有特殊功能的“控制器”實現(xiàn)高壓脈沖“+/-”極性和限流電阻的程控轉(zhuǎn)換。采用隔離變壓器、光電耦合和電磁屏蔽等抗干擾技術(shù)，提高了程控系統(tǒng)的抗強(qiáng)電磁干擾能力，其性能穩(wěn)定可靠、操作簡單和安全。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]米倫.200 kV脈沖發(fā)生器的研制[J].高壓電器，2004，41(11):21-24.

[2]白峰，邱毓昌.利用脈沖功率技術(shù)對巖石進(jìn)行鉆孔[J].高壓電器，2001，37(2):26-28.

[3]王宗仁.核儀器電子技術(shù)[M].北京:原子能出版社，1977.

[4]王瑩.高功率脈沖電源[M].北京:原子能出版社，1991.

[5]韋源，于平.Visual Basic程序設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社，1998.

[6]馮樹椿，徐六通.程序設(shè)計方法學(xué)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社，1988.

[7][美] R F 格拉夫.電子電路百科全書[M].北京:科學(xué)出版社，1989.

[8]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，1983.

[9]秦曾衍.高壓強(qiáng)流脈沖放電及應(yīng)用[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[10]邱易容，王乃文.電工設(shè)備局部放電測量及其測試技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.