叢恩佳 孟德川 鄧玉福

摘 要 高壓開關(guān)電源在現(xiàn)代科學技術(shù)和生產(chǎn)生活中應用十分廣泛，在醫(yī)療、光學、工業(yè)射線檢測和軍事等領(lǐng)域的儀器中更是不可缺少的核心部件。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，人們對高壓電源的便攜程度、高效性和功率大小提出了更高的要求。本文介紹了一種采用可控硅逆變原理，PLC智能化控制的高壓開關(guān)電源。電源輸出0-300kV連續(xù)可調(diào)，電流0-3mA。該電源具有通用性強，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，帶載能力強等多方面優(yōu)點，具有一定的實用價值。

【關(guān)鍵詞】高壓電源 可控硅 PLC

高壓開關(guān)電源作為電力電子儀器的核心部件廣泛應用于軍事、醫(yī)療、探測等各個領(lǐng)域。隨著逆變技術(shù)的發(fā)展，高壓開關(guān)電源因其轉(zhuǎn)換效率高、輸出穩(wěn)定、重量輕等多方面優(yōu)點正在逐步取代傳統(tǒng)線性高壓電源。本文采用PLC控制和可控硅逆變技術(shù)研制出了一種智能化、轉(zhuǎn)換效率高、輸出穩(wěn)定、調(diào)試方便的300kV3mA小型高壓電源。

1 高壓電源主電路工作原理

高壓電源主電路工作原理如圖1所示。電源的工作原理為：供電單元將市電變?yōu)榭烧{(diào)直流電，對電源各個部分進行供電。功率轉(zhuǎn)換單元將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電。轉(zhuǎn)換的高頻交流電經(jīng)過變壓器進行一次升壓，再通過倍壓整流電路得到直流高壓后進行輸出。采樣單元為電壓采樣電路，將采樣電路采集到的電壓值經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后反饋到PLC控制單元，與設(shè)置電壓相比較，利用PID進行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，保證電路正常工作。脈沖控制單元由TL494及周圍器件所組成。功率轉(zhuǎn)換單元由可控硅及其他元件組成，高頻變壓器磁芯材質(zhì)選擇鐵氧體，倍壓整流單元采用半臂逆對稱式倍壓整流電路。圖2給出的是不同條件下可控硅陽極的工作波形。

由TL494及其周圍元件組成的脈沖控制單元產(chǎn)生約30kHz的觸發(fā)脈沖加至可控硅的門極，當脈沖電壓為高電平時，可控硅導通，電流經(jīng)由變壓器初級線圈通過可控硅流向地，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍軆Υ嬖谧儔浩髦小．斆}沖電壓為低電平時，可控硅截止，儲存在初級線圈中的能量通過二極管對電容進行充電，這就是一個完整的高頻振蕩周期。

倍壓整流電路采用半臂逆對稱式，圖3給出的是倍壓整流電路的原理圖。當B為正極、A為負極時，即電流從B流向A時，二極管D1導通、D2截止，電源通過D1向電容C1充電，在理想的情況下，在此半周內(nèi)，D1可以看成為短路，同時C1充電達到Vm電壓值。當B為負極、A為正極時，即電流從A流向B時，二極管D1截止、D2導通，電源通過C1、D1向C2充電，由于C1的Vm再加上變壓器次級線圈的Vm使C2充電至最高值2Vm。在整個過程中，C2的電壓值并無法在一個半周內(nèi)立即充至2Vm，它必須在幾個周期以后才可以漸漸趨近于2Vm。

理想情況下，倍壓整流電路輸出端的電壓為：

2 PLC控制原理

PLC功能全面、實用性高、組合多樣。其所具有的功能和各種智能單元、擴展單元及其特殊功能模塊，可按照各種需要，方便靈活地組成各種不同要求和規(guī)模的控制系統(tǒng)。

PLC設(shè)計流程如圖4所示，主要包括：高壓PID程序、觸摸屏程序、DA輸出程序、AD采樣程序和保護程序。系統(tǒng)工作流程如下：首先系統(tǒng)初始化，通過觸摸屏輸入設(shè)定值，PLC控制系統(tǒng)經(jīng)過運算利用DA輸出控制直流可調(diào)穩(wěn)壓開關(guān)電源進行輸出，通過高壓發(fā)生電路得到電壓信號，在輸出端串聯(lián)采樣電阻進行采樣，采到的電壓值通過隔離器反饋到PLC，PLC將反饋進來的信號值與設(shè)定值進行比較。利用高壓PID算法來實現(xiàn)閉環(huán)的穩(wěn)壓穩(wěn)流控制。當反饋信號值出現(xiàn)異常時，立即啟動保護程序，使DA輸出強制歸零，可以實現(xiàn)電源系統(tǒng)的過壓過流保護功能。

3 測試結(jié)果

在測量電阻為6000MΩ，負載為100MΩ的條件下，我們對高壓電源的輸出性能進行了測試，電源輸出特性如圖5所示。

電源的紋波系數(shù)為：

高壓電源輸出連續(xù)可調(diào)，電源的紋波系數(shù)小于0.5%；效率大于85%。

4 結(jié)語

本文研制的高壓開關(guān)電源，采用可控硅功率轉(zhuǎn)換電路，PLC智能控制，具有結(jié)構(gòu)簡單，帶載能力強的特點。主要性能指標如下：

輸出高壓：0-300kV；

輸出電流：0-3mA；

工作效率：85%以上；

工作頻率：30kHz；

紋波系數(shù)：0.5%以下；

將本電源作為X射線分析儀器的供電電源，經(jīng)過多次試驗，具有智能化程度高、輸出穩(wěn)定可靠、操作方便、便于攜帶等優(yōu)點，說明本文所研制的300kV高壓電源設(shè)計方案具有較高的實用價值。

（通訊作者：鄧玉福）

參考文獻

[1]鄭寶華，程德福，修連存.X射線衍射儀3kW高頻高壓電源設(shè)計[J].電源技術(shù)與應用，2008（10）：71-77.

[2]肖如泉，王琰，曾嶸等.60kV開關(guān)型直流高壓電源[J].電源技術(shù)與管理，1999，16（03）：38-41.

[3]劉宏軍.250KV便攜式高壓電源的設(shè)計[D].沈陽：沈陽師范大學，2013：27-38.

[4]孟繁榮.高壓開關(guān)電源設(shè)計[D].哈爾濱工程大學，2006：34.

[5]胡素華，余增亮，王紹虎，葉是杰，連燕國，黃建榮.200kV高壓直流開關(guān)電源[J].高壓電器，2001（04）：26-28+37.

[6]李蜀川，楊忠孝，成友才.倍壓整流電路的計算[J].川北教育學院學報，2002（01）：51-54.

[7]張希棟，閻春利.PLC在高壓開關(guān)設(shè)備控制系統(tǒng)中的應用[J].機械設(shè)計與制造，2006（01）：150-151.

[8]周林，廖常初. PLC梯形圖順序控制設(shè)計法的本質(zhì)與流程并步[J].機械工業(yè)自動化，1995（04）：54-55.

[9]熊幸明.PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計[J].自動化與儀表，2004（04）：82-84.

[10]姜海濤，王超.基于PLC的PID控制系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用，2012，21（09）：144-147.

作者簡介

叢恩佳（1992-），男，沈陽師范大學物理科學與技術(shù)學院。專業(yè)為粒子物理與原子核物理。主要研究方向為高壓開關(guān)電源的設(shè)計與研究。

作者單位

沈陽師范大學物理科學與技術(shù)學院 遼寧省沈陽市 110034