一种重频冲击电压发生装置的制作方法

本实用新型属于电压发生装置技术领域，特别涉及一种重频冲击电压发生装置。

背景技术：

冲击电压发生装置是一种产生脉冲波的高电压发生装置，主要用于电力设备的雷电过电压全波以及操作过电压冲击试验，研究电力设备在过电压冲击下的绝缘特性。此外，冲击电压发生器还可以作为纳秒脉冲电源的重要组成部分，也常作为大功率电子束和离子束发生器以及二氧化碳激光器中的电电源装置。

目前的冲击电压发生器主要以大容量、高电压等特点为主，主要试验对象为大型电力设备，如电力变压器、高压套管及高压电缆附件等设备；但是，在研究变压器油纸、交联聚乙烯电缆切片等绝缘材料在冲击电压下的累积作用时，需要使用到小容量、低电压的重频冲击电压发生器；存在的问题是：现有的冲击电压发生装置不能满足研究绝缘材料累计作用的需要，亟需一种便携易操作的小型重频脉冲发生器。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种重频冲击电压发生装置，以解决上述存在的技术问题。本实用新型提供的冲击电压发生装置，能够产生重频冲击电压，可满足部分绝缘材料在冲击电压下累积作用试验的需要，可提高试验研究的效率。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种重频冲击电压发生装置，包括：电压源模块、充放电回路模块和驱动控制模块；

电压源模块包括调压器和倍压电路；调压器的输入端能够与外部电源连接，调压器的输出端与倍压电路的输入端相连接，倍压电路的输出端与充放电回路模块的输入端相连接，倍压电路的输出端与充放电回路模块的输入端之间串接有保护电阻，倍压电路能够将外部电压整流并为充放电回路模块提供充电电压；充放电回路模块的输入端与输出端之间的电路并联连接有一个或多个充电电容，每个充电电容并联有一个接地的第一通断开关，充放电回路模块的输入端与输出端之间的电路上还串联配接有充电电阻，第一通断开关上均设置有信号输入端，第一通断开关用于控制充电电容的充放电；充放电回路模块的输出端串联连接有第二通断开关、波头电阻和负载电容，充放电回路模块的输出端并联连接有波尾电阻，第二通断开关设置有信号输入端，第二通断开关用于控制充电电容对负载电容的放电；驱动控制模块设置有信号输出端，第一通断开关及第二通断开关的信号输入端均与驱动控制模块的信号输出端相连接，通过驱动控制模块发出的信号能够控制第一通断开关及第二通断开关的通断；其中，第一通断开关及第二通断开关同时断开时，充放电回路模块的充电电容能够通过倍压电路提供的充电电压进行充电；第一通断开关及第二通断开关同时连通时，充放电回路模块的充电电容能够通过波尾电阻和波头电阻对负载电容进行放电。

进一步的，倍压电路的结构为两级，倍压电路输出端的最大输出电压为6.5kV。

进一步的，电压源模块为高压直流电压源模块；调压器的输入端与市供电系统相连接，调压器的输入电压为220V，调压器的输出电压范围为0～1000V。

进一步的，充放电回路模块具体包括两级充电电容；第一级充电电容C5接入倍压电路的输出端，与倍压电路组成回路，第一级充点电容C5并联连接有第一通断开关V1，第一通断开关V1接地；第二级充电电容C6与第一级充电电容C5并联，第二级充电电容C6并联有第一通断开关V2，每级充电电容均配接有充电电阻R。

进一步的，第一通断开关及第二通断开关均为IGBT通断开关，IGBT通断开关能够接收驱动控制模块发出的信号。

进一步的，驱动控制模块为IGBT驱动控制模块，IGBT驱动控制模块能够发出驱动信号。

进一步的，IGBT驱动控制模块的驱动电路包括控制信号源、光敏二极管、电源、IGBT驱动芯片和第三通断开关；电源与光敏二极管和IGBT驱动芯片串联，控制信号源与光敏二极管并联；第三通断开关为IGBT通断开关，与IGBT驱动芯片相连接；驱动电路上配接有相应的电容及隔离电阻；其中，电源能够为IGBT驱动芯片提供电压，控制信号源能够控制光敏二极管的通断，光敏二极管导通能够使IGBT驱动芯片通过第三通断开关发出驱动信号。

进一步的，驱动电路中通过光电隔离方式完成高压电路与低压控制信号电路的隔离。

进一步的，IGBT驱动芯片为单片机。

进一步的，控制信号源为信号发生器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的重频冲击电压发生装置的电压源模块设置有调压器和倍压电路，通过倍压电路能够将输入的交流电压整流为直流电压，能够为充放电回路模块提供充电电压，通过调压器能够调节输送给倍压电路的电压的幅值；通过设置保护电阻能够将试品击穿时电流限制在安全范围；第一通断开关和第二通断开关同时处于断开状态时，充放电回路模块中的充电电容能够通过倍压电路提供的充电电压进行充电，第一通断开关和第二通断开关接收到驱动控制模块发出的驱动信号后闭合时，充电电容通过波头电阻和波尾电阻对负载电容放电，产生冲击电压，通过驱动控制模块重复驱动能够产生重频冲击电压，可满足变压器油纸、交联聚乙烯电缆切片等材料的冲击电压累积作用试验，能够提高实验研究效率。

进一步的，采用两级的倍压电路，且最大输出电压为6.5kV，使得整套装置的理论最大输出电压达到13kV，进一步确保能够满足XLPE电缆切片及变压器油纸绝缘等材料在冲击电压下的累积作用试验需求。

进一步的，充放电回路模块采用两级充电电容的结构，两级充电电容之间的放电通道由IGBT构成，由外部驱动控制模块控制IGBT通断开关的开断；两级冲击电容构成“并联充电，串联放电”回路，能够减小回路的时间常数，可缩短充电时间，提高冲击电压输出的重复频率，输出冲击电压的重复频率最高可达1Hz，可以提高工作效率。

进一步的，采用IGBT驱动控制模块和IGBT通断开关能够较好地实现重频功能；

进一步的，IGBT驱动控制模块采用光电隔离方式完成高压放电主回路与低压控制回路的隔离，仅通过控制信号源发出的信号控制整套装置的运行，可保证操作人员的人身安全；且安装方便，操作简单，可设置为体积较小的装置，便于携带。

进一步的，IGBT驱动控制模块由驱动芯片提供驱动信号，通过光敏二极管可控制驱动芯片的工作状态，利用外部控制信号源控制光敏二极管的开断，从而可控制IGBT的开断状态。

附图说明

图1是本实用新型的一种重频冲击电压发生装置的主回路连接示意图；

图2是本实用新型的一种重频冲击电压发生装置的IGBT驱动控制模块的驱动电路连接示意图；

图3是本实用新型的一种重频冲击电压发生装置的控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

请参阅图1和图2所示，本实用新型的一种重频冲击电压发生装置，包括：电压源模块、充放电回路模块和驱动控制模块；电压源模块为高压直流电压源产生模块，充放电回路模块为主放电回路模块，驱动控制模块IGBT驱动控制模块，IGBT驱动控制模块能够发出驱动信号。

电压源模块包括调压器和倍压电路，调压器T输出的交流电压经倍压电路整流及升压作用下，可以产生高幅值的直流电压。调压器T的输入端能够与外部电源AC连接，调压器T的输出端与倍压电路的输入端相连接，倍压电路的输出端与充放电回路模块的输入端相连接，倍压电路的输出端与充放电回路模块的输入端之间串接有保护电阻，倍压电路能够将外部电压整流并为充放电回路模块提供充电电压。调压器T的输入端与市供电系统相连接，调压器的输入电压为220V，调压器T的输出电压范围为0～1000V。倍压电路的结构为两级，倍压电路输出端的最大输出电压为6.5kV，使得整套装置的理论最大输出电压达到13kV，能够满足XLPE电缆切片及变压器油纸绝缘等材料在冲击电压下的累积作用试验需求。

充放电回路模块的输入端与输出端之间的电路并联连接有两级充电电容C5、C6，每个充电电容并联有一个接地的第一通断开关V1、V2，充放电回路模块的输入端与输出端之间的电路上还串联配接有充电电阻R，第一通断开关V1、V2上均设置有信号输入端，第一通断开关V1、V2分别用于控制充电电容C5、C6的充放电；充放电回路模块的输出端串联连接有第二通断开关V3、波头电阻Rf和负载电容C7，充放电回路模块的输出端并联连接有波尾电阻Rt，第二通断开关V3设置有信号输入端，第二通断开关V3用于控制充电电容C5、C6对负载电容C7的放电。具体连接为：第一级充电电容C5接入倍压电路的输出端，与倍压电路组成回路，第一级充点电容C5并联连接有第一通断开关V1，第一通断开关V1接地；第二级充电电容C6与第一级充电电容C5并联，第二级充电电容C6并联有第一通断开关V2，每级充电电容均配接有充电电阻R。第一通断开关V1、V2及第二通断开关V3均为IGBT通断开关，IGBT通断开关能够接收驱动控制模块发出的信号。

IGBT驱动控制模块设置有信号输出端，第一通断开关V1、V2及第二通断开关V3的信号输入端均与驱动控制模块的信号输出端相连接，通过驱动控制模块发出的信号能够控制第一通断开关V1、V2及第二通断开关V3的通断；其中，第一通断开关V1、V2及第二通断开关V3同时断开时，充放电回路模块的充电电容能够通过倍压电路提供的充电电压进行充电；第一通断开关V1、V2及第二通断开关V3同时连通时，充放电回路模块的充电电容C5、C6能够通过波尾电阻Rt和波头电阻Rf对负载电容C7进行放电。

IGBT驱动控制模块的驱动电路具体包括控制信号源、光敏二极管、电源、IGBT驱动芯片和第三通断开关；电源与光敏二极管和IGBT驱动芯片串联，控制信号源与光敏二极管并联；第三通断开关为IGBT通断开关，与IGBT驱动芯片相连接；驱动电路上配接有相应的电容及隔离电阻；其中，电源能够为IGBT驱动芯片提供电压，控制信号源能够控制光敏二极管的通断，光敏二极管导通能够使IGBT驱动芯片通过第三通断开关发出驱动信号。驱动电路中通过光电隔离方式完成高压电路与低压控制信号电路的隔离。IGBT驱动芯片为单片机。控制信号源为信号发生器。通过触发信号发生器能够控制光敏二极管的通断，进而能够控制驱动信号的发送，最终能够控制冲击电压的产生。

IGBT驱动控制模块的工作原理：

IGBT驱动控制模块由控制信号源、驱动芯片、光敏二极管、电源B1、电容C1、C2以及隔离电阻R1、R2组成。光敏二极管未接收到光信号时，处于断路状态，此时电源B1无法给驱动芯片供电，驱动芯片不能给IGBT通断开关提供导通信号，充放电回路模块的主回路处于充电状态；当控制信号源给光敏二极管输入脉冲光信号时，光敏二极管瞬时导通，电源B1给芯片提供瞬时电压信号，驱动芯片产生脉冲电压并输出值IGBT通断开关的控制端，此时IGBT导通，充放电回路模块的主回路处于串联放电状态，产生冲击电压。

参考图1至图3，本实用新型的装置的工作原理：

高压直流电压源产生模块的调压器的电源输入端与220V的市电连接，220V的交流电压通过调压器调压后可输出0-1000V的交流电压，经调压器调节后的电压送入倍压电路进行整流，倍压电路输出直流电压，直流电压的幅值最大可达6.5kV，倍压电路输出的直流电压经过保护电阻r及充电电阻R对充电电容C5、C6充电至U。此时，作为第一通断开关与第二通断开关的三个IGBT通断开关V1、V2、V3均保持断开，三个IGBT通断开关承受的电压均为U。触发IGBT驱动控制模块中的控制信号源，也就是信号发生器，使IGBT驱动芯片，也就是单片机产生脉冲信号并通过信号输出端发出，IGBT通断开关V1、V2、V3接收到驱动控制模块发送的驱动信号后，V1、V2、V3瞬时导通，主电容C5、C6形成串联回路，此时电容器C6的输出电压为2U，并经过波头电阻Rf对负载电容C7放电，从而产生标准操作冲击波。通过驱动控制电路输出重频脉冲信号，可以重复进行上述过程，产生重频冲击电压。

高压直流电压源产生模块中的两级倍压电路中，高压硅堆(D2、D4)需要承受的电压为2Um(Um为调压器输出电压峰值)，倍压电路最大输出电压为4Um，约为6.5kV；放电主回路模块通过一个保护电阻r与高压直流电压源模块连接，电阻r阻值10kΩ；放电主回路模块采用两级结构，主电容(C5、C6)为薄膜冲击电容，电容值为0.5μF，充电电阻(R)阻值为2kΩ；主电容之间的放电通道由IGBT(V1、V2)控制；IGBT通过单片机驱动控制，使用一个控制信号源与光敏二极管控制单片机的工作状态，从而控制IGBT的开断。

参考图1和图2，本实用新型的装置的连接过程及操作步骤：

将调压器输出端连接至倍压电路的电容C1输入端，倍压电路电容C4的输出端经保护电阻r连接至主放电回路的输入端。在未接收到驱动控制信号之前，IGBT通断开关处于断开状态，回路对经过保护电阻r以及充电电阻R向主电容C5、C6充电，此时主电容C5、C6在电路中为并联充电关系。主回路的输出端经波头电阻Rf、波尾电阻Rt连接至负载电容C7。当IGBT通断开关接收到驱动控制回路发出的控制信号之后，立即导通，主电容C5、C6形成串联回路经波头电阻Rf、波尾电阻Rt对负载电容C7放电。

试验之前，检查各部分接线是否良好，特别注意各接地点是否良好接地。

接线良好后，打开市电的交流电源开关，缓慢并匀速地转动调压器至目前电压，待倍压电路及主放电回路电压稳定之后，可视为充电过程完成。

设置控制信号源，使得控制信号源能够输出最高频率为1Hz的光信号至光敏二极管。光敏二极管在接收到光信号之后瞬时导通，电源B1提供一个脉冲电压给IGBT驱动芯片。

驱动信号接收脉冲电压之后，立即输出脉冲控制信号至IGBT通断开关V1、V2、V3，V1、V2、V3瞬时处于导通状态，主回路中的电容C5、C6为并联关系并经过波头电阻Rt对负载电容C7放电，产生冲击电压。上述过程即产生一次冲击电压。由于装置主回路采取了两级主电容结构，充电时间较短，在下一次光信号到来之前，主回路可以完成充电过程。在下一次光信号产生时，装置重复上述过程，即可产生重频冲击电压。

本实用新型的重频冲击电压发生器的高压直流电压源产生模块由两级倍压电路以及调压器组成，主放电回路模块由两级冲击电容构成“并联充电，串联放电”回路，电容串联放电时的通道由IGBT通断开关控制，通过外部的驱动信号控制IGBT开关的通断状态，从而产生重频冲击电压。本实用新型提供的重频冲击电压发生器可以实现小容量、低电压等级材料的重频冲击试验。另外，IGBT驱动控制模块中通过光电信号转换隔离高、低压回路，保证了操作人员的人身安全，主放电回路采用两级结构缩短了充电时间，提高了输出电压的重复频率，可以显著地提高工作效率。