基于脉冲步进调制技术的超高压直流电源的制作方法

本发明涉及超高压电源，具体涉及基于脉冲步进调制技术的超高压直流电源。

背景技术：

1、磁约束核聚变是实现聚变反应的一种重要方法。为验证氘氚聚变及开展相关物理实验，建造了中国环流三号装置。辅助加热系统要实现相应功率的注入需具有高压电源提供能量。而随着核聚变技术的发展，全世界托卡马克装置中高压电源发展方向是超高直流电压且能快速响应。psm技术是通过结合sm技术和pwm技术运用在高压电源系统中，使系统具有控制灵活，结构简单，输出效率达95％以上，电压的输出可以实现在全范围内的连续可调，电源系统的高可靠性以及高稳定性等优点。现已广泛运用于托卡马克装置的辅助波加热电源系统。

2、psm(脉冲步进调制)技术实现直流高压输出。每个电源模块采用开关电源技术通过不控整流实现直流输出。模块的控制、测量信号通过高电压隔离等级的变压器采用市电ac220v供电。采用psm技术的高压电源系统原边的电网或发电机提供相应的能量，保证高压电源输出过程中，电压不会跌落。现有的psm高压电源通过干式多绕组变压器实现将电网电压或发电机电压转换为模块的输入交流电压，由于副边输出为直流电，因此，变压器的原副边耐压需要达到输出直流电压的1.3-2倍之间。

3、鉴于干式多绕组变压器的隔离耐压与制造工艺存在限制，现普遍的干式多绕组变压器的原副边耐压低于dc200kv，如果psm高压电源输出的直流电压达到150kv及以上采用干式多绕组变压器将不能有效保护变压器的原副边绝缘。而且原有的psm高压电源模块采用了三相整流，使得每一组变压器连接的模块数减少。因此，一般达到dc 100kv的输出将采用三台或四台干式多绕组隔离变压器。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：现有的脉冲步进调制技术的高压电源受限于多绕组变压器的隔离耐压等级，一般只能实现在100kv及以下的直流高压的输出，难以实现更高等级的高压电源；本发明目的在于提供基于脉冲步进调制技术的超高压直流电源，在现有的脉冲步进调制技术的高压电源基础上进行改进，通过调整模块将开关电源模块的主回路由原有的三相不控整流变为单相不控整流，结合调整模块对输出电压的调整，使得新型的超高压直流电源输出电压可达到200kv及以上。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、本方案提供基于脉冲步进调制技术的超高压直流电源，包括：

4、调整模块，用于向三相交流电源提供单相不控整流方式，并调整开关电源模块输出直流电压的大小；所述调整模块连接在三相交流电源与开关电源模块之间；

5、开关电源模块，用于控制开关电源模块的开关，还用于将交流电转变成直流电，并向负载提供直流电压；所述开关电源模块连接在调整模块与负载之间；

6、脉冲步进调制控制系统，用于监控负载承受的直流电压，并根据负载承受的直流电压调整开关电源模块的输出；所述脉冲步进调制控制系统与开关电源模块和负载均电连接。

7、本方案工作原理：现有的脉冲步进调制技术的高压电源受限于多绕组变压器的隔离耐压等级，一般只能实现在100kv及以下的直流高压的输出，难以实现更高等级的高压电源；本发明目的在于提供基于脉冲步进调制技术的超高压直流电源，在现有的脉冲步进调制技术的高压电源基础上进行改进，通过调整模块将开关电源模块的主回路由原有的三相不控整流变为单相不控整流，结合调整模块对输出电压的调整，使得新型的超高压直流电源输出电压可达到200kv及以上。本方案基于调整模块保证超高压直流电源能输出更高等级的直流电压，减少对干式多绕组变压器的隔离耐压等级的依赖；且调整模块向开关电源模块供单相不控整流方式，使得具有同样数目的副边绕组线圈的变压器的输出电压等级变为原有的多倍，减少了整套超高压直流电源的占用空间。

8、进一步优化方案为，还包括真空开关，真空开关进线端连接三相交流电源，真空开关出线端连接调整模块；

9、所述调整模块包括干式隔离变压器和干式多绕组隔离变压器；

10、所述干式隔离变压器为原边与副边星型连接的变压器，所述干式多绕组隔离变压器为原边与副边三角形连接的多绕组变压器；

11、干式隔离变压器的原边连接真空开关出线端；干式多绕组隔离变压器的原边连接真空开关出线端或干式隔离变压器的副边。

12、进一步优化方案为，干式多绕组隔离变压器的部分副边绕组线圈为额定副边输出绕组线圈的1/2，且干式多绕组隔离变压器的部分副边绕组线圈为额定副边输出绕组线圈的1/4。超高压直流电源的干式多绕组变压器某几组副边输出电压为额定副边输出电压的1/2、1/4，从而通过降低开关电源的交流侧输入电压使得开关电源模块的输出直流电压也相应的为额定输出直流电压的1/2、1/4，可以通过控制系统控制该开关电源模块的投入和切出，降低输出直流电压的纹波系数和提高输出电压的稳定度。

13、进一步优化方案为，所述调整模块包括第一干式多绕组隔离变压器和第二干式多绕组隔离变压器；所述脉冲步进调制控制系统分别连接第一干式多绕组隔离变压器和第二干式多绕组隔离变压器以调整开关电源模块的输出；

14、第一干式多绕组隔离变压器的原边连接干式隔离变压器的副边，第二干式多绕组隔离变压器的原边连接真空开关出线端；第一干式多绕组隔离变压器和第二干式多绕组隔离变压器的副边均连接开关电源模块。

15、本方案通过干式隔离变压器和干式多绕组隔离变压器的两级隔离，保证了超高压直流电源能输出更高等级的直流电压，减少了对干式多绕组变压器的隔离耐压等级的依赖；为了实现更高电压等级的psm超高压直流输出的电源，通过结合干式隔离变压器和干式多绕组变压器，并将开关电源模块的主回路由原有的三相不控整流变为单相不控整流，结合干式多绕组变压器的副边输出电压的调整，使得新型的超高压直流电源输出电压可达到200kv及以上。

16、进一步优化方案为，开关电源模块为单相桥式不控整流模式，开关电源模块包括第一开关电源模块和第二开关电源模块，第一开关电源模块连接第一干式多绕组隔离变压器的副边绕组线圈，第二开关电源模块连接第二干式多绕组隔离变压器的副边绕组线圈；

17、所述第一开关电源模块和第二开关电源模块均包括多个开关单元；第一干式多绕组隔离变压器的副边绕组线圈，和第二干式多绕组隔离变压器的副边绕组线圈，分别匹配连接一个开关单元。

18、进一步优化方案为，所述第一开关电源模块中的开关单元串联，第二开关电源模块中的开关单元串联，第一开关电源第一开关电源模块与第二开关电源模块串联，第一开关电源模块的首端开关单元作为开关电源模块的第一输出端，第二开关电源模块的末端开关单元作为开关电源模块的第二输出端，开关电源模块的第二输出端接地。

19、进一步优化方案为，还包括接地开关，所述接地开关一端连接开关电源模块的第一输出端，另一端连接开关电源模块的第二输出端。

20、进一步优化方案为，还包括分压器高压臂和分压器低压臂，分压器高压臂一端连接开关电源模块的第一输出端，另一端连接分压器低压臂后连接开关电源模块的第二输出端，所述脉冲步进调制控制系统连接在分压器低压臂两侧。

21、进一步优化方案为，还包括高压缓冲器和高压隔离开关，所述高压缓冲器一端连接开关电源模块的第一输出端，另一端串联高压隔离开关后接入负载的第一端，负载的第二端接地。

22、进一步优化方案为，还包括电流传感器，所述电流传感器安装在开关电源模块的第二输出端接地的线缆上，所述电流传感器连接脉冲步进调制控制系统。

23、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

24、本发明提供的基于脉冲步进调制技术的超高压直流电源；在现有的脉冲步进调制技术的高压电源基础上进行改进，通过调整模块将开关电源模块的主回路由原有的三相不控整流变为单相不控整流，结合调整模块对输出电压的调整，使得新型的超高压直流电源输出电压可达到200kv及以上；本方案基于调整模块保证超高压直流电源能输出更高等级的直流电压，减少对干式多绕组变压器的隔离耐压等级的依赖；且调整模块向开关电源模块供单相不控整流方式，使得具有同样副边绕组线圈数目的变压器的输出电压等级变为原有的多倍，减少了整套超高压直流电源的占用空间。