专利名称：叠加式高压电源及连锁式控制方式的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种叠加式高压电源和用于该电源控制调整的链锁式控制方式。
在高电压绝缘测试、高能物理、高电压应用技术等许多领域，需要各种型式的高压发生设备。这些设备品种多如交流、直流、变频等多种型式，电压等级也相差很大;从十几千伏到数百千伏，其性能单一，很难做到互相通用。加之工作次数少，每次工作持续时间短，所以利用率低。
随着电压等级的提高，用单一的设备实现很高的输出电压，在技术上也有许多困难。而且随着电压等级的提高，高电压设备的投资和体积是以电压增加的三次方而增加的，这就更造成此类设备一次性投资高而利用率低的状况。
在现有技术中往往着眼于单一设备的改进，如采用新型材料，改进结构，提高工作频率等，来提高产品的技术经济性能，或者设计输出电压等级更高的产品。虽有一定成效，并无重大突破。同时由于不同厂家采用不同的设计方案、生产工艺和不同的电压档次，没有、也无法组织标准化生产。
如国内诸多的高压试验器生产厂家的产品均是这种情况。其中有代表性的宁夏电子仪器厂生产的“KGF-(30～220)系列直流高压试验器”、武汉市电气测试设备厂的“TSB系列轻型高压试验变压器”，北京互感器厂生产的“TDM型高压直流电源”和“YDJ型交流试验变压器”等。国外厂家的产品在技术性能上较为优越，但在技术方案上也是大同小异。其中有代表性的如“HIGHVOLTAGE ENGINEERING EUROPA B.V.”公司生产的直流高压电源“POWER SUPPLY 400KV 1mA”等。(见所附上述厂家的产品介绍)。
反映该项技术的主要文件见清华大学出版社出版，《高电压试验技术》一书，及《电力工程设计手册》中有关电气试验室的章节。
本发明的目的在于提出一种全新的叠加式高压电源，该电源由通用的多个高电压发生单元依次串联叠加而成。每个高电压发生单元可单独产生几十千伏的高电压，同时每个单元可具有交流、直流、变频等多种工作方式，用不同数量的高电压发生单元叠加组合成不同电压档次的高压电源。
本发明的要点在于，由两个以上的多个高电压发生单元串联叠加组成高压电源，其中高电压发生单元包括高电位端子，低电位端子，控制电压输入端子，控制电压输出端子，输入反相器，加法器，三角波脉宽调制器，门控电路，晶体管开关电路，高压脉冲变压器，解调器，误差电压差动放大器，电压比较器，分压电阻串及蓄电池组。在每个高电压发生单元内，采用三角波脉宽调制器(PWM)，去控制晶体管开关电路，把蓄电池的电能变换成一序列的脉冲电压，经高压脉冲变压器。产生高压脉冲，再经解调器变成直流高压或交流高压输出。
在串联叠加时，最下面的高电压发生单元的低电位端子接地，而上面的各单元高低电位端子依次相连接，最后在第N节高电位端子处就会得到叠加后的高电压输出。由于各单元之间仅是电压的叠加，不存在能量的传递。所以可叠加相当多的级数，而获得很高的输出电压。当然，除上述高电压发生单元以外，还可以采用普通的电子振荡电路或电子开关电路，设计高电压发生单元，并串联叠加成高压电源，但从技术性能上不如采用本发明所述的高电压发生单元优越。
叠加式高压电源做为一种实用的设备，必须能安全，方便的进行控制和电压调整。但高电压发生单元会随着叠加级数的增加处于很高的电位上，一般的方法很难对其进行控制、调整。为此对上述装置同时发明了一种链锁式控制调整方式。其要点在于多个高电压发生单元串联叠加后，每个高电压发生单元的控制电压输入端子都可以受到由前面一个高电压发生单元控制电压输出端子输出的控制电压信号的控制调整，同时，在其控制电压输出端子也可以输出一个相同的控制电压信号到后面的高电压发生单元，仅对第一个高电压发生单元控制电压输入端子施加一个控制电压信号，就可以对整个高压电源进行链锁控制调整，每节高电压发生单元内都设有由分压电阻串和电压表(KV)组成的电压测量电路，其中最上端的电阻与整个电阻串为一确定的比例关系，(例如1∶1000)，若高电压发生单元的高电压输出为50千伏，则分压电阻的两端，即高电位端子和控制电压输出端子之间的电压就为50伏。将其引出加到上面的一个高电压发生单元的控制电压输入端子。每个高电压发生单元的PWM电路受到来自本单元控制电压输入端子的控制电压的调制。按其幅度和频率的变化规律来改变开关脉冲的宽度，并对晶体管开关电路进行开关控制，再经后面的电路产生高压输出。在高压发生单元内输入控制电压与输出高电压也设计为同一比例关系(例如1∶1000)如输入控制电压为50伏则高电位端子输出高电压为50千伏。且相位也应完全一致。当各节高电压发生单元相叠加时，第一节控制电压输出端子输出的控制电压就同时加到第二节的控制电压输入端子，以此类推直到最上面的第N节。而第一节的控制电压输入端子则外接人工控制电压，这样当对第一节高电压发生单元进行电压调整时整个叠加后的高压电源也就会一环扣一环地整体的被进行电压调整，这种控制调整方式称为链锁式控制调整方式。它可以象操纵一般低电压设备那样方便而安全。
本发明与现有技术相比有如下优点1、改变了传统的高电压设备的设计方式，采用积木式的方法，用电压等级不是很高的高电压单元组成各种电压档次的高压电源，使难于解决的高电压设备绝缘，结构等技术问题变得容易处理。
2、传统的高电压发生设备随着电压的提高按其三次方的倍率增加投资和体积，而叠加式高压电源仅按电压增加节数而已。与传统的高电压设备相比输出电压越高，越显示出优越的经济性。
3、用于组成叠加式高压电源的高电压发生单元便于采用统一设计标准，组织标准化生产。这样生产厂家便于进行生产和销售，而用户则可以节省必须购置多种高电压试验设备的投资，只要购置一定数量的高电压发生单元，就可以方便的组成各种形式和不同电压等级的高电压发生装置。是一项很大的节约。
4、由于拆装运输方便，很利于对大型和固定设备的现场试验。而且同一地区的用户可以互相租借，更提高了高电压试验设备的利用率。
5、由于叠加式高压电源是由多个高电压发生单元所组成，所以个别单元出现故障，只要换上相同的备品即可工作。不会出现大型设备那种发生故障修复困难，不能立即恢复工作的情况。
6、这种叠加式高压电源不仅可以自身叠加，而且可以叠加在原有的各种高电压发生器上。只要在原有的高电压发生器的高电位端引出一个成一定比例的控制电压即可。新老设备互容、扩大了老设备的输出电压。更重要的是很利于新设备的推广、应用。
7、目前在电力设备的交流高电压试验中研究发展低频(2HZ)和超低频(0.1HZ)的试验方法，而研制产生低频和超低频的高电压发生装置是其主要技术问题之一。本发明的叠加式高电压电源则可很方便的工作于低频和超低频状态。
8、叠加式高压电源的技术基础是电力电子技术。因此它不仅可以模仿传统设备所具有的技术性能，而且还更便于开发出传统设备所不具有的一些技术性能。如对设备本身和试品的灵敏可靠的保护系统，采用微机控制的自动试验和试验结果的自动分析系统。
以下结合附图进一步说明本发明的实施。
图1、本发明原理框2、输入反相器、加法器、脉宽调制器、差动放大器接法示意3、门控电路、开关电路、变压器、解调器、比较器接法示意图。
图4、高电压发生单元结构5、高压电源外形图参见附图，本发明由多个高压发生单元串联叠加而成，图1所示为三个单元，其中第1个单元1、第2单元2，第N个单元3依次叠加。每个高电压发生单元内均设有控制电压输入端子K，控制电压输出端子P，高电位端子H，低电位端子L，输入反相器4，加法器5三角波脉宽调制器PWM6，门控电路7，晶体管开关电路8，高压脉冲变压器9，解调器10，误差电压差动放大器11，电压比较器12，分压电阻串13及蓄电池14，另外，为适应叠加需要还设有内藏式电源开关15，和开关机构16。参见图2由控制电压输入端子K来的控制电压首先经过由运算放大器18组成的反相器进行倒相，这是因为来自下一个单元的控制电压是取自分压电阻串的电阻17，当其被加到上一个单元后，其高电位端子H成为最低电位端L，所以控制电压反相后才能保持各单元的电压相位一致。从放大器18输出的控制电压被送到加法器5的一个输入端子a上，再经加法器送到PWM电路的调制电压输入端b上。与由放大器19、20产生的三角波相叠加。经由放大器21组成的电压比较器后从c点输出调宽脉冲。
误差电压差动放大器11的作用是把由放大器18输出的控制电压和从d点所取出的高压输出取样电压进行比较，把两者的误差经放大后，送到加法器5的另一个输入端e上。当因各种因素造成本单元的输出电压不准确时，可自动进行调整，使之与控制电压保持严格的比例关系，以保证输出高电压的准确性和稳定度。
电压比较器12，和门控电路7由图3中22，23和一些门电路组成，这是根据高电压试验装置的一些特殊要求而设计的。因为各高电压单元在技术参数上总会存在着一些微小差异，当对整个装置从0开始做升压调整时，由于控制电压也很小，可能引起整个装置电压输出不稳定或不易控制，甚至误启动的危险情况发生。这对人身和设备安全是不允许的。根据国家标准GB311-3-83和其它一些高电压试验规程规定在较低电压时并不要求进行缓慢的升压调整。因此设计了一个限压启动电路。其原理是固定电压比较器22，其同相端接一固定电压，大小均为最高控制电压的30～40%，只有由K端子输入的控制电压超过同相端的电压时，其输出端由1电平变为0电平，经积分器23和一个反相门后，打开两个与门，使由C端子来的调宽脉冲通过，送到驱动三极管BG1和BG2。反之，若输入控制电压达不到此值，则与门一直处于闭锁状态。整个单元无高电压输出。
由于每个单元都设计有一定时间的延时启动时间，整个高压电源在人工启动第一个单元后，其余叠加的各单元就会被依次启动，整个叠加式高压电源是以阶梯式升压到一个规定值，然后可按要求的速率逐渐升压到最大值。这种功能不仅符合实用要求，而且还具有较强的抗干扰能力，有效的避免误启动的危险情况发生。
反相门通过二极管D1接到e点，其作用是在电路末发动时对由运算放大器11输出的误差信号进行钳位。因为在末启动时控制电压已有一定值，而高压输出为0，这样误差信号一定很大。在这种情况下电路一旦启动会出现强烈的电压冲击然后才能恢复到正常值，这也是不允许的。只有电路启动后钳位作用才能消失，以保证电压启动平稳。
图3中，调宽脉冲经脉冲分配变压器B1分别控制由BG3～BG6组成的桥式逆变电路，再经B2高压脉冲变压器产生高压脉冲。经由L1、L2、C1、C2组成的解调电路由高电位端子H输出交流高电压。当高压电源工作在直流状态时，相应L1的位置可换成高压整流硅堆，这样解调电路也就相应的变成了整流滤波电路，由H端子输出直流高电压。
此电路是按双极性电路设计的。当交流控制电压为0时，开关脉冲为正负对称的，占空比为50%的脉冲波。但对直流工作状态来说50%的占空比脉冲电压经整流滤波后却不是0电压，因此当在直流状态工作时应予先把输入的直流控制电压平移，使其正好对准三角波的顶点。这样当直流控制电压从0到最大值变化时，调宽脉冲也相应的从0占空比向100%的占空比变化。而经整流滤波电路后，由H端子输出的直流高电压也是相应的从0到最大值变化。电压平移功能是通过图2中f点的开关来完成的，开关向下时有一固定直流电位通过f点送到加法器5的输入端，通过其加法作用使其和控制电压相结合。
当各高电压发生单元叠加以后，由下面一个单元上的开关机构16对准上面一个单元的内藏式电源开关15所处的小孔24时，才能将其顶开接通，所以只有在高电压发生单元处于准备工作的情况下才能接通电源，以保证人身安全。
参见图4，本发明的高电压发生单元，该单元设计高电位端子输出电压为35千伏至50千伏高压，并由其串联叠加组成高压电源，从图中可以看出图的左半部分为外形图，图的右半部分为外壳剖开后所见到的内部结构。图中，25为金属底板兼低电位端子L的电极，26为控制电压输入插座，即K端子、27为内藏式电源开关、28为胶木板外壳、29为蓄电池组、30为印制线路板、31为分压电阻柱、32为高压脉冲变压器、33为高压滤波电容器、34为高压整流硅堆、35是高压电极上悬挂地线勾的小孔、36为环状高电位端子H、37为上端面的开关机构、38为控制电压输出端插头即P端子。
图5为高电压发生单元叠加后，组成高压电源时的外形图。其中39为底座、40为外接控制线、41为第一节、42为第二节、43为第N节、44为外加高压均压球。
权利要求
1.一种叠加式高压电源，其特征在于由两个以上的多个高电压发生单元串联叠加组成，所述的高电压发生单元包括有高电位端子，低电位端子，控制电压输入端子，控制电压输出端子，输入反相器，加法器，三角波脉宽调制器，门控电路，晶体管开关电路，高压脉冲变压器，解调器，误差电压差动放大器，电压比较器，分压电阻串及蓄电池组。
2.一种用于叠加式高压电源的链锁式控制方式，其特征在于高电压发生单元串联叠加后，每个高电压发生单元的控制电压输入端子都可以受到由其前面一个高电压发生单元控制电压输出端子输出的控制电压信号的控制调整，同时在其控制电压输出端子也可输一个相同的控制电压信号到后面的高电压发生单元，仅对第一个高电压发生单元控制电压输入端子施加一个控制电压信号，就可以对整个高电压发生装置进行链锁控制调整。
全文摘要
叠加式高压电源，其特征是整个装置由一定节数的高电压发生单元相叠加而组成。该装置采用一种连锁式控制方式，只要对最下面的一节进行控制，就能实现对整个高电压装置的控制调整。它可以输出从直流到工频以上范围变化的高电压。该装置既可独立工作，又可叠加在现有的各种高压发生器上，以提高其输出电压。
文档编号H02M7/00GK1064772SQ9110142
公开日1992年9月23日 申请日期1991年3月13日 优先权日1991年3月13日
发明者周德钦 申请人:周德钦