直流高壓發生器通過高頻電力電子技術實現低壓到高壓的轉換,其核心原理與拓撲結構可歸納為以下方面:
一、工作原理
整流與逆變
輸入工頻交流電(如220V/380V)經整流濾波后轉換為直流電,再通過IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)構成的全橋或半橋逆變電路,將直流電逆變為高頻交流電(頻率通常為30-100kHz)。高頻化可顯著減小變壓器體積,提升功率密度。
高壓升壓與整流
高頻交流電通過中頻變壓器升壓至數千伏至數百千伏,再經多級硅堆倍壓整流電路(如Cockcroft-Walton電路)轉換為直流高壓。倍壓電路通過電容串聯充電、并聯放電的原理實現電壓倍增,同時利用硅堆的單向導電性完成整流。
電壓穩定與反饋控制
采用閉環反饋控制技術,通過電壓傳感器實時監測輸出電壓,并與設定值比較。誤差信號經PWM(脈寬調制)控制器調整IGBT的導通占空比,動態調節輸出電壓,確保穩定性優于0.1%。部分設備還引入0.75倍電壓鎖定功能,便于氧化鋅避雷器試驗。
二、拓撲結構
半橋隔離變換器
由兩個IGBT、兩個電容和變壓器構成。通過交替導通IGBT,在變壓器原邊產生交變電壓,副邊經倍壓整流輸出高壓。該結構成本低、抗不平衡能力強,但輸出功率受限(通常≤700W),適用于中小功率場景。
全橋變換電路
采用四個IGBT構成H橋,變壓器原邊電壓為輸入直流電壓,輸出功率可達2000W以上。全橋結構驅動復雜,但開關管耐壓要求低,適合高功率需求(如電力電纜耐壓試驗)。
串級倍壓電路
將多級倍壓整流單元串聯,空載輸出電壓可達2nUm(n為級數,Um為交流峰值電壓)。受電壓降落和脈動系數限制,級數通常不超過5級,最高輸出電壓約2MV,適用于特高壓試驗。
三、技術優勢
高頻化:提升功率密度,減小設備體積。
模塊化設計:支持分節式結構,兼容高低電壓等級(如單節100kV/4mA,兩節200kV/2mA)。
多重保護:集成過壓、過流、零位合閘、斷線保護及接地不良報警功能,確保操作安全。
智能化控制:采用單片機或DSP實現參數顯示、故障診斷及遠程通訊,提升用戶體驗。