級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源及使用方法

2023-04-28 03:39:56

專利名稱：級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源及使用方法
技術領域：
本發明涉及高壓脈衝電源技術領域，具體為一種級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源及使用方法。
背景技術：
隨著電力電子技術的發展，大功率變頻調速系統得到廣泛應用，為保證使用安全和壽命，其中的變頻調速電機的絕緣材料和絕緣結構需要在高壓脈衝電應力下進行加速老化壽命評估實驗。該加速老化壽命評估實驗系統中的關鍵為高壓對稱雙極性方波脈衝電源，要求輸出的高壓方波脈衝峰峰值達到千伏以上，且需滿足脈衝邊沿快速變化、過衝和脈衝頂降的要求。由於現有電力電子器件的耐壓性能的限制，常規的單相橋式逆變電路可以獲得對稱雙極性方波電壓，其波形也符合要求，單其電壓等級僅為IKV峰峰值以下，無法達到絕緣材料方波脈衝電應力加速老化壽命試驗等所需的方波脈衝電源的高壓要求；利用脈衝變壓器升壓，雖然脈衝峰峰值可達要求，但難以滿足脈衝邊沿快速變化、波形失真小的要求。利用多個橋式逆變電路產生的IKV對稱方波脈衝電源級聯疊加，可以獲得對稱雙極性高壓方波脈衝電源，但這需要級聯的多個橋式逆變電路在電器上隔離並同步工作，而且要求隔離電壓不低於脈衝電壓的峰峰值。為了實現同步工作，需要一個共同的脈衝同步控制信號，並隔離且同步的傳送到每一個級聯的橋式逆變電路。高速光電耦合器件具有較好的脈衝隔離傳送性能，但隔離電壓不能滿足絕緣材料加速老化用級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源，故當前主要採用脈衝變壓器隔離傳送方式；脈衝變壓器隔離傳送可以滿足隔離電壓的要求，但存在傳送同步性不好且要求脈衝頻率不變化，不適應脈衝頻率按實驗標準變化時同步脈衝信號傳輸要求，用這樣的隔離傳送方法，多個橋式逆變電路級聯時，總的方波脈衝電源電壓幅值可以滿足要求，但脈衝上升時間和脈衝上升沿波形變差。故目前缺少一種適合電工絕緣材料和絕緣結構加速老化壽命評估用對稱雙極性高壓脈衝電源。

發明內容
本發明的目的是設計一種級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源，包括與脈衝控制信號產生模塊相連接的級聯的多個單相橋式脈衝逆變電路，輸出所需要電壓等級的雙極性高壓方波脈衝。本發明的另一目的是設計上述級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源的使用方法， 脈衝控制信號產生模塊發出的雙極脈衝控制信號控制多個單相橋式脈衝逆變電路單元的同步工作，多個同步工作的單相脈衝逆變電路單元高隔離度級聯，得到所需要電壓等級的雙極性高壓方波脈衝。本發明設計的級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源包括單相橋式脈衝逆變電路， 還包括脈衝控制信號產生模塊、脈衝分配模塊，脈衝分配模塊含有連接器集成電路和光發射器，各逆變電路單元包括一個單相橋式脈衝逆變電路和一組光接收器，每組光接收器包含接收正負信號的2個光接收器；光接收器的電信號輸出端接入單相橋式脈衝逆變電路的控制端。脈衝控制信號產生模塊為產生相位相差180度、脈衝寬度相同的兩個脈衝控制信號PC+和PC-的微處理器或智能邏輯電路模塊，脈衝控制信號產生模塊接有η個相同的脈衝分配模塊，η為1 6的整數；每個脈衝分配模塊含有一個連接器集成電路和m組相同的光發射器，m為1 4的整數，每組光發射器包含發射正負信號的2個光發射器；配置與脈衝分配模塊的m ·η組光發射器相配合的同樣數量的相同的逆變電路單元，各光發射器和光接受器分別由兩路光纖連接。各逆變電路單元的單相橋式脈衝逆變電路的輸出端串聯後的輸出端為本單相雙極性高壓方波脈衝電源的輸出端。脈衝控制信號產生模塊產生的兩個脈衝控制信號PC+和PC-之間的死區時間為 200ns 1000ns，脈衝重複周期為50 μ s 1000 μ s。各逆變電路單元的2個光接收器輸出的電信號，接入該逆變電路單元的邏輯門電路，所得4個控制信號分別經光耦隔離驅動電路接入單相橋式脈衝逆變電路4個橋臂功率電晶體的控制端。本發明級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源的使用方法為脈衝控制信號產生模塊產生相位相差180度、脈衝寬度相同的兩個脈衝控制信號PC+禾口 PC-，PC+和PC-之間的死區時間為200ns 1000ns，脈衝重複周期為50 μ s 1000 μ S ；送入所接的η個脈衝分配模塊；各脈衝分配模塊的連接器集成電路將輸入的脈衝控制信號PC+和PC-轉換為m 組脈衝同步控制信號，第一個脈衝分配模塊的連接器集成電路產生m組脈衝同步控制信號(Pll+, P11-) (Plm+、Plm-)，送入該模塊的 m 組光發射器(TX11+、TX11-) (TXlm+、 TXlm-)；以此類推，第η個脈衝分配模塊的連接器集成電路產生m組脈衝同步控制信號 (Pnl+, Pnl-) (Pnm+、Pnm-)，送入本模塊的 m 組光發射器(Tftil+、TXnl-) (TXnm+、 TXnm-)；各組同步控制信號在光發射器轉換為光信號，經光纖隔離傳送到各逆變電路單元中的各組光接收器(RXnl+、RXnl-) (RXnm+、RXnm-)。各逆變電路單元中的各光接收器將接收的光信號轉換為電信號，分別送入由具有斯密特特性的邏輯門電路進行脈衝整形產生 4路控制信號，再分別經過光耦隔離驅動電路驅動作為單相橋式脈衝逆變電路4個橋臂上功率電晶體的控制信號，控制逆變橋同步工作，η · m個逆變電路單元的單相橋式脈衝逆變電路產生同步的相同的單相雙極性方波脈衝，η ·πι個單相橋式脈衝逆變電路的輸出端串聯後的輸出端為本單相雙極性高壓方波脈衝電源輸出端。本發明級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源的使用方法的優點為1、可產生多達 24組脈衝同步控制信號，實現對多達M個單相橋式脈衝逆變電路的同步控制，多個單相橋式脈衝逆變電路同步工作，產生多個同步方波脈衝電壓，級聯後即可獲得所需電壓等級的高性能雙極性方波電壓；2、解決了同步控制信號的高隔離度傳輸，保證各脈衝逆變電路同步工作；3、各電路模塊均採用現有元器件和集成電路，易於實現；4、適合用作於高壓脈衝絕緣老化試驗的高壓脈衝電源。


圖1為本級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源實施例的結構示意圖。具體實施例方式級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源實施例本級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源實施例如圖1所示，包括脈衝控制信號產生模塊、脈衝分配模塊和逆變電路單元，本例脈衝控制信號產生模塊為產生相位相差180 度、脈衝寬度相同的兩個脈衝控制信號PC+和PC-的微處理器，所產生的兩個脈衝控制信號 PC+和PC-之間的死區時間為500ns，脈衝重複周期為500 μ S。脈衝控制信號產生模塊接有2個相同的脈衝分配模塊；每個脈衝分配模塊含有一個連接器集成電路和4組相同的光發射器，每組光發射器包含發射正負信號的2個光發射器；配置4個相同的逆變電路單元， 每個逆變電路單元包括一個單相橋式脈衝逆變電路和一組光接收器，每組光接收器包含接收正負信號的2個光接收器；每個逆變電路單元的2個光接收器的電信號輸出端接入邏輯門電路，所得4個控制信號分別經光耦隔離驅動電路接入單相橋式脈衝逆變電路4個橋臂功率電晶體的控制端。各光發射器和光接受器分別由兩路光纖連接。2個逆變電路單元的8個單相橋式脈衝逆變電路的輸出端串聯後的輸出端為本單相雙極性高壓方波脈衝電源的輸出端。本級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源的使用方法實施例本例使用的是上述級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源實施例。脈衝控制信號產生模塊產生相位相差180度、脈衝寬度相同的兩個脈衝控制信號 PC+和PC-，PC+和PC-之間的死區時間為500ns，脈衝重複周期為500 μ s ；送入所接的2個脈衝分配模塊；2個脈衝分配模塊的連接器集成電路分別將輸入的脈衝控制信號PC+和PC-轉換為4組脈衝同步控制信號，脈衝分配模塊1的連接器集成電路產生4組脈衝同步控制信號Pll+和Pll-送入第11組光發射器TXll+和TXll-；P12+和P12-送入第12組光發射器TX12+和TX12-；P13+和P13-送入第13組光發射器TX13+和TX13-；P14+和P14-送入第14組光發射器TX14+和TX14-；脈衝分配模塊2的連接器集成電路產生4組脈衝同步控制信號P21+和P21-送入第21組光發射器TX21+和TX21-；P22+和P22-送入第22組光發射器TX22+和TX22-；P23+和P23-送入第23組光發射器TX23+和TX23-；P24+和P24-送入第24組光發射器TX24+和TX24-。各組同步控制信號在光發射器轉換為光信號，經光纖隔離傳送到逆變電路單元1 中的各組光接收器(RX11+、RX11_) (RX14+、RX14_)和逆變電路單元2中的各組光接收器 (RX21+、RX21_) (RXM+、RXM-)。各逆變電路單元的各光接收器將接收的光信號轉換為電信號後，分別送入由具有斯密特特性的邏輯門電路進行脈衝整形產生4路控制信號，再各經過光耦隔離驅動電路驅動作為單相橋式脈衝逆變電路4個橋臂上功率電晶體的控制信號，控制逆變橋同步工作。本例8個逆變電路單元的單相橋式脈衝逆變電路產生同步的相同的單相雙極性方波脈衝，它們的輸出端串聯後的輸出端為本單相雙極性高壓方波脈衝電源輸出端。上述實施例，僅為對本發明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發明並非限定於此。凡在本發明的公開的範圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源，包括單相橋式脈衝逆變電路，其特徵在於還包括脈衝控制信號產生模塊、脈衝分配模塊和逆變電路單元，脈衝分配模塊含有連接器集成電路和光發射器，各逆變電路單元包括一個單相橋式脈衝逆變電路和一組光接收器，每組光接收器包含接收正負信號的2個光接收器，光接收器的電信號輸出端接入單相橋式脈衝逆變電路的控制端；脈衝控制信號產生模塊為產生相位相差180度、脈衝寬度相同的兩個脈衝控制信號PC+和PC-的微處理器或智能邏輯電路模塊，脈衝控制信號產生模塊接有η個相同的脈衝分配模塊，η為1 6的整數；每個脈衝分配模塊含有一個連接器集成電路和m組相同的光發射器，m為1 4的整數，每組光發射器包含發射正負信號的2個光發射器；配置與脈衝分配模塊的πι·η組光發射器相配合的同樣數量的相同的逆變電路單元，各光發射器和光接受器分別由兩路光纖連接；各逆變電路單元的單相橋式脈衝逆變電路的輸出端串聯後的輸出端為本單相雙極性高壓方波脈衝電源的輸出端。
2.根據權利要求1所述的級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源，其特徵在於所述脈衝控制信號產生模塊產生的兩個脈衝控制信號PC+和PC-之間的死區時間為 200ns 1000ns，脈衝重複周期為50 μ s 1000 μ s。
3.根據權利要求1所述的級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源，其特徵在於各逆變電路單元的2個光接收器輸出的電信號，接入該逆變電路單元的邏輯門電路， 所得4個控制信號分別經光耦隔離驅動電路接入單相橋式脈衝逆變電路4個橋臂功率電晶體的控制端。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源的使用方法，其特徵在於脈衝控制信號產生模塊產生相位相差180度、脈衝寬度相同的兩個脈衝控制信號PC+ 和PC-，送入所接的η個脈衝分配模塊；各脈衝分配模塊的連接器集成電路將輸入的脈衝控制信號PC+和PC-轉換為m組脈衝同步控制信號，第一個脈衝分配模塊的連接器集成電路產生m組脈衝同步控制信號(P11+、 P11-) (戸1111+、？1111-)，送入該模塊的111組光發射器(TX11+、TX11_) (TXlm+,TXlm-)；以此類推，第η個脈衝分配模塊的連接器集成電路產生m組脈衝同步控制信號(Pnl+、Pnl-) (Pnm+Jnm-)，送入本模塊的 m 組光發射器(Tftil+、Tftil-) (TXnm+、TXnm-)；各組同步控制信號在各光發射器轉換為光信號，經光纖隔離傳送到各逆變電路單元中的各組光接收器(RXnl+、RXnl-) (RXnm+、RXnm-)，各逆變電路單元中的各光接收器將接收的光信號轉換為電信號，分別送入單相橋式脈衝逆變電路的控制端，nm個逆變電路單元的單相橋式脈衝逆變電路產生同步的相同的單相雙極性方波脈衝，nm個單相橋式脈衝逆變電路的輸出端串聯後的輸出端為本單相雙極性高壓方波脈衝電源輸出端。
5.根據權利要求4所述的級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源的使用方法，其特徵在於各逆變電路單元的2個光接收器輸出的電信號，接入該逆變電路單元的邏輯門電路， 所得4個控制信號分別經光耦隔離驅動電路接入單相橋式脈衝逆變電路4個橋臂功率電晶體的控制端；所述各逆變電路單元的各光接收器轉換所得電信號由具有斯密特特性的邏輯門電路進行脈衝整形產生4路控制信號，再分別經過光耦隔離驅動電路驅動作為單相橋式脈衝逆變電路4個橋臂上功率電晶體的控制信號，控制逆變橋同步工作。
全文摘要
本發明為級聯式單相雙極性高壓方波脈衝電源及使用方法，本電源的脈衝控制信號產生模塊接有n個相同的脈衝分配模塊，各含連接器集成電路和m組相同的光發射器；配置m·n個相同的逆變電路單元，各逆變電路單元含一組光接收器及單相橋式脈衝逆變電路。各光發射器和光接受器由兩路光纖連接。各單相橋式脈衝逆變電路的輸出端串聯為本電源的輸出端。使用方法為脈衝控制信號產生模塊的兩個脈衝控制信號送入n個脈衝分配模塊，各轉換為m組脈衝同步控制信號，經光傳輸控制n·m個逆變電路分別產生同步相同單相雙極性方波脈衝，串聯為本電源輸出。本發明可產生多達24組高隔離度傳輸的脈衝同步控制信號，級聯後獲得所需電壓等級的高性能雙極性方波電壓。
文檔編號H02M9/00GK102412754SQ201110441078
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者張聲嵐, 蔣存波, 趙立根, 錢三來 申請人:桂林電器科學研究院