小型化桌面式直流高压发生器教学装置设计

王燕 李超然

摘 要：为了让电气本科学生更好地理解直流高压发生器的基本原理及测量，让学生更好掌握直流发生器的输出电压脉動系数与本体电容量、负载大小之间的关系。教学用直流高压发生器小型化桌面式设计非常必要。本发生器级数为5级、输出电压为2kV，通过Soliderworks软件对该装置的各个元器件进行选型设计，再通过Multisim仿真计算，仿真计算与理论设计相吻合。

关键词：小型化;桌面式;直流发生器;教学装置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.179

1 目的

为了让电气本科学生更好地理解直流高压发生器的基本原理、直流高压如何产生和测量。实验室获得直流高电压，一般由试验变压器将交流电压升压后再进行整流而获得[1]，另外利用倍压整流原理制成的直流高压串级装置能产生出更高的直流高电压。针对本科教学实验，如何保证实验时学生的安全、易操作性和便捷性。设计小型化桌面式直流高压发生器装置非常必要。让学生更好掌握发生器输出电压脉动系数与本体电容量、级数、负载大小之间的关系。

2 串级直流高压发生器的设计

直流高压发生器广泛用于高压设备的绝缘考核、还作为冲击电压发生器、冲击电流发生器、振荡回路等设备的直流充电电源[2]。目前使用最广泛的串级倍压直流高压发生装置的原理图如图1所示[3]。

串级直流高压装置的基本参数有三个：平均输出电压、平均输出电流和电压脉动系数;根据充电电源频率、每级电容量大小、输出电压大小以及其脉冲系数不大于3%的规定来确定发生器最佳级数[4]。

采用Soliderworks软件设计，画出每个器件的3D图，组合成直流发生器本体如图2所示。为了方便更换二极管，将其两端焊接接线叉并固定在绝缘支架上。负载电阻采用大容量的线绕电阻安装在有机玻璃板上并嵌入装置最右边的负载槽里，阻值为8MΩ、16MΩ和48MΩ，取样电阻600kΩ。按照每级输入电压200V及5级设计，空载输出最大电压2kV。以防学生实验时误操作造成高压硅堆损坏，选2kV/0.5A硅堆。电源频率固定，通过电容量变化改变其脉动系数，电容量参数分别为0.15?F、0.3?F、0.45?F三种。

该装置电容量的变化通过乒乓开关的闭合实现，实验时把左柱和右柱上对应的开关全部向上合上或向下关闭就实现了电容量的变化，当开关断开或闭合时，可进行0.15?F、0.3?F和0.45?F电容量测量。

实验装置原理接线图如图3所示。采用工频自耦调压器T升压，容量1kVA，每级电容器容量有三种，利用乒乓开关的闭合来改变，方便可靠。V1为交流电压表，V2为3kV的静电电压表，测量发生器的输出电压。A为微安电流表。负载电阻R由若干个5W兆欧级电阻串联成16MΩ、32MΩ、48MΩ，取样电阻600kΩ，并将其接入示波器，观察输出电压波形。为了保证设备和人身安全，直流高压发生器本体放在接地的铝板上。

3 仿真计算

直流高压发生器的仿真回路如图4所示。通过改变回路电容和负载电阻参数，得到仿真波形如图5所示。结果表明电容值、负载电阻变化，其脉动系数在2.1%～2.9%之间。当C=0.15?F、R=16MΩ时输出的直流电压波形如图6所示。

4 可开实验

（1）测量发生器的输出电压平均值与电容量、负载等参数之间的关系;脉动值与电容量、负载等参数之间的关系;

（2）输出电压与负载电阻以及电容之间的关系表。1）空载时R阻值不同时，u2随C变化的曲线、δu随C变化的曲线、Ip随C变化的曲线、u2/u1随R变化的曲线;2）C阻值不同时，u2随R变化的曲线、δu随R变化的曲线、δu随R变化的曲线、Ip随R变化的曲线;3）理论计算与实测值比较：计算C与R都为最小值时的u2，δu与脉动系数S，并与实测值比较。

5 结论

该装置设计实验内容丰富，学生通过该实验，可获得理论和实际结合的经验，增强了动手能力。更清楚地理解了直流高压的产生、测量及脉动系数跟频率、电容量和负载的关系。通过该教学实验为本科生们今后工作打下更坚实的基础。

参考文献：

[1]常美生.高电压技术3版[M].北京：中国电力出版社，2016.

[2]华中工学院上海交通大学合编.高电压试验技术[M].北京：水利电力出版社，1985.

[3]林福昌.高电压工程3版[M].北京：中国电力出版社，2016.

[4]沈诗佳，程航.高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2011.

作者简介：王燕（1965-），女，湖北广水人，学士，高级工程师，研究方向：高电压绝缘与技术、脉冲功率技术。