高压脉冲电容器试验系统的研究与设计

发布时间：2020-07-28 21:34

【摘要】：高压脉冲电容器是一种应用在特殊领域的电容器,它能在很短的时间内释放很大的电能量,广泛应用在军事、医疗等领域,如消毒、激光、X射线发生器等。这些高压脉冲电容器均以重频模式工作,而在重复工作期间,高压脉冲电容器内部会产生很大的能量损耗和电动力破坏,因此高压脉冲电容器在一定频率下的充放电寿命成为绝缘特性的重要指标之一。进行寿命试验对于高压脉冲电容器高重复频率、长寿命、低电感、高比能等性质的测量具有十分重要的意义。本文设计了一套应用于高压脉冲电容器寿命试验的装置,该装置采用模块化设计、高频谐振充电技术和PLC控制,具有可靠性高本、成本低、损耗小等优点,特别适用于高压脉冲电容器的寿命测试。首先根据高压脉冲电容器的寿命试验的充电需求,确定了以高频谐振充电电源充电的方式来模拟高压脉冲电容器充电过程的实际工况,并通过数学建模、PSIM仿真结合电源实际设计指标给出了此套高频谐振充电电源的详细设计。其次结合重频试验的控制需求,设计了基于S7-200 PLC(CPU226XM)的自动监控系统,智能监控系统的应用有效的降低了系统工作过程中的操作危险性。最后通过建立数学模型和仿真分析了高压脉冲电容器的放电机理,并且基于此种机理给出了此套系统后级放电回路的设计。本设计成功搭建了一台充电电压为0~50kV的可调式高压脉冲电容器试验系统样机并完成了现场测试,成功地实现了高压脉冲电容器充放电寿命参数的准确可靠测量,实现了监控一体化智能操作,验证了该高压脉冲电容器试验系统的稳定性和可靠性,满足了设计要求。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53
【图文】：

仿真波形,充电电压,临界状态,仿真波形

图 3.15 DCM 和 CCM 临界状态充电电压仿真波形从图 3.15 仿真结果分析可得，LC 串联谐振电路工作在 DCM 和 CCM 的临界模态下，负载电容的充电电压随充电时间呈线性上升，因为充电电容两端的电压是充电电流和充电时间的积分，所以可知充电过程中电流是恒定的。负载电容充电达值后，充电的速度变缓。由仿真图可得充电电压最终维持在 570V 左右，负载电容达值后谐振电流仍然存在，只是谐振电流会不断地减弱直到降为零。在谐振电流减弱的过程中，电容的充电呈现出一种非线性，表明充电达值后充电的速率减缓，最终电压维持在 570V 左右，这种负载达值后谐振电流减缓而不停止的工作特性也是造成电容充电过冲的原因。

仿真波形,谐振电流,临界状态,仿真波形

图 3.15 DCM 和 CCM 临界状态充电电压仿真波形从图 3.15 仿真结果分析可得，LC 串联谐振电路工作在 DCM 和 CCM 的临模态下，负载电容的充电电压随充电时间呈线性上升，因为充电电容两端的电是充电电流和充电时间的积分，所以可知充电过程中电流是恒定的。负载电容电达值后，充电的速度变缓。由仿真图可得充电电压最终维持在 570V 左右，载电容达值后谐振电流仍然存在，只是谐振电流会不断地减弱直到降为零。在振电流减弱的过程中，电容的充电呈现出一种非线性，表明充电达值后充电的率减缓，最终电压维持在 570V 左右，这种负载达值后谐振电流减缓而不停止工作特性也是造成电容充电过冲的原因。

仿真波形,谐振电流,临界状态,仿真波形

流经续流二极管的反向电流也降为到零。下面将结合理论计算来验证仿真结果的可靠性。由特征阻抗公式（3-7）可得：23 0.231 10rrrZ LC（Ω）（3-39）将谐振周期数 m=0 和 m=1 代入式（3-31），可得 1 谐振周期和 2 谐振周期电流的峰值绝对值为：5510550()()''''121212120 ++++rrMCCZCCCCLCCIpeak （A）（3-40）66105504.50.2314.550.231()5()5''''121212121 ++ ++++rrMCCZCCCCLCCIpeak （A）（3-41）现将图 3.15 的 LC 串联谐振电流仿真波形进行放大，则可得图 3.17，然后将理论算的数据与仿真所测数据进行对比，其仿真值与计算值基本相同。

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