一种特高压直流发生器及电压调节方法与流程

1.本发明属于特高压技术领域，具体涉及一种特高压直流发生器及电压调节方法。


背景技术：

2.我国的特高压输变电工程开始建设以来，输电线路的电压等级逐渐提高，对应所配套的高压测量设备以及传输设备的电压等级也越来越高。这些设备在出厂或者正式投运之前，都需要完成一些耐压绝缘试验或者校准试验等，以检测这些高压设备的出厂参数能否满足要求，有无虚标参数等。
3.为检测这些特高压设备，需要用到检验这些设备的特高压直流发生器。现有的特高压直流发生器，大都通过数字电位器控制单片机经过da芯片输出一个模拟电压，模拟电压经过pid调压控制来调整pwm，控制直流电压输出大小，然后经过igbt桥式逆变成交流给中频高压变压器，然后通过中频倍压整流输出直流高压电压，直流高压电压经过采样处理并输送至单片机处理后显示在显示屏上。
4.目前，由于da芯片输出的分辨率有限，导致升压步长较大，即当数字旋钮步进一格时，高压电压可能变化的较大，电压呈现台阶式的上升，对功率模块和功率管危害相当大。当直流高压发生器电压调节速度较快，导致功率模块损害，进而导致高压电压突变，对被试高压设备液有相当大的危害。具体地，目前的特高压直流发生器输出的电压基本都超过1000kv，输出的高压电压幅度不能太大，对升压的要求比较高。目前直流发生器基本上都通过单片机调整一片da芯片来控制模拟电压输出，而目前大多数的da数模转换芯片的分辨率都是16位(少数是24位)，所以细度调节范围较大，即步进比较大，导致母线电压变动较大，最终导致高压电压升压过快。提高da芯片的分辨率有助于解决步进较大的问题，但是，受限于技术和成本，当前主流da数模转换芯片的分辨率仍然是16位(少数是24位)。
5.因此，有必要研发一种适用于1000kv以上设备检测的特高压直流发生器。


技术实现要素：

6.本发明针对现有特高压直流发生器通过一片da芯片控制模拟电压输出，导致输出电压步进较大的不足，提供一种特高压直流发生器，提高调节精度，降低输出电压步进，尤其适用于1000kv以上等级的大型设备。本发明同时提供一种特高压直流发生器电压调节方法。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种特高压直流发生器，所述特高压直流发生器包括：
8.基准电压单元；
9.第一级电压调节单元；
10.第二级电压调节单元；
11.功率调压单元；
12.控制单元；
13.其中，所述基准电压单元产生基准电压，所述第一级电压调节单元接收所述基准电压并在所述控制单元的控制下输出第一调节电压至第二级电压调节单元，所述第二级电压调节单元在所述控制单元的控制下输出第二调节电压至功率调压单元。
14.本发明的特高压直流发生器，具有串联的两级电压调节单元，相比现有技术中的一级调压，其精度大大增加，从而可以更平缓地输出电压。如，现有技术中采用一个16位分辨率的da数模转换芯片，本发明采用两个串联的16位分辨率的da数模转换芯片，调节精度从2
16
增加到2
32
。
15.作为改进，所述基准电压单元产生一个恒定的基准电压。基准电压可以是2.5v。
16.作为改进，所述功率调压单元为单片机。
17.作为改进，所述第一级电压调节单元和所述第二级电压调节单元相同。
18.作为改进，所述第一级电压调节单元包括数模转换芯片和运放电路。
19.作为改进，所述数模转换芯片通过引脚连接所述基准电压单元，所述数模转换芯片通过串行数据接口、时钟、和芯片引脚与所述控制单元连接。
20.作为改进，所述特高压直流发生器还包括电压电流变送单元，所述电压电流变送单元将电压信号转换为电流信号并将所述电流信号输送至所述功率调压单元。实际检测过程中，da芯片经过运放单元产生的低压模拟信号需要通过线缆送入功率调压单元，而第二调节电压信号与功率调压单元之间肯定会有一定的距离。电压经过两级细分后，信号已经比较微弱了，传输线路过长，外界对信号产生的影响较大，不利于高压输出的稳定性。在做结构布局的时候，在不对线路板造成干扰的前提下，尽可能将线路板和功率调压单元距离拉近；控制信号到控制功率模块之间的线缆采用多层屏蔽的线缆，并且由能够耐高温，耐低温的材料制成；将电压控制信号经过变送器转换成电流信号。实际操作方式是将0
‑
5v的电压信号转化为4
‑
20ma的电流信号，这种方式已经在实际生产中得到过验证，效果很明显：即使结构设计时功率调压单元无法与第二调节电压信号部分靠近时，适当拉长线缆距离带来的影响也较小，从而保证输出精度。
21.作为改进，所述特高压直流发生器还包括与所述控制单元通信连接的检测单元，所述检测单元包括24位高精度ad模数转换芯片。由于da输出的精度提高了一个等级，所以对于采样回来的电压信号分辨率要求高。如果单单提高da输出精度，而没有反馈信号来控制da输出，也会导致输出的电压不稳定，偏移比较大。24位高精度ad模数转换芯片，原理是∑
‑
δa/d转化方式，具有24位无误码率，其线性误差小于0.0015％，能够达到23位有效分辨率。这样能够对测量的反馈信号进行精确的读取，同时反馈给da输出芯片，来调整输出电压，使电压能够稳定输出，并且不受外界干扰，同时对于整个设备输出的特高压电压稳定度和精确度有一定的保证。
22.作为改进，每一级电压调节单元输出端都经过多级运放单元，来增加微积分电路，并且通过调整微积分电路来实现波形的转换。
23.作为改进，将细分完成的模拟电压来控制功率调压单元，这样细分的模拟电压上升曲线就是一条平滑上升的曲线，对于功率调压单元的冲击就会降低很多，功率调压单元损坏率就能降低的很少，然后通过igbt桥式逆变成交流电压，经过中频变压器和中频倍压整流单元产生高压直流输出。
24.一种特高压直流发生器电压调节方法，所述特高压直流发生器电压调节方法包
括：
25.步骤一、产生基准电压；
26.步骤二、对所述基准电压进行一次调节，输出第一调节电压，所述第一调节电压是所述基准电压的1/2m，其中，m为第一级电压调节单元的最小分辨率；
27.步骤三、对所述第一调节电压进行二次调节，输出第二调节电压，所述第二调节电压是所述第一调节电压的1/2n，其中，n为第二级电压调节单元的最小分辨率；
28.步骤四、将所述第二调节电压输出至功率调压单元进行调压。
29.作为特高压直流发生器电压调节方法的改进，步骤四中，所述第二调节电压经过电流变送器转换成电流信号后再输送至功率调压单元。
30.作为特高压直流发生器电压调节方法的改进，m＝n。
31.本发明的特高压直流发生器的有益效果是：将串联的两级调压单元代替现有的一级调压方式，通过增加数模转换芯片的数量而非提高数模转换芯片的精度来调节输出电压，使得输出电压更加精细、平稳。
附图说明
32.图1是本发明实施例一的特高压直流发生器的结构框图。
33.图2是本发明实施例一的特高压直流发生器的电压调节单元的电路原理图。
具体实施方式
34.下面结合本发明创造实施例的附图，对本发明创造实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明创造的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明创造的保护范围。
35.参见图1和图2，本发明实施例一的一种特高压直流发生器，所述特高压直流发生器包括：
36.基准电压单元；
37.第一级电压调节单元；
38.第二级电压调节单元；
39.功率调压单元；
40.控制单元；
41.其中，所述基准电压单元产生基准电压，所述第一级电压调节单元接收所述基准电压并在所述控制单元的控制下输出第一调节电压至第二级电压调节单元，所述第二级电压调节单元在所述控制单元的控制下输出第二调节电压至功率调压单元。
42.本发明的特高压直流发生器，具有串联的两级电压调节单元，相比现有技术中的一级调压，其精度大大增加，从而可以更平缓地输出电压。如，现有技术中采用一个16位分辨率的da数模转换芯片，本发明采用两个串联的16位分辨率的da数模转换芯片，调节精度从2
16
增加到2
32
。
43.本实施例中，所述基准电压单元产生一个恒定的基准电压。基准电压可以是2.5v。
44.本实施例中，所述功率调压单元为单片机。
45.本实施例中，所述第一级电压调节单元和所述第二级电压调节单元相同。
46.本实施例中，所述第一级电压调节单元包括数模转换芯片和运放电路。
47.本实施例中，数模转换芯片采用ad5543芯片，ad5543芯片为16位分辨率数模转换芯片，由于是电流输出型的，所以需要在输出侧经过一个运放电路，才能输出电压，如图2中器件u2所示。ad5543芯片u1通过串行数据接口与单片机通信，利用串行数据输入(sdi)、时钟(clk)和芯片选择(cs)引脚，提供高速、三线式微控制器兼容性输入，vref引脚连接基准电压单元，这样此芯片经过外部运放模块后，可以达到的最小分辨率就是基准电压与2
16
的比值，这是单级电压调节单元的调节原理。
48.本实施例中，每一级电压调节单元输出端都经过多级运放单元，来增加微积分电路，并且通过调整微积分电路来实现波形的转换。
49.本实施例中，所述特高压直流发生器还包括电压电流变送单元，所述电压电流变送单元将电压信号转换为电流信号并将所述电流信号输送至所述功率调压单元。实际检测过程中，da芯片经过运放单元产生的低压模拟信号需要通过线缆送入功率调压单元，而第二调节电压信号与功率调压单元之间肯定会有一定的距离。电压经过两级细分后，信号已经比较微弱了，传输线路过长，外界对信号产生的影响较大，不利于高压输出的稳定性。在做结构布局的时候，在不对线路板造成干扰的前提下，尽可能将线路板和功率调压单元距离拉近；控制信号到控制功率模块之间的线缆采用多层屏蔽的线缆，并且由能够耐高温，耐低温的材料制成；将电压控制信号经过变送器转换成电流信号。实际操作方式是将0
‑
5v的电压信号转化为4
‑
20ma的电流信号，这种方式已经在实际生产中得到过验证，效果很明显：即使结构设计时功率调压单元无法与第二调节电压信号部分靠近时，适当拉长线缆距离带来的影响也较小，从而保证输出精度。
50.本实施例中，所述特高压直流发生器还包括与所述控制单元通信连接的检测单元，所述检测单元包括24位高精度ad模数转换芯片。由于da输出的精度提高了一个等级，所以对于采样回来的电压信号分辨率要求高。如果单单提高da输出精度，而没有反馈信号来控制da输出，也会导致输出的电压不稳定，偏移比较大。24位高精度ad模数转换芯片，原理是∑
‑
δa/d转化方式，具有24位无误码率，其线性误差小于0.0015％，能够达到23位有效分辨率。这样能够对测量的反馈信号进行精确的读取，同时反馈给da输出芯片，来调整输出电压，使电压能够稳定输出，并且不受外界干扰，同时对于整个设备输出的特高压电压稳定度和精确度有一定的保证。
51.本实施例中，将细分完成的模拟电压来控制功率调压单元，这样细分的模拟电压上升曲线就是一条平滑上升的曲线，对于功率调压单元的冲击就会降低很多，功率调压单元损坏率就能降低的很少，然后通过igbt桥式逆变成交流电压，经过中频变压器和中频倍压整流单元产生高压直流输出。
52.本发明实施例一的特高压直流发生器的有益效果是：将串联的两级调压单元代替现有的一级调压方式，通过增加数模转换芯片的数量而非提高数模转换芯片的精度来调节输出电压，使得输出电压更加精细、平稳，有效防护功率调压单元和被试设备。
53.一种特高压直流发生器电压调节方法，所述特高压直流发生器电压调节方法包括：
54.步骤一、产生基准电压；
55.步骤二、对所述基准电压进行一次调节，输出第一调节电压，所述第一调节电压是所述基准电压的1/2
m
，其中，m为第一级电压调节单元的最小分辨率；
56.步骤三、对所述第一调节电压进行二次调节，输出第二调节电压，所述第二调节电压是所述第一调节电压的1/2
n
，其中，n为第二级电压调节单元的最小分辨率；
57.步骤四、将所述第二调节电压输出至功率调压单元进行调压。
58.作为特高压直流发生器电压调节方法的改进，步骤四中，所述第二调节电压经过电流变送器转换成电流信号后再输送至功率调压单元。
59.作为特高压直流发生器电压调节方法的改进，m＝n。
60.作为特高压直流发生器电压调节方法的改进，采用高精度ad模数转换芯片对测量的反馈信号进行精确读取并反馈给单片机和da输出芯片。
61.以上所述，仅为本发明创造的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明创造包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明创造的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。