120kV高压电源输出电压高低的控制有哪些?

如题所述

控制120kV高压电源输出高低的方法,笔者试验了三种方案。

1.调供电电压法用0~10V电位控制,把+15V电源变换为0~150V,0~150V线性跟随0~10V,0~150V再输入给大功率晶体三极管跟随器3DD104E,3DD104E发射极接120kV高压电源直流变换器,便可控制倍加器高压输出。3DD104E发射极上的滤波器很重要,没有它,120kV高压电源的直流变换器就不起振,就没有高压输出。其电路如图2-3-12、图2-3-13所示。

根据图2-3-12做成了QYDC15~150V直流变换器模块,模块外接一个大功率晶体三极管跟随器,如图2-3-13所示。

大功率晶体三极管跟随器要有φ34mm×70mm的散热片,功耗为10V×400mA。模块QYDC15~150V,尺寸:φ26mm×92mm,供电15V×80mA,输出150V×5mA。单片机控制电路输入给模块控制端的信号( 0~10V )×1mA。0~150V直流电压,经E-6扼流圈“п”滤波器输入给大功率晶体三极管3DD104E,3DD104E发射极接有电容滤波器。3~7kΩ( 3W )电阻起降压作用,使基极电压不能高于C极电压,否则3DD104E工作不正常。为了确保电路可靠工作,需先加+15V,再加0~+150V,后加控制信号0~10V。

2.调频法一个单片机调频控制的120kV高压电源如图2-3-14所示。

CD4066是一个双向四开关,控制端C高电平,I/O—O/I导通。当2~4s信号加到C端时,I/O—O/I导通,单片机调频信号通过,输入到CD4017,推动直流变换器工作产生120kV高压电源。

3.调触发信号幅度法一个控制CD4069、CD4017电源电压,进而控制CD4017输出幅度,使它激推挽直流变换器变压器T次级输出脉冲电压受到控制,即倍加器输出高压受到控制。其电路如图2-3-15所示。

如果是脉冲中子氧活化液流测井仪,上跟随器加0~10V直流电压,下跟随器加宽度为2s、4s、幅度为0~10V的脉冲。如果是碳氧比、中子寿命上、下跟随器输入端接在一起,加0~10V直流电压即可。

九、高压倍加器在井下核测井仪器中产生120kV高压电源,如果不用高压倍加器几乎是不可能的。倍加器分为单向倍加器和双向倍加器。同样的元件做成单向倍加器,由于倍压级数多,内阻大,内部压降大,输出功率小,脉振系数大;做成双向倍加器,由于倍压级数少,内部压降小,输出功率大,脉振系数小。因此,在φ102mm、φ90mm碳氧比能谱测井仪器中,采用了双向倍加器。在φ42mm的单向或双向液流脉冲中子氧活化测井仪器中,采用了单向倍加器,因为φ42mm直径细空间小,高压变压器次级线圈悬浮不起来。

大庆油田研制的井下碳氧比能谱测井仪器的中子发生器,120kV高压电源是双向20次倍压,向正方向倍压10次,向负方向倍压10次。如果说级数,正、负方向各5级。倍加器原理如图2-3-16所示。

现以双向每边4次倍压说明。明白了4次,依此类推也就明白了每边10次倍压。

如图2-3-16所示,设第一个周期0~Π时间内,B点正,A点负。充电电流I由B点→电容C6′→硅堆G11→A点,将电容C6′充电到变压器T次级线圈输出电压V2max。在П→2П时间内,A点正,B点负。充电电流有两路:一路由A点→硅堆G10→电容C5′→B点,将电容C5′充电到V2max。另一路由A点→电容C6→硅堆G12→电容C6′→B点,将电容C6充电至V2max+VC6′=2V2max。第二个周期2П~3П时间内,B点正,A点负。一路由B点→电容C6′→电容C7′→硅堆G13→电容C6→A点,将电容C7′充电至V2max-VC6′+VC6=2V2max。一路由B点→电容C5′→硅堆G9→电容C5→A点,将电容C5充电至V2max+VC5′=2V2max。在3Π~4Π时间内,A点正,B点负。一路由A点→电容C6→电容C7→硅堆G14→电容C7′→电容C6′→B点,将电容C7充电至V2max-VC6+VC7′+VC6′=2V2max。另一路由A点→电容C5→硅堆G8→电容C4′→电容C5′→B点。将电容C4′充电至V2max+VC5-VC5′=2V2max。在第三个周期4Π~5Π时间内,B点正,A点负。一路由B点→电容C5′→电容C4′→硅堆G7→电容C4→电容C5→A点,将电容C4充电至V2max+VC5′+VC4′-VC5=2V2max。另一路由B点→电容C6′→电容C7′→电容C8′→硅堆G15→电容C7→电容C6→A点。经过二个半周期,将4次倍压过程简述完毕。每边10次倍压,经过六个半周期充电完毕。由充电过程看出,C—D电容器柱各电容上的电压均为2V2max,10个电容上的电压加起来是2V2max×10=20V2max。E—F电容器柱,电容C6′电容C5′上的电压等于一个V2max,其他均为2V2max。所以E—F电容柱10个电容上的电压加起来是2V2max×8+V2max×2=18V2max,电容C6′、C5′充电电压V2max,耐压比其他电容低一半,而电容量应大一倍较好。

1.倍加器的理论公式1)单向倍加器理论公式(1)倍压级数N:

式中 f——直流变换器工作频率;c——倍加器倍压电容;I——倍加器负载电流;V——倍加器输出电压。

(2)脉振系数δ:

(3)内部压降ΔV:

(4)倍加器电容:

式中 K——倍压次数,倍压级数N=2K。

2)双向倍加器的理论公式由于双向倍加器实质上是两个单向倍加器,所以其公式是一样的,只是倍压级数计算时可减少一半。例如:在碳氧比能谱仪器中,V2=8000V,要产生160kV高压,单向倍加器需要10级20次倍压,双向倍加器每边只需5级10次倍压。由于倍加器内部压降,脉振系数都与倍加器倍压级数的平方、立方成正比。所以,要做一个输出高压脉动幅度值比较小,比较平稳,输出功率比较大的高压电源,应首选双向倍加器。

2.直流变换器自激推挽直流变换器的优点:(1)负载高压电源短路时,停止振荡,成为一种自动短路保护电路;(2)晶体管不论在饱和状态、截止状态都能工作,效率高,功耗小;(3)铁芯饱和时,开关被切换,切换时很少有脉冲反冲尖子击穿晶体管;(4)两个晶体管集电极之间接一个电容C来吸收脉冲反冲尖子,保护晶体管;(5)高压电源120kV打火时,直流变换器也不会坏。其原理如图2-3-17所示。

当电源VCC接通后,由于两个晶体管参数不完全一致,总有一个先导通。假如G1先导通,电流由Vcc正端→变压器T中间抽头→变压器T上边线圈→G1C1→G1E1→地。在线圈上产生的感应电势,下正上负。G1基极b1为正,进一步导通,G2基极b2为负,进一步截止,这是一个“雪崩”过程。瞬间使G1饱和导通,G2完全截止。G1一直导通到变压器T磁芯磁通达到饱和值φs为止,此时如图2-3-17b所示磁通的变化速度接近于零或很小;变压器T所有线圈的感应电势也将接近零或下降很多。此时各线圈内的电流急剧地减小,并引起各线圈出现极性相反的感应电势,下负上正,使G1向截止方向发展,使G2向导通方向发展,这是一个“雪崩”过程。瞬间使G1完全截止,G2饱和导通。自激推挽直流变换器计算公式如下:

式中 Nc——集电极线圈匝数;VCC——供电电压;f——直流变换器振荡频率;Bm——磁芯饱和磁感应强度;S——磁芯截面,cm2。

大功率高反压晶体三极管发射极、基极之间电压最高为16V。高于16V时,晶体管就要损坏,一般设计为4~5V。图2-3-18列出了过去曾实验过的直流变换器电路。

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