正弦波高压电源频率特性研究

正弦波高压放电电源的频率特性研究邵建设1，严萍2，邵涛2（1．黄冈师范学院物理科学与技术学院2．中国科学院电工研究所）摘要：为了研究正弦波激励下的介质阻挡放电现象，需要频率和幅值都可调的正弦波高压放电电源。本文利用正弦波激励高频变压器产生正弦波高压的原理，研制了正弦波高压放电电源，并研究了高压电源的频率特性。研究结果表明，当使用正弦波激励高频变压器时，输出为与输入同频率的正弦波，当输入信号的频率等于负载谐振频率时，输出正弦波信号的幅值最大；当负载等效电容量增大时，谐振回路谐振频率减小，处于谐振点处的输出电压减小。当负载的等效电容量增大时，电路处于失谐状态，等效电路呈阻感性性质，负载的端电压下降。关键词：正弦波激励，介质阻挡放电，频率特性，谐振Abastract:Keywords:1．前言使用DC-AC逆变电路产生方波信号，利用电路的谐振，产生正弦波高频高压，输出的正弦波信号中包含了大量的谐波电压，输出为一个近似正弦波电压。而本文中采取的方法，能够产生一个波形较好且频率和幅值都可调的正弦波，用于介质阻挡放电。2．正弦波高压电源电路原理简介图1正弦波高压放电电源的电路原理框图图1为正弦波高压放电电源的电路原理框图。图1中正弦波信号由MAX038信号发生器芯片产生，正弦波信号经过前置放大电路、功率放大电路和反馈电路，输出一个正弦波功率信号。正弦波功率信号的频率和幅值可以通过单片机进行设定和控制，并通过液晶显示器显示。正弦波功率信号驱动高频变压器工作，高频变压器高压侧输出正弦波高压，作用在放电电极上产生放电。3．正弦波高压电源频率特性分析图2正弦波高压电源的等效电路模型正弦波高压电源的等效电路模型如图2所示。图1中的正弦波信号源功率放大电路（虚线框内电路）可以等效为正弦波电压源1u。1i为正弦波电压源的输出电流。rC为谐振电容。高频变压器用分布参数模型来描述，其中，1C、1R、1L和2C、2R、2L分别为高频变压器的低压侧和高压侧的分布电容、等效电阻和漏感。高频变压器低压侧对高压侧的变比为n:1。高频变压器的输出电压为2u，输出电流为2i。放电电极可以等效为电阻LR和和电容容LC并联的阻感容性负载。图3正弦波高压电源简化电路原理图图3为正弦波高压电源简化电路原理图。图2中高频变压器为升压变压器，低压侧线圈匝数很少，忽略变压器低压侧等效电容1c，并将变压器高压侧电路（包括负载）归算到变压器的低压侧，得到图3所示的简化的电路原理图。图3中：nRRRT21，nLLLT21，2nCCT，nuuL2，nRRLL，LLnCC设)cos(11tUu，求得Lu对1u的传递函数1)()()(2312dscsbsassUsUsH其中：rLCRa，rTLTLCCCLRb)(，rTrTLTLCLCCCRRc)(rLrTTLLCRCRCCRd)(。选取5.7TR，uFCr94.2，mHLT32，uFCT10，kRL100，得到传递函数)(sH的波特图，如图4所示。图4中中曲线1、2和3分别为LC为uF8.1、uF8.2和uF8.3的波特图，上图为幅度谱，下图为相位谱。图1中幅度谱曲线中，曲线1、2和3中峰值点为电路的谐振点，这时回路的谐振频率等于输入信号的频率时，电路产生谐振，此时，电源输出电压最高。从图4中可以看出，当负载等效电容量加大时，负载的谐振点发生偏移，谐振点对应的负载电压Lu减小。谐振回路发生谐振时，1u和1i为同频同相的正弦波，谐振回路阻抗等效为一个电阻。图5中曲线1、2和3分别为当5.7TR，uFCr94.2，mHLT32，uFCT10，uFCL8.1，负载的等效电阻LR为k100、k200、k300时的波特图。从图5中可以看出，负载的等效电阻变化时，幅度谱和相位谱曲线不发生改变，这说明负载等效电阻的变化对输出电压对输入电压增益没有影响，不会造成谐振点的偏移。图4负载等效电容变化时高压电源输出频率波特图图5负载等电阻变化时高压电源输出频率波特图图6为图3中电路在谐振状态下的输出电压和电流的仿真波形。图7为图3中电路由于负载的电容量发生变化时，在失谐状态下的输出电压和电流的仿真波形。仿真参数为：Vtu)1160cos(151，5.7TR，uFCr94.2，mHLT32，uFCT10，kRL100，图6中uFCL8.1，图7中uFCL8.3。从图6中可以看出，1u和1i频率均为为Hz580的正弦波，且相位相同，负载性质呈阻性，说明电路工作在谐振状态。图7中，由于LC增大，负载性质呈阻感性，1u超前于1i，1i的幅值减小，电路处于失谐状态。从图6和图7中，2i超前于2u，说明负载均为阻容性负载。由于LC增大，2u减小，但容性电流2i增大。图6电路在谐振状态时输入和输出电压和电流波形图7电路在失谐状态输入电压和输出电压波形4．介质阻挡放电实验研究图8、图9和图10为使用制作的正弦波高压电源，使用示波器（TeknixTDS202B）进行放电实验时测量到的正弦波功率放大电路的输出电压1u和电流1i的波形。图8为负载电容一定时，放电电极中没有放置绝缘介质时，谐振时输出电压和电流的波形图。从图8中可以看出，此时1u和1i为同频率相位相同的正弦波，频率为Hz583，此时电路处于谐振状态。图9为电极之间加入绝缘介质后，电路偏离谐振状态的1u和1i的波形。从图9中可以看出，此时由于负载电容量增加，电路处于弱感性状态，1u和1i为同频率的正弦波，但1u相位超前于1i，1u的幅值不变，1i的幅值减小。图10为电极之间加入绝缘介质后，调整1u的频率，1u幅值不变，电路重新处于谐振状态的1u和1i的波形。此时1u和1i为同频率相位相同的正弦波，频率为Hz574，这说明由于绝缘介质的加入，电路的谐振频率减小。从图8、图9和图10的实验结果来看，实验结果和理论分析、仿真结果吻合。图8负载电容一定时谐振时输出电压和电流波形图图9负载电容改变电路失谐输出电压和电流波形图图10负载改变后重新谐振时输出电压和电流波形图图11电极无介质时负载电压和电流波形图图12电极置入无渗漏塑瓶时负载电压和电流波形图图13电极置入渗漏塑瓶时负载电压和电流波形图图11为当放电电极中置入绝缘介质后产生介质阻挡放电的放电图像。图14电极空、电极置入无渗漏塑瓶和渗漏塑瓶的放电图像5．结论（1）强调高频高压变压器输入和输出的线性，输出电流为如输入电压同频率的正弦波。参考文献作者简介：邵建设严萍邵涛