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1、河南科技大学毕业设计（论文）电容分压式高压悬浮电源摘 要随着国家智能电网战略的提出，越来越多的智能电气设备在国家电网中加以运用，但随之而来的问题是如何在户外向这些设备提供稳定可靠的电源，为解决这一问题，本文提出并设计了一种在线取能装置电容分压式高压悬浮电源。电容分压式高压悬浮电源是使用电容分压器作为在线取能装置，然后经后续电路的整流、滤波、PWM和DC/DC转换后得到一个比较稳定的、连续的、可靠地电源装置。本文采用同轴式电容器构成分压器，并建立了同轴型电容分压器的数学模型。通过对同轴型电容分压器相对误差的分析表明，影响电容分压器精度的关键在于电容器的稳定性。电容值变化的相对误差与圆柱筒的半径和
2、壁厚、材料的线膨胀系数以及环境温度均有关系，其中环境温度的影响最大，圆柱筒壁厚次之。通过对分压器的误差分析，使用铝制分压器已经达到了分压的要求。本文采用环氧树脂作为电容器的绝缘物质。对于分压得到的低压，需经过后续电路的转换才能得到一个稳定、可靠、连续的的电压。如何转换成所需的电压，PWM和DC/DC转换器的选择直接影响到电压的精度和寿命。经分析本文选用LM2576作为电压调整器，经TPS61207和MAX764两种DC/DC转换器后，得到稳定、可靠的5V电源。关键词：电容分压器环氧树脂PWM开关DC/DC转换器High Voltage Capacitor Divider Power Suppl
3、yABSTRACTWith the propositionof national smart grid strategy, more and more intelligent electrical devices areused in the national power grid.When using these devices,we will find that the ensuing question is how to offer a stable and reliable power supplyto these devices outdoors.To solve this prob
4、lem, this paper proposed and designed adeviceto get power online - high voltage capacitor divider power supply.High voltage capacitor divider power supply is a device that uses a capacitive divider to get a low voltage from high voltage line, and then the low voltage processed by the rectifier circu
5、it, filter, PWM and DC / DC conversion to get a more stable, continuous and reliable power supply. In this paper a kind of coaxial-type capacitor divider is presented, and mathematical model is also established. The relative error analysis of coaxial capacitive divider shows that the key factors imp
6、acting the accuracy of divider capacitor lie in capacitor stability. The capacitance relative error is related with the cylindrical tube radius and wall thickness, the linear expansion coefficient of the used material, and the ambient temperature. The greatest impact is the ambient temperature chang
7、e, followed by cylindrical tube wall thickness.Error analysis of the divider shows that the aluminum divider has reached the requirements. In this design, epoxy resin was chosen as a capacitor insulating.Obtained for low voltage get from the high voltage line, there also need a processing circuit to
8、 get a stable, reliable and continuous voltage. How to convert voltage which required, the choice of PWM and DC / DC converter directly affects the precision and working life. By analyzing of this paper I choose the LM2576 as the voltage regulator, and the voltage from the LM2576 convert by the TPS6
9、1207 and MAX764 DC / DC converter,at last the voltage become stable and reliable ,the power supply value is 5V.KEYWORDS: capacitive divider, epoxy resin, PWM switch, DC / DC converte3333目 录前言1第1章同轴型电容分压器的理论研究及制作31.1同轴型电容分压器的分压原理31.2绝缘介质的选用51.3参数计算71.4电容分压器的误差分析71.4.1 温度对电容值的影响71.4.2 柱状电容器圆筒不同轴对电容值的影
10、响81.5分压器零件加工工艺9第2章开关电源的设计132.1尖峰电压抑制限流保护132.2全桥整流142.3滤波电路142.4PWM开关电源电路设计142.5DC/DC转换电路15第3章电源的显示173.1电路器件173.1.1 MAX155A/D转换器173.1.2 AT89C52单片机183.1.3 八段数码管193.2硬件原理193.3软件原理分析203.3.1 主程序流程图203.3.2 AD转换流程图213.3.3 显示流程图22总结23参考文献24致谢25前 言随着国家智能电网战略的提出和逐步实施，输配电网的升级和改造速度日益加快，针对输电线路的各种在线监测装置及电力自动化设备的应
11、用也越来越广泛。所有这些智能装置的运行都面临着同一个基本难题，即如何在野外获得持续、稳定的电源供应。由于大多数输电线路地处偏远，按常规供电办法解决。因此，如何在输电线路工作环境附近获得稳定、可靠、高质量的电源成为迫在眉睫的问题。目前通常野外电力设备的供电方式主要有太阳能电池板供电，电磁式互感器在线取能等方式，前者供能方式的电压输出波动比较大，而且电压的质量也比较差，使用时还容易受到天气、日照、地理环境等因素的影响，可靠性比较低，并且太阳能电池板和蓄电池的使用寿命也比较低，从而造成维护成本的增加，相比较而言，这种供能装置的体积也比较大。而电磁式互感器在线取能因自身传感机理所限而呈现出种种难以克服
12、的问题：如体积大，造价高，绝缘结构日趋复杂，充油的电压互感器存在爆炸的危险等，已不能满足电力系统自动化、数字化的发展要求。基于电子技术、微机技术的新型在线取能方式逐步引起人们的重视。悬浮电源的主要作用是将一次侧的高电压变换成适合于继电保护装置和测量仪表等工作的低电压，要求一次、二次系统电气隔离。电容分压器因其结构简单(一般多采用圆柱形电容环进行分压) 、绝缘性能强、体积小、重量轻、暂态性能好、造价低、无铁磁谐振、不存在爆炸危险、便于实现等特点成为进行分压的首选；但由于电容环对温度的敏感性 ,致使在实际应用中受到限制。电容分压的原理是将高压直接加到高压臂电容器上，在低压臂上分出与一次高压成正比的
13、较小的电压。高、低压臂电容的稳定性是直接影响分压比的关键，如果高、低压臂电容采用相同介质材料组成，可以保证分压比的温度稳定性。随着技术的发展，电容式分压器在许多方面的性能已达到甚至超过电磁式分压器的各项指标，特别在高电压下有优良的性价比。电容式具有电场强度裕度大，绝缘可靠性高、且分压电容可兼作耦合电容器供高频载波通道使用、不会与开关端口电容形成铁磁谐振、能消雷电波头、价格便宜等优点。对分得的低压进行处理后得到稳定、可靠地电源是处理电路的关键。目前使用最多的技术是开关电源。开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源具有体积小、效率高等一系列优点，
14、在各类电子产品中得到广泛应用。近20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化，如MC3520、SG3524、UC3824等；第二个方向则是对中小功率开关电源实现单片集成化。单片开关电源集成电路具有集成度高、性价比高、外围电路简单、性能指标佳、能够成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种型号。 根据目前国内外研究现状，参考各种文献，本次设计采用同轴式电容分压器在线取能方式，然后经后续开关电源电路的处理最后得到稳定、可靠地电压来为电压设备提供电源。因此，该设计的重点是对分压器的设计和对开关电源电
15、路的设计。第1章 同轴型电容分压器的理论研究及制作1.1 同轴型电容分压器的分压原理电容分压器等效电路如图2 所示, C1为内圆柱与中间圆柱筒形成的电容,C2为中间圆柱筒与外圆柱筒形成的电容。图1-1 同轴电容分压器结构件图图1-2分压器原理见图 (1-1) 在不考虑电容分压器的绝缘介质随温度变化时,得电容分压器的分压比为:因此,电容分压器分压比的相对误差为：电容分压器分压比稳定的关键是圆柱电容器的电容值稳定。在圆柱电容器中，电场径向分布是不均匀的。已知电极板间的电压为Ui时，在圆柱筒半径为r(R1 r R2)任一点的电场强度为：(1-2)式中，R1-内圆柱筒的外半径（mm）；R2-中间圆柱筒的内半径（mm）有式（2）可见，在r=R1即内圆柱筒外表面处，电场强度最大为 (1-3) 则，中间圆柱筒的内半径为：(1-4)式中，a1=Ui/Emax 当Ui和Emax给定时，R2有最小值则dR2/dR1=0;将式（4）带入整理得(1-5)所以 R1=a1= Ui/Emax 将（上式）带入式（4）的R2的最小值为:R2=eR1 (1-6)故，当 R1= a1=Ui/Emax时，R2有最小值，这是设计圆柱分压器的半径尺寸的主要依据。但有时为了增
