一种高压大功率可调模拟负载装置的制作方法

1.本发明涉及脉冲功率模拟系统技术领域，具体涉及一种高压大功率可调模拟负载装置。


背景技术：

2.高压电源充电后具备极大的能量，往往是针对专用特种设备进行充电放电使用。在正式使用外，若以真实特种设备直接进行试验，将耗费巨额成本；且由于试验需反复多次进行验证，特种设备又具备各种限制条件，使用相当不便。因此，急需一种可以模拟真实设备负载状况的装置，且具备可调节性，以满足多样化使用情况要求。
3.在脉冲功率模拟技术领域，现有的负载装置多为固定的专用负载，具有固定的电感值、电阻值，对应专用的设备。当需要进行负载调节时，只能进行负载的拆装更换，操作麻烦。且需要进行额外的扩展功能试验时，若当前负载无法满足需求，采取人工进行组合负载操作不便，精度与效果也很难保证；重新采购负载时，定制周期又较长，耽误试验。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种高压大功率可调模拟负载装置，可同时承受ma级脉冲电流和mj级能量，且可对电阻值及电感值进行灵活调节，组合负载操作方便且精度较高。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
6.一种高压大功率可调模拟负载装置，包括电气连接的电感模拟单元和电阻模拟单元，所述电感模拟单元包括级联的多个一级电感模块，每个所述一级电感模块包括多个并联设置的二级电感模块；所述电阻模拟单元包括多个级联的一级电阻模块，每个所述一级电阻模块包括多个并联设置的二级电阻模块；所述电感模拟单元和电阻模拟单元上分别设有多个抽头，用于调节电感参数和/或电阻参数。
7.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
8.优选的，所述电感模拟单元包括筒状壳体，所述筒状壳体上设有公共端接口与抽头接口，多个所述一级电感模块在筒状壳体内同轴级联，多个所述一级电感模块的抽头与公共端接口、多个抽头接口一一对应连接。
9.优选的，多个所述二级电感模块并排设置且沿筒状壳体的内壁均匀排布，多个所述二级电感模块的相邻端短接，其短接点作为其抽头。
10.优选的，所述一级电阻模块包括至少两个并排设置的二级电阻模块，至少两个二级电阻模块通过铜排并联，所述电阻模拟单元的抽头设置在相邻两个二级电阻模块的公共点上；每组一级电阻模块与一组电感模拟单元通过铜排对应连接。
11.优选的，每个所述二级电阻模块包括多组同轴嵌套设置的内钢管和外钢管，在所述二级电阻模块的一端，所有内钢管的端部短接、所有外钢管的端部短接；在所述二级电阻模块的另一端，所述内钢管和外钢管的端部通过铜排连接，使得所有内钢管和外钢管串联。
12.优选的，所述装置还包括汇流单元，所述电感模拟单元和电阻模拟单元分别通过同轴电缆与汇流单元电气连接。
13.优选的，所述同轴电缆包括从内而外依次同轴设置的线芯导体、线芯屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、线皮导体层和绝缘外护套，所述线皮导体层为均匀分布在绝缘屏蔽层外周的若干独立导体。
14.优选的，所述汇流单元包括正极汇流板、负极汇流板、压接铜块和螺栓，所述正极汇流板和负极汇流板的一端分别连接外部电源，所述正极汇流板和负极汇流板的另一端分别连接电感模拟单元和/或电阻模拟单元，所述压接铜块用于将同轴电缆压接在正极汇流板和/或负极汇流板上，所述螺栓设置在压接铜块上，用于紧固压接铜块。
15.优选的，所述装置还包括参数测量及显示单元，所述参数测量及显示单元与电感模拟单元和电阻模拟单元电气连接，用于监测并显示所述装置的参数是否在预设的阈值范围内。
16.优选的，所述装置还包括外壳，所述外壳内设有安装架，所述电感模拟单元和电阻模拟单元固定安装在安装架上；所述外壳上设有散热孔，所述外壳的内侧设有强制风冷单元，所述强制风冷单元的出风端对应散热孔设置。
17.本发明的有益效果是：本装置中多个一级电感模块级联，通过对各个一级电感模块的组合连接，可模拟多种电感参数。系统中电感主要承受ma级的电动力，故一级电感模块采用多个二级抽头电感并联的方式组成，可有效降低单个电感所需承受的通流大小。能量吸收主要以电阻为主，因此采用多参数高功率吸能电阻组成二级电阻模块，多个二级电阻模块并联组成一级电阻模块，多个一级电阻模块再采取多组级联的方式组成电阻模拟单元，以模拟多种电阻参数。本装置可同时承受ma级脉冲电流和mj级能量，且可对电阻值及电感值进行灵活调节，组合负载操作方便且精度较高。
附图说明
18.图1为本发明系统组成框图；
19.图2为本发明电感模拟单元接线关系图；
20.图3为本发明一级电感模块组成示意图；
21.图4为本发明一级电感模块结构示意图；
22.图5为本发明电阻模拟单元组成框图；
23.图6为本发明一级电阻模块级联关系图；
24.图7为本发明一级电阻模块和一级电感模块连接结构图；
25.图8为本发明二级电阻模块结构示意图一；
26.图9为本发明二级电阻模块结构示意图二；
27.图10为本发明二级电阻模块内部结构图；
28.图11为本发明二级电阻模块端部连接示意图；
29.图12为本发明压接铜块与同轴电缆连接示意图；
30.图13为本发明整体内部安装结构图视角一；
31.图14为本发明整体内部安装结构图视角二；
32.图15为本发明外部结构示意图；
33.图16为本发明同轴电缆结构图；
34.图17为本发明参数测量及显示单元示意图。
35.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
36.1、外壳，101、安装架，102、散热孔，2、电感模拟单元，201、一级电感模块，2011、二级电感模块，202、筒状壳体，3、电阻模拟单元，301、一级电阻模块，302、二级电阻模块，3021、内钢管，3022、外钢管，4、汇流单元，401、正极汇流板，402、负极汇流板，403、压接铜块，404、螺栓， 5、强制风冷单元，6、参数测量及显示单元，7、铜排，8、同轴电缆，801、线芯导体，802、线芯屏蔽层，803、绝缘层，804、绝缘屏蔽层，805、线皮导体层，806、绝缘外护套；
37.a/b/c、抽头，d、公共端。
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
39.如图1所示，本实施例提供一种高压大功率可调模拟负载装置，包括电气连接的电感模拟单元2和电阻模拟单元3，所述电感模拟单元2包括级联的多个一级电感模块201，每个所述一级电感模块201包括多个并联设置的二级电感模块2011；所述电阻模拟单元3包括多个级联的一级电阻模块301，每个所述一级电阻模块301包括多个并联设置的二级电阻模块302；所述电感模拟单元2和电阻模拟单元3上分别设有多个抽头，用于调节电感参数和 /或电阻参数。
40.多个一级电感模块201级联，通过对各个一级电感模块201的组合连接，可模拟多种电感参数。系统中电感主要承受ma级的电动力，故一级电感模块201采用多个二级抽头电感并联的方式组成，可有效降低单个电感所需承受的通流大小。能量吸收主要以电阻为主，因此采用多参数高功率吸能电阻组成二级电阻模块302，多个二级电阻模块302并联组成一级电阻模块301，多个一级电阻模块301再采取多组级联的方式组成电阻模拟单元3，以模拟多种电阻参数。本实施例的装置可同时承受ma级脉冲电流和mj级能量，且可对电阻值及电感值进行灵活调节，组合负载操作方便且精度较高。
41.电感模拟单元2采用多个不同参数的高功率一级电感模块201(电抗器组)级联，通过输入汇流母排和输出汇流母排上的连接改变电抗器组串联和并联电气连接拓扑结构以产生所需要的电感量，整个电抗器组通过不同的组合形式可以实现多种电感值的电感调节。
42.因本实施例的装置额定的输出功率较大，单个电感已很难满足需求，所以考虑使用多个一级电感模块201串联及设置多种抽头用于连接的方式。多个一级电感模块201以串联的方式进行初步连接，根据测试系统的需求选择相应的电感量。在满足电气参数的基本要求以外，连接方便，便于操作者进行接线操作。下图2为举例说明，采用电感分别为xμh、yμh、zμh的三个一级电感模块201，可实现xμh、(x y)μh、(x y z)μh的电感调节。
43.如图4的结构图所示，所述电感模拟单元2包括筒状壳体202，所述筒状壳体202上设有公共端接口与抽头接口，多个所述一级电感模块201在筒状壳体202内同轴级联，多个所述一级电感模块201上的抽头分别与公共端接口、多个抽头接口一一对应连接。筒状壳体202既作为电感模拟单元2的结构支撑件，又为电感模拟单元2的内部元件提供保护，防止其
与其他元器件发生干涉。在进行电感参数选择时，通过插接不同的抽头接口，以实现对图2～4中的抽头a、b、c分别进行连接，即可灵活调整接入测试系统的电感参数。
44.如图2～3所示，将图中三个一级电感模块201进行相互串联的方式连接，每个一级电感模块201可采用多个二级抽头电感并联的方式，根据电感参数的调节需求，预留三个调节连接位置，方便抽头a、b、c分别与相应的汇流母排进行连接。输入汇流母排用于连接根据参数调节时电感模拟单元2上的各个电感抽头，输出汇流母排用于多个一级电感模块201串联后的总汇流输出，输入汇流母排与与输出汇流母排通过汇流装置汇流后连接本装置外部的功率电源部分，这极大降低了电感调节工作量，且通过设置不同的电感参数可满足各种调节的需求。电感模拟单元2对应接法如下表1所示：
45.表1 电感模拟单元连接表
[0046][0047]
系统中能量吸收主要以电阻为主，电感主要承受ma级的电动力，故一级电感模块201采用多个二级抽头电感并联的方式组成，可有效降低单个电感所需承受的通流大小。进一步的，多个所述二级电感模块2011并排设置且沿筒状壳体202的内壁均匀排布，多个所述二级电感模块2011的相邻端短接，其短接点作为电感模拟单元2的抽头设置在抽头接口处。多个二级电感模块2011并联设置形成一个一级电感模块201，每个二级电感模块2011 分担流过一级电感模块201的电流，提高电感模拟单元2的使用寿命。
[0048]
如图2所示，公共端d接输出汇流母排，抽头a与公共端d的单个二级电感模块2011电感为12xμh，抽头a与抽头b之间的单个二级电感模块2011 电感为12yμh，公共端d与抽头c之间的单个二级电感模块2011电感为12z μh。每个一级电感模块201内设置有12个单个的二级电感模块2011，其按同轴方式进行整列排布。现将公共端d与各抽头之间的电感参数计算进行举例说明：如公共端d与抽头a之间所有的二级电感模块2011分别接两个汇流母排上，则相当于12个12xμh基础电感并联组成xμh的电感，所有的二级电感模块2011的公共端d与抽头b接汇流端上，则相当于12个12(x y) μh基础电感并联组成(x y)μh的电感，(x y z)μh的电感按同样的方式组成，这样既降低了单个抽头电感设计的复杂程度，同时又有效减小寄生参数。总体上来说，相当于12个带抽头参数调节范围为12xμh～12(x y z)μh 的基础的二极电感模块并联组成所需各种电感参数。
[0049]
在电感模拟单元2的设计中，一极电感模块采用同轴结构布局的方式，减少大的电动力的影响，各个基础的二极电感模块沿圆周阵列对称分布，也使磁通更加均衡，同时也使各个并联模块通流及所受电动力更加均匀；基础元件在连接上除了连接方便以外，各个基础的二极电感模块通过铜排7直接连接至汇流母排上，铜排7的截面积设计超过150mm2，铜排7之间的连接采用高强度螺栓进行连接，以保证大电流情况下的通流可靠性要求。
[0050]
本实施例中，电阻模拟单元3采用多参数高功率吸能电阻组成二级电阻模块302，多个二级电阻模块302并联组成一级电阻模块301，一级电阻模块301再采取多组级联的方式组成，如图5所示，实现电阻可调。具体的，如图6和图7所示，所述一级电阻模块301包括至少两个并排设置的二级电阻模块302，至少两个二级电阻模块302通过铜排7并联，所述电阻
模拟单元3的抽头设置在相邻两个二级电阻模块302的公共点上；每组一级电阻模块301与一组电感模拟单元2通过铜排7可拆卸地对应连接。进一步，如图 9～11所示，每个所述二级电阻模块302包括多组同轴嵌套设置的内钢管3021 和外钢管3022，在所述二级电阻模块302的一端，所有内钢管3021的端部短接、所有外钢管3022的端部短接；在所述二级电阻模块302的另一端，所述内钢管3021和外钢管3022的端部通过铜排7连接，使得所有内钢管 3021和外钢管3022串联，此处所有钢管串联的阻值即二级电阻模块302的阻值。
[0051]
如图10所示，二级电阻模块302采用多组不锈钢管同轴对称布局的方式，该不锈钢管为非铁磁材料，加工而成的电阻除了满足阻值上的要求外，同时同轴结构的布置也使得寄生电感较小，采用多个同样的不锈钢管组件组成的二级电阻模块302进行并联组成一级电阻模块301，可进一步减少寄生电感的影响，达到近似无感的效果。采用上述方式制作的无感电阻具有结构简单、性能稳定、安全可靠、散热方便等特点。多个一级电阻模块301串联形成可调的电阻模拟单元3，在电阻模拟单元3的各个串联点上设置抽头，使得电阻调节方便.如图6所示，本实施例以两个一级电阻模块301串联为例，公共端d接输出汇流母排，抽头a与公共端d之间的一级电阻模块301 的电阻为a mω，抽头b与抽头a之间的一级电阻模块301的电阻为b mω，抽头b与公共端d之间的电阻为两个串联的一级电阻模块301的电阻之和，为(a b)mω。
[0052]
电阻参数调节时，不同连接方式的电阻值如下表2所示。
[0053]
表2 电阻模拟单元连接表
[0054][0055]
单个基础的二级电阻模块302的示意图如图8和图9所示，每个基础的二级电阻模块302选用四组不锈钢管串联阵列的方式，不锈钢的内钢管3021 同轴设置在外钢管3022的内部。
[0056]
二级电阻模块302截面如图10所示，不锈钢内外管采用同轴方式布局，则可以保证该二级电阻模块302的寄生电感最小，在每个不锈钢管的一端端头进行短接，另一端进行串联，这样可保证整体体积足够小。
[0057]
本实施例中，如图12和图13所示，所述装置还设有汇流单元4，所述电感模拟单元2和电阻模拟单元3分别通过同轴电缆8与汇流单元4电气连接。更具体的，所述汇流单元4包括正极汇流板401、负极汇流板402、压接铜块403和螺栓404，输入汇流母排设置在正极汇流板401上，输出汇流母排设置在负极汇流板402上；所述正极汇流板401和负极汇流板402的一端分别通过输入汇流母排和输出汇流母排连接外部电源，所述正极汇流板 401和负极汇流板402的另一端分别连接电感模拟单元2和/或电阻模拟单元 3；所述压接铜块403用于将同轴电缆8压接在正极汇流板401和/或负极汇流板402上，所述螺栓404通过螺纹可拆卸地设置在压接铜块403上，用于紧固压接铜块403。
[0058]
在进行结构设计的时候，考虑到整个装置进行级联时的强度，本处考虑使用高强度的螺栓404进行压接；考虑到安装工艺和保证绝对可靠的绝缘设计，正极汇流板401与负极汇流板402中间设置为绝缘支撑板，用于将二者进行分隔。绝缘支撑板采用了环氧玻璃钢，既考虑了正负极间耐压10kv的安全需求，又很好地保证了整个装置的结构强度。
[0059]
本装置的模拟负载的作用是考核和评估脉冲电源输出特性，其需要承受 ma级脉冲电流的冲击，因此模拟负载的电气特性及可靠性直接影响到脉冲电源参数评估的可信程度。对模拟负载基本要求是高通流能力和耐冲击能力。同轴电缆8常用于高压大电流场合，其采用线芯导体801，绝缘层803，线皮等多层结构，当通以大电流时，线芯电流和线皮电流产生的磁场相互抵消，减少了对外部设备的干扰。本实施例中，同轴电缆8的结构如图16所示，所述同轴电缆8包括从内而外依次同轴设置的线芯导体801、线芯屏蔽层802、硅橡胶绝缘层803、绝缘屏蔽层804、线皮导体层805和绝缘外护套806，所述线皮导体层805为均匀分布在绝缘屏蔽层804外周的若干独立导体。同轴电缆8按照500mm的转弯半径设计，将整体固定于模拟负载装置的安装架101 上，便于输出汇流及减小回路连接阻抗。
[0060]
脉冲电源通过同轴电缆8连接到汇流单元4上，汇流单元4上的输入电流通过多条同轴电缆8均匀连接在汇流单元4四周，脉冲电源的输出电流通过同轴电缆8连接到模拟负载上，模拟负载根据实际情况进行连接到汇流母排上。对汇流母排上同轴电缆8压接部分进行磁场和电动力进行仿真分析，得到在通流1ma的条件下，汇流铜排7的最大受力为163kn，最大形变为0.1mm，符合设计的期望值。
[0061]
本实施例中，如图17所示，所述装置还包括参数测量及显示单元6，所述参数测量及显示单元6与电感模拟单元2和电阻模拟单元3电气连接，用于监测并显示所述装置的参数是否在预设的阈值范围内。参数测量及显示单元6可实现对系统运行过程中的各电气参数进行监测，用以评估系统运行状态及其对运行参数实时记录，以供研究分析使用。其主要组成包括电流传感器、高精度差分高压探头、温度显示单元等。电流传感器可采用ct采样线圈套设在本模拟负载装置的电流输入端，以采样本装置运行时的电流值。可设置多个高精度差分高压探头对电感模拟单元2和电阻模拟单元3的电压分别进行监测，以更加精确地监测系统运行状况。温度监测可使用多个ntc 温度传感器对装置的多处环境温度进行检测。通过显示单元即时显示本装置的各项测量参数以及装置运行状况，当测量参数异常时，还可通过显示单元进行报警提示，以保障系统运行的安全性。
[0062]
在装置的总体结构设计上，为保证结构安全性，如图15所示，整个模拟负载装置外部将设计保护外壳1，可保护外部操作者的安全及起到防尘作用。所述外壳1上设有散热孔102，所述外壳1的内侧设有强制风冷单元5，所述强制风冷单元5采用散热风扇，散热风扇的出风端朝向散热孔102设置，用于将装置内的热空气排到外壳1外部，为装置散热，以保证电阻模拟单元 3发热后可迅速降至室温，保证相邻两次实验的重复进行。所述外壳1内设置安装架101，所述电感模拟单元2和电阻模拟单元3固定安装在安装架101 上。
[0063]
在脉冲试验中，mj级大能量是以脉冲注入的方式，在ms级时间内注入。在如此巨大的瞬态热功率作用下，模拟装置局部将产生高温，这种情况影响整个装置运行安全性，因此如何控制局部温升，采用什么样的热控技术将是高功率连发阻抗模拟装置实现的一个关键技术。本方案采用材料自散热和强制风冷相结合的热控方式，其中材料自散热用于控制局部温升，就是利用材料自己的散热特性，在保证电气参数的情况下同时又保证材料自身质量足够的情况下，保证模拟装置瞬态温度升高在一个安全范围内。强制风冷实现总吸收能量的耗散，以保证模拟装置在重频条件下稳定运行。
[0064]
在进行阻抗调节单元的结构设计时，对电感模拟单元2及电阻模拟单元 3不单独放置在两个箱体内。因为若电感及电阻部分分别单独设计箱体，电感及电阻之间必然会存
在各自汇流及相互之间连接复杂的问题，所以从结构上总体考虑，进行了如下优化设计：
[0065]
电感模拟单元2分为了12组、电阻模拟单元3也分为了12组，这样可以考虑将电阻模拟单元3和电感模拟单元2放置在同一个箱体内，这样设计电阻模拟单元3与电感模拟单元2可以就近摆放，相互之间可用铜排7进行直接连接，无需单独汇流再连接，减少了回路寄生参数，使装置整体参数更好控制。电感模拟单元2与电阻模拟单元3在装置内部通过铜排7连接好以后，统一通过两个同轴电缆8接口与汇流单元4进行连接，如图13所示。本实施例将12组电感模拟单元2和12组电阻模拟单元3均分设置在两个柜体内，其中6组电阻模拟单元3与电感模拟单元2的布局如下图13及图14 所示。
[0066]
安装架101主要用于对电感模拟单元2、电阻模拟单元3、汇流单元4 及参数测量及显示单元6的安装及集成，以保证整体结构的可靠稳定性，减少外围寄生参数的影响，同时还应保证操作者的安全及操作便捷，连接附件应包含各单元的连接铜排7、绝缘件等，确保装置整体的安全可靠。
[0067]
本安装架101设计时结构强度按照国家三级公路运输标准设计，可避免公路运输振动对内部设备的损坏，满足外场和室内试验的使用，同时在架子的四周设计了高强度的吊环，便于负载的移动与安装调试。如电阻模拟单元 3、电感模拟单元2的三维结构图及整体结构展示，安装架101采用了单面对外输出的结构，即如图13所示将汇流单元4集中在安装架101的一个侧面上，而如图14所示在安装架101的另一面进行电感和/或电阻参数的调整，另外还配备有风扇进行强制风冷散热，这样设计除了便于负载对外输出连接，也可为电阻电感参数的调节以及放电后的负载散热。
[0068]
采用以上结构布局，其优点如下：
[0069]
(1)减少了测试回路内的连接及模块单独的汇流，电阻模拟单元3及电感模拟单元2可采用短铜排7进行直接串接，使得精度上更好保证；
[0070]
(2)调节方便，分组摆放时电阻及电感的参数切换起来更便捷；
[0071]
(3)减少了电感模拟单元2之间磁场相互的影响，由于电阻模拟单元3 为同轴结构设计，所以其对外界磁场影响较小，而电感的摆放距离拉开，使得相邻电感之间的影响可以忽略；
[0072]
(4)装配及运输更加方便，12组单模块采用相同方式布局，使得单个箱体尺寸不至于过大，便于装配及移动。
[0073]
工作原理：
[0074]
本装置中多个一级电感模块201级联，通过对各个一级电感模块201的组合连接，可模拟多种电感参数。系统中电感主要承受ma级的电动力，故一级电感模块201采用多个二级抽头电感并联的方式组成，可有效降低单个电感所需承受的通流大小。能量吸收主要以电阻为主，因此采用多参数高功率吸能电阻组成二级电阻模块302，多个二级电阻模块302并联组成一级电阻模块301，多个一级电阻模块301再采取多组级联的方式组成电阻模拟单元3，以模拟多种电阻参数。本装置可同时承受ma级脉冲电流和mj级能量，且可对电阻值及电感值进行灵活调节，组合负载操作方便且精度较高。
[0075]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。