CN101271345A - 等离子点火大功率开关电源 - Google Patents

Abstract

一种等离子点火大功率开关电源，属于开关电源。该等离子电源，设定工作电流，设定的电流信号经过主控制器同时控制多组并联的电源模块，每一组独立的电源模块按照主控制器分配的电流信号输出电流，最后并联输出正常的工作电流；单组电源模块化；多组电源模块并联的工作方式；多组电源模块并联的均流方式为主从方式；单组电源模块的控制模式为平均电流模式；功率冗余技术。该开关电源用于在煤粉锅炉中直接点燃煤粉的等离子发生器提供大功率直流电源；为多组开关电源并联；输出为高电压、大电流；多组并联的均流方式为主从方式；单组电源的控制模式为平均电流模式；采用功率冗余技术，提高可靠性；具有恒电流的特性；体积减小，重量减轻；工作频率高，响应速度快；损耗很小，工作效率高；单组电源采用模块化设计，扩展容易。

Description

等离子点火大功率开关电源

所属技术领域

本发明步及一种煤粉锅炉点火用开关电源，特别是在煤粉锅炉点火、稳燃、助燃时直接点燃煤粉用等离子点火大功率开关电源。

背景技术

目前，电站燃煤锅炉启动时通用的点火方式是：先用点火装置点燃燃油燃烧器进行升温、升压，当锅炉各相关参数达到投粉要求时，启动制粉系统和煤粉燃烧器，实现带负荷运行；当锅炉负荷降低到50％左右时，还须投油稳燃才能保证锅炉正常运行。据统计，电力系统每年用于电站锅炉点火、稳燃、助燃用油高达近千万吨，占全国总燃油量的15％，价值数百亿元，消耗了大量燃油资源。

近几年来，国内外一些科研单位和企业，致力于研究等离子点火系统用于燃煤锅炉的点火和稳燃，其等离子点火燃烧装置在一些电厂得到运用，但也存在不少问题，在等离子电源上存在的主要问题是：其使用的电源为可控硅整流电源，需要大功率的工频隔离变压器和电抗器，庞大而笨重；可控硅整流电源的电力电子器件工作在工频，响应速度慢；隔离变压器和电抗器的体积大，工作频率低，损耗大，造成电源的效率偏低。

发明内容

为了克服现在等离子点火电源的上述问题，本发明提供一种响应速度快、体积小、工作频率高、效率高的等离子点火大功率开关电源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该等离子电源，设定工作电流，设定的电流信号经过主控制器同时控制多组并联的电源模块，每一组独立的电源模块按照主控制器分配的电流信号输出电流，最后并联输出正常的工作电流；

单组电源模块化；多组电源模块并联的工作方式；多组电源模块并联的均流方式为主从方式；单组电源模块的控制模式为平均电流模式；功率冗余技术。

单组电源模块化，每个电源模块的体积及输入、输出接口完全相同，便于电源模块的更换、维修、扩展。

多组电源模块并联的工作方式，并联的电源模块输出端连接在一起，每一组电源模块的输入端均与主控制器连接，受主控制器的控制，主控制器的输入信号与每一个电源模块的反馈信号混合后控制电源模块的输出电流，电源模块的输出电流被均衡分配，每一组电源模块的输出端均连接在一起，为电源的输出端。

多组电源模块并联的均流方式为主从方式，在系统中设置一个主控制器，在主控制器设定各电源模块的控制电流，用来控制各个模块电源的输出电流，控制输出电流相等。

功率冗余技术，提高可靠性，开关电源采用N+1个电源并联构成的电源向负载供电，每个电源的功率为负载所需功率的1/N，当某一组电源发生故障时，供电不中断，仅仅是最大供电能力有所下降，不会严重影响负载的正常工作。

单组电源模块的控制模式为平均电流模式，在输出电压闭环的控制系统中，增加电流反馈控制，平均电流模式控制采用PID调节器作为电流调节器，并将调节器输出的控制量与锯齿波信号相比较，得到周期固定、占空比变化的PWM信号，用以控制开关的通与断。

单组电源模块的开关器件采用IGBT代替可控硅，变压器采用纳米晶磁性材料，电抗器采用非晶材料，冷却方式为强制风冷；输出电压在300V以上，输出电流在300A以上，功率为25KW，工作频率为20KHZ；采用N+1个开关电源多组并联的方式向负载供电，每个电源的功率为负载所需功率的1/N。

单组电源模块由整流二极管(2)、电容(3)、IGBT(4)、高频变压器(5)、高频整二极管(6)、电抗器(7)、保护控制驱动电路顺序电连接构成，三相交流经6个整流二极管整流和电容滤波后变成直流，再由4个IGBT组成的全桥电路逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压，逆变器输出经高频变压器隔离并变换成合适的交流电压，经过14个高频整流二极管整流和电抗器滤波变成所需要的直流输出电压，提供给等离子弧。

有益效果：由于采用了上述技术，采用多组开关电源并联的工作方式，功率扩展容易；采用功率冗余技术，提高可靠性；输出为高电压、大电流；采用PID控制PWM的脉冲宽度；采用主从方式均流；输出为恒流特性。本发明达到了如下效果：体积减小，重量轻；工作频率高，响应速度快；损耗很小，工作效率高。

在电源模块的输出电压闭环的控制系统中，采用电流反馈控制，电流反馈模式控制有以下几个优点：系统的稳定性增强，系统动态特性改善，具有快速限制电流的能力。

由于开关电源的开关器件采用IGBT代替可控硅，其工作频率在20KHZ以上，工作频率提高了400倍以上，由于电源工作频率的提高，可以使电源的体积减小，重量减轻；

由于采用高频逆变技术，变压器的工作频率大大提高，使变压器和电抗器的体积和重量大大减小，从而使变压器的电抗器的各种损耗比工频时小很多；

由于电源工作频率的提高，控制周期由可控硅整流电路的毫秒级提高到微秒级，动态响应迅速；因此本发明电源能适应于非接触高频引弧、触针引弧、接触引弧等各种引弧方式；

由于采用功率冗余技术，整套电源的可靠性得到大幅度提高；

由于采用多组并联工作方式，开关电源在需要扩展功率时，只要增加相应数量的单组电源模块，然后对主控器进行设定即可实现扩展。

附图说明

图1是本发明的总体控制原理方框图。

图2是本发明的单组电源模块控制原理方框图。

图3是本发明的单组电源模块的主电路原理图。

图4是本发明的单组电源模块的控制保护驱动电路原理图。

图3中，1、交流输入；2、整流二极管；3、电容；4、IGBT；5、高频变压器；6、高频整流二极管；7、电抗器；8、等离子弧。

图4中，控制部分分为电源供应、PID调节、PWM产生、IGBT驱动保护、电源的启动停止控制和保护显示电路等。

具体实施方式

实施例1：该等离子电源，设定工作电流，设定的电流信号经过主控制器同时控制多组并联的电源模块，每一组独立的电源模块按照主控制器分配的电流信号输出电流，最后并联输出正常的工作电流；

该大功率开关电源，采用多组并联的方式；单组电源采用模块化设计，扩展容易；多组并联的均流方式为主从方式；单组电源的控制模式为平均电流模式；功率冗余技术，提高可靠性。

多组并联的方式，这并不是简单地将多个电源的输出端接在一起，几个结构相同的电源并联运行时，输出端连接在一起，输出端电压被强制相等，由于各自参数的分散性，使得有的电流较大，有的很小，使得电源的寿命衰减不一致，为了提高可靠性，必须使各电源的输出电流分配均衡。

对单组电源采用模块化设计技术，每个模块的体积、输入输出接口完全相同，便于电源模块的更换和维修。单组电源包括整流二极管、电容、IGBT、高频变压器、高频整流二极管、电抗器、散热器、冷却风机、控制保护驱动电路。

在本系统中采用主从方式均流，系统中设置一个主控制器，主控制器根据总设定电流的要求分配给各电源一个电流参考信号，用来控制各个电源的输出电流，由于每个电源的电流参考信号都相等，因此输出电流也相等。

功率冗余技术，开关电源采用N+1个电源并联构成的电源向负载供用，每个电源的功率为负载所需功率的1/N，当某一组电源发生故障时，供电并不中断，仅仅是最大供电能力有所下降，不会严重影响负载的正常工作。

平均电流模式控制，其基本思想是在输出电压闭环的控制系统中，增加了电流反馈控制，电流模式控制的引入给开关电源的控制性能带来了一次革命性飞跃。平均电流模式控制采用PI调节器作为电流调节器，并将调节器输出的控制量与锯齿波信号相比较，得到周期固定、占空比变化的PWM信号，用以控制开关的通与断，电流模式控制有以下几个优点：系统的稳定性增强，系统动态特性改善，具有快速限制电流的能力。

由于受开关器件、磁性材料的性能限制，单组开关电源的功率以25KW为宜，开关电源的工作频率为20KHZ，电源的开关器件采用IGBT，变压器采用纳米晶磁性材料，电抗器采用非晶材料，冷却方式为强制风冷。

在图1中，本发明的等离子点火大功率开关电源的工作过程如下：人工设定等离子电源的工作电流，设定的电流信号经过主控制器，分配到各独立的电源模块，电源模块接收到电流信号以后，按照分配的信号输出电流，最后并联输出正常的工作电流。

实施例2：在图2中，本发明的等离子点火大功率开关电源的单组电源模块的工作过程如下：主控制器输出的是流信号作为设定信号，和单组的输出电流信号进行比较，输出一个误差信号，指示本组实际输出电流和分配到本组电流的差别，进入PID调节器进行运算，输出一个控制信号，送PWM电路，PWM电路根据控制信号产生相应脉冲宽度，以调节IGBT输出，使本组输出电流和分配到的电流相等。

单组电源模块设有检测电路和保护电路，对电压信号、温度信号、电流信号进行检测，并和IGBT错误信号一起，产生一个故障信号，封锁PWM输出。在不发生任何故障时，主控电路发来的启动信号加在PWM控制端，允许PWM输出。

其它与实施例1同，略。

实施例3：在图3中，实现本发明的等离子点火大功率开关电源专用的单组电源模块的主电路原理如下：

三相交流输入1经六个整流二极管2整流和电容3滤波后变成直流，再由四个IGBT4组成的全桥电路逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压，全桥电路逆变器由控制驱动保护电路驱动，逆变器输出经高频变压器5隔离并变换成合适的交流电压，经过四个高频整流二极管6整流和电抗器7滤波变成所需要的直流输出电压，提供给等离子弧8。

实施例4：在图4中，实现本发明的等离子点火大功率开关电源专用的单组电源模块的控制驱动保护电路原理如下：

主控电路发来的启动停止信号控制电路启动停止和电流大小。在主控电路发送启动信号以后，电流信号经过PID电路调整，送出控制信号到PWM产生电路，产生PWM输出，PWM信号送IGBT驱动保护电路，形成IGBT驱动信号，驱动全桥电路逆变器工作，同时保护IGBT，电源启动停止及保护显示电路，控制单组电源的工作状态并进行显示，电源供应电路提供整个控制电路的电压供应。

Claims (8)

1、一种等离子点火大功率开关电源，由整流器件、变压器、开关器件、电抗器等组成，其特征是：该等离子电源，设定工作电流，设定的电流信号经过主控制器同时控制多组并联的电源模块，每一组独立的电源模块按照主控制器分配的电流信号输出电流，最后并联输出正常的工作电流；

单组电源模块化；多组电源模块并联的工作方式；多组电源模块并联的均流方式为主从方式；单组电源模块的控制模式为平均电流模式；功率冗余技术。

2、根据权利要求1所述的等离子点火大功率开关电源，其特征是：单组电源模块化，每个电源模块的体积及输入、输出接口完全相同，便于电源模块的更换、维修、扩展。

3、根据权利要求1所述的等离子点火大功率开关电源，其特征是：多组电源模块并联的工作方式，并联的电源模块输出端连接在一起，每一组电源模块的输入端均与主控制器连接，受主控制器的控制，主控制器的输入信号与每一个电源模块的反馈信号混合后控制电源模块的输出电流，电源模块的输出电流被均衡分配，每一组电源模块的输出端均连接在一起，为电源的输出端。

4、根据权利要求1所述的等离子点火大功率开关电源，其特征是：多组电源模块并联的均流方式为主从方式，在系统中设置一个主控制器，在主控制器设定各电源模块的控制电流，用来控制各个模块电源的输出电流，控制输出电流相等。

5、根据权利要求1所述的等离子点火大功率开关电源，其特征是：功率冗余技术，提高可靠性，开关电源采用N+1个电源并联构成的电源向负载供电，每个电源的功率为负载所需功率的1/N，当某一组电源发生故障时，供电不中断，仅仅是最大供电能力有所下降，不会严重影响负载的正常工作。

6、根据权利要求1所述的等离子点火大功率开关电源，其特征是：单组电源模块的控制模式为平均电流模式，在输出电压闭环的控制系统中，增加电流反馈控制，平均电流模式控制采用PID调节器作为电流调节器，并将调节器输出的控制量与锯齿波信号相比较，得到周期固定、占空比变化的PWM信号，用以控制开关的通与断。

7、根据权利要求1所述的等离子点火大功率开关电源，其特征是：单组电源模块的开关器件采用IGBT代替可控硅，变压器采用纳米晶磁性材料，电抗器采用非晶材料，冷却方式为强制风冷；输出电压在300V以上，输出电流在300A以上，功率为25KW，工作频率为20KHZ；采用N+1个开关电源多组并联的方式向负载供电，每个电源的功率为负载所需功率的1/N。

8、一种实现等离子点火大功率开关电源专用的电源模块，其特征是：单组电源模块由整流二极管(2)、电容(3)、IGBT(4)、高频变压器(5)、高频整二极管(6)、电抗器(7)、保护控制驱动电路顺序电连接构成，三相交流经6个整流二极管整流和电容滤波后变成直流，再由4个IGBT组成的全桥电路逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压，逆变器输出经高频变压器隔离并变换成合适的交流电压，经过14个高频整流二极管整流和电抗器滤波变成所需要的直流输出电压，提供给等离子弧。

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