CN102695356B

CN102695356B - 脉冲射频双重点火的等离子体点火枪

Info

Publication number: CN102695356B
Application number: CN201210088901.1A
Authority: CN
Inventors: 舒小明
Original assignee: Maanshan Tongli Hydraulic Equipment Manufacturing Co ltd
Current assignee: Beijing Aerospace Environmental Engineering Co ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: CN102695356A

Abstract

本发明提供一种脉冲射频双重点火的等离子体点火枪，属于等离子产生技术领域。所述点火枪包括：柱状的内电极(1)、筒状的外电极(2)、绝缘套筒(3)、高压脉冲电源(5)、高压射频电源(16)、高频线圈(15)和控制系统(6)，其中，所述柱状的内电极(1)固定于绝缘套筒(3)的中心通孔上以将柱状的内电极(1)设置于筒状的外电极(2)中心轴线上并与外电极绝缘，所述的高压脉冲电源(5)的两输出端分别接于内电极(1)和外电极(2)上，以给内电极(1)和外电极(2)之间提供一高压脉冲电源以电离内电极(1)和外电极(2)之间的腔体内的空气，所述的高频线圈缠绕在外电极上，高频线圈的两端接高压射频电源(16)的两输出端。本发明可以进行远程控制，且升压电路中能够采用耐压较低的元器件，点火速度快，火焰稳定。

Description

脉冲射频双重点火的等离子体点火枪

技术领域

本发明涉及一种脉冲射频双重点火的等离子体点火枪，尤其涉及一种点火速度快，火焰稳定的脉冲射频双重点火的等离子体点火枪，属于等离子体发生器技术领域。

背景技术

目前，在大气压条件下能够产生的等离子体有两种，一种是热等离子体，其特征是气体温度往往很高，大约10000K量级，主要用于等离子体喷涂、切割、焊接、废物处理、材料表面加工等领域。另一种是冷等离子体，其特征是气体温度很低(接近室温)，但电子温度很高，因此具有很高的化学活性，属于非平衡等离子体。但是，常温常压下，将空气电离以产生等离子体需要的电压较大，通常需要几千伏的高压。而采用现有技术中的升压电路，要产生这么高的电压，则需要器件的耐压性较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于脉冲射频双重点火的等离子体点火枪，其可以进远程控制，且升压电路中能够采用耐压较低元器件，等离子点火速度快，火焰稳定。

为实现所述发明目的，本发明提供一种脉冲射频双重点火的等离子体点火枪，所述点火枪包括：柱状的内电极1、筒状的外电极2、绝缘套筒3、高压脉冲电源5、高压射频电源16、高频线圈15和控制系统6，其中，所述柱状的内电极1固定于绝缘套筒3的中心通孔上以将柱状的内电极1设置于筒状的外电极2中心轴线上并与外电极绝缘，所述的高压脉冲电源5的两输出端分别接于内电极1和外电极2上，以给内电极1和外电极2之间提供一高压脉冲电源以电离内电极1和外电极2之间的腔体内的空气，所述的高频线圈缠绕在外电极上，高频线圈的两端接高压射频电源16的两输出端以继续电离内电极1和外电极2之间的腔体内的空气，高压脉冲电源5包括n级级连的充放电单元，每级充放电单元包括第一电子开关以及依次相连的第一电感、电容和第二电感，第一电子开关的第一端接第一电感的第二端和电容的第一端相连的节点，第一电子开关的第二端连接第二电感的第二端，第一电子开关的控制端连接控制系统，电容的第二端与第二电感的第一端相连接，高压脉冲电源5还包括第二电子开关，第二电子开关的第一端接直流输入电压U的正极输出端，第二电子开关的第二端接充放电单元的第一级的第一电感的第一端，第二电子开关的控制端连接控制系统，直流输入电压U的负极输出端接充放电单元的第二电感的第二端，所述n为大于或者等于2的整数。

优选地，所述的第一、第二电子开关为晶体管、场效应管或者可控硅。

与现有技术相比，本发明提供的远程控制的等离子体点火枪，可通过控制器软件编程控制高压射频电源输出任意电压值，具有系统通用性。利用高压脉冲产生等离子体，等离子点火速度快，利用高压射频使腔体内的等离子体流温度升高，等离子体火焰稳定。

附图说明

图1是本发明提供的脉冲射频率双重点火的等离子体点火枪的示意图；

图2是本发明提供的高压直流电源的示意图；

图3是本发明提供的高压直流电源一种情况下的瞬时电压的波形图；

图4是本发明提供的高压直流电源另一种情况下的瞬时电压的波形图；

图5是本发明提供的高压脉冲电源的示意图；

图6是本发明提供的高压脉冲电源给电容充电时的电路示意图；

图7是本发明提供的高压脉冲电源产生瞬时高电压的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。相同的附图标记表示相同的部件。

图1是本发明提供的脉冲射频率双重点火的等离子体点火枪的示意图。如图1所示，所述点火枪包括：柱状的内电极1、筒状的外电极2、绝缘套筒3、高压脉冲电源5、高压射频电源16、高频线圈15、控制系统6和人机接口14，其中，所述柱状的内电极1固定于绝缘套筒3的中心通孔上以将柱状的内电极1设置于筒状的外电极2中心轴线上并与外电极绝缘，所述的高压脉冲电源5的两输出端分别接于内电极1和外电极2上，以给内电极1和外电极2之间提供一高压脉冲电源以电离内电极1和外电极2之间所形成的腔体内的空气，所述的高频线圈缠绕在外电极2上，高频线圈的两端接高压射频电源16的输出端。外电极下端具有用于将高温等离子体流喷出腔体的喷嘴，以点燃可燃物质，如煤、油、混合气等。所述的高压射频电源16包括频率合成器10、射频放大器11、匹配调谐器12、耦合输出器13以及高压直流电源9，其中，频率合成器10用于产生一高频小信号，射频放大器11用于将高频小信号进行功率放大，匹配调谐器12用于调谐及阻抗变换以使射频放大器11输出的高频大功率信号的工作频率与高频小信号的工作频率相等并将耦合输出器13的输入阻抗变换为射频放大器11输出最大功率时阻抗，耦合输出器13将高频大功率信号耦合到高频线圈15上以进一步使电极1和外电极2之间的腔体内的离子进行高频振荡以使等离子体内的温度进一步升高。高压直流电源用于给射频放大器11和频率合成器10提供电能，该直流电能的输出电压可根据用户需要通过远程编程的方式进行设定。用户通过人机接口14设定控制系统6。控制系统6分别根据采集频率合成器10、射频放大器11、匹配调谐器12或者耦合输出器13的输出的信号来控制它们的工作状态。

图2是本发明提供的高压直流电源的示意图。如图2所示，所述高压直流电源5包括n级直流电压单元M₀、M₁，M₂…和M_N，n＝N+1，各直流电压单元通过N个续流线圈L₀₁、L₁₂、L₂₃...级联，控制系统6能够远程控制各直流电压单元的通断以给内电极和外电极施加所需要的高压直流电能，所述n为大于或者等于4的整数。所述外电极2的上设置有通风管4，以将空气、水汽等注入到内、外电极之间所形成的腔室内。

所述的控制系统6包括一个控制器7和n个光发射器OT₀、OT₁、OT₂…和OT_N，N＝n-1。所述的高压直流电源9还包括变压器和n个光接收器OR₀、OR₁、OR₂…OR_N，所述变压器包括一个初级线圈和n个次级线圈，以将220伏交流工频电压变换为所需要的交流电压。所述的光发射器将控制器输出的控制信号转换成光信号以通过光纤传输到对应的光接收器。所述的光接收器接收对应的光发射器发射的光信号并将接收的光信号转换成控制驱动级的电信号以此实现处于悬浮电压之上的各级直流单元与低电平控制部分的高电压隔离。

更具体地说，第一个直流电压单元M₀包括变压器次级的第一个线圈L₀、一个整流器R₀、一个续流二极管D₀、一个电子开关和一个驱动级P₀，电子开关为CMOS管CMOS₀，所述整流器R₀的正极连接于变压器次级的第一个线圈L₀的第一端，整流器R₀的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管D₀的正极连接到CMOS管CMOS₀的漏极，CMOS管CMOS₀的源极连接到变压器次级的第一个线圈L₀的第二端，CMOS管CMOS₀的栅极连接到驱动级P₀，由驱动级P₀根据光接收器OR₀所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOS₀的通断。CMOS管CMOS₀工作于开关状态，当CMOS管CMOS₀的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOS₀导通，第一个线圈L₀的第二端相当于接到续流二极管D₀的正极。整流器R₀将第一个线圈L₀输出的交流电压u₀整流为直流电压U₀。续流二极管D₀两端的电压为U₀，上端为正，下端为负。当CMOS管CMOS₀的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOS₀截止。续流二极管D₀两端的电压为二极管结电压。

同理，第二个直流电压单元M₁包括变压器次级的第二个线圈L₁、一个整流器R₁、一个续流二极管D₁、一个电子开关和一个驱动级P₁，电子开关为CMOS管CMOS₁，所述整流器R₁的正极连接于变压器次级的第二个线圈L₁的第一端，整流器R₁的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管D₁的正极连接到CMOS管CMOS₁的漏极，CMOS管CMOS₁的源极连接到变压器次级的第二个线圈L₁的第二端，CMOS管CMOS₁的栅极连接到驱动级P₁，由驱动级P₁根据光接收器OR₁所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOS₁的通断。CMOS管CMOS₁工作于开关状态，当CMOS管CMOS₁的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOS₁导通，第二个线圈L₁的第二端相当于接到续流二极管D₁的正极。整流器R₁将第二个线圈L₁输出的交流电压u₁整流转换为直流电压U₁。续流二极管D₁两端的电压为U₁，上端为正，下端为负。当CMOS管CMOS₁的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOS₁截止。续流二极管D₁两端的电压为二极管结电压。

第三个直流电压单元M₂包括变压器次级的第二个线圈L₂、一个整流器R₂、一个续流二极管D₂、一个电子开关和一个驱动级P₂，电子开关为CMOS管CMOS₂，所述整流器R₂的正极连接于变压器次级的第三个线圈L₂的第一端，整流器R₂的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管D₂的正极连接到CMOS管CMOS₂的漏极，CMOS管CMOS₂的源极连接到变压器次级的第三个线圈L₂的第二端，CMOS管CMOS₂的栅极连接到驱动级P₂，由驱动级P₂根据光接收器OR₂所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOS₂的通断。CMOS管CMOS₂工作于开关状态，当CMOS管CMOS₂的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOS₂导通，第三个线圈L₂的第二端相当于接到续流二极管D₂的正极。整流器R₂将第三个线圈L₂输出的交流电压u₁转换直流电压U₂伏。续流二极管D₁两端的电压为U₂，上端为正，下端为负。当CMOS管CMOS₀的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOS₂截止。续流二极管D₂两端的电压为二极管结电压。

依次类推，第n个直流电压单元M_N包括变压器次级的第n个线圈L_N、一个整流器R_N、一个续流二极管D_N、一个电子开关和一个驱动级P_N，电子开关为CMOS管CMOS_N，所述整流器R_N的正极连接于变压器次级的第n个线圈L_N的第一端，整流器R_N的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管D_N的正极连接到CMOS管CMOS_N的漏极，CMOS管CMOS_N的源极连接到变压器次级的第n个线圈L_N的第二端，CMOS管CMOS_N的栅极连接到驱动级P_N，由驱动级P_N根据光接收器OR_N所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOS_N的通断。MOS管CMOS_N工作于开关状态，当CMOS管CMOS_N的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOS_N导通，第n个线圈L_N的第二端相当于接到续流二极管D_N的正极。整流器R_N将第n个线圈L_N输出的交流电压u_N转换直流电压U_N伏。续流二极管D_N两端的电压为U_N，上端为正，下端为负。当CMOS管CMOS_N的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOS_N截止。续流二极管D_N两端的电压为二极管结电压。

第1个直流电压单元M₀与第2个直流电压单元M₁之间用续流线圈L₀₁连接，即续流线圈L₀₁连接于续流二极管D₀的负极和续流二极管D₁的正极之间；第2个直流电压单元M₁与第3个直流电压单元M₂之间用续流线圈L₁₂连接，即续流线圈L₁₂连接于续流二极管D₁的负极和续流二极管D₂的正极之间，依次类推，第3个直流电压单元M₂与第4个直流电压单元M₃之间用续流线圈L₂₃相连接。如此，如果每个直流电压单元M₀、M₁、M₂、…和M_N的电子开关均同时导通的情况下，高压直流电源9总的输出总电压为U_总＝U₀+U₁+U₂+…+U_N。高压直流电源9还包括滤波电感L和滤波电容C，以将滤除U_总中的开关频率成分。

本发明提供的等离子点火枪，在时钟脉冲控制下，控制系统6经过取样电路(电阻分压)得到的输出电压样值与参考信号的电压进行比较，采样电压小于设定电压时，控制器发出指令，开启一个直流电压单元，使高压直流电源输出电压升高；在下一个时钟周期，如果采样电压仍小于参考信号电压，控制器发出指令，再开启一个直流电压单元，继续使高压电源输出电压升高；直到采样电压大于设定电压，控制器发出指令，关闭一个直流单元，使高压电源输出电压降低，直到采样电压等于设定电压。本发明提供的等离子点火枪，还能够在时钟脉冲控制下，控制系统6使其中一部分直流电压单元(假如总直流电压单元为12，即n＝12的情况下)，如使M₀、M₁…和M₅在一个时钟周期T的第一个时间段[t₁，t₂]工作，使其中另一部分直流电压单元M₅、M₆…和M₁₁在一个时钟周期T的第二个时间段[t₂，t₃]工作，其中，t₃-t₂＝t₂-t₁，t₃-t₁＝T，则在每一级的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为如图3所示，本发明提供的等离子点火枪，还能够在时钟脉冲控制下，控制系统6使其中一部分直流电压单元(，如M₀、M₁…和M₅在一个周期T的第一个时钟段[t₁，t₂]前半段时间工作，在第一个时间时钟段[t₁，t₂]后半段时间截止；使其中另一部分直流电压单元M₅、M₆…M₁₁在一个周期T的第二个时间段[t₂，t₃]前半段时间时钟工作，在第二个时间段[t₂，t₃]的后半段时间时钟截止，其中，t₃-t₂＝t₂-t₁，t₃-t₁＝T，则在每一级的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为

如果控制系统6使其中一部分直流电压单元(假如总直流电压单元为12，即n＝12的情况下)，如M₀、M₁…和M₃在一个周期T的第一个时间段[t₁，t₂]工作，使其中第二部分直流电压单元M₄、M₅…和M₇在一个周期的第二个时间段[t₂，t₃]工作，使其中第三部分直流电压单元M₈、M₉…和M₁₁在一个周期T的第三个时间段[t₃，t₄]工作，其中，t₄-t₃＝t₃-t₂＝t₂-t₁，t₄-t₁＝T，则在每一级的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为如图4所示，本发明提供的等离子点火枪，还能够在时钟脉冲控制下，控制系统6使其中一部分直流电压单元，如M₀、M₁…和M₃在一个周期T的第一个时间段[t₁，t₂]前半时间段内工作，在第一个时间段[t₁，t₂]后半时间段内截止；使其中第二部分直流电压单元M₄、M₅…和M₇在一个周期的第二个时间段[t₂，t₃]的前半时间段内工作，在第二个时间段[t₂，t₃]的后半时间段内截止；使其中第三部分直流电压单元M₈、M₉…M₁₁在一个周期T的第三个时间段[t₃，t₄]前半时间段内工作，在第三个时间段[t₃，t₄]的后半时间段内截止，其中，t₄-t₃＝t₃-t₂＝t₂-t₁，t₄-t₁＝T，则在每一级的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为

本发明提供的等离子点火枪，对直流电压单元的开关控制遵循以下规则：需要开启一个直流电压单元时，总是开启处于关闭状态的时间最久的那个直流电压单元；需要关闭一个直流电压单元时，总是关闭处于开启状态的时间最久的那个直流电压单元。这样的开关控制规则带来两个好处：(1)每个开关模块工作时间区域均等，等效负荷均衡；(2)对一定的时钟脉冲频率，每个直流电压单元的电子开关的开关频率大幅度降低。以直流参考信号为例，如果时钟脉冲频率为f，高压电源由n个直流电压单元构成，则每个直流电压单元电子开关的实际开关频率为f/n。

本发明中在高压直流电源中引入续流二极管，使得各个直流电压单元的电子开关可以独立控制，无需同时导通或截止。某个直流单元的电子开关导通时，其输出电压是串联接入；电子开关截止时，其它直流单元通过续流二极管向外电路输出电压(电流)，即续流二极管的作用是在电子开关的截止状态，提供电流通路。续流线圈的作用是抑制电子开关导通或截止瞬间的暂态脉冲干扰；另一方面，所有续流线圈的等效自感系数，也参与构成后级滤波电路。如此，我们可以根据需要通过控制器设置所需要的高压电源。同时采用直流电压单元相串联的形成以形成所需要的高压，则每级直流电压单元的元器件不需要耐压值很高，即可完成升压变换。

图5是本发明提供的高压脉冲电源的示意图。如图5所示，高压脉冲电源5包括级连的N级充放电单元。第一级充放电单元包括电子开关T₁和依次相连的电感L₁₁、电容C₁和电感L₁₂，电子开关T₁的第一端连接到电感L₁₁的第二端和电容C₁的第一端相连的节点，电子开关T₁的第二端连接到电感L₁₂的第二端和变压器次级相连的节点，电子开关T₁的控制端连接到控制系统6。电容C₁的第二端和电感L₁₂的第一端相连。第二级充放电单元包括电子开关T₂和依次相连的电感L₂₁、电容C₂和电感L₂₂，电子开关T₂的第一端连接到电感L₂₁的第二端和电容C₂的第一端相连的节点，电子开关T₂的第二端连接到电感L₂₂的第二端和电感L₁₂的第一端相连的节点，电子开关T₂的控制端连接到控制系统6。电容C₂的第二端和电感L₂₂的第一端相连。依次类推，第n级充放电单元包括电子开关T_N和依次相连的电感L_N1、电容C_N和电感L_N2，电子开关T_N的第一端连接到电感L_N1的第二端和电容C_N的第一端相连的节点，电子开关T_N的第二端连接到电感L_N2的第二端，电子开关T_N的控制端连接到控制系统6。电容C_N的第二端和电感L_N2的第一端相连。高压脉冲电源5还包括电子开关T_总，电子开关T_总的第一端接直流输入电压U的正极输出端，电子开关T_总的第二端接充放电单元的第一级的电感L₁₁的第一端，电子开关T_总的控制端连接到控制系统6。本发明提供的直流输入电压U是通过将220伏交流工频电压经变器tr变压为所需要的交流电压，而后经二级管D整流，经电容C_总滤波得到的。

图6是本发明提供的高压脉冲电源给电容充电时的示意图。如图6所示，充电时，控制系统发出控制指令，使电子开关T_总导通，电子开关T₁、T₂、…和T_N同时截止，电压U同时给电容C₁、C₂、…和C_N，电容C₁、C₂、…和C_N两端的充电电压均为U。

图7是本发明提供的高压脉冲电源产生瞬时高电压电路示意图。如图7所示，放电时，控制系统发出控制指令，使电子开关T_总截止，电子开关T₁、T₂、…和T_N同时导通，则电容C₁、C₂、…和C_N两端的充电电压瞬时叠加，总电压为nU，该电压给内电极1和外电极2之间提供一瞬时高电压以电离内电极1和外电极2之间的腔体内的空气。

可选地，电子开关可以为CMOS管、晶体管或可控硅。

由于本发明提供的高压射频电源可以通过控制器软件编程其输出任意电压值，所以等离子体点火枪的火焰温度可以根据需要进行设定。而产生高电压的直流和脉冲电源是通过多级级联而成的，故可以采用耐压值较低的元器件来完成低电压到高电压的变换。

虽然以上已结合附图对按照本发明目的的构思和实例作了详尽说明，但本领域技术人员应当认识到，在没有脱离本发明构思的前提下，任何基于本发明作出的改进和变换仍然属于本发明保护范围内的内容。

Claims

1.一种脉冲射频双重点火的等离子体点火枪，所述点火枪包括：柱状的内电极(1)、筒状的外电极(2)、绝缘套筒(3)、高压脉冲电源(5)、高压射频电源(16)、高频线圈(15)和控制系统(6)，其中，所述柱状的内电极(1)固定于绝缘套筒(3)的中心通孔上以将柱状的内电极(1)设置于筒状的外电极(2)中心轴线上并与外电极绝缘，所述的高压脉冲电源(5)的两输出端分别接于内电极(1)和外电极(2)上，以给内电极(1)和外电极(2)之间提供高压脉冲电源以电离内电极(1)和外电极(2)之间的腔体内的空气，所述的高频线圈缠绕在外电极上，高频线圈的两端接高压射频电源(16)的两输出端，其特征在于，高压脉冲电源(5)包括N级充放电单元，第一级充放电单元包括电子开关T₁和依次相连的电感L₁₁、电容C₁和电感L₁₂，电子开关T₁的第一端连接到电感L₁₁的第二端和电容C₁的第一端相连的节点，电子开关T₁的第二端连接到电感L₁₂的第二端和变压器次级相连的节点，电子开关T₁的控制端连接到控制系统(6)，电容C₁的第二端和电感L₁₂的第一端相连；第二级充放电单元包括电子开关T₂和依次相连的电感L₂₁、电容C₂和电感L₂₂，电子开关T₂的第一端连接到电感L₂₁的第二端和电容C₂的第一端相连的节点，电子开关T₂的第二端连接到电感L₂₂的第二端和电感L₁₂的第一端相连的节点，电子开关T₂的控制端连接到控制系统(6)，电容C₂的第二端和电感L₂₂的第一端相连，电感L₂₁的第一端连接到电感L₁₁的第二端，依次类推，第N级充放电单元包括电子开关T_N和依次相连的电感L_N1、电容C_N和电感L_N2，电子开关T_N的第一端连接到电感L_N1的第二端和电容C_N的第一端相连的节点，电子开关T_N的第二端连接到电感L_N2的第二端，电子开关T_N的控制端连接到控制系统(6)，电容C_N的第二端和电感L_N2的第一端相连；高压脉冲电源(5)还包括电子开关T_总，电子开关T_总的第一端接直流输入电压U的正极输出端，电子开关T_总的第二端接充放电单元的第一级的电感L₁₁的第一端，电子开关T_总的控制端连接到控制系统(6)，所述N为大于或者等于2的整数；所述的高压射频电源包括频率合成器、射频放大器、匹配调谐器、耦合输出器以及高压直流电源，其中频率合成器用于产生高频小信号，射频放大器用于将高频小信号进行功率放大，匹配调谐器用于调谐及阻抗变换以使射频放大器输出的高频大功率信号的工作频率与高频小信号的工作频率相等并将耦合输出器输入阻抗变换为射频放大器输出最大功率时阻抗，耦合输出器将高频大功率信号耦合到高频线圈上，所述的高压直流电源用于给射频放大器和频率合成器提供电能。

2.根据权利要求1所述的等离子体点火枪，其特征在于，所述的电子开关为晶体管、场效应管或者可控硅。