CN103107714A - 一种等离子体点火系统及其电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于等离子体发生器的电源系统，包括多脉波隔离变压器和高频开关电源柜。其中，多脉波隔离变压器与电网连接，将电网电压降压隔离后输入至所述高频开关电源柜。高频开关电源柜产生脉动直流电压并进行高频调制，从而输出恒定的直流电。采用本发明的用于等离子体发生器的电源系统能够有效提高响应速度，同时能有效降低电网谐波电流含量，提高功率因数。

Description

一种等离子体点火系统及其电源系统

技术领域

本发明涉及等离子体装置，特别涉及适用于等离子体点火系统及其电源系统。

背景技术

目前，火力发电厂煤粉锅炉的点火及稳燃通常采用燃烧燃油的方式来实现。但是，这种燃油点火方式点火时间长、耗油量大。随着世界能源日益紧张，无油点火已成为锅炉点火的研究热点。在众多的无油点火方案中，等离子体点火技术受到了业界的广泛重视。与传统的油枪点火相比，等离子体点火具有经济、环保、高效、自动化程度高等诸多优点。目前，等离子点火接稳燃技术已成功应用于数百台300MW以上的发电机组，总装机容量达到2.3亿千瓦。

与等离子体发生器相配套的电源系统对成功点火和稳然至关重要。相应的电源系统先后采用过恒压源硬特性电源串电阻和饱和电抗器调压电源。但因能量消耗依然较大、响应速度慢等缺点而难以广泛推广。当前，应用最为广泛的等离子体发生器专用电源系统采用了晶闸管器件的三相桥式整流电路结构。

本发明的发明人对现有的采用晶闸管器件的等离子体发生器专用电源系统进行了深入研究，发现存在以下问题：

由于电源负载为发生器电弧，其特性相当复杂，相应地，要求所配套的电源系统具有较快的响应速度。而现有的用于等离子体发生器的电源系统难以满足这一要求。

发明内容

本发明的发明人发现上述现有技术中存在问题，并因此针对所述问题中的至少一个问题提出了一种新的技术方案。

本发明的一个目的是提供一种用于等离子体发生器的电源系统以及包括该电源系统的等离子体点火系统的技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于等离子体发生器的电源系统，包括多脉波隔离变压器和高频开关电源柜。其中，多脉波隔离变压器与电网连接，将电网电压降压隔离后输入至高频开关电源柜。高频开关电源柜产生脉动直流电压并进行高频调制，从而输出恒定的直流电。

优选地，高频开关电源柜包括整流模块单元，该整流模块单元的电路可以采用降压式变换电路拓扑结构。

优选地，整流模块单元可包括三相整流桥、输入滤波电感、输入滤波电容、主功率开关管、续流二极管和输出滤波电感。其中，三相整流桥的输出端与输入滤波电感的输入端连接。输入滤波电感的输出端与输入滤波电容的正端和续流二极管的阴极分别连接。输入滤波电容的负端与所述主功率开关管的发射极连接。主功率开关管的集电极与续流二极管的阳极和输出滤波电感分别连接。

优选地，主功率开关管与续流二极管由绝缘栅双极型晶体管模块构成。

优选地，整流模块单元为模块化结构，多个所述整流模块单元并联连接。

优选地，高频开关电源柜还包括PLC控制单元和功率变换控制单元。其中，所述功率变换控制单元根据所述PLC控制单元的控制信号对所述整流模块单元进行控制。

优选地，功率变换控制单元采用脉冲宽度调制方式对所述整流模块单元进行闭环控制。

优选地，多脉波隔离变压器包括至少一个高压绕组和多个低压绕组，所述多个低压绕组中的相邻线圈之间的相位差相同。

优选地，多个低压绕组可以并联运行。

根据本发明的第一方面，提供了一种等离子体点火系统，包括等离子体发生器和相配套的电源系统。其中，电源系统包括多脉波隔离变压器和高频开关电源柜。多脉波隔离变压器与电网连接，将电网电压降压隔离后输入至所述高频开关电源柜。所高频开关电源柜产生脉动直流电压并进行高频调制，从而将恒定的直流电输出至所述等离子体发生器。

其中，高频开关电源柜包括PLC控制单元、功率变换控制单元和整流模块单元，功率变换控制单元根据所述PLC控制单元的控制信号对所述整流模块单元进行控制，所述整流模块单元的电路采用降压式变换电路拓扑结构。

多脉波隔离变压器包括至少一个高压绕组和多个低压绕组，所述多个低压绕组中的相邻线圈之间的相位差相同。

本发明的一个优点在于，由于采用了高频电源柜，高频开关电源柜能够产生脉动直流电压并进行高频调制，有效提高了电源系统的响应速度，能够满足等离子发生器对响应特性的要求。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：

图1是示出本发明的用于等离子体发生器的电源系统的一个实施例的结构示意图。

图2是示出图1中的整流模块的电路示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供一种电源系统，可为等离子体发生器提供恒定的直流电。本发明的电源系统包括多脉波隔离变压器和高频开关电源柜。多脉波隔离变压器与电网连接，并将电网电压降压隔离后输入至高频开关电源柜。该高频开关电源柜可产生脉动直流电压并进行高频调制，从而为等离子体发生器提供恒定的直流电。

由于本发明的电源系统设置了高频开关电源柜，该高频开关电源柜能够产生脉动直流电压并进行高频调制，因此本发明的电源系统的响应速度得到有效提高，能够满足等离子体发生器对响应特性的特殊要求，有利于成功点火和稳燃。

下面结合附图详细描述本发明的优选实施例。

图1为本发明的电源系统的一个实施例的结构示意图。如图1所示，多脉波隔离变压器2的输入端接入电网1，输出端与高频开关电源柜3电连接。高频开关电源柜3为等离子体发生器4提供恒定的直流电。

其中，多脉波隔离变压器2包括高压绕组21和多个低压绕组22。一个低压绕组22的输出端与相应的一个高频开关电源柜3保持电连接。多个低压绕组22的线圈的相邻相位之间的相位差相同。例如，可以设置4个低压绕组22，相邻低压绕组22的相位差可以为15度，并且每个低压绕组22的容量相等。

对于低压绕组22的数量，可以根据实际需要灵活设置。例如，可以只设置一个低压绕组22，使该低压绕组22单独运行。也可以设置多个低压绕组22，多个低压绕组22并行运行。这样，当与某个低压绕组22电连接的高频开关电源柜3发生故障时，其余的低压绕组22仍然能够正常运行。此外，在另外的一些实施例中，由于每台锅炉可以配置多层等离子体发生器，相应地也可根据需要设置多个电源系统。每个电源系统可包括至少一个高压绕组21和至少一个低压绕组22。此外，相邻低压绕组的线圈的相邻相位不限于15度，可以根据低压绕组的数量进行设置。

本实施例中的高频开关电源柜3包括PLC控制单元31、功率变换控制单元32和整流单元33。其中，PLC控制单元31可内置Siemens的S7-200CPU可编程控制单元，可提供全面的在线模拟量和开关量数据信息，具有完善的保护告警功能和远程数据传输和通讯接口功能。

本领域的技术人员应当明白，PLC控制单元31的内置芯片不限于上述型号，可根据实际需要和功能要求选择合适的内置芯片，只要能够满足相应的控制功能即可。

功率变换控制单元32可根据PLC控制单元31的控制信号对整流单元33进行控制。在优选方式中，功率变换控制单元31可采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)芯片并采用PWM方式对整流单元33进行闭环控制。具体地，可采用比例积分微分(Proportional Integral Derivative，PID)方式对整流单元33进行闭环控制。该功率变换控制单元32可对多种情况进行预警，例如可对输入过压、输入欠压、输出过流、过温等情况进行预警。

需要说明的是，功率变换控制单元32不限于采用PWM芯片。相应地，对整流单元33的闭环控制方式不限于脉冲宽度调制方式，也可采用双闭环等本领域公知的其他控制方式。

整流单元33可以为模块化结构，并且多个整流单元33可进行并行设置。这样，可根据实际需要调整整流单元33的数量。

图2为整流单元33的电路结构示意图。如图2所示，整流单元33的主电路采用降压式变换电路拓扑结构，可包括三相整流桥331、输入滤波电感332、输入滤波电容333、主功率开关管334、续流二极管335和输出滤波电感336。其中，三相整流桥331的输出端与输入滤波电感332的输入端连接。输入滤波电感332的输出端与输入滤波电容333的正端和续流二极管335的阴极分别连接。输入滤波电容333的负端与主功率开关管334的发射极连接。主功率开关管334的集电极与续流二极管335的阳极和输出滤波电感336分别连接。其中，主功率开关管334与续流二极管335可采用半桥结构的绝缘栅双极型晶体管模块。例如，在本实施例中，一个半桥结构模块包括两个绝缘栅双极型晶体管，其中一个绝缘栅双极型晶体管作为主功率开关管334，另一个绝缘栅双极型晶体管作为续流二极管335。

具体地，电网1的三相整流电通过三相整流桥331的整流作用以及输入滤波电感332与输入滤波电容333的滤波作用后产生脉动直流电压。功率变换控制单元32向主功率开关管334发出PWM脉冲，控制其不断导通和关断以对脉动直流电压进行调制。经过高频调制输出的高压直流电通过输出滤波电感336进行滤波后输出至等离子体发生器4。

在实际运行中，PLC控制单元31判断就地信号是否满足启动条件。该就地信号包括但不限于风信号、水信号和电极信号。既可以对全部信号进行判断，也可以对其中一个或多个信号进行判断。当就地信号满足启动条件时，PLC控制单元31向功率变换控制单元32发出启动信号。功率变换控制单元32收到该启动信号后，对整流单元33进行闭环控制。可通过PLC控制单元31预先设定输出电流值。整流单元33在功率变换控制单元32的控制下形成脉动直流电并进行高频调制，从而输出电流值为预定值的恒定直流电。此外，PLC控制单元31还可与远程分散控制系统(Distributed Control System，DCS)进行通讯。PLC控制单元31不限于上述控制功能，还可具有等离子体点火的控制功能。

通过采用本发明的电源系统至少具有以下优点：

1.由于电源系统采用了多脉波隔离变压器，可以有效降低电网的谐波电流含量，提高电源系统的功率因数，从而提高整个系统的稳定性。

2.多脉波隔离变压器结构设计使得整个电源系统的占地面积大为减小。特别是对于配置多层等离子体发生器的锅炉，可以有效减小占地面积，这不仅降低了生产成本，而且便于设备的安装和日常维护。

3.由于电源系统采用了高频开关电源柜，该高频开关电源柜能够产生脉动直流电压并进行高频调制，使得电源系统的响应速度得到有效提高，能够满足等离子体发生器对响应特性的特殊要求，有利于成功点火和稳燃。

另一方面，本发明还提供一种等离子体点火系统。该等离子体点火系统包括等离子体发生器和与之相配套的电源系统。

其中，电源系统可包括多脉波隔离变压器和高频开关电源柜。多脉波隔离变压器与电网连接，将电网电压降压隔离后输入至所述高频开关电源柜。高频开关电源柜可产生脉动直流电压并进行高频调制，从而将恒定的直流电输出至所述等离子体发生器。

电源系统中的多脉波隔离变压器包括高压绕组和多个低压绕组。一个低压绕组的输出端与相应的一个高频开关电源柜保持电连接。多个低压绕组的线圈的相邻相位之间的相位差相同。

电源系统中的高频开关电源柜可包括PLC控制单元、功率变换控制单元和整流模块单元。其中，功率变换控制单元根据PLC控制单元的控制信号对整流模块单元进行控制。所述整流模块单元的电路可以采用降压式变换电路拓扑结构。多脉波隔离变压器可包括至少一个高压绕组和多个低压绕组，多个低压绕组中的相邻线圈之间的相位差相同。

在本发明的等离子体点火系统中，由于电源系统采用了多脉波隔离变压器和高频开关电源柜，可以有效降低电网的谐波电流含量，提高电源系统的功率因数，并具有占地面积小、响应速度快等优点。

至此，已经详细描述了根据本发明的用于等离子体发生器的电源系统和包括该电源系统的等离子体点火系统。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于等离子体发生器的电源系统，其特征在于，包括多脉波隔离变压器和高频开关电源柜，其中，

所述多脉波隔离变压器与电网连接，将所述电网电压降压隔离后输入至所述高频开关电源柜；

所述高频开关电源柜产生脉动直流电压并进行高频调制，从而输出恒定的直流电。

2.如权利要求1所述的用于等离子体发生器的电源系统，其特征在于，所述高频开关电源柜包括整流模块单元，所述整流模块单元的电路采用降压式变换电路拓扑结构。

3.如权利要求2所述的用于等离子体发生器的电源系统，其特征在于，所述整流模块单元包括三相整流桥、输入滤波电感、输入滤波电容、主功率开关管、续流二极管和输出滤波电感，其中，

所述三相整流桥的输出端与所述输入滤波电感的输入端连接；

所述输入滤波电感的输出端与所述输入滤波电容的正端和所述续流二极管的阴极分别连接；

所述输入滤波电容的负端与所述主功率开关管的发射极连接；

所述主功率开关管的集电极与所述续流二极管的阳极和所述输出滤波电感分别连接。

4.如权利要求3所述的用于等离子体发生器的电源系统，其特征在于，所述主功率开关管与所述续流二极管由绝缘栅双极型晶体管模块构成。

5.如权利要求2-4中任意一项所述的用于等离子体发生器的电源系统，其特征在于，所述整流模块单元为模块化结构，多个所述整流模块单元并联连接。

6.如权利要求2所述的用于等离子体发生器的电源系统，其特征在于，所述高频开关电源柜还包括PLC控制单元和功率变换控制单元，其中，所述功率变换控制单元根据所述PLC控制单元的控制信号对所述整流模块单元进行控制。

7.如权利要求6所述的用于等离子体发生器的电源系统，其特征在于，所述功率变换控制单元采用脉冲宽度调制方式对所述整流模块单元进行闭环控制。

8.如权利要求1所述的用于等离子体发生器的电源系统，其特征在于，所述多脉波隔离变压器包括至少一个高压绕组和多个低压绕组，所述多个低压绕组中的相邻线圈之间的相位差相同。

9.如权利要求8所述的用于等离子体发生器的电源系统，其特征在于，所述多个低压绕组并联运行。

10.一种等离子体点火系统，其特征在于，包括电源系统和等离子体发生器，其中，

所述电源系统包括多脉波隔离变压器和高频开关电源柜，所述多脉波隔离变压器与电网连接，将电网电压降压隔离后输入至所述高频开关电源柜；所述高频开关电源柜产生脉动直流电压并进行高频调制，从而将恒定的直流电输出至所述等离子体发生器；

其中，所述高频开关电源柜包括PLC控制单元、功率变换控制单元和整流模块单元，所述功率变换控制单元根据所述PLC控制单元的控制信号对所述整流模块单元进行控制，所述整流模块单元的电路采用降压式变换电路拓扑结构；

所述多脉波隔离变压器包括至少一个高压绕组和多个低压绕组，所述多个低压绕组中的相邻线圈之间的相位差相同。

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