CN104578822A - 适于大流量等离子体发生器的高压交流电源装置 - Google Patents

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余红君
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Abstract

本发明公开了适于大流量等离子体发生器的高压交流电源装置，其中防雷防电脉冲群电路、差模共模滤波电路、整流电路、缓冲储能滤波电路、全桥逆变电路、高频谐振变压器依次连接；辅助供电电路、输入电流电压传感器、输出电流传感器、输出电压传感器、温度传感器分别连接到PWM控制电路；PWM控制电路分别与驱动电路、显示系统、PLC控制信号电路连接；驱动电路与全桥逆变电路连接；输出电流传感器与高频谐振变压器连接。输出电压传感器与高频谐振变压器连接。本发明的电源功率可以调节，频率范围2K～50KHZ，输出高压峰值达到7.5～25KV；其与配套的等离子体发生器高效动态匹配，可以产生密度较高的等离子体。

Description

适于大流量等离子体发生器的高压交流电源装置
技术领域
本发明涉及一种适于大流量等离子体发生器的高压交流电源装置。
背景技术
雾霾和有毒有害气体已经严重影响人们的生活，工业飞速发展的同时，给地区、人类也带来废气和有毒气体，这些不仅影响生活质量，更可怕的是威胁身心健康。废气治理刻不容缓，特别新技术的加入使人类看到了实在的效果。等离子体废气治理技术成为废气治理高效高新技术。
现有的利用等离子体进行空气进化，废气治理，层次不穷，严格意义上说部分技术谈不上是等离子体技术，仅仅是臭氧发生器，产生臭氧分子，而后进行氧化反应净化空气而已，或者产生很少量的等离子体，如电子、离子等，无法满足工业上大量废气所对应的大流量等离子体的需求。
中国专利申请号201310419297.0公开了一种驱动DBD 等离子体源组的分配式高频高压电源装置，该装置单模块输出功率300W，单机输出电压幅度、功率等级和三相供电等条件受到限制，供电环境如单相供电地区以及其他更高要求将无法实现。
目前行业，高压交流电源多数实行独立工作，单独控制，出现故障不能有效避免与反馈。
等离子体发生器使用的高压交流电源，型号各异，现有的高压交流电源在浪涌电流抑制、防雷设计和防电快速脉冲群，差模、共模滤波以及电源本身产生谐波对供电源等周边设备电磁干扰措施还不够完善，谐波污染比较严重，没有得到及时处理与控制，对设备安全稳定运行存在隐患。
目前高压电源形式多样，有些厂家用的是半控型器件，如可控硅控制，利用效率底。
有些电源主电路没有缓冲电路，对电路冲击大，容易跳闸，影响供电稳定；有些使用可控硅控制，控制电路复杂受到限制；有些使用延时继电器，增加成本而且比较占用空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适于大流量等离子体发生器的高压交流电源装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：适于大流量等离子体发生器的高压交流电源装置，包括防雷防电脉冲群电路、差模共模滤波电路、整流电路、缓冲储能滤波电路、全桥逆变电路、高频谐振变压器、辅助供电电路、PWM控制电路、驱动电路、输入电流电压传感器、输出电流传感器、输出电压传感器、温度传感器、显示系统、PLC控制信号电路；
防雷防电脉冲群电路、差模共模滤波电路、整流电路、缓冲储能滤波电路、全桥逆变电路、高频谐振变压器依次连接；
辅助供电电路、输入电流电压传感器、输出电流传感器、输出电压传感器、温度传感器分别连接到PWM控制电路；
PWM控制电路分别与驱动电路、显示系统、PLC控制信号电路连接；
输出电流传感器与高频谐振变压器连接；
输出电压传感器与高频谐振变压器连接；
驱动电路与全桥逆变电路连接。
作为优选，显示系统包括数显表、运行指示灯、故障指示灯；数显表、运行指示灯、故障指示灯连接到PWM控制电路。
作为优选，还包括散热系统和散热风扇；散热系统包括具有散热叶的铝合金散热器以及散热风道，散热风扇为轴流风机。电源工作时，主机气压为负压，从机内吸热风向机外吹风，同时另一侧因为负压儿进入冷风；温度传感器对散热系统的温度采样。
作为优选，高频谐振变压器为油浸变压器；油浸变压器采用铝合金材料制成的油箱、PET顶盖、高频用铁氧体磁芯。
作为优选，全桥逆变电路通过高压导线与高频谐振变压器连接。
作为优选，输出电压传感器为高频谐振变压器的一组绕组。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明高压交流电源装置与配套的等离子体发生器高效动态匹配，可以产生密度较高的等离子体，经过中科院院士鉴定：其等离子密度可达3.5×1019～1.42×1020m-3，技术国内领先。
本发明高压交流电源装置单机功率等级大，输出额定功率1.5KW。
本发明高压交流电源装置在EMI电磁干扰兼容方面做了大量工作，采用防雷防电脉冲群电路、差模共模滤波，有效抑制浪涌电流和电源本身对供电环境的谐波干扰。
本发明高压交流电源装置在主电路缓冲电路设计独特，采用功率继电器的触点和缓冲电阻并联，上电工作时起到限流、延时导通，延时时间0.5～5秒也可以根据需要设定，带载工作时不影响功率输出。
本发明高压交流电源装置不是简单的升压变压器，而是独特的高频谐振变压器。其主要原理是容性负载等离子体发生器工作时产生的容抗、阻抗以及线路感抗和高频谐振变压漏感组成的固有谐振频率为额定工作点的高频谐振电路。
本发明高压交流电源装置频率可调，频率范围2K～50KHZ，输出高压峰值达到7.5～25KV。旋转电位器即可改变电路工作频率，达到调节电源输出电压、电流和功率，来影响等离子体发生器的放电效果和等离子体的浓度，达到合理氧化、净化被处理气体。
本发明高压交流电源装置实行独特的双重控制系统技术：电源内部的PWM控制与外部PLC控制同步进行，双重保护装置工作运行和故障反馈等保护，使整个电源装置系统稳定可靠运行。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明高压交流电源装置实施例的系统结构框图。
图2是本发明高压交流电源装置实施例的主电路原理图。
图2中标记说明：F1 保险丝，RV1-RV3 压敏电阻，GDT1、GDT2陶瓷放电管，L1差模电感，L2共模电感，L3电流传感器，L4 输入电压电流传感器，DB整流桥，R0、R1电阻，CX1、CX2、C1-C7电容，Q1-Q4全控型半导体开关器件，K功率继电器，T1高频谐振变压器和输出电压传感器，RL等离子体发生器。
具体实施方式
本实施例为HV20KV0.1A-V2.3高压交流电源装置，主要用于专用等离子体发生器供电装置，使发生器产生大流量等离子体。整套装置已经用在化工厂、烤烟厂、垃圾中转站等产生和生活的废气治理。
图1是一种高压交流电源装置，由防雷防电脉冲群电路、差模共模滤波电路、整流电路、缓冲储能滤波电路、全桥逆变电路、高频谐振变压器、辅助供电电路、输入电流电压传感器、输出电流传感器、输出电压传感器、温度传感器、PWM控制电路、驱动电路、显示系统、PLC控制信号电路、散热风扇和散热系统组成。
该高压交流电源装置的主电路如图2所示。
该高压交流电源装置主要原理：输入供电交流220V50Hz，经过防雷防电脉冲群电路和差模共模滤波把稳定的交流电送单相整流桥DB变成脉动100Hz全波直流电，经缓冲储能滤波变成纹波系数很小的直流电，再经全控型半导体器件MOS管或者IGBT为功率器件即Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥电路和高频谐振变压器T1逆变升压，再经过高频谐振变压器次级输出高压接送到容性负载等离子体发生器RL，通过调节调频电位器达到谐振，使输出功率达到最大，放电效果达到最佳，使之产生大量等离子体。整个电源装置经由PWM控制电路和PLC控制信号电路组成双重控制系统，控制装置工作运行以及故障反馈保护。其中PWM控制电路采用的芯片型号为SG3525。
部分有源电路由辅助供电电路提供+18V、+12V、+5V供电。输入电流电压传感器L4从输入供电端采样。输出电流传感器L3串联在高频谐振变压器T1输入端，输出电压传感器与高频谐振变压器连接，在本实施例中，输出电压传感器采用高频谐振变压器当中的一个绕组T1-3/4制成。温度传感器采样到IGBT所安装的散热器温度信号。
上述电压、电流、温度采样信号送PWM控制电路，经PWM控制电路运算比较后把相关信号分成三路输出，其中一路传给驱动电路控制IGBT的开关与脉宽幅度；另外一路同时传给显示系统用来显示电流值和电压值，显示系统再传给指示灯，指示灯分别为运行灯（绿灯）和故障灯（红灯），分别用来指示运行（绿灯）和故障（红灯）状态；还有一路传给PLC控制信号电路,用来传输信号到PLC控制柜参加智能控制。
散热风机直接接输入供电工作，散热风机为轴流风机，通过对整个电源主机的散热系统即发热器件进行强迫风冷，保证在环境温度为 55℃、额定功率输出时 开关管IGBT Q1-Q4周边温度控制在85℃以内，并且正常工作。整流桥DB和IGBT的功率器件安装背靠在一整块具有散热叶的铝合金散热器上，拆装方便。
从硬件结构来分，该高压交流电源装置由两部分组成，一部分为油浸变压器，另一部分为电源主机。其中的高频谐振变压器与输出电压传感器组成一体为油浸变压器，余下电路组成电源主机。油浸变压器是个独立部件，主体是高频谐振变压器，附带电压采样或者叫电压传感器。此油箱采用特殊铝合金材料机壳、采用高分子复合材料PET顶盖、高频用铁氧体磁芯组成。与电源主机和容性负载通过高压导线连接。
高频谐振变压器的漏感与等离子体发生器的等效电容发生谐振，使其输出功率达到最大。
该高压交流电源通过调节PWM控制电路的频率输出，频率范围2K～50KHZ，谐振程度不同，使输出功率0～1.5KW连续可调，相应输入电流在0～7.0A变化,最高输出峰值电压达7.5～25KV。
该高压交流电源装置的输入级采取多重组合式EMC电磁兼容滤波，其滤波电路由防雷防电脉冲群电路和差模共模滤波电路组成，多重保护用以净化供电质量。防雷防电脉冲群电路有陶瓷气体放电管GDT1、GDT2，和压敏电阻RV1-RV3，电源设备中可以将雷电流或者电快速瞬变脉冲群泄放入大地，用来保护高压交流电源。差模共模滤波电路有效阻止和滤除差模和共模干扰信号，共模电路由共模电感L2和电容C1、C2组成，差模电路由差模电感L1和电容CX1、CX2组成。
该高压交流电源装置针对整流电路后采取独特缓冲延时电路，以降低对储能滤波电容C3冲击。缓冲电路首先有充电电阻R0限制电容C3充电电流幅度，不至于起充电流过大对电路造成冲击，再通过小电容充电时间来控制继电器K吸合，达到功率输出。
该高压交流电源装置设有输入电流电压传感器L4、输出电流传感器L3、输出电压传感器T1-3 /4，包括之配合的显示系统（由数显表和运行、故障指示灯组成），这几部分组成了电压环，电流环，输入输出电流电压参数实时采样控制，达到高精度控制运行、停止或提醒。在本实施例中，输出电压传感器是在高频谐振变压器中增加一组绕组T1-3/4制成的。
该高压交流电源装置具有独特的双重保护控制，即PWM控制电路和PLC控制信号电路，通过PLC控制信号电路可以收集实时电压、电流、正常运行信号，并且发出故障信号提醒，并且控制本电源工作与停止。
图2电路的实现，需要图1中的辅助控制电路：辅助供电电路给高压电源的有源器件供电，PWM控制电路中的信号处理电路接收到电压电流信号、温度传感器等信号，一边控制IGBT的驱动电路，一边收发PLC控制信号电路传递的信号，同时根据需要实时显示输入或者输出电压电流值。
本实施例具有如下技术特点：
该高压交流电源装置与配套的等离子体发生器高效动态匹配，可以产生密度较高的等离子体，经过中科院院士鉴定：其等离子密度可达3.5×1019～1.42×1020m-3 ，配合大流量等离子体技术，达到国内领先水准。
该高压交流电源装置实行独特的双重控制系统技术：电源内部的PWM控制与外部PLC控制同步进行，双重保护装置工作运行和故障反馈等保护，使整个电源装置系统稳定可靠运行。
该高压交流电源装置单机功率等级大，输出额定功率1.5KW。
该高压交流电源装置在EMI电磁干扰兼容方面做了大量工作，积极提供防雷防电脉冲群电路、差模共模滤波，有效抑制浪涌电流和电源本身对供电环境的谐波干扰。
该高压交流电源装置在主电路缓冲电路设计独特，采用功率继电器的触点和缓冲电阻并联，上电工作时起到限流、延时导通，延时时间0.5～5秒也可以根据需要设定，带载工作时不影响功率输出。本装置通过附加电容上电充电需要时间，电压上升到某点与设置基准电压比较，信号发生反转，推动三极管开关，再推动功率继电器工作，整个过程在整机上电几秒种便完成。当断电后，该充电电容有放电回路，快速放电，不影响二次上电，不会形成二次上电冲击。
该高压交流电源装置不是简单的升压变压器，而是独特的高频谐振变压器。其主要原理是容性负载等离子体发生器工作时产生的容抗、阻抗以及线路感抗和高频谐振变压漏感组成的固有谐振频率为额定工作点的高频谐振电路。
该高压交流电源装置散热系统是通过轴流风机抽风强迫风冷，整流桥和IGBT开关管的功率器件散热是把它们器件本身背靠在一整块具有散热叶的铝合金散热器上，拆装方便。
该高压交流电源装置频率可调，频率范围2K～50KHZ，输出高压峰值达到7.5～25KV。旋转电位器即可改变电路工作频率，达到调节电源输出电压、电流和功率，来影响等离子体发生器的放电效果和等离子体的浓度，达到合理氧化、净化被处理气体。
输入、输出电流、电压传感器或采样信号，一方面可以用来显示，另一方面用来参加控制。输出电流传感器L3串联在高频谐振变压器T1的初级电路上，它的一股隔离绕组信号参加PWM控制，另一股采样参加显示。输出电压传感器是油浸变压器的一个次级绕组，改隔离信号参加显示并且参加PLC控制信号电路。
该高压交流电源装置的PLC控制信号电路包括：输出电压采样信号送电源主机，PWM控制芯片的开关信号，过欠压、无供电和负载工作不正常等故障信号，以及有高压输出的正常采样信号。
本实施例为等离子体发生器供电设备，产生所需的大量电子、离子、臭氧等高能粒子，浓度大。针对大流量等离子体发生器，放电效果佳，具有稳定可靠、适应性强、功率大、转换效率高等优点。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.适于大流量等离子体发生器的高压交流电源装置，其特征在于：
包括防雷防电脉冲群电路、差模共模滤波电路、整流电路、缓冲储能滤波电路、全桥逆变电路、高频谐振变压器、辅助供电电路、PWM控制电路、驱动电路、输入电流电压传感器、输出电流传感器、输出电压传感器、温度传感器、显示系统、PLC控制信号电路；
所述防雷防电脉冲群电路、差模共模滤波电路、整流电路、缓冲储能滤波电路、全桥逆变电路、高频谐振变压器依次连接；
所述辅助供电电路、输入电流电压传感器、输出电流传感器、输出电压传感器、温度传感器分别连接到PWM控制电路；
所述PWM控制电路分别与驱动电路、显示系统、PLC控制信号电路连接；
所述输出电流传感器与高频谐振变压器连接；
所述输出电压传感器与高频谐振变压器连接；
所述驱动电路与全桥逆变电路连接。
2.根据权利要求1所述的高压交流电源装置，其特征在于：所述显示系统包括数显表、运行指示灯、故障指示灯；所述数显表、运行指示灯、故障指示灯连接到PWM控制电路。
3. 根据权利要求1所述的高压交流电源装置，其特征在于：还包括散热系统和散热风扇；所述散热系统包括具有散热叶的铝合金散热器以及散热风道，所述散热风扇为轴流风机；所述温度传感器对散热系统的温度采样。
4. 根据权利要求1或2所述的高压交流电源装置，其特征在于：所述高频谐振变压器为油浸变压器；所述油浸变压器设有铝合金材料制成的油箱、PET顶盖、高频用铁氧体磁芯。
5. 根据权利要求1所述的高压交流电源装置，其特征在于：所述全桥逆变电路通过高压导线与高频谐振变压器连接。
6. 根据权利要求1所述的高压交流电源装置，其特征在于：所述输出电压传感器为高频谐振变压器的一组绕组。
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