CN107006087B - 用于电弧气体加热器的电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适用于诸如等离子体炬的电弧气体加热器的电源。本发明更具体地涉及用于馈送所述炬的开关模式DC‑DC转换器中的电感器的尺寸。本发明具体地涉及用于驱动非转移电弧气体加热器的DC电源，其包括：提供电势U0的AC‑DC整流器；具有开关频率fs的DC‑DC开关转换器；具有延时公式(I)的电流控制环；以及，具有电感L的镇流电感器；其特征在于，电感L满足公式(II)和公式(III)。这样的设计确保了电流控制环的稳定性，同时还确保了足够量的电流纹波以扩展在所述炬的电极上的腐蚀区。τ；(I)
Figure DDA0001302117810000011
Figure DDA0001302117810000012

Description

用于电弧气体加热器的电源
本发明涉及适用于诸如等离子体炬的电弧气体加热器的DC电源。本发明更具体地涉及用于馈送所述炬的开关模式DC-DC转换器中的电感器的尺寸。
电弧气体加热器是将几乎任何类型的气体加热到极端温度的有力工具。现在对于这样的设备存在许多描述，例如在“Electric Arcs and Arc Gas Heaters”，E.Pfender，第5章，Gaseous Electronics中。在大量的工业应用中，可以识别被加热至等离子态的气体的高电势。示例有：粉末喷涂和包覆、纳米大小的粉末的生产、萃取冶金、航天工程等。
在也被称为等离子体炬的电弧气体加热器中，气体通过输入端口进入流通室，电弧被维持在该流通室中。气体被加热至极端温度并且作为等离子体从输出端口排出。
电弧由连接到阳极和阴极的电源生成和维持，所述阳极和阴极这两者都位于气体流通室内。电弧保持被限制在室内并且因此被称为是非转移的。这种电弧气体加热器的示例示于US 4,543,470中。
实现大功率操作意味着高电弧电压和电流的组合。通过延长电弧可以实现高电压操作。可以通过迫使电弧通过电极之间的涡流稳定和电隔离的区域来获得更长的电弧。这种类型的气体加热器被称为“分段式”或“收缩式”。根据目前的做法，由于电极腐蚀可能变得严重，所以最大允许电流受到限制。
非转移电弧最常用直流(DC)馈电；由于在AC循环的每个过零点处电弧的重复中断，使用交流(AC)实际上会导致更不稳定的操作。
电弧具有独特的U-I(电压-电流)特性，其中电弧电压随着电弧电流的增大而减小。这对应于负差分电阻造成的对DC电源的调节挑战。这些挑战在“Electrical AndMechanical Technology of Plasma Generation and Control”，P.Mogensen和J.
Figure BPA0000239812090000021
第6章，Plasma Technology in Metallurgical Processing中有良好描述。
尽管与DC电压源串联的镇流电阻器理论上可以用于稳定电弧的操作点，但是电阻器中的欧姆损耗将是过大的。
这个问题的第一个解决方案是将硅可控整流器与串联于所述炬的镇流电感器组合。电感器的作用是稳定在调节器的连续动作之间到负载的电流。控制整流器以维持恒定电流通过负载。然而，电子调节的延时是显著的，因为开关频率是电源频率的小的倍数(典型地为6或12)，因此其被限制为几百Hz。因此，需要大的电感。
在“A study on medium voltage power conversion system for plasmatorch”，Y.Suh，Power Electronics Specialists Conference，IEEE，2008中给出了根据上述原理设计的用于等离子体炬操作的多兆瓦DC电源的理论尝试。在此，应认识到电感器的大小与整流单元的开关频率成反比。
更现代的方法是使用现有技术的DC电源，其包括整流单元，随后是切换DC-DC转换器。这样的切换器可以在相对更高的频率，例如2kHz下操作，甚至是当设计用于兆瓦范围内的高功率时也是如此。DC-DC转换器被调节成表现为恒定电流源。为此，使用脉冲宽度调制斩波器，脉冲宽度由比较瞬时炬电流与设定点值的反馈控制器来连续地调整。DC-DC转换器还提供了斩波脉冲与电网之间的隔离，解决了硅控整流器的典型的大多数功率因数和电网污染问题。
在例如US5,349,605中说明了这种类型的实现方式。
电感器的作用在确保炬的稳定操作方面是最为重要的。如在上述的“ElectricalAnd Mechanical Technology of Plasma Generation and Control”，P.Mogensen和J.
Figure BPA0000239812090000033
第6章，Plasma Technology in Metallurgical Processing中所描述的，输出电感的大小由三个主要因素决定：(1)将电弧点燃之后的电流增加速率限制为控制环可以处理的速率，(2)提供平滑效果以减少由电源中的开关装置产生的电流纹波，以及(3)在等离子体炬的启动期间提供不间断的电流。
尽管镇流电感器的大小确定特定电源拓扑是否能够稳定等离子体炬中的电弧，但是现有技术中没有可用于为特定装置导出合适的电感的参考。事实上，教导了使用“足够大”的电感器，这实际上意味着这些电感器通常是过度设计的。然而，这种电感器承载多兆瓦DC电源的大部分投资，因为等离子体生成器可以在几千安培下操作。电感器的成本确实随电感和最大电流而增加。
根据本发明，电感应该优选地在一定范围内选择。需要下限来满足电流反馈环的稳定性标准。上限是由对某些最小电流纹波的需要来决定的。期望这种波纹，因为它倾向于细微地周期性地改变电弧的长度，从而扩展电极上的腐蚀区。这种磨损的扩展允许更高的电流操作。
与传统的DC-DC PSU设计规则相反，在这种情况下，所需的最小电感不由最小电流以及将电源保持在连续模式期望来指示。工业炬实际上旨在仅在相对高的电流的有限范围内工作。
本发明特别涉及用于驱动非转移电弧气体加热器的DC电源，包括：提供电势U0的AC-DC整流器；具有开关频率fs的DC-DC开关转换器；具有延时τ的电流控制环；以及具有电感L的镇流电感器；其特征在于电感L满足
Figure BPA0000239812090000031
且
Figure BPA0000239812090000032
在另一个实施例中，本发明涉及操作非转移电弧气体加热器的方法，其特征在于，向加热器馈送大于500A RMS的电流，该电流包括DC分量和AC分量，AC分量具有在50A和DC分量的20％之间的峰-峰振幅，并且峰-峰振幅优选地在50A和DC分量的10％之间。
DC-DC转换器优选地是降压转换器。
关于工业应用，由AC-DC整流器传递的电势U0应优选地高于3000V，并且传递到负载的功率在1和10MW之间。这样的电源特别适于向具有中空电极的非转移分段等离子体炬供电。
U0表示AC-DC整流器的负载输出电压(以伏特为单位)。虽然该电压应该足够高以提供足够的电势以在所有条件下维持电弧，但是它也增加了镇流电感器的最小所需大小。
开关频率fs是指用于调节到负载的电流的脉冲宽度调制斩波器的频率(以赫兹为单位)。
控制环的延时τ是指在采样电流和随后的控制动作之间的时间间隔(以秒为单位)。在数字调节器的情况下，它包括电流的采样和求平均、A/D转换时间、以及控制环计算。延时包括由作为DC-DC转换单元的一部分的脉冲宽度调制器施加的延迟。短的延时通常是有益的，允许使用更小的镇流器电感。
已经发现，对于高功率非转移非分段的电弧气体加热器，镇流电感器应具有大于
Figure BPA0000239812090000041
的电感L(以亨利为单位)。
等离子体炬内部的电弧在约10至100μs的时间尺度上是特别不稳定的。在该时间范围内，电弧根部可以随机地在电极表面上移动。改变的电流将进一步促进根部的漂移，从而扩展电极磨损并增加电极寿命。根据本发明，使用在斩波器中生成的电流纹波以增强该效果。
在DC-DC开关转换器中，当斩波器的占空比达到50％时，纹波最大。在该特定情况下，纹波可以表示为
Figure BPA0000239812090000051
忽略次级效应，纹波改变D(1-D)，D为斩波脉冲的占空比。
使用传统过滤良好的DC，已经知道，在平均电流超过500A下，对于工业目的来说电极磨损变得过高。另一方面，如果至少叠加了50A峰-峰纹波电流，电极的腐蚀会惊人地良好扩展。这允许达到500和2000A之间的平均电流，同时避免过早的电极腐蚀。这与经典的电源相比，旨在提供具有低纹波的干净的恒流输出。假设50％的典型占空比，以及至少50A的纹波电流，镇流电感器上的约束可以确定为
Figure BPA0000239812090000052
Figure BPA0000239812090000053
这个方程式在实际中对于20到80％之间的占空比保持有效，即，在工业大功率等离子体的实际操作条件的范围内保持有效。
图1示出了本发明。所示为：
(1)产生U0的DC电压的AC-DC整流器；
(2)在频率fs下操作的脉宽调制斩波器；
(3)具有电感L的镇流电感器；
(4)回扫二极管，降压转换器拓扑的一部分；
(5)报告瞬时炬电流的传感器；
(6)所需的炬电流或设定点值；
(7)电流调节器，其比较瞬时炬电流与设定点值；
(8)基于调节器的输出来驱动斩波器的脉冲宽度调制的单元；
(9)等离子体炬。
下面的示例说明了根据本发明的一个装置。4MW电源包括传递3000V(U0)的额定负载以下的电压的整流单元，以及配备有在2kHz(fs)下操作的IGBT开关器件的斩波器单元。
镇流电感器被设置为与具有2.5MW的额定功率的电弧加热器串联。使用霍尔探头来测量到负载的电流并且该数值被馈送至PID调节器。选择1000A的电流设定点值，对于该特定的炬，其对应于约1450V的电势。斩波器的占空比(D)因此为约48％。
数字PID调节器产生1ms的延迟，并且斩波器又增加了0.5ms的平均延迟。因而考虑1.5ms(τ)的控制环延时。根据本发明，需要3mH的最小电感来确保控制环的稳定性。
根据本发明的最大电感经计算为7.5mH。这实际上确保了期望的50A的峰-峰电流纹波。
为了最大化电极寿命和电源鲁棒性，为该特定的装置选择4mH的数值。

Claims (6)

1.一种用于驱动非转移电弧气体加热器的DC电源，包括：
-提供电势U0的AC-DC整流器；
-具有开关频率fs的DC-DC开关转换器；
-电流控制环延时τ；以及，
-具有电感L的镇流电感器；
其特征在于，
Figure FDA0002559933220000011
且
Figure FDA0002559933220000012
并且
所述镇流电感器被设置为与所述非转移电弧气体加热器串联。
2.根据权利要求1所述的DC电源，其特征在于，所述DC-DC开关转换器是降压型转换器。
3.根据权利要求1或2所述DC电源，其特征在于，U0>3000V。
4.根据权利要求1或2所述的DC电源，其特征在于，传递至所述非转移电弧气体加热器的功率在1至10MW之间。
5.根据权利要求1或2所述的DC电源，其特征在于，所述非转移电弧气体加热器是具有中空电极的非转移分段等离子体炬。
6.使用根据权利要求1-5中任一项的DC电源的非转移电弧气体加热器的操作方法，其特征在于，向所述加热器馈送超过500A RMS的电流，所述电流包括DC分量和AC分量，所述AC分量具有在50A至所述DC分量的20％之间的峰-峰振幅。
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