CN109889079A - 一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
本发明创造属于脉冲电源领域，具体涉及了一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源。本发明创造提出了一种稳定、高效、电压损失小的由可控硅控制的纳秒级脉冲电源。一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，包括基波电路、电晕线和收尘器，其特征在于，还包括：脉冲前置升压回路，输入端接入三项交流电，将交流电转化为脉冲电流；三项变压器，一次侧与脉冲前置升压回路电连接，将电压进行升压；脉冲整流滤波电路，与三项变压器二次侧电连接，将交流电整流为直流电；脉冲储能发生电路，与脉冲整流滤波电路电连接，将直流脉冲的宽度转化到微秒级；脉冲升压变压器，一次侧与脉冲储能发生电路电连接，将脉冲储能电路中的电压进行升压。
Description
技术领域
本发明创造属于脉冲电源领域，具体涉及了一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源。
背景技术
脉冲功率技术是将相对较长的时间内存储起来的能量在很短的时间内迅速释放出来的一门学科技术。脉冲功率技术已经是一项应用十分广泛的技术，它可以在很短的时间内产生极高的电压、极高的温度，它可以将粒子加速到很高的速度，可产生极大的力量，也可远距离探测目标等。工业上，脉冲功率技术用于处理废气废水、VOC治理、静电除尘、脱硫脱销、生成臭氧以及食品保鲜等。众所周知，脉冲功率技术的基本原理是：能量(E)等于功率(P)乘以功率作用时间(t)，即：E＝Pt；由此可知：当能量一定时，缩短时间(脉冲压缩)就可以增大功率。然而，目前的脉冲电源技术，多采用开关器件加脉冲变压器的拓扑结构，这种结构的脉冲电源产生的高压脉冲宽度一般在几十微秒到几百微秒之间。由脉冲功率技术的基本原理可知，如果能使脉冲宽度缩小，达到几百纳秒甚至更小，那么将可以输出更高的瞬时功率，从而更好的发挥负载的特性，实现更好的应用效果。另外，相对于连续供电方式，脉冲供电也更加节能。
随着近几年环保排放标准的提高，2015年以后超低排放已全面实施，部分地方政府还出台了烟尘或颗类物5mg/m3的超低排放政策或地方标准。因此，脉冲电源因其特有的技术特点及优势，得到广泛用户的认同，脉冲电源不但能提高ESP的收尘效率，而且还能降低能耗。脉冲电源在传统的直流电源不适合的工况下，比如严重反电晕和高比电阻的微细粉尘的场合，脉冲电源有很好的效果。因此，ESP采用脉冲电源供电是当今电除尘器供电电源的发展方向，也是电除尘行业的发展趋势。
根据多依奇电除尘效率公式：η＝1-e-fω
式中：f——A/Q的比值，称为比集尘面积(m2/m3/S)。
A——收尘极板面积(m2)
Q——烟气量(m3/S)
ω——驱进速度(m/S)
从公式中可以看出：
驱进速度越高则除尘效率越高，而趋进速度与电场内的平均电压和峰值电压的乘积成正比，所以当供电电源输出的平均电压和峰值电压越高，则除尘效果越好。
但是现在由于设备和技术受限的问题，难以做出稳定高效重复电压损失小的纳秒级脉冲电源。
发明内容
为了解决上述存在的但是现在由于设备和技术受限的问题，难以做出稳定高效重复电压损失小的纳秒级脉冲电源的问题，本发明创造提出了一种稳定、高效、电压损失小的由可控硅控制的纳秒级脉冲电源。
为了实现上述目的，本发明创造所采用的技术方案是，一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，包括基波电路、电晕线和收尘器，其特征在于，还包括：脉冲前置升压回路，输入端接入三项交流电，将交流电转化为脉冲电流；三项变压器，一次侧与脉冲前置升压回路电连接，将电压进行升压；脉冲整流滤波电路，与三项变压器二次侧电连接，将交流电整流为直流电；脉冲储能发生电路，与脉冲整流滤波电路电连接，将直流脉冲的宽度转化到微秒级；脉冲升压变压器，一次侧与脉冲储能发生电路电连接，将脉冲储能电路中的电压进行升压；脉冲压缩电路，与脉冲升压变压器的二次侧电连接，将微秒级的脉冲电流压缩为纳秒级的脉冲电流；脉冲取样电路，与脉冲压缩电路电连接；触发信号回路，与脉冲前置升压回路电连接，与脉冲储能发生电路电连接，用于控制开关器件导通；耦合电路，用于将基波电流和纳秒级脉冲电流进行叠加升压，输入端分别与基波电路和脉冲取样电路电连接，输出端与电晕线电连接。
作为优选，所述的脉冲前置升压回路，采用了三个双向晶闸管对输入的三项电进行脉冲处理。
作为优选，所述的脉冲整流滤波电路采用的整流桥有3组相串联的二极管构成。作为优选，所述的脉冲储能发生电路，采用了两级充放电回路，完成了将脉冲宽度转为微秒级的工作，同时也再次进行了升压。
作为优选，所述的充放电回路采用的两个晶闸管作为开关器件，通过谐振达到关断晶闸管的作用。
作为优选，所述的脉冲压缩电路采用的压缩器件为自击穿开关和Blumlein传输线；所述的Blumlein传输线为同轴传输线。
作为优选，所述的自击穿开关包括：柱形金属外壳，内填充有高压惰性气体，接地；铜芯，一端与脉冲升压变压器的二次侧电连接，另一端插入柱形金属外壳中；绝缘活塞，安装在柱形金属外壳内，与柱形金属外壳滑动连接；所述的绝缘活塞中心处设有卡接帽，所述的卡接帽与铜芯的另一端固定连接；绝缘密封圈，安装在柱形金属外壳的入口出，位于铜芯与柱形金属外壳之间，用于绝缘和密封作用；绝缘气囊，安装柱形金属外壳内，位于绝缘活塞下方，一端与柱形金属外壳的内底部固定连接，另一端与绝缘活塞的底部固定连接；若干环形绝缘栅板，安装在柱形金属外壳内，与柱形金属外壳固定连接，用于灭弧；充气阀，穿过柱形金属外壳安装在绝缘气囊上，与绝缘气囊固定连接；所述的铜芯作为阳极，柱形金属外壳作为阴极。
作为优选，所述的自击穿开关的填充气体为六氟化硫。
作为优选，所述的脉冲整流滤波电路和脉冲储能发生电路的电路为：三项变压器二次侧的U相次绕组与二极管D3的阳极连接，与二极管D6的阴极连接；三项变压器二次侧的V相次绕组与二极管D1的阳极连接，与二极管D4的阴极连接；三项变压器二次侧的W相次绕组与二极管D2的阳极连接，与二级管D5的阴极连接；二极管D1的阴极与二极管D2的阴极和二极管D3的阴极连接，与电容C1的第一端连接；二极管D4的阳极与二极管D5的阳极和二极管D6的阳极连接，与电容C1的第二段连接；电容C1的第一端与电感L1的第一端连接，电感L1的第二端与晶闸管K1的阳极连接，晶闸管K1的阴极与电容C2的第一端连接，电容C2的第一端与电感L2的第一端连接，电感L2的第二段与晶闸管K2的阳极连接，晶闸管K2的阴极与电容C2的第二端连接，电容C2的第二段与电容C1的第二段连接；电感L2为脉冲升压变压器的一次侧。
作为优选，所述的脉冲压缩电路和脉冲取样电路的电路为：脉冲升压变压器的二次侧的第一端与自击穿开关的阳极连接，脉冲升压变压器的二次侧的第二段与自击穿开关的阴极连接，自击穿开关的阴极接地；Blumlein传输线B1的轴线与自击穿开关的阳极连接，Blumlein传输线B1的表线与自击穿开关的阴极连接；Blumlein传输线B2的轴线与Blumlein传输线传输线B1的轴线连接，电阻R1的第一端与Blumlein传输线B1的表线连接，电阻R1的第二端与Blumlein传输线B2的表线连接；电容C3的第一端与Blumlein传输线B2的轴线连接，电容C3的第二端与电阻R3的第一端连接；电容C3的第二端与耦合电路连接；电阻R3的第二端与电阻R4的第一端连接，电阻R4的第二端接地；电阻R2的第一端与Blumlein传输线B2的表线连接，电阻R2的第二端与电阻R4的第二端连接，电阻R4的第二端与收尘器连接。
本发明创造的有益效果：(1)脉冲压缩方式有多种，目前多用的为磁开关，但是磁开关使用不方便，需要去磁电路效率低而且电压损失大，本发明创造采用的Blumlein传输线和气体开关，Blumlein传输线电压高，气体开关开通时间快，但是气体开关的绝缘恢复时间限制了电源的重复频率；所以本发明创造改进了自击穿开关，在其内部加入了六氟化硫和绝缘栅板用来降低气体开关的绝缘恢复时间，使得其重复频率满足该电路使用；(2)在脉冲储能发生电路中，通常首选的IGBT，虽然IGBT频率较高，功率也较大，但是对于过流过压能力差，很容易烧毁，且相比较晶闸管来说，价格昂贵，而且这里不需要全可控器件，利用电感电容的谐振，可实现软开关技术，在电流为零时，半可控器件晶闸管就可以自关断，等待下一次放电。晶闸管优点就在于功率大，过流过压能力强，不易烧毁，不需要复杂的保护电路，且驱动简单，不需要专门的驱动芯片，经济实惠，而且导通压降低；(3)本发明创造中所提到的自击穿开关内部气压可以进行调节，使得输出更加稳定；(4)发明创造选择Blumlein传输线来压缩脉冲，Blumlein传输线常用来进行脉冲压缩，通常由一段或两段传输线构成，一段传输线获得的脉冲电压为充电电压的一半，两段传输线获得的脉冲电压等于充电电压，减少了电压损耗。
附图说明
图1：一种由可控硅控制点纳秒级脉冲电源的电路图
图2：自击穿开关结构示意图
图中：1、脉冲前置升压回路，2、三项变压器，3、脉冲整流滤波电路，4、脉冲储能发生电路，5、脉冲升压变压器，6、脉冲压缩电路，7、脉冲取样电路，8、柱形金属外壳，9、环形绝缘栅板，10、铜芯，11、绝缘密封圈，12、绝缘活塞，13、绝缘气囊，14、充气阀。
具体实施方式
一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，包括基波电路、电晕线和收尘器，其特征在于，还包括：脉冲前置升压回路1，输入端接入三项交流电，将交流电转化为脉冲电流；三项变压器2，一次侧与脉冲前置升压回路1电连接，将电压进行升压；脉冲整流滤波电路3，与三项变压器2二次侧电连接，将交流电整流为直流电；脉冲储能发生电路4，与脉冲整流滤波电路3电连接，将直流脉冲的宽度转化到微秒级；脉冲升压变压器5，一次侧与脉冲储能发生电路4电连接，将脉冲储能电路中的电压进行升压；脉冲压缩电路6，与脉冲升压变压器5的二次侧电连接，将微秒级的脉冲电流压缩为纳秒级的脉冲电流；脉冲取样电路7，与脉冲压缩电路6电连接；触发信号回路，与脉冲前置升压回路1电连接，与脉冲储能发生电路4电连接，用于控制开关器件导通；耦合电路，用于将基波电流和纳秒级脉冲电流进行叠加升压，输入端分别与基波电路和脉冲取样电路7电连接，输出端与电晕线电连接。
所述的脉冲前置升压回路1，采用了三个双向晶闸管对输入的三项电进行脉冲处理。所述的脉冲整流滤波电路3采用的整流桥有3组相串联的二极管构成。
所述的脉冲储能发生电路4，采用了两级充放电回路，完成了将脉冲宽度转为微秒级的工作，同时也再次进行了升压。
所述的充放电回路采用的两个晶闸管作为开关器件，通过谐振达到关断晶闸管的作用。
所述的脉冲压缩电路6采用的压缩器件为自击穿开关和Blumlein传输线；所述的Blumlein传输线为同轴传输线。
所述的自击穿开关包括：柱形金属外壳8，内填充有高压惰性气体，接地；铜芯10，一端与脉冲升压变压器5的二次侧电连接，另一端插入柱形金属外壳8中；绝缘活塞12，安装在柱形金属外壳8内，与柱形金属外壳8滑动连接；所述的绝缘活塞12中心处设有卡接帽，所述的卡接帽与铜芯10的另一端固定连接；绝缘密封圈11，安装在柱形金属外壳8的入口出，位于铜芯10与柱形金属外壳8之间，用于绝缘和密封作用；绝缘气囊13，安装柱形金属外壳8内，位于绝缘活塞12下方，一端与柱形金属外壳8的内底部固定连接，另一端与绝缘活塞12的底部固定连接；若干环形绝缘栅板9，安装在柱形金属外壳8内，与柱形金属外壳8固定连接，用于灭弧；充气阀14，穿过柱形金属外壳8安装在绝缘气囊13上，与绝缘气囊13固定连接；所述的铜芯10作为阳极，柱形金属外壳8作为阴极。
所述的自击穿开关的填充气体为六氟化硫。
所述的脉冲整流滤波电路3和脉冲储能发生电路4的电路为：三项变压器2二次侧的U相次绕组与二极管D3的阳极连接，与二极管D6的阴极连接；三项变压器2二次侧的V相次绕组与二极管D1的阳极连接，与二极管D4的阴极连接；三项变压器2二次侧的W相次绕组与二极管D2的阳极连接，与二级管D5的阴极连接；二极管D1的阴极与二极管D2的阴极和二极管D3的阴极连接，与电容C1的第一端连接；二极管D4的阳极与二极管D5的阳极和二极管D6的阳极连接，与电容C1的第二段连接；电容C1的第一端与电感L1的第一端连接，电感L1的第二端与晶闸管K1的阳极连接，晶闸管K1的阴极与电容C2的第一端连接，电容C2的第一端与电感L2的第一端连接，电感L2的第二段与晶闸管K2的阳极连接，晶闸管K2的阴极与电容C2的第二端连接，电容C2的第二段与电容C1的第二段连接；电感L2为脉冲升压变压器5的一次侧。
所述的脉冲压缩电路6和脉冲取样电路7的电路为：脉冲升压变压器5的二次侧的第一端与自击穿开关的阳极连接，脉冲升压变压器5的二次侧的第二段与自击穿开关的阴极连接，自击穿开关的阴极接地；Blumlein传输线B1的轴线与自击穿开关的阳极连接，Blumlein传输线B1的表线与自击穿开关的阴极连接；Blumlein传输线B2的轴线与Blumlein传输线传输线B1的轴线连接，电阻R1的第一端与Blumlein传输线B1的表线连接，电阻R1的第二端与Blumlein传输线B2的表线连接；电容C3的第一端与Blumlein传输线B2的轴线连接，电容C3的第二端与电阻R3的第一端连接；电容C3的第二端与耦合电路连接；电阻R3的第二端与电阻R4的第一端连接，电阻R4的第二端接地；电阻R2的第一端与Blumlein传输线B2的表线连接，电阻R2的第二端与电阻R4的第二端连接，电阻R4的第二端与收尘器连接。
脉冲压缩方式有多种，目前多用的为磁开关，但是磁开关使用不方便，需要去磁电路效率低而且电压损失大，本发明创造采用的Blumlein传输线和气体开关，Blumlein传输线电压高，气体开关开通时间快，但是气体开关的绝缘恢复时间限制了电源的重复频率；所以本发明创造改进了自击穿开关，在其内部加入了六氟化硫和绝缘栅板用来降低气体开关的绝缘恢复时间，使得其重复频率满足该电路使用；在脉冲储能发生电路4中，通常首选的IGBT，虽然IGBT频率较高，功率也较大，但是对于过流过压能力差，很容易烧毁，且相比较晶闸管来说，价格昂贵，而且这里不需要全可控器件，利用电感电容的谐振，可实现软开关技术，在电流为零时，半可控器件晶闸管就可以自关断，等待下一次放电。晶闸管优点就在于功率大，过流过压能力强，不易烧毁，不需要复杂的保护电路，且驱动简单，不需要专门的驱动芯片，经济实惠，而且导通压降低；本发明创造中所提到的自击穿开关内部气压可以进行调节，使得输出更加稳定；发明创造选择Blumlein传输线来压缩脉冲，Blumlein传输线常用来进行脉冲压缩，通常由一段或两段传输线构成，一段传输线获得的脉冲电压为充电电压的一半，两段传输线获得的脉冲电压等于充电电压，减少了电压损耗。
以上详细描述了本发明创造的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明创造的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明创造的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，包括基波电路、电晕线和收尘器，其特征在于，还包括：
脉冲前置升压回路，输入端接入三项交流电，将交流电转化为脉冲电流；
三项变压器，一次侧与脉冲前置升压回路电连接，将电压进行升压；
脉冲整流滤波电路，与三项变压器二次侧电连接，将交流电整流为直流电；
脉冲储能发生电路，与脉冲整流滤波电路电连接，将直流脉冲的宽度转化到微秒级；
脉冲升压变压器，一次侧与脉冲储能发生电路电连接，将脉冲储能电路中的电压进行升压；
脉冲压缩电路，与脉冲升压变压器的二次侧电连接，将微秒级的脉冲电流压缩为纳秒级的脉冲电流；
脉冲取样电路，与脉冲压缩电路电连接；
触发信号回路，与脉冲前置升压回路电连接，与脉冲储能发生电路电连接，用于控制开关器件导通；
耦合电路，用于将基波电流和纳秒级脉冲电流进行叠加升压，偶尔电路的输入端分别与基波电路和脉冲取样电路电连接，耦合电路的输出端与电晕线电连接。
2.根据权利要求1所述的一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，其特征在于，所述的脉冲前置升压回路，采用了三个双向晶闸管对输入的三项电进行脉冲处理。
3.根据权利要求1所述的一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，其特征在于，所述的脉冲整流滤波电路采用的整流桥有3组相串联的二极管构成。
4.根据权利要求1所述的一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，其特征在于，所述的脉冲储能发生电路，采用了两级充放电回路，完成了将脉冲宽度转为微秒级的工作，同时也再次进行了升压。
5.根据权利要求4所述的一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，其特征在于，所述的充放电回路采用的两个晶闸管作为开关器件，通过谐振达到关断晶闸管的作用。
6.根据权利要求1所述的一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，其特征在于，所述的脉冲压缩电路采用的压缩器件为自击穿开关和Blumlein传输线；所述的Blumlein传输线为同轴传输线。
7.根据权利要求6所述的一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，其特征在于，所述的自击穿开关包括：
柱形金属外壳，内填充有高压惰性气体，接地；
铜芯，一端与脉冲升压变压器的二次侧电连接，另一端插入柱形金属外壳中；绝缘活塞，安装在柱形金属外壳内，与柱形金属外壳滑动连接；
所述的绝缘活塞中心处设有卡接帽，所述的卡接帽与铜芯的另一端固定连接；绝缘密封圈，安装在柱形金属外壳的入口出，位于铜芯与柱形金属外壳之间，用于绝缘和密封作用；
绝缘气囊，安装柱形金属外壳内，位于绝缘活塞下方，一端与柱形金属外壳的内底部固定连接，另一端与绝缘活塞的底部固定连接；
若干环形绝缘栅板，安装在柱形金属外壳内，与柱形金属外壳固定连接，用于灭弧；
充气阀，穿过柱形金属外壳安装在绝缘气囊上，与绝缘气囊固定连接；
所述的铜芯作为阳极，柱形金属外壳作为阴极。
8.根据权利要求7所述的一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，其特征在于，所述的自击穿开关的填充气体为六氟化硫。
9.根据权利要求1所述的一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，其特征在于，所述的脉冲整流滤波电路和脉冲储能发生电路的电路为：
三项变压器二次侧的U相次绕组与二极管D3的阳极连接，与二极管D6的阴极连接；三项变压器二次侧的V相次绕组与二极管D1的阳极连接，与二极管D4的阴极连接；三项变压器二次侧的W相次绕组与二极管D2的阳极连接，与二级管D5的阴极连接；二极管D1的阴极与二极管D2的阴极和二极管D3的阴极连接，与电容C1的第一端连接；二极管D4的阳极与二极管D5的阳极和二极管D6的阳极连接，与电容C1的第二段连接；电容C1的第一端与电感L1的第一端连接，电感L1的第二端与晶闸管K1的阳极连接，晶闸管K1的阴极与电容C2的第一端连接，电容C2的第一端与电感L2的第一端连接，电感L2的第二段与晶闸管K2的阳极连接，晶闸管K2的阴极与电容C2的第二端连接，电容C2的第二段与电容C1的第二段连接；电感L2为脉冲升压变压器的一次侧。
10.根据权利要求1所述的一种由可控硅控制的纳秒级脉冲电源，其特征在于，所述的脉冲压缩电路和脉冲取样电路的电路为：
脉冲升压变压器的二次侧的第一端与自击穿开关的阳极连接，脉冲升压变压器的二次侧的第二段与自击穿开关的阴极连接，自击穿开关的阴极接地；Blumlein传输线B1的轴线与自击穿开关的阳极连接，Blumlein传输线B1的表线与自击穿开关的阴极连接；Blumlein传输线B2的轴线与Blumlein传输线传输线B1的轴线连接，电阻R1的第一端与Blumlein传输线B1的表线连接，电阻R1的第二端与Blumlein传输线B2的表线连接；电容C3的第一端与Blumlein传输线B2的轴线连接，电容C3的第二端与电阻R3的第一端连接；电容C3的第二端与耦合电路连接；电阻R3的第二端与电阻R4的第一端连接，电阻R4的第二端接地；电阻R2的第一端与Blumlein传输线B2的表线连接，电阻R2的第二端与电阻R4的第二端连接，电阻R4的第二端与收尘器连接。
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