CN110995024B - 一种直流电弧等离子体电源及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电弧等离子体电源及系统，该电源及系统包括依次连接的输入整流模块、逆变模块、高频变压模块、输出整流模块和电源输出端，还包括电压补偿模块，该电压补偿模块的补偿电压输出端与输出整流模块的直流端串联设置，所述电压补偿模块的补偿电压输出端与所述输出整流模块的直流端串联设置后的电压输出端连接所述电源输出端，当所述输出整流模块的直流端输出直流起弧电压的同时，电压补偿模块输出与所述直流起弧电压方向相同的补偿电压。本发明中的电压补偿模块能够增加起弧时所需的高电压，保证了电弧放电的可靠完成。

Description

一种直流电弧等离子体电源及系统

技术领域

本发明属于直流等离子体电弧技术领域，具体涉及一种直流电弧等离子体电源及系统。

背景技术

直流电流流经气体，使原来不导电的气体被击穿后，在两极之间构成一导电的通道，进而产生电弧放电，即直流电弧等离子体。直流电弧等离子体一般是通过等离子体炬或石墨电极来实现的。直流电弧等离子体因为温度高、能量集中等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。目前，在机械加工行业，它被经常应用于焊接、切割、喷涂等加工领域；在冶金工业方面，它主要应用于金属的熔化与重熔、保温、新冶炼工艺等过程；在化工行业，它被用于裂解煤、生产乙炔、薄膜沉积等工艺过程；在宇宙航天领域，它被用于高温气体动力学实验、热防护材料的烧蚀实验和用作电光源等；在材料制备领域，它被用于纳米粉料制取和纳米材料合成等制备过程。随着地球能源的不断消耗和人们环保意识的逐渐提高，某些迫切需要解决的问题，如电厂锅炉等离子体点火、垃圾等离子体处理、生物质气化等，都需要使用直流电弧等离子体技术。

近年来，重点研究将直流电弧等离子体技术引入危险废弃物处理领城和研制处理危险废弃物的环保设备。由于采用非燃烧技术(无需通入空气)以及电能的使用，使得产生的气体量很少(仅由有机物分解产生)，可以得到洁净的处理废气，从而达到“零”排放。

直流电弧等离子体系统由电源、等离子体炬或者石墨电极控制柜以及电弧等构成。电源的作用是从市电获得电能并对其进行二次变换，使之成为电弧等离子体系统所需的电能形式，通过变换获得的电能在等离子体炬上形成强电场，进而使气体发生电离，在热压缩、磁压缩和机械压缩的共同作用下形成直流电弧等离子体。

直流电弧等离子体系统的能量传递途径为：电网—电源—等离子体弧—受体(或物料)。外部电网是电源获取能量的源泉，但是能量在电源的二次转换中，会有明显的损失，所以电源在直流电弧等离子体系统中扮演着重要的角色。

授权公告号为CN207368899U的中国实用新型专利文件公开了一种直流电弧等离子体电源，该电源包括主电路和控制电路，主电路如图1所示，主电路包括依次连接的整流滤波模块、高频全桥逆变模块、高频变压模块、快速整流滤波模块，以实现将电网转换成直流电弧等离子体电源输出。该电源采用高频全桥逆变模块，能够有效降低电磁干扰，并实现较大功率输出，但是，在起弧前常常需要较高的电压，该电源中仅设置有整流、逆变、变压、整流等模块不能满足起弧时高电压的需求，从而无法完成电弧放电，不能产生直流电弧等离子体。

发明内容

本发明提供了一种直流电弧等离子体电源，用以解决现有技术中的直流电弧等离子体电源不能满足起弧时高电压需求的问题；本发明还提供了一种直流电弧等离子体系统，用以解决现有技术中的直流电弧等离子体系统中的直流电弧等离子体电源不能满足起弧时高电压需求的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案和有益效果为：

本发明的一种直流电弧等离子体电源，该电源包括输入整流模块、逆变模块、高频变压模块、输出整流模块和电源输出端；所述输入整流模块的交流端用于连接电网，输入整流模块的直流端和逆变模块的直流端相连，所述逆变模块的交流端和高频变压模块的原边绕组相连，所述高频变压模块的第一副边绕组连接输出整流模块的交流端，所述输出整流模块的直流端用于连接所述电源输出端；该电源还包括电压补偿模块，所述电压补偿模块的补偿电压输出端与所述输出整流模块的直流端串联设置，所述电压补偿模块的补偿电压输出端与所述输出整流模块的直流端串联设置后的电压输出端连接所述电源输出端，当所述输出整流模块的直流端输出直流起弧电压的同时，电压补偿模块输出与所述直流起弧电压方向相同的补偿电压。

本发明的一种直流电弧等离子体系统，包括直流电弧等离子体电源和起弧负载，该直流电弧等离子体电源的电源输出端连接所述起弧负载，所述电源包括输入整流模块、逆变模块、高频变压模块、输出整流模块和电源输出端；所述输入整流模块的交流端用于连接电网，输入整流模块的直流端和逆变模块的直流端相连，所述逆变模块的交流端和高频变压模块的原边绕组相连，所述高频变压模块的第一副边绕组连接输出整流模块的交流端，所述输出整流模块的直流端用于连接所述电源输出端；该直流电弧等离子体电源还包括电压补偿模块，所述电压补偿模块的补偿电压输出端与所述输出整流模块的直流端串联设置，所述电压补偿模块的补偿电压输出端与所述输出整流模块的直流端串联设置后的电压输出端连接所述电源输出端，当所述输出整流模块的直流端输出直流起弧电压的同时，电压补偿模块输出与所述直流起弧电压方向相同的补偿电压。

其有益效果为：该电源及系统中增加电压补偿模块，且输出整流模块的直流端输出直流起弧电压的同时，电压补偿模块输出与所述直流起弧电压方向相同的补偿电压，增加了起弧时所需的高电压，保证了电弧放电的可靠完成。而且，该电源及系统通过依次连接的整流模块、逆变模块、高频变压模块、输出整流模块以实现直流电弧等离子体的能量传递，电能转换效率高。

作为电源及系统的进一步改进，为了可靠实现增加起弧时所需的高电压，所述高频变压模块还包括高频变压模块的第二副边绕组，所述电压补偿模块包括补偿电阻、控制开关、补偿电容和补偿变压器，所述补偿电阻连接高频变压模块的第二副边绕组，控制开关和补偿电容的串联支路的两端连接所述高频变压模块的第二副边绕组，所述补偿电容的两端连接所述补偿变压器的原边绕组，所述补偿变压器的副边绕组为所述电压补偿模块的补偿电压输出端。

作为电源及系统的进一步改进，为了使该电源及系统工作于更高的频率条件下，减小电源及系统的体积和重量，所述逆变模块为全桥型逆变电路，所述全桥型逆变电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂上串设有第一IGBT和第三IGBT，所述第二桥臂上串设有第二IGBT和第四IGBT，每个IGBT的两端均并联有串设的电阻和电容。

作为电源及系统的进一步改进，为了克服高频变压模块因不平衡造成的偏磁，提高高频变压模块抗不平衡的能力，所述逆变模块的交流端通过缓冲电容连接高频变压模块的原边绕组，所述缓冲电容串设在逆变模块的交流端中，且缓冲电容为一个电容或包括并联设置的至少两个电容。

作为电源的进一步改进，为了使输出整流模块输出的断续信号变得连续，所述输出整流模块的直流端设置有扼流滤波模块。

作为电源的进一步改进，为了可靠实现使输出整流模块输出的断续信号变得连续，所述扼流滤波模块为LC滤波电路。

附图说明

图1是现有技术的直流电弧等离子体电源中主电路的电路图；

图2是本发明的直流电弧等离子体系统的结构连接示意图；

图3是本发明的逆变模块的电路图；

图4是本发明的输出整流模块和电压补偿模块的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

直流电弧等离子体系统实施例：

该实施例提供了一种直流电弧等离子体系统，该系统包括直流电弧等离子体电源(下称电源)和起弧负载，电源的电源输出端连接起弧负载，以将直流电弧等离子体电源产生的交流信号输送到起弧负载两端，使得不导电的气体击穿，从而构成一导电通道产生电弧放电。这里的起弧负载可为等离子体炬或石墨电极。

其结构连接示意图如图2所示。

如图2所示，该电源包括输入整流模块、逆变模块、高频变压模块、输出整流模块和电源输出端(在图2中未画出)。输入整流模块的交流端用于连接电网，以从电网获取电能，输入整流模块的直流端和逆变模块的直流端相连，逆变模块的交流端和高频变压模块(即高频变压器)的原边绕组相连，高频变压模块的第一副边绕组连接输出整流模块的交流端，输出整流模块的直流端用于连接电源输出端。为了满足起弧时高电压需求，该电源还包括电压补偿模块，电压补偿模块的补偿电压输出端与输出整流模块的直流端串联设置，电压补偿模块的补偿电压输出端与输出整流模块的直流端串联设置后的电压输出端连接电源输出端。而且，当输出整流模块的直流端输出直流起弧电压的同时，电压补偿模块输出与直流起弧电压方向相同的补偿电压，以增加起弧时所需的高电压。

为了实现上述功能，采用了分别如图3、4所示的逆变模块的电路图、输出整流模块和电压补偿模块的电路图，下面针对各个模块所采用的具体电路结构做详细说明。

输入整流模块可采用现有技术中的任一可实现整流功能的模块，只要能够将三相交流电转换为直流电即可。例如，可采用授权公告号为CN207368899U的中国实用新型专利中的“整流滤波模块”的结构形式，如图1中的“整流滤波模块”所示。

逆变模块用于将输入整流模块产生的直流信号进行逆变，以产生25kHz左右的交流信号。

该实施例中的逆变模块为全桥型逆变电路，而且，由于复合型电子元件IGBT具有输入阻抗高、速度快、低损耗、热稳定性好和驱动电路简单等优点，故该逆变模块中的功率器件采用IGBT。该逆变模块的电路图如图3所示，该全桥型逆变电路包括第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂上串设有IGBT1和IGBT3，第二桥臂上串设有IGBT2和IGBT4，IGBT1两端并联有串设的电阻R1和电容C1，IGBT2两端并联有串设的电阻R2和电容C2，IGBT3两端并联有串设的电阻R3和电容C3，IGBT4两端并联有串设的电阻R4和电容C4。IGBT1和IGBT3的串接点、IGBT2和IGBT4的串接点为逆变模块的交流端，用于输出交流电，且用于连接高频变压模块的原边绕组。其中，四个电阻R1、R2、R3、R4均为18Ω/0.5W，四个电容C1、C2、C3、C4均为20nF/1000V。

该逆变模块中的每个IGBT的两端均并联有串设的电阻和电容，以使IGBT在关断时能够产生较高的电压上升速率，并能够减少IGBT的关断损耗。

另外，为了方便控制逆变模块中IGBT的导通与关断，可通过STM32单片机输出方波信号，再通过脉宽控制芯片输出两路互补的输出信号，通过驱动芯片来控制IGBT的导通与关断。

同时，为了克服因高频变压模块因不平衡造成的偏磁，提高高频变压模块抗不平衡的能力，在高频变压模块的原边绕组一侧串联缓冲电容，该缓冲电容由并联设置的三个隔直电容C5、C6、C7组成。其中，这三个隔直电容C5、C6、C7均为10μF/1000V。需说明的是，当隔直电容的性能能够满足需求的情况下，可采用并联设置的两个隔直电容甚至只设置一个隔直电容以构成缓冲电容。

高频变压模块用于将逆变模块产生的25kHz左右的交流信号升高到650V。

该实施例中的高频变压模块包括两个副边绕组，分别为第一副边绕组和第二副边绕组。第一副边绕组连接输出整流模块的交流端，第二副边绕组连接电压补偿模块。

如图4所示，该实施例中的输出整流模块B1采用桥式整流结构。

输出整流模块的直流端上设置有扼流滤波模块，该扼流滤波模块为由电感L1、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11组成的LC滤波电路。这四个电容C8、C9、C10、C11的接入为高频能量的传输提供了一个捷径，使得经过输出整流模块后的断续的电流变得连续，并且保护了逆变模块中的IGBT。其中，电感L1为01mH，电容C8、C9、C10、C11均为200μF/1200V。

电压补偿模块包括补偿电阻R7、控制开关S1、补偿电容和补偿变压器，补偿电容由串设的两个电容C12、C13组成。补偿电阻R7连接高频变压模块的第二副边绕组，控制开关S1和补偿电容的串联支路的两端连接高频变压模块的第二副边绕组，补偿电容的两端连接补偿变压器的原边绕组，补偿变压器的副边绕组为电压补偿模块的补偿电压输出端。其中，补偿电阻R7为1kΩ/25W，电容C12、C13均为6.8nF/2500V。

扼流滤波模块的输出端与补偿变压器的副边绕组串联设置后的电压输出端连接起弧负载。高频变压模块的第二副边绕组会输出与逆变模块功率频率相同的基波电压，该基波电压是直接输入到电压补偿模块中的，通过闭合控制开关S1以将补偿变压器直接加到起弧负载的两端，以增加起弧时所需的高电压。在起弧后，电路所维持的电压大大降低，此时可断开控制开关S1。

整体来看，该直流电弧等离子体电源的电能转换效率达到81.2％，能够产生稳定的直流电弧等离子体，功率可达100kW-300kW，引燃的电弧长度约为5mm，方便控制，性能优异。

另外，需说明的是，为了增加起弧时所需的高电压，该实施例采用了如图4所示结构的电压补偿模块，作为其他实施方式，还可采用其他电路结构形式的电压补偿模块，只要该电压补偿模块能够实现在需要增加起弧时所需的高电压时产生与直流起弧电压方向相同的补偿电压即可。例如，该实施例中补偿电容由串设的两个电容C12、C13组成，作为其他实施方式，可设置一个电容，只要电容的性能指标能够满足需求即可；该实施例中电压补偿模块连接的是高频变压模块的第二副边绕组，使用较高的振荡电压幅值以保证电弧的可靠点燃，作为其他实施方式，电压补偿模块的结构形式可为包括图2中的输入整流模块、图3中的逆变模块和高频变压模块和图4中的电压补偿模块的结构形式，只是该电路结构形式形成的直流电弧等离子体电源较为繁琐，存在相同的模块。

而且，逆变模块除了采用图3所示的电路结构外，还可采用现有的其他的可实现逆变功能的电路结构形式，例如，可采用授权公告号为CN207368899U的中国实用新型专利中的“高频全桥逆变模块”的电路结构形式，如图1中的“高频全桥逆变模块”所示。输出整流模块也可采用除图4所示的电路结构外的其他电路结构，例如，可采用授权公告号为CN207368899U的中国实用新型专利中的“快速整流滤波模块”的电路结构形式，如图1中的“快速整流滤波模块”所示。

直流电弧等离子体电源实施例：

该实施例提供了一种直流电弧等离子体电源，该电源已在直流电弧等离子体系统实施例做了详细说明，故在该实施例中不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种直流电弧等离子体电源，该电源包括输入整流模块、逆变模块、高频变压模块、输出整流模块和电源输出端；所述输入整流模块的交流端用于连接电网，输入整流模块的直流端和逆变模块的直流端相连，所述逆变模块的交流端和高频变压模块的原边绕组相连，所述高频变压模块的第一副边绕组连接输出整流模块的交流端，所述输出整流模块的直流端用于连接所述电源输出端；

其特征在于，该电源还包括电压补偿模块，所述电压补偿模块的补偿电压输出端与所述输出整流模块的直流端串联设置，所述电压补偿模块的补偿电压输出端与所述输出整流模块的直流端串联设置后的电压输出端连接所述电源输出端，当所述输出整流模块的直流端输出直流起弧电压的同时，电压补偿模块输出与所述直流起弧电压方向相同的补偿电压；

所述高频变压模块还包括高频变压模块的第二副边绕组，所述电压补偿模块包括补偿电阻、控制开关、补偿电容和补偿变压器，所述补偿电阻连接高频变压模块的第二副边绕组，控制开关和补偿电容的串联支路的两端连接所述高频变压模块的第二副边绕组，所述补偿电容的两端连接所述补偿变压器的原边绕组，所述补偿变压器的副边绕组为所述电压补偿模块的补偿电压输出端。

2.根据权利要求1所述的直流电弧等离子体电源，其特征在于，所述逆变模块为全桥型逆变电路，所述全桥型逆变电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂上串设有第一IGBT和第三IGBT，所述第二桥臂上串设有第二IGBT和第四IGBT，每个IGBT的两端均并联有串设的电阻和电容。

3.根据权利要求1所述的直流电弧等离子体电源，其特征在于，所述逆变模块的交流端通过缓冲电容连接高频变压模块的原边绕组，所述缓冲电容串设在逆变模块的交流端中，且缓冲电容为一个电容或包括并联设置的至少两个电容。

4.根据权利要求1所述的直流电弧等离子体电源，其特征在于，所述输出整流模块的直流端设置有扼流滤波模块。

5.根据权利要求4所述的直流电弧等离子体电源，其特征在于，所述扼流滤波模块为LC滤波电路。

6.一种直流电弧等离子体系统，包括直流电弧等离子体电源和起弧负载，该直流电弧等离子体电源的电源输出端连接所述起弧负载，所述电源包括输入整流模块、逆变模块、高频变压模块、输出整流模块和电源输出端；所述输入整流模块的交流端用于连接电网，输入整流模块的直流端和逆变模块的直流端相连，所述逆变模块的交流端和高频变压模块的原边绕组相连，所述高频变压模块的第一副边绕组连接输出整流模块的交流端，所述输出整流模块的直流端用于连接所述电源输出端；

其特征在于，该直流电弧等离子体电源还包括电压补偿模块，所述电压补偿模块的补偿电压输出端与所述输出整流模块的直流端串联设置，所述电压补偿模块的补偿电压输出端与所述输出整流模块的直流端串联设置后的电压输出端连接所述电源输出端，当所述输出整流模块的直流端输出直流起弧电压的同时，电压补偿模块输出与所述直流起弧电压方向相同的补偿电压；

所述高频变压模块还包括高频变压模块的第二副边绕组，所述电压补偿模块包括补偿电阻、控制开关、补偿电容和补偿变压器，所述补偿电阻连接高频变压模块的第二副边绕组，控制开关和补偿电容的串联支路的两端连接所述高频变压模块的第二副边绕组，所述补偿电容的两端连接所述补偿变压器的原边绕组，所述补偿变压器的副边绕组为所述电压补偿模块的补偿电压输出端。

7.根据权利要求6所述的直流电弧等离子体系统，其特征在于，所述逆变模块为全桥型逆变电路，所述全桥型逆变电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂上串设有第一IGBT和第三IGBT，所述第二桥臂上串设有第二IGBT和第四IGBT，每个IGBT的两端均并联有串设的电阻和电容。

8.根据权利要求6所述的直流电弧等离子体系统，其特征在于，所述逆变模块的交流端通过缓冲电容连接高频变压模块的原边绕组，所述缓冲电容串设在逆变模块的交流端中，且缓冲电容为一个电容或包括并联设置的至少两个电容。

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