CN112511012A - 一种高频高压介质阻挡放电电路 - Google Patents

一种高频高压介质阻挡放电电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高频高压介质阻挡放电电路，该电路包括有主回路和至少一路负载回路；每一路所述负载回路均与所述主回路连接；其中，主回路包括有：用于将工频市电转换成为具有源频率f0、源电压U0的交变方波输出的电源转换模组；主回路还包括有串联谐振模组，串联谐振模组的其中一端连接电源转换模组的其中一个输出端，串联谐振模组的另一端连接所述电源转换模组的另一个输出端；每一个所述负载回路均与所述串联谐振模组并联；串联谐振模组具有其固有谐振频率f，电路工作时，电路中保持f＝f0。该电路利用串联谐振电路的谐振特性，能够产生高频高压正弦交流电以供负载使用。保证负载其稳定、高效、持续、可靠地工作。

Description

一种高频高压介质阻挡放电电路
技术领域
本发明属于电源电路技术领域，特别涉及一种适用于介质阻挡放电装置的高频高压电路。
背景技术
采用介质阻挡放电的形式产生低温等离子体时，由于介质层的阻挡作用，整个介质阻挡放电装置将呈现高阻抗特性。为保证介质阻挡放电装置稳定、高效、持续、可靠地产生低温等离子体，则技术人员需保证在其两电极之间的电压施加高电压。
现有技术中，介质阻挡放电的电源一般采用低频超高压交变电源或中频超高压交变电源，电源将施加对应形式的高压电于介质阻挡放电的两电极之间。例如在申请号为“201580072748.5”的专利申请文件中公开的介质阻挡放电设备，其中涉及的高压电源模块从电池处获得直流电力后，转换输出为频率在10kHz～100kHz范围内、电压幅值在1kV～7kV之间的交流电。这样的电源设置现在被普遍应用在介质阻挡放电装置中，用于向气源提供足够高的能量，方便气源提供的目标气体电离，产生更多的低温等离子体。
在合理范围内，越高幅值的源电压越有利于电离目标气体，能更快地产生更多的低温等离子体，但与此同时，幅值过高的源电压难以获得，将其应用在大规模的工业生产中时，电路中的电子元器件也将面临电压耐受能力的严峻考验，为保证电路中各个电子元器件工作平稳，技术人员常对应选用更高额定电压的电子元器件，这将不可避免地抬高整体电路的制造成本。而从另一方面来说，在相同电路电流的环境下，超高幅值的源电压将同时带来装置超高的能耗，对于对等离子体需求较大体量的废水处理、废液处理、臭氧发生等具体工业领域而言，是其得到广泛推广的最大阻碍。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种电路，该电路利用串联谐振电路的谐振特性，能够产生高频高压正弦交流电以供负载使用。
本发明的另一个目的在于提供一种高频高压介质阻挡放电电路，该电路能够为介质阻挡放电提供放电电源，保证其稳定、高效、持续、可靠地工作产生低温等离子体。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高频高压介质阻挡放电电路，该电路包括有主回路和至少一路负载回路。主回路中包括有电源转换模组以及串联谐振模组；
具体的，电源转换模组包括有：用于对外部输入的工频市电作出整流，使其转换成为波动的直流电的整流模块；用于过滤异常的直流或交流分量，得到平滑的、具有固定电压幅值的直流电的滤波模块；用于在允许范围内将直流电的电压幅值调节到预期大小的调压模块；用于将具有预期大小的直流电转换成为具有源频率f0、源电压U0的交变方波的逆变模块；
上述模块顺次设置，依序连接，外部工频市电接入整流模块，依次处理后在逆变模块的两个输出端之间获得具有源频率f0、源电压U0的交流方波。
在逆变模块的末端还设置有隔直电容以及匹配变压器。隔直电容设置在逆变模块与匹配变压器之间，隔直电容的其中一端连接逆变模块的其中一个输出端，其另一端连接所述匹配变压器的原边的其中一端。匹配变压器原边的另一端连接逆变模块的另一个输出端，其副边则与串联谐振模组连接。
匹配变压器原边线圈匝数为N1，其副边线圈匝数为N2，令该匹配变压器的原副边线圈匝数比为N；计算得到匹配变压器原边侧的总输入阻抗为Z1、其副边侧的总输出阻抗为Z2，合理设计原边线圈匝数以及副边线圈匝数，使得电路中保持保持
Figure BDA0002821158840000021
则逆变模块的末端输出的源频率f0、源电压U0的交变方波经隔直电容隔直补偿后，将在匹配变压器的副边处得到同频交流方波U1：
Figure BDA0002821158840000031
主回路中的串联谐振模组中包括有串联谐振电感L与串联谐振电容C，串联谐振电感L的一端连接电源转换模组的其中一个输出端，其另一端连接串联谐振电容C的一端，而串联谐振电容C的另一端则连接电源转换模组的另一个输出端，在串联谐振电容的两端引出主回路的两个输出端。
由串联谐振电感L与串联谐振电容C接合形成的LC串联谐振电路具有固有谐振频率f，调节逆变模块的逆变频率，使得电路中保持f＝f0，则串联谐振模块达到其谐振状态，此时整个串联谐振模组呈纯阻性。选用低损耗的高频电感作为串联谐振电感L，选用低介质损耗的高频电容作为串联谐振电容C，合理设置L C大小，则可在串联谐振模组达到其谐振状态时，模组获得极高的品质因数Q：
Figure BDA0002821158840000032
并进一步在串联谐振电容上获得始终Q倍于U1的同频正弦交流电U2：
Figure BDA0002821158840000033
由于串联谐振模组在谐振状态下具备极高的品质因数Q，则谐振谐振状态下串联谐振电容上将获得高频、高压的正弦交流电U2。
主回路采用电源转换模组+串联谐振模组结合的转换形式，具有多重有益效果：首先，以整流模块、滤波模块、调压模块以及逆变模块组成的电源转换模组，其模组架构清晰，模组工作时，对应调整逆变模块的逆变频率，即可得到理想的、较高的电压源频率f0，将该高频交流电施加在负载上，则依据其高频特性，原需高幅值电压才能实现的激励效果，采用该主回路，仅需较低电压幅值就能满足；其次，以串联谐振电感与串联谐振电容接合形成的串联谐振模组，可自然地将逆变模块输出的交流方波转换成为交流正弦波，正弦波相较于方波具有更为缓和的变换趋势，可有效避免了方波中的电压突变
Figure BDA0002821158840000034
对后续电路的产生干扰；再者，区别于现有技术中采用升压变压器抬高电压幅值的方法，在本电路中，主回路中通过合理设置串联谐振电感的感抗大小与串联谐振电容的容抗大小，构造合理的品质因数Q，利用串联谐振电路取得谐振时具备的电压放大特性，在串联谐振电容上获得Q倍的电压放大效果，其电压放大效果十分理想；另外，本申请提供的主回路在工作时，需保证其工作在电流和电压的谐振状态下，这样的状态可以使得其逆变模块中相应的开关元件工作在软开关状态下，从而提高电源转换模组的可靠性以及转换效率；最后，由于主回路利用串联谐振电路的谐振特性放大电压，则匹配变压器在主回路中仅仅起到阻抗匹配的作用，因此该匹配变压器的匝数比可设置在较小数值范围内，这就进一步避免了由于变压器匝数比过大而产生的线圈能量密度大、线圈发热严重、寄生电感/寄生电容的情况复杂等一系列问题。
将上述主回路应用到以介质阻挡放电装置为核心负载的负载回路中去，以主回路为激励，带动多路负载回路，每一路负载回路中均包括有介质阻挡放电装置，该装置是由两个呈管状或板状的放电电极、两极间所夹的介质阻挡层和放电间隙组成的。每一个介质阻挡放电装置中的两放电电极均分别连接串联谐振电容的两端，当串联谐振模组达到其谐振状态时，介质阻挡放电装置将通过串联谐振电容获得与其同频、同电压幅值的高频高压正弦交流电，主回路产生的高频高压交流电施加在介质阻挡放电装置的两放电电极之间，为介质阻挡放电装置稳定、高效、持续、可靠地产生低温等离子体提供稳定可靠的大功率电源保障。
在每一路负载回路中，针对其中接入的介质阻挡放电装置，还对应设置了限流电容，限流电容设置在串联谐振电容与介质阻挡放电装置之间，其一端连接串联谐振电容的一端，另一端连接对应的介质阻挡放电装置的对应电极，起到有效限流、保护对应介质阻挡放电装置的作用。
多路负载回路共同工作虽能提高整体放电功效，但在实际使用过程中，介质阻挡放电装置很容易受高电压击穿而造成该路负载回路发生短路故障，一旦某一路负载回路发生短路故障，则整个介质阻挡放电电路将触发电流过载保护而停机。
为解决上述问题，在本发明提供的高频高压介质阻挡放电电路中，针对每一路负载回路，都将额外设置具有自动检测过流并在该负载回路发生短路故障时自动切断功能的保护分路：以电流采样器、电流比较器、切断信号发生器以及保护继电器组成；其中，保护继电器设置在介质阻挡放电装置与串联谐振电容之间，保护继电器中的开关第一端连接介质阻挡放电装置的对应放电电极，该开关的第二端连接串联谐振电容对应端；
电流采样器在保护继电器于串联谐振电容的公共端处获得电流采样信号，该采样信号接入电流比较器，技术人员事先向电流比较器的另一个输入端中录入给定的电流值，电流比较器将采样信号与给定的电流值比较后，比较结果接入切断信号发生器，切断信号发生器根据其比较结果对应发出切断信号，该切断信号可接入保护继电器的控制铁芯，对应改变保护继电器中开关的通断状况。
附图说明
图1是具体实施方式中所实现的介质阻挡放电电路的整体电路结构示意图。
图2是具体实施方式中所实现的介质阻挡放电电路中i部分的局部放大图。
图3是具体实施方式中所实现的介质阻挡放电电路中ii部分的局部放大图。
图4是具体实施方式中所实现的介质阻挡放电电路中iii部分的局部放大图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
请参阅图1-4。
在本具体实施方式中提供一种高频高压介质阻挡放电电路，该电路包括有主回路和至少一路负载回路；每一路负载回路均与主回路连接；
在本具体实施方式中，主回路包括有：用于将工频市电转换成为源频率f0、源电压U0的交变方波输出的电源转换模组以及串联谐振模组；
具体地，电源转换模组包括有整流模块M1、滤波模块M2、调压模块M3和逆变模块M4，整流模块M1的输入端接入外部工频市电，整流模块M1、滤波模块M2、调压模块M3以及逆变模块M4依次连接。
在逆变模块的末端，主回路还设置有隔直电容C1以及匹配变压器T，隔直电容C1设置在逆变模块M4与匹配变压器T之间，该电容C1的其中一端连接逆变模块M4的其中一个输出端，另一端连接匹配变压器T原边的其中一端，匹配变压器T原边的另一端连接逆变模块M4的另一个输出端。设置合理的匹配变压器T的匝数比，使得匹配变压器T原边侧的输入阻抗与其副边侧的输出阻抗相匹配。
而串联谐振模组包括有串联谐振电感L1与串联谐振电容C2，串联谐振电感L1选用高频电感，在兼顾高频电感的有效导电面积的同时，为避免高频电流的肌肤效应对该高频电感产生影响，该高频电感采用多股漆包线绞合形成空心电感导线的形式制得。而串联谐振电容C2则以多个单体电容串联得到，每一个单体电容均选用具备低介质损耗、高额定电压以及高额定电流特性的高频电容。串联谐振电感L1的一端连接匹配变压器T副边的其中一端，其另一端连接串联谐振电容C2的其中一端，而串联谐振电容C2的另一端则接入匹配变压器T副边的另一端。
在串联谐振电容C2的两端引出两输出端作为主回路的输出端，则在这两个输出端之间将稳定输出高频高压正弦交流电。
以主回路为电路的激励，带动多路负载回路。
以第一路负载回路为例，在每一路负载回路中均包括有介质阻挡放电装置(A1...An)以及限流电容(C31...C3n)，限流电容(C31...C3n)设置在介质阻挡放电装置(A1...An)与串联谐振电容C2之间，限流电容(C31...C3n)的一端连接主回路的其中一个输出端，限流电容(C31...C3n)的另一端连接介质阻挡放电装置(A1...An)的其中一个放电电极，介质阻挡放电装置(A1...An)中的另一个放电电极分别连接主回路的另一个输出端。
进一步地，在本具体实施方式提供的电路中，每一路负载回路中还包括有电流采样器、电流比较器、切断信号发生器以及保护继电器(K1...Kn)；
保护继电器(K1...Kn)设置在介质阻挡放电装置(A1...An)与串联谐振电容(C31...C3n)之间，保护继电器(K1...Kn)中的开关第一端连接介质阻挡放电装置(A1...An)的对应电极，保护继电器(K1...Kn)中开关的第二端连接串联谐振电容(C31...C3n)对应端；
电流采样器以电流互感的形式，在保护继电器与串联谐振电容的公共端处获得电流采样信号，该电流采样器的输出端接入电流比较器，电流比较器的另一个输入端录入外部给定的电流值Igd，电流比较器的输出端连接切断信号发生器，切断信号发生器的输出端连接保护继电器(K1...Kn)的控制铁芯。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高频高压介质阻挡放电电路，该电路包括有主回路和至少一路负载回路；每一路所述负载回路均与所述主回路连接；所述主回路包括有：用于将工频市电转换成为具有源频率f0、源电压U0的交变方波输出的电源转换模组；
其特征在于，所述主回路还包括有串联谐振模组，所述串联谐振模组的其中一端连接所述电源转换模组的其中一个输出端，所述串联谐振模组的另一端连接所述电源转换模组的另一个输出端；每一个所述负载回路均与所述串联谐振模组并联；
所述串联谐振模组具有其固有谐振频率f，电路工作时，电路中保持f＝f0。
2.如权利要求1所述的高频高压介质阻挡放电电路，其特征在于，所述串联谐振模组包括有串联谐振电感与串联谐振电容，所述串联谐振电感的一端连接所述电源转换模组的其中一个输出端，所述串联电感的另一端连接所述串联谐振电容的一端，所述串联谐振电容的另一端连接所述电源转换模组的另一个输出端。
3.如权利要求2所述的高频高压介质阻挡放电电路，其特征在于，所述电源转换模组包括有整流模块、滤波模块、调压模块和逆变模块，所述整流模块的输入端接入外部工频市电，所述整流模块、所述滤波模块、所述调压模块以及所述逆变模块依次连接，所述逆变模块的两个输出端之间输出具有源频率f0、源电压U0的交变方波。
4.如权利要求3所述的高频高压介质阻挡放电电路，其特征在于，所述主回路还包括有匹配变压器，所述匹配变压器设置在所述逆变模块与所述串联电感之间，所述匹配阻抗的原边的两端连接所述逆变模块的两个输出端，所述匹配变压器副边的其中一端连接所述串联电感，所述匹配变压器副边的另一端连接所述串联总电容。
5.如权利要求4所述的高频高压介质阻挡放电电路，其特征在于，所述主回路中位于匹配变压器原边侧具有总输入阻抗Z1，电路位于匹配变压器副边侧具有总输出阻抗Z2；
所述匹配变压器具有匝数比N，该匝数比为原边线圈匝数与副边线圈匝数的比值；电路工作时，保持
Figure FDA0002821158830000021
6.如权利要求5所述的高频高压介质阻挡放电电路，其特征在于，所述主回路还包括有隔直电容，所述隔直电容设置在所述逆变模块与所述匹配变压器原边之间，所述隔直电容的一端连接所述逆变模块的其中一个输出端，所述隔直电容的另一端连接所述匹配变压器的原边的其中一端。
7.如权利要求2所述的高频高压介质阻挡放电电路，其特征在于，每一路所述负载回路中均包括有介质阻挡放电装置，所述介质阻挡放电装置中的两个电极分别连接所述串联谐振电容的两端。
8.如权利要7所述的高频高压介质阻挡放电电路，其特征在于，每一路所述负载回路中还包括有限流电容，所述限流电容设置在所述介质阻挡放电装置与所述串联谐振电容之间，所述限流电容的一端连接所述串联谐振电容的一端，所述限流电容的另一端连接所述介质阻挡放电装置的对应电极。
9.如权利要求8所述的高频高压介质阻挡放电电路，其特征在于，每一路所述负载回路中还包括有电流采样器、电流比较器、切断信号发生器以及保护继电器；
所述保护继电器设置在所述介质阻挡放电装置与所述串联谐振电容之间，所述保护继电器中的开关第一端连接所述介质阻挡放电装置的对应电极，所述保护继电器中开关的第二端连接所述串联谐振电容对应端；
所述电流采样器与所述保护继电器与所述串联谐振电容的公共端处获得电流采样信号，所述电流采样器的输出端接入所述电流比较器，所述电流比较器的另一个输入端录入外部给定的电流值，所述电流比较器的输出端连接所述所述切断信号发生器，所述切断信号发生器的输出端连接所述保护继电器的控制铁芯。
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