CN113727483A - 一种多电极交流电弧放电装置、设备及交流电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多电极交流电弧放电装置、设备及交流电源，放电装置包括2n个电极，各所述电极的放电端均匀分布在2n边形顶点上，2n个电极被分为n对，每对或每个电极分别对应连接一个交流电源；所述交流电源输出交变的梯形波电流以使每对电极电流同频率、同相位，相邻电极的电流方向相反；所述交变的梯形波电流的频率范围为0～1000Hz。利用多电极放电装置产生连续均匀的大体积等离子体，用于粉末材料处理及制备可以获得均匀一致的产品；用于熔融炉可以获得均匀加热效果；平面放电可以产生均匀的平面光源。

Description

一种多电极交流电弧放电装置、设备及交流电源
技术领域
本发明属于电弧等离子体放电技术领域，特别涉及一种多电极交流电弧放电装置、设备及交流电源。
背景技术
电弧放电在工业加热特别是高温加热具有广泛的用途。电弧放电具有直流和交流两种形式。直流单电弧放电，以工件为电极，电极损耗小、加热效率高，但功率低，加热场不均匀；直流双电弧或多电弧放电，阴阳电极不对称，阳极损耗过大。直流多电弧放电可以产生大体积等离子体，温度场均匀，应用更为广泛。交流放电可以解决直流多电极电弧放电的阳极损耗问题，因而有很多的专利公开，如：JP[31]228984/92、JP[31]90286/93、JP[31]101526/93、JP[31]102970/93、US5244488、CN 93116786.8等。
现有交流多电弧放电，电源为正弦波。采用电抗器稳流或饱和电抗器控制电流，电抗器功率损耗大，电源系统功率因数低；等离子体功率脉动大，受电抗器限制换向时，电流上升速率低，容易断弧；多电极放电，电弧波动，形成时间和空间不均匀。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明的主要目的在于提供一种多电极交流电弧装置，通过多个同频率、同相位的矩形交变电流电弧放电，产生稳定的大体积均匀等离子体，并解决直流多电弧放电的阳极损耗过高问题。
第一方面，本发明提供的一种多电极交流电弧放电装置，包括，2n个电极，各所述电极的放电端均匀分布在2n边形顶点上，2n个电极被分为n对，每对或每个电极分别对应连接一个交流电源；所述交流电源输出交变的梯形波电流以使每对电极电流同频率、同相位，相邻电极的电流方向相反。
进一步地，每对电极对应连接一个电流控制的交流电源两端，各所述交流电源同频率、同相位；相邻电极的电流方向相反。
进一步地，每个电极对应连接一个交流电源的一端，各所述交流电源的另一端联接到公共零点；各所述交流电源同频率、同相位；相邻电极的电流方向相反；各所述交流电源中至少2n-1个为电流控制、至多1个为电压控制。
进一步地，所述交流电源的主电路包括：首尾串联联接的整流电压源RS+和RS-；分别与整流电源RS+和RS-并联的电流换向储能电容C+和C-；开关晶体管T1～T4和续流二极管D1～D4组成的桥式逆变电路IC；逆变电路IC的两个输出端的稳流电感L+和L-；整流电压源RS+和RS-联接点O做为交流电源的参考0电位点，稳流电感L+和L-的输出端E+和E-分别为一对电源相位相反的输出端。通过“关断T2和T3/开通T1和T4”——“关断T1和T4/开通T2和T3”的交替切换，实现交流电源E+和E-输出电压和电流的交替换向，电流换向时间小于0.5毫秒，交变电流频率范围为0～1000Hz。
第二方面，提供一种交流电源，应用于上述所述的多电极交流电弧放电装置，包括主电路，所述主电路包括：首尾串联联接的整流电压源RS+和RS-；分别与整流电源RS+和RS-并联的电流换向储能电容C+和C-；开关晶体管T1～T4和续流二极管D1～D4组成的桥式逆变电路IC；逆变电路IC的两个输出端的稳流电感L+和L-；整流电压源RS+和RS-联接点O做为交流电源的参考0电位点，稳流电感L+和L-的输出端E+和E-分别为一对电源相位相反的输出端。通过“关断T2和T3/开通T1和T4”——“关断T1和T4/开通T2和T3”的交替切换，实现交流电源E+和E-输出电压和电流的交替换向，电流换向时间小于0.5毫秒，交变电流频率范围为0～1000Hz。
进一步地，所述储能电容C+和C-的两端与桥式逆变电路的输入端之间串联开关管T5、T6，通过脉宽调制或频率调制方式控制T5和T6的开通/关断总时长，调节E1和E2的输出电压和电流。
进一步地，所述储能电容C+和C-的两端与桥式逆变电路的输入端之间串联开关管T5、T6，2个串联电弧负载中性点联接电源0电位点；通过脉宽调制或频率调制方式控制T5的开通/关断总时长，调节E1的输出电压和电流；通过脉宽调制或频率调制方式控制T6的开通/关断总时长，调节E2的输出电压和电流。
第三方面，提供一种粉末材料制备处理设备，包括：放电室、上述所述的多电极交流电弧放电装置，所述放电室上部为物料进口，放电室下部为物料出口，所述多电极交流电弧放电装置的各电极的放电端插入所述放电室并指向放电室中心和物料出口。
第四方面，提供一种交流电弧熔融炉设备，包括，熔池、上述所述的多电极交流电弧放电装置，所述多电极交流电弧放电装置的各所述电极的放电端向下指向熔池。
进一步地，所述熔池为导电材料构成。
第五方面，提供一种平面光源设备，包括，放电室、上述所述的多电极交流电弧放电装置，所述多电极交流电弧放电装置中各电极的放电端插入所述放电室，所述放电室密封有稀有气体、金属蒸气或金属卤化物蒸气中的一种。
本发明技术方案有益效果为：本发明技术方案的一种多电极交流电弧装置，通过多个同频率、同相位的矩形交变电流电弧放电，产生稳定的大体积均匀等离子体，并解决直流多电弧放电的阳极损耗过高问题。同时，采用本技术方案电路的交流电源能输出稳定的交变梯形波电流，电流换向速度快，电源功率因数高，频率可调。此外，使用本发明多电极交流电弧装置用于加热，能够产生均匀加热效果，应用于多种设备使用。
附图说明
图1a为本发明每对电极对应连接一个交流电源的放电装置的原理示意图；
图1b为本发明每个电极对应连接一个交流电源的放电装置的原理示意图；
图2a为本发明实施例中交流电源的电路原理图；
图2b为3个交流电源输出100Hz电流和电压波形；
图2c为6个交流电源输出50Hz电流和电压波形；
图3为本发明实施例包括3对电极的粉末材料处理设备纵剖面和俯视图；
图4为本发明实施例包括2对电极的电弧熔融炉纵剖面和俯视图；
图5为本发明实施例包括6对电极组成光源设备的结构剖面和俯视图。
具体实施方式
下面通过实施实例和附图进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例的一种多电极交流电弧放电装置，包括，2n个电极，n为正整数，各所述电极的放电端均匀分布在2n边形顶点上，2n个电极被分为n对，每对电极分别对应连接一个交流电源，交流电源同频率、同相位；所述交流电源输出交变的梯形波电流以使每对电极电流同频率、同相位，相邻电极的电流方向相反；所述交变的梯形波电流的频率范围为0～1000Hz。
本发明实施例中，各所述电极的放电端优选为均匀分布在正2n边形顶点上，参照图1a，本发明实施例有3对(6个)电极电弧放电。3对电极端E1、E'1、E2、E'2、E3、E'3的端部位于一个正6边形顶点处，每对电极Ei+和Ei-与一个交流电源Ii的两端相联；3个交流电源同频率、同相位；相邻2电极电流方向相反，3个电源都为电流稳定控制。
本发明实施例中，电弧放电首先位于一对电极的放电端之间。由于电弧的各种不稳定性，电弧任意摆动，不可避免与相邻电极之间电弧联通，因此在任意2个电极之间都有放电产生，每个电极与两相邻电极之间的电流处于不稳定状态，但每个电极前端电弧电流维持稳定；放电产生的等离子体位于6个电极围成的圆内；由于相邻电极电弧洛伦兹力的推斥作用，每个电极前端电弧基本稳定在电极轴线附近，不同于同向电流电弧相互吸引作用，电弧会碰撞在一起产生收缩的电弧，而影响等离子体的均匀性和稳定性。本发明的放电具有很好空间均匀性和稳定性；采用交变梯形波放电电流，电流换向时开关管关断维持时间小于10微秒，电流换向时电流下降和反向上升时间小于0.5毫秒，与50Hz正弦波交流放电相比，放电几乎没有间隙性。与正弦波交流电不同，交变梯形波极大提高了电源系统的功率因数，使得系统能量效率得以提高，包括电源和电弧的能量效率。而且，同等功率下，电流最大值减小，电极的损耗也有所降低。与工频交流电固定频率不同，本发明采用电力电子开关电路逆变转换，交流电流频率可以改变，频率变化范围0～1000Hz，适合不同频率放电要求。
需要说明的是，因为在任意2个电极之间都有放电产生，一个电源电流可以通过相邻的另一对电极电弧和电源返回本电源，形成电流闭路。所以，交流电源两端并非必须接到相邻电极上，但必须保证相邻电极的电流方向相反，如6电极的直径线上2个电极可以作为1对电极，接到一个交流电流电源的2端。
本发明实施例中，图1a的联接方式，电路没有合适的参考0电位点，实际使用需要考虑电路系统零电位点接地保护。
实施例2
本发明实施例与实施例1不同的是，本发明实施例的多电极交流电弧放电装置，每个电极对应连接一个交流电源的一端，各所述交流电源的另一端联接到公共零点；各所述交流电源同频率、同相位；各所述交流电源中至少2n-1个为电流控制、至多1个为电压控制。
如图1b所示，本发明实施例包括3对(6个)电极，6个电极的放电端位于一个正6边形顶点处，3对电极与3对具有中性点的电源或6个交流电源I1、I'1，I2、I'2，U3、I'3相联；相邻2电极联接在一对首尾相联的交流电源上，相位相反；3对电极按相邻电极相位相反依次连接到3对交流电源I1、I'1，I2、I'2，U3、I'3，每对电源的中性点连接在一起，为电源的公共零点O，公共零点O可以接地G；3对交流电源同频率、同相位。由于所有电源都接到公共零点O，而电弧汇聚处无电极返回O点，电源全部为电流控制时难以满足基尔霍夫电流定律的电流守恒，无法稳定运行。因此选择任意一个电源(U3)为恒压控制交流电源，其余都为恒流控制电源。电弧汇聚点的电位由电源U3和电弧压降的差值决定。
采用电力电子变流技术可实现电流换向的快速变化，换向关断维持时间可以小于10微妙，不影响到等离子体的稳定；稳流电感换向过程电流下降时间和反向上升时间的电流为交变梯形波，近似为交变矩形波，放电类似于直流电弧的稳定和均匀。
图2a为本发明实施例提供的一对电极的交流电源原理图，有2个极性相反的输出端E+、E-，和电源中性点O，电路器件包括：首尾串联联接的整流电压源RS+和RS-；分别与整流电源RS+和RS-并联的电流换向储能电容C+和C+；开关晶体管T1～T4和续流二极管D1～D4组成的桥式逆变电路；在电源输出2端E+、E-和逆变桥之间的稳流电感L+和L-；整流电压源RS+和RS-联接点作为1对电源中性点，作为参考0电位输出端。
通过切换“关断T2和T3/开通T1和T4”转变为“关断T1和T4/开通T2和T3”，实现输出电流快速换向。在电弧电压波动时限制电流波动的稳流电感L+和L-同时具有增强电流调节稳定、滤波换向过程限制电流幅值的作用，稳流作用所需的电感值最大。采用晶体开关管，如GTO、IGBT、MOSFET等，关断时间小于10微秒；受稳流电感L影响，换向过程中电流下降和反向上升时间小于0.5毫秒，是换向过程主要时间。开关关断时，换向电流下降过程的反向作用电压是电弧电压与储能电容电压之和，电流下降较快，电流下降时间大于开关管(使用IGBT)关断维持时间10微秒，一般小于0.1毫秒；电流过零后的反向上升过程为储能电容减去电弧的压降，电流反向上升速率小于关断过电流下降速率；由于储能电容电压C换向前为电源电压，大于电弧电压，电流下降过程中吸收稳流电感L的能量，电压会增加，加速了电流反向上升速率，电流上升时间大于电流下降时间的2～3倍。在“关断T2和T3/开通T1和T4”时，通过控制T1、T4的开通/关断总时长，控制输出端E1正向和E2反向的输出电压或电流的稳定；在“关断T1和T4/开通T2和T3”时，通过控制T2、T3的开通/关断总时长，控制输出E1反向和E2正向的输出电压或电流的稳定；反馈电流信号来自电流互感器CT+和CT-；反馈电压信号来自电流互感器PT+或PT-。
本发明实施例中，所述储能电容C+和C-的两端与桥式逆变电路的输入端之间串联开关管T5、T6，通过脉宽调制或频率调制方式控制T5和T6的开通/关断总时长，调节E1和E2的输出电压和电流。
也可以在储能电容C+和C-的两端与桥式逆变电路的输入端之间串联开关管T5、T6，2个串联电弧负载的中性点联接电源0电位点，通过脉宽调制或频率调制方式控制T5；的开通/关断总时长，调节E1；的输出电压和电流；通过脉宽调制或频率调制方式控制；T6的开通/关断总时长，调节；E2的输出电压和电流。
采用电流控制模式时，电源输出的电流为梯形波，近似为矩形波性；电流换向时，下降速度稍快，反向上升速度稍慢，上升到平顶略有过冲；受电弧特性影响，电弧没有波动时电弧电压近似为交变矩形波电压。
多对电源模块采用同一频率和相位信号控制，在多电极之间产生电弧电流交变同时，相邻电极电弧电流维持相反，维持电弧稳定。
由于电弧下降的伏安特性和不稳定的波动性，须采用稳定电流控制方式，稳定电弧放电。2n多个放电通道混合时，对2n-1个电源采用电流稳定控制方式，1个电源采用电压稳定控制方式，平衡2n-1个电源提供的恒定电流。在只有一对电极时，一对交流电源可以共一个电流稳定控制方式。
图2b为实施例1中图1a应用中，为3对(6个)电极提供电流的输出波形。3个交流电源I1、I2、I3输出为同频率、同相位、输出交变的梯形波电流、U为负载电压波形；图中交变的梯形波电流、电压的频率均为100Hz。3个交流电源同频率、同相位；相邻2电极电流方向相反，3个电源都为电流稳定控制。
图2c为实施例2中图1b应用中，为3对(6个)电极提供电源的输出波形。6个交流电源I1、I'1，I2、I'2、I3、I'3、U3输出波形如图所示；3对电极按相邻电极相位相反依次连接到3对交流电源I1、I'1，I2、I'2，I3、I'3，每对电源的中性点连接在一起，为电源的公共零点O接地G；3对交流电源同频率、同相位。选择任意一个电源(U3)为恒压控制交流电源，其余都为恒流控制电源。图中交变的梯形波电流、电压的频率均为50Hz。
实施例3
如图3所示，本发明实施例提供一种应用实施例1中多电极交流电弧放电装置的粉末材料制备处理设备，包括：一个放电室，放电室上部为物料进口，放电室下部为物料出口，3对放电电极E1+和E1-、E2+和E2-、E3+和E3-插入放电室；3对电极放电端对称布置在与放电室同轴线6边形顶点附近，电极指向放电室中心和和物料出口。每对放电电极通入交变的梯形波电流；所有电极交变电流同频率，相邻电极电流方向相反，Ei+和Ei-分别表示流入电极Ei的电流方向分别为“+”和“-”；在电极前端围城的区域产生大体积均匀等离子体，如将颗粒材料快速通过放电区域，颗粒材料表面被熔化，产生球形颗粒，如耐高温陶瓷：Al2O3、ZrO2等；将粉末颗粒材料加入放电区域，被加工粉末材料、或雾化液滴、或气体从等离子体区域通过被加热，粉末颗粒材料气化生成纳米颗粒材料，如在Ar-H等离子体作用下，使碳粉气化生成石墨烯；或产生新的纳米材料，如将碳粉和硅粉或石英粉气化，生成纳米碳化硅。
实施例4
参见附图4，本发明一种交流电弧熔融设备，应用实施例2中多电极交流电弧放电装置构建，包括：一个由耐火材料和钢壳构成的熔池；2对放电电极，每对电极连接到交流电源的极性相反的两端；2对电极放电端指向熔池，距熔池一定高度；2对放电电极4边形布置；熔池为导电材料；在2对电极放电端产生2对4个电弧，电弧通过熔池的金属或熔化的非金属溶液联通。其效果是多个电极电弧对熔池大面积加热，加热均匀，升温快速。视熔池平面结构不同，如熔池为长条形，放电电极也可排成一线。当熔池材料熔化前不导电时，如工业废渣等金属氧化物等，可在每对电极之间产生电弧，将熔池材料熔化。熔池作为2对电弧的公共点，可与电源的中点O(参考0电位点)相连，所有电源都可以采用稳定电流控制方式。
实施例5
参见附图5，根据本发明实施例2的多电极交流电弧放电装置构建的一种平面光源设备，包括：一个包围6对放电电极的圆形放电室；圆形放电室两端为石英玻璃；放电室密封有气体，如：Ne、Ar、Ke、Xe等，或金属蒸气，如：Na、Hg、或金属卤化物蒸气等；放电室的压力可以从低于大气压到高于大气压；6对放电电极指向放电室中心，n对电极放电端对称布置在12边形顶点上；每个放电电极通入交变的梯形波电流；所有电极交变电流同频率，相邻电极电流方向相反；至少11个电极的电源为电流控制、1个电极的电源为电压控制。其效果是产生均匀稳定的平面光源，辐射功率可达数十千瓦。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种多电极交流电弧放电装置，包括，2n个电极，各所述电极的放电端均匀分布在2n边形顶点上，2n个电极被分为n对，其特征在于，每对或每个电极分别对应连接一个交流电源；所述交流电源输出交变的梯形波电流以使每对电极电流同频率、同相位，相邻电极的电流方向相反。
2.如权利要求1所述的多电极交流电弧放电装置，其特征在于，每对电极对应连接一个电流控制的交流电源两端，各所述交流电源同频率、同相位。
3.如权利要求1所述的多电极交流电弧放电装置，其特征在于，每个电极对应连接一个交流电源的一端，各所述交流电源的另一端联接到公共零点；各所述交流电源同频率、同相位；各所述交流电源中至少2n-1个为电流控制、至多1个为电压控制。
4.如权利要求1所述的多电极交流电弧放电装置，其特征在于，所述交流电源的主电路包括：首尾串联联接的整流电压源RS+和RS-；分别与整流电源RS+和RS-并联的电流换向储能电容C+和C-；开关晶体管T1～T4和续流二极管D1～D4组成的桥式逆变电路IC；逆变电路IC的两个输出端的稳流电感L+和L-；整流电压源RS+和RS-联接点O做为交流电源的参考0电位点，稳流电感L+和L-的输出端E+和E-分别为一对电源相位相反的输出端。
5.一种交流电源，其特征在于，应用于权利要求1所述的多电极交流电弧放电装置，其主电路包括：首尾串联联接的整流电压源RS+和RS-；分别与整流电源RS+和RS-并联的电流换向储能电容C+和C-；开关晶体管T1～T4和续流二极管D1～D4组成的桥式逆变电路IC；逆变电路IC的两个输出端的稳流电感L+和L-；整流电压源RS+和RS-联接点O做为交流电源的参考0电位点，稳流电感L+和L-的输出端E+和E-分别为一对电源相位相反的输出端。
6.如权利要求5所述的一种交流电源，其特征在于，所述储能电容C+和C-的两端与桥式逆变电路的输入端之间串联开关管T5、T6。
7.如权利要求5所述的一种交流电源，其特征在于，所述储能电容C+和C-的两端与桥式逆变电路的输入端之间串联开关管T5、T6，2个串联电弧负载端中性点联接电源0电位点。
8.一种粉末材料制备处理设备，其特征在于，包括：放电室、权利要求1或2所述的多电极交流电弧放电装置，所述放电室一端为物料进口，放电室另一端为物料出口，所述多电极交流电弧放电装置的各电极的放电端插入所述放电室，并指向放电室中心和物料出口。
9.一种交流电弧熔融炉设备，其特征在于，包括，熔池、2n个电弧电极、权利要求1或2所述的多电极交流电弧放电装置，所述多电极交流电弧放电装置的各所述电极的放电端向下指向熔池。
10.如权利要求9所述的交流电弧熔融炉设备，其特征在于，所述熔池为导电材料构成。
11.一种平面光源设备，其特征在于，包括，放电室、权利要求1或3所述的多电极交流电弧放电装置，所述多电极交流电弧放电装置的各电极放电端插入放电室，所述放电室密封有稀有气体、金属蒸气或金属卤化物蒸气中的一种。
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