CN201142782Y

CN201142782Y - 大功率数字化高频软开关igbt逆变式等离子体电源

Info

Publication number: CN201142782Y
Application number: CNU2007200595775U
Authority: CN
Inventors: 王振民; 黄石生
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: Guangzhou same mechanical & Electrical Equipment Co., Ltd.
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2017-11-15

Abstract

本实用新型公开了一种大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源。该电源包括多组主机电源电路、智能控制模块以及高频引弧电路相互连接组成，多组主机电源电路相互并联，并分别与智能控制模块相连接，智能控制模块与高频引弧电路相连接，高频引弧电路还与负载相连接。本实用新型采用先进的高频IGBT软开关逆变技术，在进一步提高效率和逆变频率、节省制造材料的同时，提高了电磁兼容能力，冲击电流小，节能，体积小，重量轻；实现了全数字化控制，具有更好的一致性、动态响应性能和可扩展性，操作简单、快捷；采用了基于ARM的智能节点型积木式、模块式结构，在增大输出功率的同时，进一步提高了系统的冗余能力和可靠性。

Description

大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源

技术领域

本实用新型涉及光机电一体化技术领域，还涉及金属冶炼与加工技术、垃圾焚烧处理技术、火电站燃煤点火技术、电力电子技术、高频逆变技术、数字化控制技术以及自动控制理论与技术，具体是指一种大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源。

背景技术

等离子体技术在火电站燃煤发电、垃圾焚烧处理、金属冶炼等领域具有广阔的应用前景。通常，火电厂发电机组启动点火、调试以及在低负荷运行时需采用燃烧柴油或重油的方法助燃。一台60万千瓦机组，调试启动一次就要消耗燃油6000～8000吨。采用先进的等离子体点火技术，直接采用煤粉点火，不仅节约了极其宝贵的石油资源，而且由于煤炭与石油的价差，还可以为电厂节约80～90％的点火成本。等离子体垃圾焚烧是代替传统工艺处理特种垃圾的先进技术，利用等离子体的高温可以处理废弃电子线路板、电池等；含多氯联苯废物；医院废物、废药物、药品；农药废物；有机树脂类废物；含金属羰基化合物废物；含有色金属、重金属废物；石棉废物；有机溶剂废物及放射性废物、爆炸性废物、生化武器的销毁等数千种有毒有害废物。此外，等离子体点火还可以应用于冶炼行业，用于冶炼炉内代替重油点火。

在发电、垃圾焚烧、冶炼等行业需要应用大功率等离子体装置，单台等离子体电源的功率一般在100KVA以上，甚至高达2000KVA，并且基本上是100％暂载率长时间连续工作，环境温度较高，输出电压较高，并且一般采取高频引弧的方式，对供电电源的稳定性、可靠性提出了非常严格的要求。供电电源的质量在很大程度上取决于功率器件的水平、控制方法以及主回路关键器件参数的合理匹配。由于受到器件质量以及科技水平的限制，目前的大功率等离子体电源基本上采用工频变压器降压之后用低压工频交流电供电加热的方式，采用优质石墨材料作为加热负载，通过调节晶闸管导通角大小的方式来调节输出功率，从而达到对烧结加热过程的温度控制。这种加热方法结构简单，工作比较稳定可靠，控制方式简单，已得到广泛应用，但是随着科技的进步以及功率器件的逐步成熟，这种电源的缺点越来越明显：

1、电能传递变换过程的效率很低，由于电能变换过程中的频率很低，变压器的铜损、铁损、磁滞损耗等比较高，实际效率很难超过65％，在空载或者轻载情况下的效率更低，通常在0.3～0.5左右。

2、功率因数低(空载时0.35，负载时0.6至0.7左右)，有功功率不高，导致在输出相同功率的情况下对电网的容量有更高要求，一旦需要扩大生产规模，电网的增容费用很高。

3、晶闸管属于半可控器件，无法自关断，采用晶闸管作为功率输出的调节器件，开关频率会受到限制，整个控制系统的控制周期比较长，难以实现对能量输出的精密动态调节和准确控制，动态性能欠佳，特别是在较低功率工作时稳定性和连续性较差。

4、体积庞大，耗材多，重量重，占用空间。

20世纪70年代末期以来，逆变技术因其高效节能省材等优点开始得到越来越多的关注，被誉为“明天的电源”、“新一代的电源”。采用逆变技术是解决以上这些问题的良好方法。首先，逆变技术大幅度提高电源的转换频率，使得电源主变压器的体积、质量大幅度地减小；同时，由于电子功率器件工作于开关状态，变压器等可以采用铁损系数很小的磁芯材料，效率得到极大地提高；由于主电路中存在电容，功率因数得到提高，节能效果明显；此外，由于工作频率很高，主电路中滤波电感值小，电磁惯性小，易于获得良好的动特性，因此可控性好。

逆变电源的数字化控制是大势所趋。工业逆变电源的数字化控制技术，使逆变电源更可靠，性能更好，功能更全，一致性更好。逆变电源的数字化控制技术主要有两个目的：一是使用数字化技术迅速解决逆变电源自身问题；二是用数字化技术提升逆变电源的功能，满足先进制造技术的需求。数字化控制易于采用先进的控制方法和智能控制算法，使得工业电源的智能化程度更高，性能更加完美；控制系统灵活，系统升级方便，易于实现多参数的协同控制，甚至可以在线修改控制算法及控制参数，而不必改动硬件线路，大大缩短了设计周期；控制电路的元器件数量明显减少，提高了系统的抗干扰能力和系统稳定性；控制系统的可靠性提高，易于标准化；系统的一致性较好，生产制造方便；由于控制方法灵活，便于多个逆变电源并联运行控制，从而实现更大功率输出。

目前，严重制约大功率特种工业逆变电源发展的问题之一就是其对环境的污染问题，“电磁污染”已经继“水、气、渣、声”之后被确定为第五大环境污染源。为进一步提高我国电气电子产品的安全性和可靠性，电气电子产品的电磁兼容性要求将纳入国家强制性产品认证范围。在出口方面，由于受欧盟指令的限制，我国特种工业逆变电源产品很难进入欧洲市场。中国已经加入WTO，随着世界经济一体化进程的加快，如不加快逆变电源的“绿色化”改造进程，国产的特种工业逆变电源很可能被挤出国际甚至国内市场。采用软开关高频逆变技术，不仅可以有效改善功率器件工作环境、提高系统可靠性，还可以有效地降低大功率特种工业电源的电磁干扰，提高逆变电源的电磁兼容性。

在大功率等离子体电源技术领域，目前还未见有采用基于ARM的智能节点型模块式结构、积木式增大功率输出的报到，也未见有数字化控制的采用软开关高频逆变技术的产品。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，针对目前大功率等离子体电源存在的问题以及相关技术的发展趋势，提供一种大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源，效率可高达90％，节省制造材料，体积小巧，冲击电流小，电磁兼容性好，可靠性高，并减少对电网的干扰，响应速度快，工艺过程可实现多参数优化匹配，工艺质量高，特别适合于火电站燃煤点火、垃圾焚烧以及金属冶炼与加工等行业应用。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

所述大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源，包括多组主机电源电路、智能控制模块以及高频引弧电路相互连接组成，所述多组主机电源电路相互并联，并分别与智能控制模块相连接，所述智能控制模块与高频引弧电路相连接，所述高频引弧电路还与负载相连接。

为了更好地实现本实用新型，所述主机电源电路包括主电路和控制电路相互连接组成；所述主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑和稳弧模块依次连接组成，所述整流滤波模块还与三相交流输入电源相连接，所述整流平滑和稳弧模块还与负载相连接；所述控制电路包括高频驱动模块、过压欠压保护检测模块、电流电压采样检测与反馈模块和ARM微控制器相互连接组成，所述ARM微控制器分别与高频驱动模块、过压欠压保护检测模块、电流电压采样检测与反馈模块相连接，所述高频驱动模块还与高频逆变模块相连接，所述过压欠压保护检测模块还与三相交流输入电源相连接，所述电流电压采样检测与反馈模块还与负载相连接。所述ARM微控制器分别连接有人机对话模块、温度检测模块、网络化管理扩展模块，所述网络化管理扩展模块还与智能控制模块相连接。所述高频驱动模块包括两个由高频场效应管、脉冲变压器构成的高频驱动单元SC7024M以及外围电路相互连接组成。所述ARM微控制器包括固化有μC/OS-II嵌入式实时操作系统的ARM芯片、反相器芯片ULN2003A以及外围电路相互连接组成。所述高频引弧电路包括芯片IC1555、脉冲变压器T1及外围电路相互连接组成。

本实用新型采用智能节点型积木式、模块式结构，由多组结构基本相同的模块式主机电源电路并联工作，整机附加一套高频引弧电路，在基于ARM的智能控制模块的协同控制作用下，通过积木式结构实现功率增大，调节输出电压电流以及显示，构成大功率数字化高频IGBT软开关逆变式高效节能型等离子体电源。本实用新型采用高频IGBT软开关逆变技术，其单管或者模块的容量比较大，耐压最高达6500V以上，电流容量可达3300A，特别适合等离子体电源的功率要求。高频逆变模块的功率开关管工作于零电压软开关模式。单套主机电源电路可单独工作，也可多套模块在智能控制模块控制下实现均流和协同工作。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型采用先进的高频IGBT软开关逆变技术，在进一步提高效率(高达90％)和逆变频率、节省制造材料的同时，改善器件工作环境，提高了大功率等离子体电源的电磁兼容能力，冲击电流小，减少对电网的干扰，响应速度快，可靠性高，节能，体积小，重量轻，移动方便。

2、本实用新型实现了全数字化控制，使等离子体电源具有更好的一致性、动态响应性能和可扩展性，易于实现多特性和多功能的转换，一元化调节、自动匹配工艺参数，操作简单、快捷，工艺质量高，特别适合于火电站燃煤点火、垃圾焚烧以及金属冶炼与加工等行业应用。

3、本实用新型采用了基于ARM的智能节点型积木式、模块式结构，通过协同控制实现多组并联模块的自动均流与协同工作，在增大输出功率的同时，进一步提高了系统的冗余能力和可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的电路方框图；

图2是本实用新型的单组主机电源电路的电路原理图；

图3是本实用新型的高频驱动模块的电路原理图；

图4是本实用新型的高频驱动单元SC7024M的电路原理图；

图5是本实用新型的ARM微控制器的电路原理图；

图6是本实用新型的高频引弧电路的电路原理图；

图7是本实用新型的智能控制模块的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型做进一步的详细说明，但本实用新型的实现方式并不限于此。

如图1所示，本实用新型所述大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源包括多组主机电源电路(模块1、2……n)、智能控制模块113以及高频引弧电路111相互连接组成，多组主机电源电路(模块1、2……n)相互并联，并分别与智能控制模块113相连接，智能控制模块113与高频引弧电路111相连接，高频引弧电路111还与负载相连接。

单组主机电源电路包括主电路和控制电路相互连接组成。主电路包括整流滤波模块101、高频逆变模块102、功率变压模块103、整流平滑和稳弧模块104依次连接组成，整流滤波模块101还与三相交流输入电源相连接，整流平滑和稳弧模块104还与负载相连接。控制电路包括高频驱动模块106、过压欠压保护检测模块109、电流电压采样检测与反馈模块107和ARM微控制器105相互连接组成，ARM微控制器105分别与高频驱动模块106、过压欠压保护检测模块109、电流电压采样检测与反馈模块107相连接，高频驱动模块106还与高频逆变模块102相连接，过压欠压保护检测模块109还与三相交流输入电源相连接，用给定电压电流与采样电压电流信号进行比较，再把比较结果分别传送到ARM微控制器，控制PWM输出信号的移相范围来实现保护功能，电流电压采样检测与反馈模块107还与负载相连接。ARM微控制器105分别连接有人机对话模块108、温度检测模块110、网络化管理扩展模块112，网络化管理扩展模块112还与智能控制模块113相连接。温度检测模块110的一端与散热器和功率变压器上的温度传感器相连接，另一端与ARM微处理器105的中断输入引脚相连接，起到过热保护作用。人机对话模块108实现对给定信号、输出信号的处理以及显示，保证单机可以独立工作。网络化管理扩展模块112主要包括基于TCP/IP、CAN等通信扩展应用电路。

如图2所示，三相交流输入电源接整流滤波模块101的整流桥，然后连接滤波环节L₁、C_5-8，再连接高频逆变模块102的逆变桥VT_1-4、C_11-14、R_5-8，其中，R_5-8在实际电路当中用零电阻线代替，C_11-14为外接的谐振电容。高频逆变模块102的输出接功率变压模块103的高频功率变压器T1初级，变压器次级通过高频全波整流电路D_1～4、滤波环节L₂、C_9-10、C_15-16、R_1-2、R₉后输出直流电，以上环节构成功率主电路。高频逆变模块102包括TR₁和TR₂两个逆变桥臂(分别为超前桥臂和滞后桥臂)，每个桥臂包含了两个单元的IGBT。

如图3、4所示，高频驱动模块106主要起到数模隔离以及功率放大作用，包括两个由高频场效应管、脉冲变压器等构成的高频驱动单元SC7024M以及外围电路。由ARM控制器105输出的四路相位差可调、死区时间可调的PWM信号，通过高频驱动模块106隔离放大之后分别驱动超前和滞后逆变桥臂TR₁、TR₂的四个IGBT模块。由ARM控制器105提供的PWM信号经过高频驱动模块106隔离放大之后，转变为正半波最高幅值+15V，负半波最低幅值-15V的交流脉冲信号，可以满足大功率IGBT快速可靠开启和关断的需要。通过控制超前桥臂和滞后桥臂的相位差异，也即控制四路PWM信号的移相角，逆变主回路中的外接谐振电容、寄生电容和功率变压器的寄生电感、漏感等构成了一个LC谐振回路，在功率开关器件开关过程中实现零电压谐振换流，开关损耗低，器件的电磁应力大幅度降低。

如图5所示，ARM微控制器105以固化于ARM芯片内的μC/OS-II嵌入式实时操作系统为操作平台，由ARM芯片、反相器芯片ULN2003A以及辅助电路相互连接组成。根据电流电压采样检测与反馈模块107检测到负载的电流电压与给定的参数进行比较，并在μC/OS-II嵌入式实时操作系统上完成数据运算和处理，再经过ARM微控制器105的PWM引脚输出两路相位差可调节的PWM信号，并通过高频驱动模块106放大后去控制高频逆变模块102的开关管开通和关断。同时，ARM微控制器105还起着人机对话的功能，内部电路信号会通过ARM微控制器105传送到外部端口的显示面板上，而外部的控制信号也是通过ARM微控制器105来对工艺过程进行实时控制。ARM芯片主要实现电源的输出特性控制、工艺过程的时序控制、外部监控与人机对话的功能，可以实现单机的独立控制。外部监控信号如电源指示、故障指示、欠过压指示等都是通过ARM芯片来控制的，工艺模式的选择、参数调节、电流电压显示信号的控制也都是通过ARM芯片来完成的。其中，欠压保护、过压保护、过热保护等电路的输出信号接入反相器芯片ULN2003A，然后与ARM微控制器105相连接。利用ARM芯片控制外部监控与人机对话使得本等离子体电源的多参数调节与控制更方便，使用更简易，易于推广。

如图6所示，高频引弧电路111采用弱电流高频高压引弧技术。脉冲变压器T1的一端通过电阻R6与输入供电整流部分相连，另一端与高频场效应管Q1相连，由IC1555芯片构成的脉冲发生电路控制高频场效应管Q1的开通和关断，来控制脉冲变压器的工作状态，实现脉冲转换功能；火花放电器(P1、P2)、电容C6、脉冲变压器T1构成了高频震荡回路。高频引弧电路111通过芯片IC1555触发器控制高频开关场效应管Q1快速开通与关闭，实现脉冲变压器T1的原边产生高频信号，通过与负载电路耦合的变压器，使输出端得到高频信号。引弧时，让等离子体电极末端与喷嘴或者其他表面之间保持一定的小间隙，然后接通高频振荡器脉冲引弧电路，使间隙击穿放电而引燃电弧，实现可靠的非接触引弧。

如图7所示，基于ARM的智能控制模块113以固化于ARM芯片内的μC/OS-II嵌入式实时操作系统为操作平台，通过ARM芯片、信息显示电路、人机对话模块108以及网络化管理扩展模块112(基于TCP/IP和CAN总线)实现智能控制。它通过CAN总线与主机电源电路的ARM控制器105相连接，每个主机电源电路相当于一个模块式电源，而其控制系统相当于一个智能节点，这些智能节点通过网络化管理扩展模块112与智能控制模块113相连接，最终达到对多组主机电源电路的协同控制的目的。通过内嵌的TCP/IP协议，还可以实现对整机电源的远程网络化管理功能。

本实用新型应用时，三相工频交流电经过整流滤波模块101后成为平滑直流电，进入高频逆变模块102，ARM微控制器105根据电流电压采样检测与反馈模块107检测到负载的电流与设定值进行比较，进行高速数据模糊控制算法运算和处理，经过ARM微控制器105的PWM模块输出四路相位差可调、死区时间可调的PWM信号，这四路PWM信号通过高频驱动模块106进行数模隔离与功率放大后去控制高频逆变模块102，由于高频逆变模块102的谐振电容和功率变压模块103寄生的电感产生谐振以及四个IGBT开通存在相位差，通过逆变回路的移相谐振换流，实现IGBT功率开关管的零电压开通和关断，并得到20～40KHz高频高压电，高频高压电再经过功率变压模块103转换成符合电流电压输出，再经过整流平滑和稳弧模块104，吸收整流环节的电压尖峰，并在小电流工作以及电流变化较大的情况下进行能量供给的微调，得到更加平滑的输出；通过脉宽调制的方式实现等离子体直流/脉冲输出，这就是整个的反馈模糊闭环控制过程。温度检测模块110检测散热片温度，送给ARM微控制器105，从而控制高频逆变模块102，形成过热保护控制环节，以保证电源的安全工作；过压欠压保护检测模块109检测三相工频电压，把检测到的电压信号送给ARM微控制器105，如出现过压、欠压的现象，ARM微控制器105将关闭其PWM模块的输出，通过高频驱动模块106关断高频逆变模块102的开关管，从而保障电源的安全。高频引弧电路111在智能控制模块113的控制下，根据工艺要求输出高压高频信号，引燃等离子电弧。

本实用新型的上述实施例具有以下显著特征：

1、本实施例首次使用智能节点型模块式结构的多组结构基本相同的主机电源电路，解决了大电流高功率情况下的并联均流工作问题，通过积木式方式使逆变式等离子体电源功率可靠增大到100KW级以上，满足火电站燃煤点火、垃圾焚烧处理、金属冶炼与加工行业对等离子体电源的功率和工艺要求；每个主机电源电路相当于一个智能节点型的模块式电源，智能控制模块与每个智能节点通过CAN总线连接，控制多组结构基本相同模块式电源输出，这种模块式、积木式的控制结构提高了等离子体电源的冗余能力，进一步提高了等离子体电源对长时间、大电流、持续生产等恶劣生产加工环境的适应能力。

2、本实施例采用先进的高频IGBT软开关逆变技术，使节电优势特别明显，效率高达90％，冲击电流很小，可靠性高，体积小，重量轻，移动方便。更为重要的是，采用该新型软开关技术，不仅可以有效改善功率器件工作环境、提高系统可靠性，还可以有效地降低大功率等离子体电源的电磁干扰，提高电磁兼容能力。

3、本实施例以ARM控制器为控制核心，采用数字化动特性精密控制技术，系统具有良好的动特性，易于实现多特性和多功能的转换，高频高压引弧容易，加热迅速准确，大大提高了等离子体电源的工艺适应性能，使得工艺过程的可控性得到了极大的提高，可以进一步降低能耗，保证工艺质量。

4、本实施例设置了较全面的安全检测与保护电路，包括过压、欠压、过流、过热等保护电路，有效地提高了大功率等离子体电源的安全性和可靠性，并具备自动电网波动补偿功能——在电网波动±15％的情况下都不会影响烧结电源的正常工作。

如上所述，即可较好地实现本实用新型。

Claims

1、一种大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源，其特征是，包括多组主机电源电路、智能控制模块以及高频引弧电路相互连接组成，所述多组主机电源电路相互并联，并分别与智能控制模块相连接，所述智能控制模块与高频引弧电路相连接，所述高频引弧电路还与负载相连接。

2、根据权利要求1所述的大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源，其特征是，所述主机电源电路包括主电路和控制电路相互连接组成；所述主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑和稳弧模块依次连接组成，所述整流滤波模块还与三相交流输入电源相连接，所述整流平滑和稳弧模块还与负载相连接；所述控制电路包括高频驱动模块、过压欠压保护检测模块、电流电压采样检测与反馈模块和ARM微控制器相互连接组成，所述ARM微控制器分别与高频驱动模块、过压欠压保护检测模块、电流电压采样检测与反馈模块相连接，所述高频驱动模块还与高频逆变模块相连接，所述过压欠压保护检测模块还与三相交流输入电源相连接，所述电流电压采样检测与反馈模块还与负载相连接。

3、根据权利要求1所述的大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源，其特征是，所述ARM微控制器分别连接有人机对话模块、温度检测模块、网络化管理扩展模块，所述网络化管理扩展模块还与智能控制模块相连接。

4、根据权利要求1所述的大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源，其特征是，所述高频驱动模块包括两个由高频场效应管、脉冲变压器构成的高频驱动单元SC7024M以及外围电路相互连接组成。

5、根据权利要求1所述的大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源，其特征是，所述ARM微控制器包括固化有μC/OS-II嵌入式实时操作系统的ARM芯片、反相器芯片ULN2003A以及外围电路相互连接组成。

6、根据权利要求1所述的大功率数字化高频软开关IGBT逆变式等离子体电源，其特征是，所述高频引弧电路包括芯片IC1555、脉冲变压器T1及外围电路相互连接组成。