CN203368357U - 一种大功率模块化等离子体发生器电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种大功率模块化等离子体发生器电源，包括直流电源和引弧电源；直流电源由N个电源模块和一个监控模块MU组成；电源模块采用数字化双DSP控制、有源PFC、软开关技术，具有宽输入电压范围、宽工作温度范围、高功率密度、高效率、自主均流的特色；监控模块分别与N个电源模块和引弧电路相连接，电源模块的输出电压、电流和功率均由监控模块设置和控制。
Description
一种大功率模块化等离子体发生器电源
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种等离子体发生器电源，尤其涉及一种大功率等离子体发生器电源。
背景技术
[0002] 等离子体发生器利用直流电使压缩气体(空气、氮气、氩气、氢气等)电离，并在强磁场下获得稳定功率的高温等离子体，该高温等离子气体可用作燃烧(燃烧煤粉、垃圾、特殊固体粉末)、焊接、切割等。等离子体发生器由阴极、阳极、冷却水腔和压缩气腔等组成，如图1所示。
[0003] 等离子体发生器电源由直流电源(一般空载电压300疒650V )、引弧电源组成。启动时，引弧电源产生瞬时的高压脉冲，电离阴阳极之间的压缩气体，产生导电的等离子体，具有恒流特性的直流电源即可工作，导电的等离子体就是直流电源的负载。引弧成功后，引弧电源停止工作。直流电源继续提供能量，产生高温等离子气体。
[0004]目前，等离子体发生器通常采用如中国实用新型专利CN201142782Y描述的模块化IGBT电源方案，其电源模块采用无源PFC，PF值低，采用无源滤波器情况下，最高95% ;效率较低，最高效率约90% ;开关频率低，采用非隔离设计，需要外置大功率工频变压器隔离。
实用新型内容
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本实用新型提出一种解决方案，提出了大功率模块化等离子体发生器电源，可以解决现有技术中存在的问题。
[0006] 本实用新型通过如下技术方案实现:
[0007] —种大功率模块化等离子体发生器电源，包括直流电源和引弧电源；所述直流电源由N个电源模块和一个监控模块MU组成；所述电源模块均为独立的恒流源，其将三相交流电转换成电压和电流可控的直流电，使得直流电源呈恒流特性；所述N个电源模块的输出作为所述等离子发生器电源的输出；所述电源模块采用数字化双DSP控制、有源PFC、软开关技术，具有宽输入电压范围、宽工作温度范围、高功率密度、高效率、自主均流的特色；所述监控模块分别与N个电源模块和引弧电路相连接，所述电源模块的输出电压、电流和功率均由所述监控模块设置和控制。
[0008] 进一步地，所述引弧电源包括工频升压变压器Tl和高频耦合变压器T2 ;工频升压变压器Tl的输入端接交流电源，输出端接火花放电器后，一端接高频振荡电容，另一端接限流电阻Rl，构成火花放电电路，高频耦合变压器T2 —方面作为火花放电回路的电感LI，另一方面作为升压变压器将高频脉冲的电压幅值进一步升高；高频耦合变压器T2输出端的一端接一高压高频电容C3，所述高压高频电容隔离直流电源，使得引弧电源的输出可直接与直流电源的输出并联连接，同时简化了引弧电源和直流电源的输出时序控制
[0009] 进一步地，所述直流电源的输入通过开关Kl控制，输出通过开关K2控制；所述引弧电源的输入通过开关K3控制,输出通过开关K4控制。[0010] 进一步地，所述开关K1、K3为隔离开关/断路器或者接触器或者是二者的组合。K2、K4为隔离开关/断路器、或者继电器/接触器。
[0011 ] 进一步地，所述等离子发生器电源采用风冷散热。
[0012] 本实用新型的有益效果是:本实用新型提出一种模块化电源设计，方便系统维护，模块可在线更换，电源系统维修方便、简单；扩容方便:可根据实际需要添加或减少模块数量，组成不同容量的电源，一般单电源模块功率为3〜20KW，可组成5(T500KW的大功率的等离子体发生器电源；模块化冗余式供电，供电可靠性高，单模块故障不会影响系统供电，并联模块数量可在3飞O之间；电源模块采用高频隔离，直流输出浮地，使用安全。
附图说明
[0013] 图1是等离子发生器原理图；
[0014] 图2是本实用新型的等离子发生器电源的结构图；
[0015] 图3是本实用新型的等离子发生器电源的引弧电源电路图。
具体实施方式
[0016] 下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型进一步说明。
[0017] 如附图2所示，等离子体发生器电源主体由直流电源和引弧电源组成。直流电源由多个电源模块和一个监控模块MU组成，电源模块将三相交流电转换成电压和电流可控的直流电，直流电源呈恒流特性，电源模块的输出直接并联在一起，每个电源模块均为独立的恒流源。监控模块采用交流供电，在特殊设计中，监控可去掉。电源模块的输出电压、电流和功率均可由监控模块设置和控制。
[0018] 电源模块采用数字化双DSP控制、有源PFC、软开关技术，具有宽输入电压范围、宽工作温度范围、高功率密度、高效率、自主均流等特色。双DSP控制即为PFC和DC/DC控制均使用独立DSP控制。
[0019] 电源模块采用有源PFC，30%负载以上可实现输入PF值>95%，电流谐波(THD)〈10% ；90%负载以上可实现输入PF值>99%，电流谐波(THD)〈5%。一般等离子体电源采用无源PFC，功率因数一般小于95%，或者需要外加滤波器。
[0020] 电源模块全部使用MOSFET作为开关器件，频率大于100KHZ，效率高，最高效率>96% ο
[0021] DC/DC转换采用三电平LLC谐振，带隔离转换拓扑；LLC谐振是目前较成熟和先进的技术，在不降低可靠性的前提下可以明显提升模块效率。目前30%载以上DC/DC转换效率>96%，半载及重载更是高达98%。
[0022] 由此可以实现在30%以上负载时整机效率不低于91%，最高效率大于94%。
[0023] 开关Kl为开关(隔离开关/断路器)或者接触器或者是二者的组合。用于断开和闭合等离子体发生器电源的输入。
[0024] K2为开关(隔离开关/断路器)或者继电器(接触器)，用于单独控制引弧电源的输入。
[0025] K3为开关(隔离开关/断路器)或者接触器或者是二者的组合。
[0026] K4为开关(隔离开关/断路器)或者继电器(接触器)，用于单独控制引弧电源的输出。开关K4可省略掉。
[0027] Κ1、Κ2、Κ3、Κ4均可由监控模块MU自动控制或者手动控制。
[0028] 电感L1、电容Cl作用类似，主要有(I)直流输出滤波；(2)隔离引弧电源输出的高频高压信号，避免损坏电源模块内部器件。在某些设计中，电感L1、电容Cl可去掉。
[0029] 电源模块可单独配置微型断路器控制本模块的输入。
[0030] 等离子体发生器电源采用风冷，无需水冷。电源模块自带风扇，使用环境差的电源也可增加散热风扇。而目前的大功率等离子体电源一般为风冷和水冷设计。
[0031] 如附图3所示，该引弧电源电路中，输入接入220V或者380V交流电，Tl为工频升压变压器，次级空载电压约为5000V，Cl、C2为高频振荡电容，SGl为火花放电器，电极距离固定或可调。Rl为限流电阻。Τ2为高频耦合变压器，一方面作为火花放电回路的电感LI，另外作为升压变压器将高频脉冲的电压幅值进一步升高。C3为高压高频电容。可用作传输高频脉冲信号外，最主要作用是隔离直流电源，即引弧电源的输出可直接并联直流电源的输出，而不会导致直流电源输出通过变压器Τ2副边绕组短路，同时简化了引弧电源和直流电源的输出时序控制。
[0032] 增加电容C3，具有以下功能:
[0033] ( I)用作传输高频脉冲信号；
[0034] (2)隔离直流电源，引弧电源的输出可直接与直流电源的输出并联连接
[0035] ( 3 )简化了引弧电源和直流电源的输出时序控制
[0036] 引弧电源的输出无极性，对于C3的位置无限制，引弧电源的输出的两极都可以接电容。
[0037] 整个电源架构的设计，包括图2中引弧电源电路中电容C3以及图3中开关Κ1、Κ2、Κ3、Κ4，电容Cl、电感LI，使引弧电源的输出可直接与直流电源的输出并联连接，简化了引弧电源和直流电源的输出时序控制(对于其输出的导通和关断均无时序要求)，开关Κ1、Κ2、Κ3、Κ4的可由监控模块软件自动控制，实现对等离子体发生器电源的输入和输出均可自动或远程控制。
[0038] 本实用新型的有益效果是:本实用新型提出一种模块化电源设计，方便系统维护，模块可在线更换，电源系统维修方便、简单；扩容方便:可根据实际需要添加或减少模块数量，组成不同容量的电源，一般单电源模块功率为3〜20KW，可组成5(T500KW的大功率的等离子体发生器电源；模块化冗余式供电，供电可靠性高，单模块故障不会影响系统供电，并联模块数量可在3飞O之间；电源模块采用高频隔离，直流输出浮地，使用安全。
[0039] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种大功率等离子体发生器电源，其特征在于:所述等离子体发生器电源包括直流电源和引弧电源；所述直流电源由N个电源模块和一个监控模块MU组成；所述电源模块均为独立的恒流源，其将三相交流电转换成电压和电流可控的直流电，使得直流电源呈恒流特性；所述N个电源模块的输出作为所述等离子发生器电源的输出；所述电源模块采用数字化双DSP控制、有源PFC、软开关技术，具有宽输入电压范围、宽工作温度范围、高功率密度、高效率、自主均流的特色；所述监控模块分别与N个电源模块和引弧电路相连接，所述电源模块的输出电压、电流和功率均由所述监控模块设置和控制。
2.根据权利要求1所述的等离子体发生器电源，其特征在于:所述引弧电源包括工频升压变压器Tl和高频耦合变压器T2 ;工频升压变压器Tl的输入端接交流电源，输出端接火花放电器后，一端接高频振荡电容，另一端接限流电阻Rl，构成火花放电电路，高频耦合变压器T2—方面作为火花放电回路的电感LI，另一方面作为升压变压器将高频脉冲的电压幅值进一步升高；高频耦合变压器T2输出端的一端接一高压高频电容C3，所述高压高频电容隔离直流电源，使得引弧电源的输出可直接与直流电源的输出并联连接，同时简化了弓I弧电源和直流电源的输出时序控制。
3.根据权利要求2所述的等离子体发生器电源，其特征在于:所述高频耦合变压器T2输出串接多个电容工作电压较低的高频电容。
4.根据权利要求2所述的等离子体发生器电源，其特征在于:所述高频耦合变压器T2两输出端分别接高压高频电容。
5.根据权利要求1或2所述的等离子体发生器电源，其特征在于:所述直流电源的输入通过开关Kl控制，输出通过开关K2控制；所述引弧电源的输入通过开关K3控制，输出通过开关K4控制。
6.根据权利要求4所述的等离子体发生器电源，其特征在于:所述开关Kl为隔离开关/断路器或者接触器或者是二者的组合。
7.根据权利要求4所述的等离子体发生器电源，其特征在于:K2为隔离开关/断路器、或者继电器/接触器。
8.根据权利要求4所述的等离子体发生器电源，其特征在于:Κ3为隔离开关/断路器、或者接触器或者是二者的组合。
9.根据权利要求4所述的等离子体发生器电源，其特征在于:Κ4为隔离开关/断路器、或者继电器/接触器。
10.根据权利要求1所述的等离子体发生器电源，其特征在于:所述等离子发生器电源采用风冷散热。
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