CN206922653U - 一种用于低温等离子体发生器的高频高压电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于低温等离子体发生器的高频高压电源装置，由主电路、信号采集电路、CPU单元和辅助电路组成，主电路由输入接口、EMC保护单元、可控整流单元、滤波单元、H桥逆变单元、谐振单元、升压变压器单元、输出匹配单元组成，并按上述各单元的前后顺序依输入输出关系连接；信号采集电路中各单元的输出端与信号调理AD采集单元的输入端连接，辅助电路各单元分别与CPU单元相应接口连接。本装置具有输出电流监测、电压限制，自动跟踪频率电压功率优化特点，具有输入过流，负载开路、负载短路、过温报警等多种保护功能、多组输入、输出接口及通信接口；可靠性高，是一种工程化、智能化、数字化、实用性强的高频高压电源装置。

Description

一种用于低温等离子体发生器的高频高压电源装置

技术领域

本实用新型涉及一种电源装置，特别是一种用于低温等离子体发生器的高压高频电源装置。

背景技术

随着环境污染的加剧，挥发性有机废气(VOCs)污染也越来越多地威胁着人们的生活、工作等活动，由此VOCs的治理需求迫在眉睫。

大气压介质阻挡放电低温等离子体技术就是将绝缘介质置于放电空间并产生一种非平衡态气体放电低温等离子体的技术，能够在大气压和宽范围的频率内工作。通常的工作气压为10～10000pa。电源频率可从50Hz至1MHz。当在电极间施加一定的频率、幅值的交流高压时，电极间的气体就会被击穿而放电，在放电过程中产生大量的自由基和准分子，如OH、O、NO等。它们的化学性质非常活跃，很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子。利用这些自由基的特性可有效降解挥发性有机废气VOCs，在工业环保方面，如三废净化、环境除臭、涂装、印刷、粘合、工业清洗、臭氧产生等具有广泛应用。

大气压介质阻挡放电等离子体发生器由高频高压交流电源驱动。随着供电电压的升高，系统中反应气体的状态会经历三个阶段的变化，即由绝缘状态逐渐至放电状态直至最后发生击穿状态。对介质阻挡放电等离子体发生器供电电源来说，其等离子体放电负载特性等效为阻容特性，即在正常工作状态下存在一个等效电容C，该电容能够和供电电源中的高压变压器的副边漏感Ls产生频率谐振，该谐振频率严重地影响着负载放电性能的提升。对于介质阻挡放电等离子体发生器放电负载来说，其在正常工作运行一段时间后由于受到气源，温度、环境等现场工况参数条件的影响，会造成负载的特性参数发生很大的变化。

现有技术中的高频高压交流电源多采用传统的模拟开环控制运行方式，精度不高，电路简单，可靠性差，受负载和电网的波动影响较大。预先设置好固定的匹配参数，自适应负载特性差，影响系统的最优运行。

大多数现有的高频高压电源，其应用性能不完善，保护功能不完整，对负载的适应性差，系统长时间运行稳定性较差，没有数字化接口及通信功能，智能化程度较低，不能对其进行统一控制管理和优化，不能满足大规模工程化应用的需求。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有技术中问题，提出一种用于低温等离子发生器的高频高压电源装置。本实用新型具有智能化、数字化、实用性强，适于工程化应用的电源，具体内容如下：

一种用于低温等离子体发生器的高频高压电源装置，由主电路、信号采集电路、CPU单元和辅助电路组成，其特征是：

主电路由输入接口、EMC保护单元、可控整流单元、滤波单元、H桥逆变单元、谐振单元、升压变压器单元、输出匹配单元组成并按如下输入输出顺序依次连接：

输入接口的输出端连接EMC保护单元输入端、EMC保护单元输出端连接可控整流单元输入端、可控整流单元输出端连接滤波单元输入端、滤波单元输出端连接H桥逆变单元输入端、H桥逆变单元输出端连接谐振单元输入端、谐振单元输出端连接升压变压器单元输入端、升压变压器单元输出端连接输出匹配单元输入端、输出匹配单元输出端连接负载；

信号采集电路包括输入电流取样单元、输入电压取样单元、直流电压取样单元、输出电压峰值取样单元、输出电流取样单元、频率采集单元、温度采集单元、第一光电隔离单元16-1，信号采集电路中的输入电压取样单元和直流电压取样单元的输入端与EMC保护单元输出端连接，直流电压取样单元输入端与滤波单元输出端连接，输出电压峰值取样单元、输出电流取样单元、频率采集单元和温度采集单元的输入端与升压变压器单元输出端连接，信号采集电路中各单元的输出端与信号调理AD采集单元的输入端连接，信号调理AD采集单元的输出端通过第一光电隔离单元16-1与CPU单元的I/O端连接；

辅助电路包括信号调理AD采集单元、第二光电隔离单元(16-2)、辅助电源系统单元、第一驱动单元(17-1)、第二驱动单元(17-2)、开关量输入输出单元、通信单元、显示单元、后台服务单元组成，CPU单元的I/O端通过第二光电隔离单元(16-2)与开关量输入输出单元连接，通信单元与CPU单元的高速串行通信端连接，显示单元与CPU单元的I/O端连接，后台服务单元与通信单元连接，第一驱动单元(17-1)的输入端与CPU单元的EPMW1端连接，输出端与可控整流单元连接，第二驱动单元(17-2)的输入端与CPU单元的EPMW2 端连接，输出端与H桥逆变单元连接。

本实用新型的优点和效果：

1、采用单元化结构，使设备高低压部分可根据现场空间情况，进行灵活分组分体配置，组成并联运行系统，抗干扰性强，有效降低系统集成的困难和成本，可靠性更高，利于工程化维修与管理。

2、采用双PI闭环控制运行，可以根据负载工况特性自适应匹配负载放电特性，提供最合适的电压波形。调频、调压、调功始终在系统的最优化电压状态运行。

3、实现在确保设备安全可靠运行的前提下，不改变放电电源的频率电压、大大减少其体积，扩大放电频率范围，提高放电频率，进而提高其电源使用效率。

4、控制灵活,系统升级方便,可以在线设置、修改运行参数,远程开启和关闭电源；

5、具有输入过流、母排电压欠压，过流、过热、输出开路短路软启动功能，提高装置的可靠性和安全性；

6、逆变器采用谐振式全桥逆变，开关损耗小，减少了电磁干扰；

7、采用隔离采样电路屏蔽干扰；提高了程序的抗干扰性能，在复杂电磁环境下测量精度不受影响；

8、采集电路采用了16位高精度AD芯片。保证了数据的精度以及线性度；

本实用新型具有调压功能和调频功能，通过调节可控整流单元调整输出电压幅值范围0～30KV，可设为手动或自动调整。通过调节逆变单元的频率调整电源输出电压、功率，其频率调整范围1KHz～20kHz，频率调整可设置为手动或自动。

本实用新型具有峰值电压限制功能：当设备启用电压限制功能时，控制电路自动检测输出峰值电压，当输出电压超过设定值时，自动调整输出电压，使电压下降到设定值。这一特性可提高放电单元的最大运行效率，并可提高设备运行的安全性。

本实用新型具有自动电压跟踪控制：当检测到放电单元没有完全放电，或者负载匹配特性没有达到最优，控制电路部分根据采集放电特性的参数和给定的电压，自动通过调频、调功、调压控制方式跟踪电压运行，实现最优化控制。

附图说明

图1为本实用新型一种用于低温等离子体发生器的高频高压电源装置的系统结构原理图。

图中符号：输入接口单元1，EMC保护单元2，可控整流单元3，滤波单元 4，H桥逆变单元5，谐振单元6，升压变压器单元7，输出匹配单元8，输入电流取样单元9，输入电压取样单元10，直流电压取样单元11，输出电压峰值取样单元12，输出电流取样单元13，频率采集单元14，信号调理AD采集单元15，第一光电隔离单元16-1、第二光电隔离单元16-2，辅助电源系统单元，第一驱动单元17-1、第二驱动单元17-2，辅助电源系统18，信号采集电路19，开关量输入输出单元20、通信单元21、CPU控制单元22，显示单元23，温度采集单元24，后台服务单元25。

图2为主电路原理图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，结合实施案例，对一种用于低温等离子体发生器的高频高压电源装置进行进一步的说明，不是限定性的，不以下述实施案例来限定本实用专利的保护范围。

一种用于低温等离子技术的高压高频交流电源装置，包含主电路部分、控制电路部分及功能，如图1和图2：

其中：工频电源通过输入接口单元1接入到EMC保护单元2,可控整流单元3，经滤波单元4、完成电能抗浪涌的干扰及能量从交流到直流的转换；经H桥逆变单元5、谐振单元6、升压变压器单元7，完成能量从直流转换到频率可调的方波信号到高频得到交变电压信号；经升压变压器的二次侧输出峰值为0～30KV 的交变高压，最后通过输出匹配单元8输出到放电负载。

所述输入接口单元为工频交流电源三相四线380V，其输入接口为L1、L2、 L3、PE端子，及接触器，开关等；所述EMC保护单元为滤波电感LX1、LX2、LX3，压敏电阻RV1、RV2、RV3，压敏电容CY1、CY2、CY3等元件。抑制和消除本装置输入的电磁干扰和电火花干扰等保证本装置的安全可靠运行；

所述可控整流电路单元由VT1-VT6功率绝缘栅双极型晶体开关管或者集成功率模块组成全桥整流电路；滤波单元由滤波电容C1，以及软启动电路组成。所述软启动电路，为可控整流单元直流输出端的正极接入软启动电路，RX为限流电阻SCK系列，继电器K1控制限流电阻切换，启动后，母线电源上电到 80％时闭合，把RX电阻从主电路切除；所述，逆变单元由Q1-Q4绝缘栅双极型晶体开关管以及二极管D1-D4共同组成。D1-D4减小功率开关管的开关过程得电流、电压冲击。实现移相功率可调。4路PWM输出的死区时间Td可随频率变化而自动可调,避免了以往因死区时间无法调节而导致开关管直通的现象, 所述逆变单元输出经隔直电容接入高频升压变压器单元，高频升压变压器的初级线圈Tr与补偿电容Cr和电感线圈Lr构成串联谐振电路，实现软开关技术。谐振电路产生1KHZ～20KHz交变电流电压。为了实现负载换流，要求补偿以后的总负载呈容性。所述输出单元负载等效电路由电容Cg并联电阻VDR然后与 Cd电容串联。输出单元负载等效电路与电感Ls以及高频升压变压器变二次侧漏感电容Ct组成匹配电路。在负载等效电路两端加入频率为1KHZ-20KHz幅值为0～30KV高压波形以最优化输出。

信号采集电路19由入电流取样单元9，输入电压取样单元10，直流电压取样单元11，输出电压峰值取样单元12，输出电流取样单元13，频率采集单元 14，温度采集单元24组成，输入电流取样单元9、输入电压取样单元10，在可控整流单元3之前接入，对工频电压、电流进行实时监控，直流电压取样单元在可控整流单元3之后接入。输出电压峰值取样单元12的阻容分压电路并接入高频高压变压器二次侧，对输出的电压进行采样，其取样电阻应设置为1mA电流对应得取样电压。输出电流取样单元13的穿芯式高频电流互感器，串入升压变压器单元输出的二次线路中。对输出电流进行采样，频率采集单元14取输出电流取样单元的信号。温度取样单元使用热电偶PT100。采集到的输入电压、电流，输出电流、电压、频率等各数据参数进入信号调理AD采集单元14处理后，通过第一光电隔离单元16-1反馈至CPU控制单元22，CPU控制单元22 主要以DSP芯片为控制核心，控制处理整个电源系统的运行。且DSP电路有产生多路脉宽、频率、时序可调的控制信号。其分别产生两组PWM波形信号，一组的PWM单元发出6路PWM信号，通过第一光电隔离电路16-1进行放大，进而控制可控整流单元的全桥整流电路得开关管进行整流调压，开关管驱动板含有屏蔽。另一组的PWM单元发出2路互补PWM信号，通过含有互锁保护电路第一光电隔离电路16-1来放大驱动控制逆变单元的全桥逆变电路的开关管的开通与关断。完成电源由直流到交流方波的逆变功能。实现输出电流、频率、电压的调节。最终实现电源调压、调频、调功等闭环控制功能。

所述，辅助电源系统18为整个辅助系统提供多路稳定隔离电压。

所述，显示单元23具有配置为OLED显示面板，有输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、频率显示、故障报警等显示功能；

EMC保护保护单元2具有输入过流、母排电压欠压，过流、过温等、输出开路、短路多种保护功能；

I/O输入输出接口提供多种数据接口具有模拟量输入、输出、开关量输入、输出，更好的适应用户需求。

通信单元21是隔离型以数字接口，方便与上位机系统通讯，实现数据的远程传输。采用标准的MODBUS/TCP/IP协议，为后台服务单元25软件提供其特征为输入电压，电流，频率，温度，输出电压，输出电流的实时数据，并对设备状态等进行统一管理和功能进行优化。减少设备维护的成本，提高工作效率，最大限度地发挥和配置现有的人力物力资源。

开关量输入输出单元20通过第二光电隔离单元16-2与CPU控制单元的I/O 接口连接，用于开关量的输入或输出。

第一驱动单元17-1和第二驱动单元17-2的一端分别与CPU控制单元的 EPWM1和EPWM2端口连接，另一端分别连接与H桥逆变单元。CPU控制单元通过配置内部寄存器来设定PWM的工作方式、频率和占空比以及死区时间，进而输出占空比可调的带死区的PWM信号波形。EPWM1和EPWM2端口输出波形连接至驱动单元进行功率放大与隔离。进而对逆变单元进行调节。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (1)

1.一种用于低温等离子体发生器的高频高压电源装置，由主电路、信号采集电路、CPU单元和辅助电路组成，其特征是：

主电路由输入接口、EMC保护单元、可控整流单元、滤波单元、H桥逆变单元、谐振单元、升压变压器单元、输出匹配单元组成并按如下输入输出顺序依次连接：

输入接口的输出端连接EMC保护单元输入端、EMC保护单元输出端连接可控整流单元输入端、可控整流单元输出端连接滤波单元输入端、滤波单元输出端连接H桥逆变单元输入端、H桥逆变单元输出端连接谐振单元输入端、谐振单元输出端连接升压变压器单元输入端、升压变压器单元输出端连接输出匹配单元输入端、输出匹配单元输出端连接负载；

信号采集电路包括输入电流取样单元、输入电压取样单元、直流电压取样单元、输出电压峰值取样单元、输出电流取样单元、频率采集单元、温度采集单元、第一光电隔离单元(16-1)，信号采集电路中的输入电压取样单元和直流电压取样单元的输入端与EMC保护单元输出端连接，直流电压取样单元输入端与滤波单元输出端连接，输出电压峰值取样单元、输出电流取样单元、频率采集单元和温度采集单元的输入端与升压变压器单元输出端连接，信号采集电路中各单元的输出端与信号调理AD采集单元的输入端连接，信号调理AD采集单元的输出端通过第一光电隔离单元(16-1)与CPU单元的I/O端连接；

辅助电路包括信号调理AD采集单元、第二光电隔离单元(16-2)、辅助电源系统单元、第一驱动单元(17-1)、第二驱动单元(17-2)、开关量输入输出单元、通信单元、显示单元、后台服务单元组成，CPU单元的I/O端通过第二光电隔离单元(16-2)与开关量输入输出单元连接，通信单元与CPU单元的高速串行通信端连接，显示单元与CPU单元的I/O端连接，后台服务单元与通信单元连接，第一驱动单元(17-1)的输入端与CPU单元的EPMW1端连接，输出端与可控整流单元连接，第二驱动单元(17-2)的输入端与CPU单元的EPMW2端连接，输出端与H桥逆变单元连接。