一種臨界火花控制的低溫等離子發生器電源的製作方法
2023-10-06 23:32:24 1
一種臨界火花控制的低溫等離子發生器電源的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種臨界火花控制的低溫等離子發生器電源，該電源由主電路和測量控制電路組成；所述主電路由依次串聯的單相橋式全控整流濾波電路、DC/AC高頻逆變電路、LC濾波電路及高頻升壓電路組成；所述測量控制電路由隔離驅動電路和SPWM電壓-電壓複合控制器組成。該電源由測量控制電路閉環控制離子發生器主電路輸出電場，根據臨界火花狀態電學物理特徵，動態調節等離子發生器正負極之間的電壓幅值和脈寬等，使之達到臨界火花狀態，使等離子濃度達到最大並能持續保持。該電源將SPWM技術用於等離子體高壓電源控制中，具有原理簡單、控制和調節性能好，具有消除諧波、調節和穩定輸出電壓、輸出電壓幅值、頻率動態連續可調等諸多特點。
【專利說明】一種臨界火花控制的低溫等離子發生器電源
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種高壓逆變電源，具體是一種臨界火花控制的低溫等離子發生器電源。
【背景技術】
[0002]目前採用的室內空氣汙染的淨化方法有通風換氣式、過濾式、吸附式等，但在可處理汙染物顆粒大小、處理效率、處理毒害氣體(NOx，SOx, VOCs等)及殺菌等方面，傳統方法已無法滿足要求。20世紀七八十年代起，等離子體在低溫滅菌及汙染治理等諸多領域的應用研究開始蓬勃發展，形成向多學科交叉的研究方向，產生低溫等離子體的手段很多，可用電磁場激發、紫外輻射、X射線、加熱等方法。高頻等離子體不管有沒有介質阻擋，幾乎都能夠維持連續的、均勻的、有效的放電。
[0003]所謂的臨界火花狀態，是在一定開放電壓作用下，正、負電極之間的介質電壓升高到要產生放電火花但還未產生放電火花的狀態。本實用新型涉及到的是一種基於高頻電暈放電等離子體的臨界火花控制的低溫等離子發生器電源。
[0004]在利用低溫等離子空氣淨化消毒、體煙氣脫硫和汙水處理時，根據作用機理，必須滿足以下兩個基本條件:
[0005](I)脈衝電場要使電子在自由行程內得到的能量足以有效地激活反應物，產生各類活性自由基團，促進SO2或水中有機物的解離；
[0006](2)外加電場還要將對電子施加能量的時間控制在一定範圍內，保證在此時間段內電子得到很高的能量，而其它離子則處於剛起動狀態，得到的能量很低，外界提供的能量即終止，從而在常溫常壓狀態下抑制氣體或液體的溫度上升，提高能量利用率。
[0007]由此可見，產生此种放電的唯一手段是利用脈衝功率技術產生的前沿陡峭的窄脈寬高壓脈衝供電，激發高能電子。
[0008]當前在汙染排放控制方面，重複頻率脈衝功率技術及系統的總能耗是脈衝功率電暈等離子體工業應用的主要瓶頸。脈衝功率電源是實現脈衝功率技術的關鍵，涉及到脈衝功率發生系統分析，脈衝陡化和調製系統，脈衝電源系統與負載匹配，快脈衝放電的生物、醫學效應，高重複頻率、長壽命開關，高貯能密度、小體積、長放電壽命無感電容器，高效脈衝變壓器等方方面面的內容。它的性能和電參數(脈衝的幅值、寬度、前沿、重複頻率)直接決定反應器內等離子體狀態(電子溫度、離子溫度和密度分布等)、活性粒子的產率及整個系統的能量利用效率，最終影響脈衝電暈等離子體處理效果。
[0009]一般高壓脈衝電源都是採用直流高壓電源向電容充電，再經脈衝成形迴路，由高壓觸發開關觸發脈衝的方案。其中觸發開關有旋轉火花、自擊穿火花間隙開關及磁開關等。
[0010]現有的幾種脈衝電源方案及缺陷:
[0011]I)脈衝變壓器式電流技術:較為成熟，但因採用了變壓器鐵芯材料而限制了脈衝前沿的陡度；
[0012]2)空心變壓器式電源:可得到快速上升的脈衝，但受大電流脈衝形成開關(如火花間隙、贗火開關和電暈穩定開關等)的限制，其使用壽命短；
[0013]3)傳輸線脈衝電源:輸出特性不好。
實用新型內容
[0014]本實用新型的目的在於提供一種臨界火花控制的低溫等離子發生器電源，該電源針對等離子體高壓電源的特殊要求，採用臨界火花控制理論利，使電源與等離子發生器自動匹配，用脈衝功率技術產生的前沿陡峭的窄脈寬高壓脈衝供電，激發高能電子，將SPWM脈寬調製技術用於該電源控制中，從而實現可消除諧波，調節和穩定輸出電壓，以使等離子體發生器達到最佳狀態。當等離子發生器處於臨界活花狀態時電路中會產生超高頻電波，測量迴路檢測到這一特徵時即認為臨界火花狀態加以控制並維持。
[0015]為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案:
[0016]一種臨界火花控制的低溫等離子發生器電源，串接在220V市電和低溫等離子發生器極板之間，該電源由主電路和測量控制電路組成；所述主電路由依次串聯的單相橋式全控整流濾波電路、DC/AC高頻逆變電路、LC濾波電路及高頻升壓電路組成；所述測量控制電路由隔離驅動電路和SPWM電壓-電壓複合控制器組成；所述SPWM電壓-電壓複合控制器與DC/AC高頻逆變電路並聯，且SPWM電壓-電壓複合控制器還通過隔離驅動電路連接DC/AC高頻逆變電路。
[0017]作為本實用新型進一步的方案:所述SPWM電壓-電壓複合控制器由DC電壓檢測電路、集成SPWM晶片、AC測量電壓及轉換電路、變增益放大電路、PI調節器、電壓給定器、正弦波發生器和歸一換算電路組成；所述DC電壓檢測電路一端連接在單相橋式全控整流濾波電路和DC/AC高頻逆變電路之間，DC電壓檢測電路另一端連接歸一換算電路，所述AC測量電壓及轉換電路一端連接在DC/AC高頻逆變電路和LC濾波電路之間，所述AC測量電壓及轉換電路另一端與電壓給定器，以及歸一換算電路另一端同時連接PI調節器，所述PI調節器還分別連接正弦波發生器和變增益放大電路，所述變增益放大電路連接集成SPWM晶片，所述集成SPWM晶片通過隔離驅動電路連接DC/AC高頻逆變電路。
[0018]本實用新型中單相橋式全控整流濾波電路採用全波整流，負載在兩個半波都有電流通過、輸出電壓脈動程度比半波時小、變壓器利用率高、且不存在直流磁化問題，其輸出平均電壓是半波整流電路1.2倍，在相同的負載下流過晶閘管的平均電流減小三分之一，且功率因數提高了一半。
[0019]本實用新型電源是一種產生高頻高壓的電源，因而使用電容濾波；在SPWM的DC/AC高頻逆變電路中，採用電壓型集成SPWM晶片構成SPWM電壓-電壓複合控制器，利用集成SPWM晶片內部產生的三角波與由外部輸入的正弦調製波進行比較得到SPWM波形，由於此時三角波的幅值是不能夠進行調節，故而將前饋電壓的採樣值按照電路的輸入輸出關係UOl = KUIVc/ Vr進行歸一化換算後，與反饋電壓、給定電壓進行綜合比較，經PI調節器調節後連接到變增益放大電路去調節正弦波的幅值，從而實現電壓前饋和電壓反饋控制，通過集成元件實現了電壓-電壓控制。
[0020]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0021]1.本實用新型在單相SPWM逆變的基礎上，採用前饋調整三角載波和反饋調整正弦波相結合的電壓-電壓複合控制方案，較好地解決了輸出電壓瞬態偏離問題，且實現簡單。
[0022]2.本實用新型可實現了對負載頻率的可靠跟蹤和對逆變狀態的可靠控制，以獲得頻率可調的高頻電壓使陰陽極間的臨界火花狀態達到最佳。臨界火花是等離子發生器兩極之間由靜態到動態的一種臨界狀態，這個狀態有其特殊的物理特徵。根據這一特徵對其進行控制使等離子發生器達到最佳狀態。
[0023]3.本實用新型將SPWM技術用於等離子體高壓電源控制中，具有原理簡單、控制和調節性能好，具有消除諧波、調節和穩定輸出電壓、輸出電壓可調、頻率連續可調等諸多特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為一種臨界火花控制的低溫等離子發生器電源的原理框圖；
[0025]圖2為本實用新型中SPWM電壓-電壓複合控制器的原理框圖；
[0026]上述圖中:1一220V市電；2—主電路；3—測量控制電路；4一單相橋式全控整流濾波電路；5—DC/AC高頻逆變電路；6—LC濾波電路；7—高頻升壓電路；8 — SPWM電壓-電壓複合控制器；9一隔離驅動電路；10—DC電壓檢測電路；11 一集成SPWM晶片；12—AC測量電壓及轉換電路；13—變增益放大電路；14一PI調節器；15—電壓給定器；16—正弦波發生器；17—歸一換算電路；18—低溫等離子發生器極板。
【具體實施方式】
[0027]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0028]請參閱圖1，一種臨界火花控制的低溫等離子發生器電源，串接在220V市電I和低溫等離子發生器極板18之間，該電源由主電路和測量控制電路組成；所述主電路2由依次串聯的單相橋式全控整流濾波電路4、DC/AC高頻逆變電路5、LC濾波電路6及高頻升壓電路7組成；所述測量控制電路3由隔離驅動電路9和SPWM電壓-電壓複合控制器8組成；所述SPWM電壓-電壓複合控制器8與DC/AC高頻逆變電路5並聯，且SPWM電壓-電壓複合控制器8還通過隔離驅動電路9連接DC/AC高頻逆變電路5。
[0029]請參閱圖2，所述SPWM電壓-電壓複合控制器8由DC電壓檢測電路10、集成SPWM晶片11、AC測量電壓及轉換電路12、變增益放大電路13、PI調節器14、電壓給定器15、正弦波發生器16和歸一換算電路17組成；所述DC電壓檢測電路10 —端連接在單相橋式全控整流濾波電路4和DC/AC高頻逆變電路5之間，DC電壓檢測電路10另一端連接歸一換算電路17，所述AC測量電壓及轉換電路12 —端連接在DC/AC高頻逆變電路5和LC濾波電路6之間，所述AC測量電壓及轉換電路12另一端與電壓給定器15，以及歸一換算電路17另一端同時連接PI調節器14，所述PI調節器14還分別連接正弦波發生器16和變增益放大電路13，所述變增益放大電路13連接集成SPWM晶片11，所述集成SPWM晶片11通過隔離驅動電路9連接DC/AC高頻逆變電路5。
[0030]本實用新型的工作過程如下:[0031 ] 220V市電I接入該電源輸入側，經單相橋式全控整流濾波電路4轉變為電壓可調節的直流電，該直流電輸入到由SPWM電壓-電壓複合控制器8控制的DC/AC高頻逆變電路5，經SPWM電壓-電壓複合控制器8控制的DC/AC高頻逆變電路5變換成負載需要的交流電。
[0032]對於DC/AC高頻逆變電路5，採用SPWM電壓-電壓複合控制器8進行控制，利用集成SPWM晶片11內部產生的三角波與由正弦波發生器16輸入的正弦調製波進行比較得到SPWM波形，由於此時三角波的幅值是不能夠進行調節，故而將前饋電壓的採樣值按照電路的輸入輸出關係UOl = KUIVc/ Vr通過歸一換算電路17進行歸一化換算後，與經由DC/AC高頻逆變電路5輸入輸出側兩端對應的DC電壓檢測電路10和AC測量電壓及轉換電路12得到的反饋電壓，以及電壓給定器15的給定電壓進行綜合比較，經PI調節器14後連接到變增益放大電路13去調節正弦波的幅值，從而實現電壓前饋和電壓反饋控制，通過集成元件實現了電壓-電壓控制；所述集成SPWM晶片11經由隔離驅動電路9控制DC/AC高頻逆變電路5的輸出，再經過LC濾波電路6及高頻升壓電路7，最終輸出到低溫等離子發生器極板18兩端。
[0033]正常運行，當低溫等離子發生器極板18出現放點火花前一時刻，系統中就會有不規則的高頻電壓產生，當測量控制電路3檢測到這個高頻電壓時，即調整主電路2的輸出值，以保證低溫等離子發生器極板18電場始終處於臨界火花狀態。
[0034]對於本領域技術人員而言，顯然本實用新型不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本實用新型的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本實用新型。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本實用新型的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本實用新型內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0035]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【權利要求】
1.一種臨界火花控制的低溫等離子發生器電源，串接在220V市電(I)和低溫等離子發生器極板(18)之間，其特徵在於，該電源由主電路和測量控制電路組成；所述主電路(2)由依次串聯的單相橋式全控整流濾波電路(4)、DC/AC高頻逆變電路(5 )、LC濾波電路(6 )及高頻升壓電路(7)組成；所述測量控制電路(3)由隔離驅動電路(9)和SPWM電壓-電壓複合控制器(8)組成；所述SPWM電壓-電壓複合控制器(8)與DC/AC高頻逆變電路(5)並聯，且SPWM電壓-電壓複合控制器(8)還通過隔離驅動電路(9)連接DC/AC高頻逆變電路(5)。
2.根據權利要求1所述的臨界火花控制的低溫等離子發生器電源，其特徵在於，所述SPWM電壓-電壓複合控制器(8)由DC電壓檢測電路(10)、集成SPWM晶片(11)、AC測量電壓及轉換電路(12)、變增益放大電路(13)、PI調節器(14)、電壓給定器(15)、正弦波發生器(16)和歸一換算電路(17)組成；所述DC電壓檢測電路(10) —端連接在單相橋式全控整流濾波電路(4)和DC/AC高頻逆變電路(5)之間，DC電壓檢測電路(10)另一端連接歸一換算電路(17 )，所述AC測量電壓及轉換電路(12 ) —端連接在DC/AC高頻逆變電路(5 )和LC濾波電路(6)之間，所述AC測量電壓及轉換電路(12)另一端與電壓給定器(15)，以及歸一換算電路(17)另一端同時連接PI調節器(14)，所述PI調節器(14)還分別連接正弦波發生器(16)和變增益放大電路(13)，所述變增益放大電路(13)連接集成SPWM晶片(11 )，所述集成SPWM晶片(11)通過隔離驅動電路(9 )連接DC/AC高頻逆變電路(5 )。
【文檔編號】H05H1/24GK203748095SQ201420102451
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】高曉斌, 傅薔 申請人:武漢高特維電氣有限公司