續弧式高能靜電點火器及其控制方法
2023-12-10 01:49:46 1
專利名稱：續弧式高能靜電點火器及其控制方法
技術領域：
本發明屬於電子點火器技術領域，特別涉及一種續弧式高能靜電點火器及其控制方法， 應用於可燃性氣體、可燃性霧狀液體以及可燃性粉塵雲點火領域。
背景技術：
粉塵爆炸特性參數測試使用的點火源一般有兩種，即靜電點火源和化學點火源(也稱
化學點火頭)。目前普遍使用的靜電點火源所能產生的能量一般較小，為0.1mJ 10J左右， 而化學點火頭的能量比較大， 一般在2KJ 100KJ的級別。
常見的靜電點火系統主要分成兩種情況 一種是採用電容-電感放電電路；另一種是採用 電容-電阻放電電路。其中電容-電感放電電路主要包括(l)三電極輔助火花發生系統；(2) 電極移動觸發系統；(3)電壓增加觸發系統；(4)輔助火花觸發雙電極系統。而電容-電阻放 電電路主要包括(1)自然衰減型電容放電火花發生系統；(2)方波火花發生系統。但這些 方案都是直接放電方式，即高壓儲能電容通過一個元器件在電極間釋放能量，如圖1所示， 其所能產生的能量由高壓儲能電容儲能大小所決定，而一般高壓儲能電容其電容值都是比較 低的。例如一個耐壓值為30KV的1000pF的電容，根據電容儲能公式E^.5Cl/可以算出其儲 能只有0. 45J。
若想進一步得到儲能為IOOJ的電容器，則需要將200多個這樣的高壓電容並聯起來，其 最終體積也相應變為單個的200多倍，這樣製作設備和維護的成本就很高，且移動不便。因 此這些常見的靜電發生系統一般只用於小能量的點火工作。而要產生大能量電火花，就不能 用直接放電的方法，而是採用間接放電的方法，即採用續弧放電方式。
續弧放電方式基本原理是高壓擊穿、低壓續弧。由於在正常室內環境中，擊穿電極間 空氣所需的電壓和電極距離的關係一般是30KV/cm，而在空氣擊穿前後，間隙的電阻變化很 大，從幾百兆歐姆降低到幾百歐姆，也就是說在空氣被擊穿以後處於相對低電阻狀態。所以 在電極間隙被擊穿以後可以用幾百伏特的直流電壓進行續弧，繼續放電。
續弧放電電路主要由點火電路和續弧電路組成，如圖2所示，續弧電路中的二極體Dl和 點火電路中的二極體D2都是耐壓30KV的高壓矽堆，其允許通過的最大電流分別為2A和0. 1A， D2是為了阻止放電電流進入點火器將點火器打壞，Dl則是防止點火器產生的高壓脈衝串入放 電電路中，導致電極間的空氣不能被擊穿而損壞電路中的其他器件，起到保護作用。該電路中的點火器可以產生10KV瞬時高壓脈衝，其產生的瞬時高壓可以將電極間的空氣擊穿，使之 形成通路；續弧電路中的電容C是一個低壓大電容， 一般由800V的直流電源為其充電，假若 其電容值為33uF，充電到800V時其儲能為10.56J，相比那些常見的靜電點火系統在能量方 面有了很大的提升。
這種傳統的大能量電火花發生系統都是利用二極體使點火電路和續弧電路之間互不影 響，但由於續弧電路在續弧放電瞬間產生的電流極大，當續弧能量達10J以上時，電路中就 能產生百安培級別的電流，而一般的二極體不能承受如此大的電流，即這個電流級別已經超 過普通二極體的承受極限，嚴重限制了大能量點火系統的能量提升空間，也就是說，採用二 極管的傳統續弧電路所能產生的電火花能量被限制在100J以內。
目前普遍使用的化學點火源，採用雷管引燃炸藥爆炸實現千焦能量以上的大能量點火。 這種點火方式由於使用了雷管和炸藥，因此在使用和運輸方面都很不安全；另外，它通過改 變炸藥的量來控制點火能量，使這種點火方式存在極大的安全隱患；同時每次完成點火任務 後都得更換點火頭才能進行下一次的點火任務，其成本消耗較高。
發明內容
為解決上述技術問題，本發明提供一種續弧式高能靜電點火器及其控制方法。 本發明續弧式高能靜電點火器由充電迴路、點火迴路、續弧迴路和洩放迴路組成。 充電迴路包括第l電源、第2電源；點火迴路由高壓電容C1、啟動開關S1和電極組成；
續弧迴路由低壓電容C2、續弧電感L和電極組成，其中，低壓電容C2用來控制電火花的能 量大小，續弧電感L用來調節電火花的放電時間；洩放迴路由洩放電阻R和洩放開關S4組成。
電源1的正極和高壓充電開關S2串聯後，再與高壓電容Cl並聯,形成高壓充電迴路；Cl 串聯啟動開關S1之後與電極並聯，形成點火迴路。
第2電源的正極和低壓充電開關S3串聯後，與低壓電容C2並聯，形成低壓充電迴路 低壓電容C2再與洩放開關S4、洩放電阻R並聯，其中洩放開關S4和洩放電阻R串聯，形成 洩放迴路；
低壓電容C2串聯續弧電感L之後與電極並聯，形成續弧迴路。
上述連接中的點火迴路中的電極和續弧迴路中的電極是同一電極。該電路中第l電源、 第2電源、高壓電容C1和低壓電容C2的負極以及電極的一端都接地。
所述的充電迴路中的第1電源為高壓直流電源，其電源電壓範圍為5 50KV;充電迴路 中的第2電源為高壓直流電源，其電源電壓取值範圍為0. 1 10KV。
所述的放電迴路和續弧迴路中的電極為同一電極，由鎢棒材製成，直徑為1 3mm，錐角為30 45°。兩電極尖端相對放置，並處於同一直線方向上，其間距在1 10mm之間。
所述的高壓電容C1的電容值為1 100nF，其耐壓值在10KV以上；所述的低壓電容C2 的電容值為任意值，其耐壓值在800V以上。
所述的低壓電容C2用來控制電火花的能量大小，是指由於點火電路中的高壓電容C1儲 能極小，而且電路中存在的額外電容所能儲能也極小，因此這些部分的能量可以忽略不計， 即在電極間所釋放的能量主要由續弧迴路中的低壓電容C2釋放，因次只需改變C2的電容值， 就可以控制電火花的能量大小，通過電容儲能公式5=0.5012計算能量大小。
所述的續弧電感L的作用和以往續弧電路中二極體的作用基本一致，可以防止點火迴路 產生的高壓脈衝串入續弧迴路中，從而使電極間的空氣不能被擊穿；其次可以用來調節電火 花的放電時間，是指當電感值越小，電火花的放電時間越短，當電感值越大，電火花的放電 時間越長，電感值不能過小或者過大，否則會導致續弧不成功。續弧電感L的電感值的範圍 在0.5 10mH。
本發明續弧式高能靜電點火器的控制方法步驟如下
步驟l、斷開電路中所有開關，使電路處於初始狀態。
步驟2、關閉高壓充電開關S2，為點火迴路中的高壓電容C1充電；關閉低壓充電開關 S3，為續弧迴路中的低壓電容C2充電。
步驟3、關閉點火迴路中的啟動開關S1，在觸發點火過程的同時系統自動切斷充電迴路， 實現續弧放電，進行點火；
步驟4、點火過程結束後，系統自動切斷啟動按鈕S1，此時所有丌關處於斷開狀態。關 閉洩放開關S4，進行洩放工作，即可將低壓電容C2中的剩餘電量釋放。
有益效果採用高壓電容替代傳統電路的點火器，即使用高壓電容C1放電擊穿電極間的 空氣，這種靜電點火系統在實驗中所產生的電火花釋放的能量目前能達到8000J以上，提高 了傳統電點火器的點火能量；取消了傳統續弧電路中的二極體，而在續弧電路中放置電感元 件L,可以防止點火迴路產生的高壓脈衝串入續弧迴路中，從而使電極間的空氣不能被擊穿， 與傳統方式相比，更加安全、方便、可靠。
圖l、為本發明背景技術中直接放電方式的電路基本原理圖。 圖2、為本發明背景技術中間接放電方式電路基本原理圖。 圖3、為本發明實施例的電路原理圖。
具體實施方式
將續弧式高能靜電點火器集成於粉塵雲最小點火能測試系統上，作為粉塵雲的點火源。 該系統由爆炸裝置、PLC控制系統、觸控螢幕人機接口、上位機PC機以及靜電點火系統組成。 將續弧式高能靜電點火器的電極端安裝在20L球型爆炸裝置上，在點火過程中將在20L球型 爆炸裝置裡產生電火花，釋放出巨大能量，並發出強烈的光線。
圖3為本實施例續弧式高能靜電點火器的電路原理圖。主要由充電迴路、點火迴路、續 弧迴路和洩放迴路組成。
充電迴路包括第1電源和第2電源。第1電源為點火迴路中的高壓電容Cl充電，其電 源的電壓範圍為5 50KV;第2電源為續弧迴路中的低壓電容C2充電，其電源的低壓範圍 為0.1 10KV。第1電源和第2電源採用恆流電源，二者均為直流電源。這樣可以縮短對大電 容值電容的充電時間。
點火迴路主要由高壓電容C1、啟動開關S1和電極組成。高壓電壓C1的電容範圍為 1 100nF，其耐壓值在10KV以上；啟動開關S1採用高壓陶瓷繼電器開關；電極由鎢棒材制 成直徑為l 3mm，錐角為30 45度，兩電極尖端相對放置，並處於同一直線的方向上，其間 距在1 10mm之間。
續弧迴路由低壓電容C2、續弧電感L以及電極組成。低壓電容C2的電容值範圍為任意 值，其耐壓值在800V以上；續弧電感L為0.5 10mH之間的無芯電感；電極與點火迴路中的 電極是同一電極。
洩放迴路由洩放電阻R和洩放開關S4組成，其中，洩放電阻R採用大功率電阻，洩放 開關S4採用高壓陶瓷繼電器開關。
續弧式高能靜電點火器的控制方法如下
步驟l、斷開電路中所有開關，使電路處於初始狀態；
步驟2、關閉高壓充電開關S2，第1電源為點火迴路中的高壓電容C1充電，由於高壓 電容C1的電容值極小，故l分鐘內就能充滿；關閉低壓充電開關，第2電源為續弧迴路中 的低壓電容C2充電，由於低壓電容可選不同的電容值，故其充電時間長短也不同，可通過 安裝在低壓電容C2上的電壓顯示錶來判定何時充電完成；
步驟3、充電結束後，關閉啟動開關S1，在觸發點火過程的同時系統自動切斷充電迴路， 即斷開高壓充電開關S2和低壓充電開關S3，實現續弧放電，進行點火；
步驟4、點火結束後，系統自動切斷啟動開關S1，此時所有開關處於斷開狀態。關閉洩 放開關S4，進行洩放工作，即將低壓電容C2中的剩餘電量釋放掉，以準備下次點火操作。 根據設置的洩放時間，時間結束後系統自動斷開所有開關，此時恢復初始狀態。
權利要求
1、一種續弧式高能靜電點火器，其特徵在於由充電迴路、點火迴路、續弧迴路和洩放迴路組成；充電迴路包括第1電源、第2電源；點火迴路由高壓電容C1、啟動開關S1和電極組成；續弧迴路由低壓電容C2、續弧電感L和電極組成，其中，低壓電容C2用來控制電火花的能量大小，續弧電感L用來防止點火迴路產生的高壓脈衝串入續弧迴路中，並調節電火花的放電時間；洩放迴路由洩放電阻R和洩放開關S4組成，第1電源的正極和高壓充電開關S2串聯後，再與高壓電容C1並聯，形成高壓充電迴路；C1串聯啟動開關S1之後與電極並聯，形成點火迴路；第2電源的正極和低壓充電開關S3串聯後，與低壓電容C2並聯，形成低壓充電迴路；低壓電容C2再與洩放開關S4、洩放電阻R並聯，其中洩放開關S4和洩放電阻R串聯，形成洩放迴路；低壓電容C2串聯續弧電感L之後與電極並聯，形成續弧迴路；該電路中第1電源、第2電源、高壓電容C1和低壓電容C2的負極以及電極的一端都接地。
2、 根據權利要求1所述的續弧式高能靜電點火器，其特徵在於所述的點火迴路和續弧 電路中的電極是指同一電極，由鎢棒材製成，直徑為l 3mm，錐角為30 45°，兩電極尖端 相對放置，並處於同一直線方向上，其間距在l 10mm之間。
3、 根據權利要求1所述的續弧式高能靜電點火器，其特徵在於所述的充電迴路中的第 1電源為高壓直流電源，其電源電壓範圍為5 50KV;充電迴路中的第2電源為高壓直流電源， 其電源電壓取值範圍為0. 1 10KV。
4、 根據權利要求l所述的續弧式高能靜電點火器，其特徵在於所述的高壓電容C1的 電容值為l 100nF，其耐壓值在10KV以上；所述的低壓電容C2的電容值為任意值，其耐壓 值在800V以上。
5、 根據權利要求1所述的續弧式高能靜電點火器，其特徵在於所述的續弧電感L用來 防止點火迴路產生的高壓脈衝串入續弧迴路中，並調節電火花的放電時間，其電感值的範圍 在O. 5 10mH。
6、 權利要求1所述的續弧式高能靜電點火器的控制方法，其特徵在於步驟如下 步驟l、斷開電路中所有開關，使電路處於初始狀態；步驟2、關閉高壓充電開關S2，為點火迴路中的高壓電容C1充電；關閉低壓充電開關S3，為續弧迴路中的低壓電容C2充電；步驟3、關閉點火迴路中的啟動開關S1，在觸發點火過程的同時系統自動切斷充電迴路， 實現續弧放電，進行點火；步驟4、點火過程結束後，系統自動切斷啟動按鈕S1，此時所有開關處於斷開狀態，關 閉洩放開關S4，進行洩放工作，即可將低壓電容C2中的剩餘電量釋放。
全文摘要
一種續弧式高能靜電點火器及其控制方法，屬於電子點火器技術領域。由充電迴路、點火迴路、續弧迴路和洩放迴路組成。充電迴路包括第1電源、第2電源；點火迴路由高壓電容C1、啟動開關S1和電極組成；續弧迴路由低壓電容C2、續弧電感L和電極組成；洩放迴路由洩放電阻R和洩放開關S4組成。採用高壓電容替代傳統電路的點火器，使用高壓電容C1放電擊穿電極間的空氣，產生的電火花釋放的能量目前能達到8000J以上，提高了傳統電點火器的點火能量；取消了傳統續弧電路中的二極體，而在續弧電路中放置電感元件L，可以防止點火迴路產生的高壓脈衝串入續弧迴路中，從而使電極間的空氣不能被擊穿，與傳統方式相比，更加安全、方便、可靠。
文檔編號F23Q3/00GK101639229SQ200910013289
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月21日 優先權日2009年8月21日
發明者李只貝, 李新光, 鍾聖俊 申請人:東北大學