CN102695355B - 远程控制双重点火的等离子体点火枪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种远程控制双重点火的等离子体点火枪，属于等离子产生技术领域。所述点火枪包括：柱状的内电极、筒状的外电极、绝缘套筒、第一高压直流电源、高压射频电源、高频线圈和控制系统，其中，所述柱状的内电极固定于绝缘套筒的中心通孔上以将柱状的内电极设置于筒状的外电极中心轴线上并与外电极绝缘，所述的第一高压直流电源的一端接于内电极，另一端接于外电极上，以给内电极和外电极之间提供一高压直流电源以电离内电极和外电极之间的腔体内的空气，所述的高频线圈缠绕在外电极上，高频线圈的两端接高压射频电源的输出端。本发明可以进行远程控制，且升压电路中能够采用耐压较低元器件，点火速度快。
Description
技术领域
本发明涉及一种远程控制双重点火的等离子体点火枪，尤其涉及一种点火速度快的等离子体点火枪，属于等离子体发生器技术领域。
背景技术
当前在大气压条件下能够产生的等离子体有两种，一种是热等离子体，其特征是气体温度往往很高，大约10000K量级，主要用于等离子体喷涂、切割、焊接、废物处理、材料表面加工等领域。另一种是冷等离子体，其特征是气体温度很低(接近室温)，但电子温度很高，因此具有很高的化学活性，属于非平衡等离子体。但是，常温常压下，将空气电离以产生等离子体需要的电压较大，通常需要几千伏的高压。而采用现有技术中的升压电路，要产生这么高的电压，则需要器件的耐压性较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于远程控制双重点火的等离子体点火枪，其可以进远程控制，且升压电路中能够采用耐压较低元器件，点火速度快，火掐稳定。
为实现所述发明目的，本发明提供一种远程控制双重点火的等离子体点火枪，所述点火枪包括：柱状的内电极1、筒状的外电极2、绝缘套筒3、第一高压直流电源5、高压射频电源16、高频线圈15和控制系统6，其中，所述柱状的内电极1固定于绝缘套筒3的中心通孔上以将柱状的内电极1设置于筒状的外电极2中心轴线上并与外电极绝缘，所述的第一高压直流电源5的一端接于内电极1，另一端接于外电极2上，以给内电极1和外电极2之间提供一高压直流电源以电离内电极1和外电极2之间的腔体内的空气，所述的高频线圈缠绕在外电极，高频线圈的两端接高压射频电源16的输出端，，所述第一高压直流电源5包括n级直流电压单元，各直流电压单元通过续流线圈级联，控制系统6能够远程控制各直流电压单元的通断以给内电极和外电极施加所需要直流电能，所述n为大于或者等于4的整数。
优选地，所述的第一高压直流电源5包括变压器，所述变压器包括一个初级线圈和n个次级线圈，每个直流电压单元包括一个整流器、一个续流二极管、一个电子开关和一个驱动级，所述整流器的正极连接于变压器次级的一个线圈的第一端，整流器的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管的正极连接到电子开关的第一端，电子开关的第二端连接到变压器次级的一个线圈的第二端以形成一个回路，电子开关的控制端连接到驱动级，由驱动级控制电子开关的通断。
优选地，所述的电子开关为晶体管、场效应管或者可控硅。
优选地，所述的控制系统6包括一个控制器和n个光发射器，所述的光发射器将控制器输出的控制信号转换成光信号以便在光纤中传输。
优选地，所述的第一高压直流电源5还包括n个光接收器，所述的光接收器将光信号转换成控制驱动级的电信号。
优选地，所述的高压射频电源16包括频率合成器10、射频放大器11、匹配调谐器12、耦合输出器13以及第二高压直流电源，其中频率合成器10用于产生一高频小信号，射频放大器11用于将高频小信号进行功率放大，匹配调谐器用于调谐及阻抗变换以使射频放大器输出的高频大功率信号的工作频率与高频小信号的工作频率相等并将耦合输出器输入阻抗变换为射频放大器输出最大功率时阻抗，耦合输出器将高频大功率信号耦合到高频线圈上，所述的第二高压直流电源用于给射频放大器11和频率合成器10提供电能。
优选地，射频放大器11工作于丙类过压状态。
优选地，第二高压直流电源包括m级直流电压单元，各直流电压单元通过续流线圈级联，控制系统6能够远程控制各直流电压单元的通断以给内电极和外电极施加所需要直流电能，所述m为大于或者等于4的整数。
与现有技术相比，本发明提供的远程控制的等离子体点火枪，可通过控制器软件编程输出任意电压值，具有系统通用性。同时可实现远程控制，点火速度快，火掐稳定
附图说明
图1是本发明提供的远程控制双重点火的等离子体点火枪的示意图；
图2是本发明提供的远程控制双重点火的等离子体点火枪中的高压直流电源的示意图；
图3是本发明提供的高压直流电源一种情况下的瞬时电压的波形图；
图4是本发明提供的高压直流电源另一种情况下的瞬时电压的波形图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明。相同的附图标记表示相同的部件。
图1是本发明提供的远程控制的等离子体点火枪的示意图。如图1所示，所述点火枪包括：柱状的内电极1、筒状的外电极2、绝缘套筒3、第一高压直流电源5、高压射频电源16、高频线圈15、控制系统6和人机接口14，其中，所述柱状的内电极1固定于绝缘套筒3的中心通孔上以将柱状的内电极1设置于筒状的外电极2中心轴线上并与外电极绝缘，所述的第一高压直流电源5的两输出端分别接于内电极1和外电极2上，以给内电极1和外电极2之间提供一高压直流电源以电离内电极1和外电极2之间的腔体内的空气，所述的高频线圈缠绕在外电极，高频线圈的两端接高压射频电源16的两输出端。外电极2下端具有用于将高温等离子体流喷出腔体的喷嘴，以点燃可燃物质，如煤、油、混合气等。所述的高压射频电源16包括频率合成器10、射频放大器11、匹配调谐器12、耦合输出器13以及第二高压直流电源，其中，频率合成器10用于产生一高频小信号，射频放大器11用于将高频小信号进行功率放大，优选地，射频放大器11工作于丙类过压状态。匹配调谐器用于调谐及阻抗变换以使射频放大器输出的高频大功率信号的工作频率与高频小信号的工作频率相等并将耦合输出器输入阻抗变换为射频放大器输出最大功率时阻抗。耦合输出器将高频大功率信号耦合到线圈上以使腔体内的离子进行高频振荡以使等离子体内的温度进一步升高。第二高压直流电源用于给射频放大器11和频率合成器10提供电能。第一和第二高压直流电源输出的电压可根据用户需要通过远程编程的方式进行设定。用户通过人机接口14设定控制系统6。控制系统6分别根据采集频率合成器10、射频放大器11、匹配调谐器12或者耦合输出器13的输出的信号来控制它们的工作状态。
图2是本发明提供的远程控制的等离子体点火枪中的高压直流电源的示意图。以第一高压直流电源为例进行说明。如图2所示，所述第一高压直流电源5包括n级直流电压单元M0、M1，M2…MN，各直流电压单元通过N个续流线圈L01、L12、L23...级联，控制系统6能够远程控制各直流电压单元的通断以给内电极和外电极施加所需要直流电能，所述n为大于或者等于4的整数，且n＝N+1。所述外电极2设置有通风管4，以将空气、水汽等注入到内、外电极之间所形成的腔体内。
所述的控制系统6包括一个控制器和n个光发射器OT0、OT1、OT2…和OTN，N＝n-1。所述的高压电源5还包括变压器和n个光接收器OR0、OR1、OR2…ORN，所述变压器包括一个初级线圈和n个次级线圈以将220V的工频电压变换成所需要的电压。所述的光发射器将控制器输出的控制信号转换成光信号以通过光纤传输到对应的光接收器。所述的光接收器接收对应的光发射器发射来的光信号，并将接收的光信号转换成控制驱动级的电信号以此实现处于悬浮电压之上的各级直流电压单元与低电平控制部分的高电压隔离。
第一个直流电压单元M0包括变压器次级的第一个线圈L0、一个整流器R0、一个续流二极管D0、一个电子开关和一个驱动级P0，电子开关为CMOS管CMOS0，所述整流器R0的正极连接于变压器次级的第一个线圈L0的第一端，整流器R0的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管D0的正极连接到CMOS管CMOS0的漏极，CMOS管CMOS0的源极连接到变压器次级的第一个线圈L0的第二端，CMOS管CMOS0的栅极连接到驱动级P0，由驱动级P0根据光接收器OR0所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOS0的通断。CMOS管CMOS0工作于开关状态，当CMOS管CMOS0的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOS0导通，第一个线圈L0的第二端相当于接到续流二极管D0的正极。整流器R0将第一个线圈L0输出的交流电压u0转换直流电压U0伏。续流二极管D0两端的电压为U0，上端为正，下端为负。当CMOS管CMOS0的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOS0截止。续流二极管D0两端的电压为二极管结电压。
同理，第二个直流电压单元M1包括变压器次级的第二个线圈L1、一个整流器R1、一个续流二极管D1、一个电子开关和一个驱动级P1，电子开关为CMOS管CMOS1，所述整流器R1的正极连接于变压器次级的第二个线圈L1的第一端，整流器R1的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管D1的正极连接到CMOS管CMOS1的漏极，CMOS管CMOS1的源极连接到变压器次级的第二个线圈L1的第二端，CMOS管CMOS1的栅极连接到驱动级P1，由驱动级P1根据光接收器OR1所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOS1的通断。MOS管CMOS1工作于开关状态，当CMOS管CMOS1的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOS1导通，第二个线圈L1的第二端相当于接到续流二极管D1的正极。整流器R1将第一二个线圈L1输出的交流电压u1转换直流电压U1伏。续流二极管D1两端的电压为U，上端为正，下端为负1。当CMOS管CMOS1的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOS1截止。续流二极管D1两端的电压为二极管结电压。
第三个直流电压单元M2包括变压器次级的第二个线圈L2、一个整流器R2、一个续流二极管D2、一个电子开关和一个驱动级P2，电子开关为CMOS管CMOS2，所述整流器R2的正极连接于变压器次级的第三个线圈L2的第一端，整流器R2的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管D2的正极连接到CMOS管CMOS2的漏极，CMOS管CMOS2的源极连接到变压器次级的第三个线圈L2的第二端，CMOS管CMOS2的栅极连接到驱动级P2，由驱动级P2根据光接收器OR2所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOS2的通断。CMOS管CMOS2工作于开关状态，当CMOS管CMOS2的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOS2导通，第三个线圈L2的第二端相当于接到续流二极管D2的正极。整流器R2将第三个线圈L2输出的交流电压u1转换直流电压U2伏。续流二极管D2两端的电压为U2，上端为正，下端为负。当CMOS管CMOS2的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOS2截止。续流二极管D2两端的电压为二极管结电压。
依次类推，第n个直流电压单元MN包括变压器次级的第n个线圈LN、一个整流器RN、一个续流二极管DN、一个电子开关和一个驱动级PN，电子开关为CMOS管CMOSN，所述整流器RN的正极连接于变压器次级的第n个线圈LN的第一端，整流器RN的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管DN的正极连接到CMOS管CMOSN的漏极，CMOS管CMOSN的源极连接到变压器次级的第n个线圈LN的第二端，CMOS管CMOSN的栅极连接到驱动级PN，由驱动级PN根据光接收器ORN所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOSN的通断。MOS管CMOSN工作于开关状态，当CMOS管CMOSN的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOSN导通，第n个线圈LN的第二端相当于接到续流二极管DN的正极。整流器RN将第n个线圈LN输出的交流电压uN转换直流电压UN伏。续流二极管DN两端的电压为UN，上端为正，下端为负。当CMOS管CMOSN的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOSN截止。续流二极管DN两端的电压为二极管结电压。
第1个直流电压单元M0与第2个直流电压单元M1之间用续流线圈L01相连接，即续流线圈L01连接于续流二极管D0的负极和续流二极管D1的正极之间；第2个直流电压单元M1与第3个直流电压单元M2之间用续流线圈L12相连接，即续流线圈L12连接于续流二极管D1的负极和续流二极管D2的正极之间；依次类推，第3个直流电压单元M2与第4个直流电压单元M3之间用续流线圈L23相连接。如此，如果每个直流电压单元M0、M1、M2、…和MN的电子开关均同时导通的情况下，高压电源5总的输出总电压为U总＝U0+U1+U2+…+UN。高压电源5还包括滤波电感L和滤波电容C，以将滤除U总中的开关频率成分。
本发明提供的等离子点火枪，在时钟脉冲控制下，控制系统6经过取样电路(电阻分压)得到的输出电压样值与参考信号的电压进行比较，采样电压小于设定电压时，控制器发出指令，开启一个直流单元，使高压电源输出电压升高；在下一个时钟周期，如果采样电压仍小于参考信号电压，控制器发出指令，再开启一个直流单元，继续使高压电源输出电压升高；直到采样电压大于设定电压，控制器发出指令，关闭一个直流单元，使高压电源输出电压降低，直到采样电压等于设定电压。
本发明提供的等离子点火枪，还能够在时钟脉冲控制下，控制系统6使其中一部分直流电压单元(假如总直流电压单元为12，即n＝12的情况下)，如使M0、M1…M5在一个时钟周期T的第一个时间段[t1，t2]工作，使其中另一部分直流电压单元M5、M6…M11在一个时钟周期T的第二个时间段[t2，t3]工作，其中，t3-t2＝t2-t1，t3-t1＝T，则在每一级的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为如图3所示，本发明提供的等离子点火枪，还能够在时钟脉冲控制下，控制系统6使其中一部分直流电压单元，如M0、M1…M5在一个周期T的第一个时钟段[t1，t2]前半段时间工作，在第一个时间时钟段[t1，t2]后半段时间截止；使其中另一部分直流电压单元M5、M6…和M11在一个周期T的第二个时间段[t2，t3]前半段时间时钟工作，在第二个时间段[t2，t3]后半段时间时钟截止，其中，t3-t2＝t2-t1，t3-t1＝T，则在每一级的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为
如果控制系统6使其中一部分直流电压单元(假如总直流电压单元为12，即n＝12的情况下)，如M0、M1…和M3在一个周期T的第一个时间段[t1，t2]工作，使其中第二部分直流电压单元M4、M5…M7在一个周期的第二个时间段[t2，t3]工作，使其中第三部分直流电压单元M8、M9…和M11在一个周期T的第三个时间段[t3，t4]工作，其中，t4-t3＝t3-t2＝t2-t1，t4-t1＝T，则在每一级的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为如图4所示，本发明提供的等离子点火枪，还能够在时钟脉冲控制下，控制系统6使其中一部分直流电压单元，如M0、M1…和M3在一个周期T的第一个时间段[t1，t2]前半时间段内工作，在第一个时间段[t1，t2]后半时间段内截止；使其中第二部分直流电压单元M4、M5…M7在一个周期的第二个时间段[t2，t3]的前半时间段内工作，在第二个时间段[t2，t3]的后半时间段内截止；使其中第三部分直流电压单元M8、M9…和M11在一个周期T的第三个时间段[t3，t4]前半时间段内工作，在第三个时间段[t3，t4]后半时间段内截止，其中，t4-t3＝t3-t2＝t2-t1，t4-t1＝T，则在每一级的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为如此，我们可以根据需要通过控制器设置所需要的高压电源。同时采用直流电压单元相串联的形成以形成所需要的高压，则每级直流电压单元的元器件不需要耐压值很高，即可完成升压变换。
本发明提供的等离子点火枪，对直流电压单元的开关控制遵循以下规则：需要开启一个直流电压单元时，总是开启处于关闭状态的时间最久的那个直流电压单元；需要关闭一个直流电压单元时，总是关闭处于开启状态的时间最久的那个直流电压单元。这样的开关控制规则带来两个好处：(1)每个开关模块工作时间区域均等，等效负荷均衡；(2)对一定的时钟脉冲频率，每个直流电压单元的电子开关的开关频率大幅度降低。以直流参考信号为例，如果时钟脉冲频率为f，高压电源由n个直流电压单元构成，则每个直流电压单元电子开关的实际开关频率为f/n。
可选地，CMOS管可以用晶体管、可控硅代替。
本发明中在高压电源中引入续流二极管，使得各个直流电压单元的电子开关可以独立控制，无需同时导通或截止。某个直流单元的电子开关导通时，其输出电压是串联接入；电子开关截止时，其它直流单元通过续流二极管向外电路输出电压(电流)，即续流二极管的作用是在电子开关的截止状态，提供电流通路。续流线圈的作用是抑制电子开关导通或截止瞬间的暂态脉冲干扰；另一方面，所有续流线圈的等效自感系数，也参与构成后级滤波电路。
高压射频电源16中的第二高压直流电源的电路结构和工作过程与第一高压直流电源类似，第二高压直流电源包括m级直流电压单元，各直流电压单元通过续流线圈级联，控制系统6能够远程控制各直流电压单元的通断以给内电极和外电极施加所需要直流电能，所述m为大于或者等于4的整数。m可以与n相等，根据设计。
由于本发明提供的高压直流和高压射频电源可以通过控制器软件编程其输出任意电压值，所以等离子体点火枪的火焰温度可以根据需要进行设定。而产生高电压的直流电源是通过多级级联而成的，故可以采用耐压值较低的元器件来完成低电压到高电压的变换。
虽然以上已结合附图对按照本发明目的的构思和实例作了详尽说明，但本领域技术人员应当认识到，在没有脱离本发明构思的前提下，任何基于本发明作出的改进和变换仍然属于本发明保护范围内的内容。
Claims (6)
1.一种远程控制双重点火的等离子体点火枪，所述点火枪包括：柱状的内电极(1)、筒状的外电极(2)、绝缘套筒(3)、第一高压直流电源(5)、高压射频电源(16)、高频线圈(15)和控制系统(6)，其中，所述柱状的内电极(1)固定于绝缘套筒(3)的中心通孔上以将柱状的内电极(1)设置于筒状的外电极(2)中心轴线上并与外电极绝缘，所述的第一高压直流电源(5)的两电压输出端分别接于内电极(1)和外电极(2)上，以给内电极(1)和外电极(2)之间提供高压直流电源以电离内电极(1)和外电极(2)之间的腔体内的空气，所述的高频线圈缠绕在外电极上，高频线圈的两端接高压射频电源(16)的输出端，所述第一高压直流电源(5)包括n级直流电压单元和变压器，所述变压器包括一个初级线圈和n个次级线圈，其特征在于，每个直流电压单元包括一个整流器、一个续流二极管、一个CMOS管和一个驱动级，所述整流器的正极连接于变压器次级的一个线圈的第一端，整流器的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管的正极连接到CMOS管的漏极，CMOS管的源极连接到变压器次级的一个线圈的第二端，CMOS管的栅极连接到驱动级，由驱动级控制CMOS管的通断，彼此相邻的两个直流电压单元通过续流线圈相连，控制系统(6)经过取样电路得到的输出电压样值，能够远程控制各直流电压单元的通断以给内电极和外电极施加所需要直流电能，当需要开启一个直流电压单元时，总是开启处于关闭状态时间最久的那个直流电压单元；需要关闭一个直流电压单元时，总是关闭处于开启状态时间最久的那个直流电压单元，所述n为大于或者等于4的整数。
2.根据权利要求1所述的等离子体点火枪，其特征在于，所述的控制系统(6)包括一个控制器和n个光发射器，所述的光发射器将控制器输出的控制信号转换成光信号以便在光纤中传输。
3.根据权利要求2所述的等离子体点火枪，其特征在于，所述的第一高压直流电源(5)还包括n个光接收器，所述的光接收器将光信号转换成控制驱动级的电信号。
4.根据权利要求1-3任一所述的等离子体点火枪，其特征在于，所述的高压射频电源(16)包括频率合成器(10)、射频放大器(11)、匹配调谐器(12)、耦合输出器(13)以及第二高压直流电源，其中频率合成器(10)用于产生高频小信号，射频放大器(11)用于将高频小信号进行功率放大，匹配调谐器用于调谐及阻抗变换以使射频放大器输出的高频大功率信号的工作频率与高频小信号的工作频率相等并将耦合输出器输入阻抗变换为射频放大器输出最大功率时阻抗，耦合输出器将高频大功率信号耦合到高频线圈上，所述的第二高压直流电源用于给射频放大器(11)和频率合成器(10)提供电能。
5.根据权利要求4所述的等离子体点火枪，其特征在于，射频放大器(11)工作于丙类过压状态。
6.根据权利要求5所述的等离子体点火枪，其特征在于，第二高压直流电源包括m级直流电压单元，各直流电压单元通过续流线圈级联，所述m为大于或者等于4的整数。
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