应用于电弧放电高频交流脉冲电源的分段变频控制方法

1.本发明属于电弧放电领域，涉及到一种应用于电弧放电高频交流脉冲电源的分段变频控制方法。


背景技术：

2.空气射流电弧放电是典型的电弧放电形式，其起弧点火阶段，需要较强的脉冲功率，激发出足够的种子电子，从而实现电极之间空气的击穿。该强脉冲功率要求高频交流脉冲电源输出脉冲电压幅值最够高，实现电极之间空气的点火击穿。而在电弧形成后，可等效为低阻抗的电流通路，在气流的作用下，电弧会沿着电极间隙向外吹出，而在这段电弧维持过程不需要很高的脉冲维持电压，只需要一定维持弧的电流即可。故空气射流的电弧电极放电相对于驱动脉冲电源而言，具有高电压-低电流-低功率起弧，低电压-高电流-低功率持弧的负载工作特性。
3.现有的高频交流脉冲电源为了实现空气射流电弧放电的点火起弧电压高的需求，需在电源设计时，按照常态输出高脉冲电压幅值输出高频交流脉冲功率，该方案设计则会导致持弧过程中，高脉冲电压被短路，迫使高频交流脉冲电源输出最大的短路电流，从而形成电弧电极放电的功率冗余问题，即很难在保证正常驱动工作条件下保持较低的功率损耗，整个等离子体源存在系统效率低，损耗大，无法常态运行，可靠性低等问题。相关技术问题的解决方案可将点火过程和持弧过程分开，分别设计开发两款不同功能的高频电源单元，即设计点火电源单元输出的脉冲电压幅值高但整机功率小，持弧电源单元输出的脉冲电压幅值低但输出电流较高，可以很好地解决电弧电极放电的功率冗余问题。然而采用两套驱动电源系统，整个等离子体源装置体积庞大，且适用于大功率电弧电极放电场合，不适用于需要体积集成化需求很高的便携手持式等离子体源设备应用的场合。


技术实现要素：

4.1.所要解决的技术问题：
5.现有高频交流脉冲电源很难在保证正常驱动工作条件下保持较低的功率损耗，整个等离子体源存在系统效率低，损耗大，无法常态运行，可靠性低。
6.2.技术方案：
7.为了解决以上问题，本发明提供了一种应用于电弧放电高频交流脉冲电源的分段变频控制方法，周期性的包络频率f
pulse
保持不变，所述包络频率f
pulse
分为两段脉冲功率驱动形式，高频下起弧点火脉冲f
s_ignition
，低频下的持弧脉冲f
s_retainer
，同时高频交流脉冲幅值保持不变，在空气射流起弧阶段，高频交流脉冲电源给出高频f
s_ignition
的脉冲功率，并维持t
ignition
时间，起弧点火成功进入持弧阶段，控制高频交流脉冲电源输出低频f
s_retainer
的脉冲功率，并维持t
retainer
时间放电熄灭进入下一次循环，其中f
s_ignition
频率为f
s_retainer
的十倍以上。
8.单周期内起弧点火脉冲个数为n
ignition
，单周期内的持弧脉冲个数为n
retainer
，设调
控比例k，通过调节单周期内起弧脉冲个数为n
ignition
、持弧脉冲个数n
retainer
，进而调控比例k值，实现调控空气射流电极放电强度。
9.所述高频交流脉冲电源包括控制电路和驱动电路，电源前端设有滤波器，所述滤波器分别和辅助源和整流电路连接，所述辅助源和控制电路连接，所述控制电路和驱动电路连接，所述驱动电路和igbt全桥逆变电路，所述igbt全桥逆变电路和lc滤波电路连接，所述lc滤波电路和高压变压器连接，所述辅助源输出稳定的直流电，用于为整个电源电路中的各种芯片供电；所述控制电路输出不同的控制信号以获得目标脉冲；所述驱动电路将控制电路给出的控制信号转换为可驱动逆变电路中igbt的驱动信号；所述整流电路：将经前置滤波器滤波后的工频交流电进行整流，为逆变电路提供高质量的直流电压；所述igbt全桥逆变电路把经整流电路整流后的直流电根据控制信号的不同逆变为目标输出的高频交流电；所述lc滤波电路中电容与变压器原边电感配合对逆变电路输出脉冲进行滤波，滤波之后脉冲再经由变压器升压为可驱动电弧放电的分段变频式高压交流电。
10.所述高频交流脉冲电源还包括保护电路，保护电路采集高压侧电流作为反馈，在电源发生过流或断路时，将控制电路断电迫使电源停止工作，保护负载和电源。
11.分段变频高压交流脉冲电源进行实验利用空气射流电弧放电装置，空气射流电弧放电装置包括针型高压电极(1)，地电极(2)，所述地电极(2)同时作为外壳，中心支撑将(3)高压电极(1)固定在始终为中心的位置。
12.3.有益效果：
13.1)本发明提出的分段变频控制高频交流脉冲电源能够很好的避免这点，在不加功率电阻的条件下驱动空气射流电弧放电。
14.2)本专利所提出分段变频高频交流电源驱动空气射流放电时不需要附加功率电阻，不仅可以节省系统所占空间与重量，并且节省功率能够使充电便携式空气射流装置运行更长的时间，使小型便携式空气射流放电装置待机时长进一步提升。
15.3)本专利提出分段变频高频交流电源驱动空气射流放电装置时放电产热更低，对于一些空气射流放电热不利应用场景友好，同时由于产热更少对于空气射流装置的电极损耗也更弱，使用同样材料能够延长空气射流装置使用寿命。
附图说明
16.图1是分段变频高压交流电源结构图。
17.图2是基于电弧式空气射流放电电极的分段变频控制方法示意图。
18.图3是控制逻辑流程图。
19.图4是空气射流电弧放电电极结构图。
20.图5是高脉冲频率-定频控制信号输出的空载电压波形。
21.图6是高脉冲频率-定频控制信号输出带载电压电流波形。
22.图7是高脉冲频率-定频控制信号输出放电波形条件下的放电图像。
23.图8是低脉冲频率-定频控制信号输出的空载电压波形。
24.图9是低脉冲频率-定频控制信号输出带载电压电流波形。
25.图10是低脉冲频率-定频控制信号输出放电波形条件下的放电图像。
26.图11是分段变频控制信号输出的空载电压波形。
27.图12是分段变频控制信号输出带载电压电流波形。
28.图13是分段变频控制信号输出放电波形条件下的放电图像。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明进行详细说明。
30.本发明提出的应用于电弧放电高频交流脉冲电源的分段变频控制方法采用高频信号与低频信号交替循环控制的方式对逆变桥进行控制，进而控制输出的高压交流脉冲以高频和低频交替输出。
31.如图2所示，在空气射流起弧阶段，高频交流脉冲电源给出高频f
s_ignition
的脉冲功率，并维持t
ignition
时间，起弧点火成功进入持弧阶段，控制高频交流脉冲电源输出低频f
s_retainer
的脉冲功率，并维持t
retainer
时间放电熄灭进入下一次循环，其中f
s_ignition
频率为f
s_retainer
的十倍以上。同时高频交流脉冲幅值保持不变，从而降低了整个电源的功率冗余。在不提高脉冲电压幅值的条件下，仅通过在点火时间内提高点火脉冲频率的方式，实现空气射流电弧电极的点火功能，绝缘性能要求不高，整机可进一步实现紧凑化，提高了整机装置的安全性和经济性。
32.单周期内起弧点火脉冲个数为n
ignition
，单周期内的持弧脉冲个数为n
retainer
，设调控比例k，通过调节单周期内起弧脉冲个数为n
ignition
、持弧脉冲个数n
retainer
，进而调控比例k值，实现调控空气射流电极放电强度。保证整个等离子体源装置具备电极温度调控功能，放电强度调控功能，以及不同表面处理应用下的活性粒子浓度等功能。
33.如图3所示，包络频率f
pulse
保持不变，在增大起弧点火脉冲n
ignition
的个数，减少持弧脉冲n
retainer
的个数，调控比例k值增大，反之，调控比例k值减小，调控比例k值增大，放电变强，调控比例k值变小，放电变弱。
34.驱动电源的频率越高等离子体电极的放电越容易，放电效果越好；而驱动电源频率低等离子体放电微弱产生的活性物质也更少，甚至会无法放电。但是驱动电源的频率也并非越高就越好，一个制约等离子体驱动电源频率提高的最主要因素就是功率损耗，过高的频率虽然等离子体电极放电更强，但是同时也会有更多的功率浪费。
35.以空气射流电弧放电为例，电弧放电具有起弧阶段电压高、电流低、功率低，持弧阶段电压低、电流高、功率低的负载工作特性。当频率过高时，电弧放电起弧会很容易且持续时间短、功率低，而持弧阶段会长时间维持在高电压-高电流-高功率的功率损耗模式，并且损耗的功率以产热的形式释放出来，造成放电电极温度过高，不利于长时间常态化运行，会影响空气射流放电电极的使用寿命，也会限制空气射流电弧放电的应用。
36.针对空气射流电弧放电的负载特性，本发明提出的分段变频控制方法能很好的拟合电弧放电起弧阶段和持弧阶段的放电特性，如图2所示，在起弧阶段给出高频f
s_ignition
的脉冲功率，使空气射流快速起弧，在持弧阶段给出低频f
s_retainer
的脉冲功率，使空气射流在较长的t
retainer
的持弧时间内维持低功率运行，从而在保证空气射流放电强度的同时大大降低放电功率损耗，提高放电效率，同时降低放电产热，保证空气射流装置可以长时间稳定运行。
37.如图1所示，高频交流脉冲电源包括控制电路、驱动电路、主电路，所述主电路包括整流电路、igbt全桥逆变电路和lc滤波电路。电源前端设有滤波器，所述滤波器分别和辅助源和整流电路连接，所述辅助源和控制电路连接，所述控制电路和驱动电路连接，所述驱动电路和igbt全桥逆变电路，所述igbt全桥逆变电路和lc滤波电路连接，所述lc滤波电路和高压变压器连接。
38.滤波器：置于电源前端，用于消除来自电网的各种干扰、如电动机起动、电器开关的合闸与关断、雷击等产生的尖峰脉冲千扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。
39.辅助源：输出稳定的直流电，用于为整个电源电路中的各种芯片供电，也既是为控制电路和保护电路提供满足一定要求的直流电以保证它们工作稳定可靠。
40.控制电路：输出不同的控制信号以获得目标脉冲，更改程序可以调节数字控制器输出的pwm控制信号，调控单周期t
pulse
内起弧脉冲个数为n
ignition
与持弧脉冲个数n
retainer
，进而调控比例k＝n
ignition
/n
retainer
，控制输出电压脉冲，是整个电源的核心。仅通过调控电源输出的脉冲功率形式即可完成空气射流电弧放电的控制，不需要添加任意额外的功率或控制硬件电路，这个电源体积可以做到最小，系统功率密度高，同时可满足不同应用场景下对不同空气射流放电需求，有利于等离子体源整机设备的集成化、小型化、便携性。
41.驱动电路：将控制电路给出的控制信号转换为可驱动逆变电路中igbt的驱动信号，同时将控制信号与输出脉冲进行隔离，避免控制信号受到干扰。
42.整流电路：将经前置滤波器滤波后的工频交流电进行整流，为逆变电路提供高质量的直流电压，是保证高频交流脉冲正常输出的基础。
43.igbt全桥逆变电路：它是本电源系统的关键部分，它把经整流电路整流后的直流电根据控制信号的不同逆变为目标输出的高频交流电。
44.lc滤波电路、变压器：lc滤波电路中电容与变压器原边电感配合对逆变电路输出脉冲进行滤波，滤波之后脉冲再经由变压器升压为可驱动电弧放电的分段变频式高压交流电。
45.还包括保护电路，所述保护电路采集高压侧电流作为反馈，在电源发生过流或断路时，将控制电路断电迫使电源停止工作，可以保护负载和电源。
46.分段变频高压交流脉冲电源进行实验利用空气射流电弧放电装置，如图4所示，空气射流电弧放电装置包括针型高压电极(1)，地电极(2)，所述地电极(2)同时作为外壳，中心支撑将(3)高压电极(1)固定在始终为中心的位置。
47.实验分别对于高频、低频、分段变频控制信号输出进行带载放电实验，从放电电压电流波形、放电发光图像来对三种控制信号对应高压交流脉冲输出进行对比。如图5-图13所示，图5是高脉冲频率-定频控制信号输出的空载电压波形。图6是高脉冲频率-定频控制信号输出带载电压电流波形。图7是高脉冲频率-定频控制信号输出放电波形条件下的放电图像。图8是低脉冲频率-定频控制信号输出的空载电压波形。图9是低脉冲频率-定频控制信号输出带载电压电流波形。图10是低脉冲频率-定频控制信号输出放电波形条件下的放电图像。图11是分段变频控制信号输出的空载电压波形。图12是分段变频控制信号输出带载电压电流波形。图13是分段变频控制信号输出放电波形条件下的放电图像。
48.从三种控制信号输出放电电压电流波形可以看出，高频信号时每个周期都进行一
次放电，最大放电电流为1.6a，但功率密度高，由放电发光图像可以看出放电最强。低频信号时过几个周期才能放电一次，最大放电电流为4.4a，略高于高频信号时的放电电流，但功率密度小由放电发光图像看出放电最弱，几乎看不到放电。由分段变频控制信号输出高压脉冲驱动空气射流时，最大放电电流达到8.6a，功率密度次于高频信号时，且由放电图像看出放电强度稍弱于高频信号时的放电。
49.实验测量了三种不同控制信号输出高压脉冲放电1.5min后射流装置端口的温度，对三种控制信号对应高压交流脉冲输出进行对比，如表1所示，实验是在室温25℃时进行。
50.表1不同控制信号下空气射流放电1.5min后装置端口温度
[0051][0052]
由表1及上图5-13可以看出，在1.5min放电时间内，纯高频输出高压脉冲驱动空气射流放电放电强烈，且射流装置端口温度迅速上升53℃；纯低频输出高压脉冲驱动空气射流放电放电微弱；而在比例系数k＝1时，分段变频输出高压脉冲驱动空气射流放电就可以在保证放电强度的同时，温度仅上升14℃，远低于纯高频信号放电，温度的变化也从侧面证明了本专利所提出分段变频控制信号输出高压脉冲电源能够在保证放电强度相差不多时，节省能源、提高放电效率。