專利名稱：電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流電弧點(diǎn)火掄的電源。直流電弧點(diǎn)火掄利用放電電弧加熱一種工作氣體并產(chǎn)生出等離子體，然后該等離子體通過包含點(diǎn)火掄空心陽極的噴口。該等離子體可利用來點(diǎn)燃易爆的燃料，例如發(fā)電用蒸氣氣化鍋爐中的粉化煤。該等離子體也可用來在點(diǎn)燃前加熱燃燒室，以保證燃料穩(wěn)定燃燒。
這樣一種電弧點(diǎn)火掄可能需要的電壓范圍為0至1000伏，電流范圍為100至300安培，即功率之范圍為0至300仟瓦。
該種應(yīng)用的電弧點(diǎn)火輪要求產(chǎn)生長時間周期的等離子體，使用傳統(tǒng)的電源要維持如此長時間周期的可靠電弧被證明是有困難的。
在直流電弧點(diǎn)火掄中為了產(chǎn)生放電電弧引起的一個特殊問題在于自陽極至陰極具有大的電壓降及伴有大幅度的電壓波動。該電弧通常也是具有一反向的電壓-電流關(guān)系，即當(dāng)電流上升時、電弧上的電壓降卻下降。其結(jié)果是，必須要電源作出響應(yīng)降低電壓，以限制電弧電流。
一種公知的電源是在交流電源干線的每相中使用一個晶閘管或一個可控硅整流器(SOR)。至少有兩個晶閘管總是在任何給定時間導(dǎo)通，并導(dǎo)通電流至一電感，該電感存儲能量并將輸出平波，這些晶閘管依次地導(dǎo)通，以控制平均電流，借助一預(yù)告控制電路，它力圖預(yù)先下一周期所需的電流。這些晶閘管在下一電流過零點(diǎn)來到時被關(guān)斷。
這種電源具有諸多缺點(diǎn)。其一是只當(dāng)晶閘管被導(dǎo)通時刻才可對電流施行控制，這就意味著供電周期的三分之一(當(dāng)在三相電源每相中使用一個晶閘管時)的電流控制平均時延。這就導(dǎo)致了電流能被控制的最大數(shù)值。其結(jié)果為電感必須足夠大以限制較大數(shù)值時的電流波動。這是重要的，因?yàn)殡娏鬟^零才熄滅電弧，大的電流峰值導(dǎo)致電極的損壞。例如一個50KW的電弧點(diǎn)火掄使用200安培電流需要電感為20毫亨，該電感重達(dá)幾噸，用來限制電流的波動使之小于50安培。這就大大地增加了電流的成本。
第二個缺點(diǎn)源于以下原因開關(guān)控制是預(yù)給定的，并且是根據(jù)計(jì)算推測。而非根據(jù)任何給定時刻的真實(shí)電流客觀確定的。
根據(jù)本發(fā)明，提供出一種用于電弧點(diǎn)火掄的直流電源，它包括一個輸入端口，用于與直流源相連接，一個輸出端口，用于與電弧點(diǎn)火掄的電極相連接;
串聯(lián)于輸入與輸出端口之間的一個控制開關(guān)及一個電感;
一個續(xù)流二極管，其連接方式為，在工作中當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時該二極管反向偏置，當(dāng)開關(guān)斷開時它正向偏置以保持直流電流流過電弧及電感;及一個反饋電路，它具有一個檢測流經(jīng)電弧的電流瞬時值的電流傳感器，及一個與開關(guān)相連接的控制端，該反饋電路在工作時，用以當(dāng)瞬時電流值達(dá)到第一電平值時在控制端上輸出一控制信號以使開關(guān)導(dǎo)通，當(dāng)瞬時電流值達(dá)到第二電平值時在控制端上輸出一控制信號以使開關(guān)關(guān)斷。
這個電路使用直流電輸入并控制它以提供給電弧所需的電流。該電路的優(yōu)點(diǎn)在于所產(chǎn)生的電流與電弧電壓波形無關(guān)，它是由在實(shí)時工作中的反饋電路確定的，而非由預(yù)定值控制器確定的。這就使得控制更為精確及靈敏。
反饋電路設(shè)計(jì)成當(dāng)由電流傳感器測量的瞬時電弧電流達(dá)到一個選定的最大值時就使開關(guān)關(guān)斷，并當(dāng)所測瞬時電弧電流達(dá)到一個選定的最小值時使開關(guān)導(dǎo)通。換言之，電弧電流被控制得不超過某一預(yù)定的波動度。
控制電流波動的一個優(yōu)點(diǎn)是來自于以下的事實(shí)陰極腐蝕率正比于瞬時電流，甚至微秒級寬度的電流脈沖也能引起微汽化。降低最大電流值可導(dǎo)致陰極壽命的大大增加。
選擇較低的電流波動度就使開關(guān)工作在較高的頻率上。如果使用了較高的工作頻率就能取得電感尺寸的減小。例如當(dāng)使用了實(shí)施本發(fā)明的電源時，工作在200安培的電弧僅需要2毫亨的電感就能限制50安培的電流波動。與現(xiàn)有技術(shù)的電源相比尺寸縮小至十分之一。
更好的作法是，反饋電路包括能保證開關(guān)的關(guān)斷不小關(guān)一最小時間值，及保證開關(guān)的導(dǎo)通不小于一最小時間值的裝置;及包括保證其電流不超過一故障電平的裝置，以保護(hù)開關(guān)免遭電感或是續(xù)流二極管的故障。在一優(yōu)選的本發(fā)明實(shí)施例中，所有這些裝置均設(shè)置為閘門電路，它們利用代表所需量的信號控制反饋信號。
應(yīng)該看到，沒有設(shè)置時鐘信號，開關(guān)頻率是由選擇的電流波動度、電感及供電電壓與電弧電壓降之間的差值決定的。
電流傳感器最好是霍耳效應(yīng)器件，它比感性傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于其產(chǎn)生的信號既包括電流中的直流成份又包括其交流成份。
電感最好為空氣隙的扼流圈，其中的空氣隙使扼流圈的電感線性化。
以下本發(fā)明將僅以例舉的方式進(jìn)行描述，并參照其附圖，這些附圖為

圖1實(shí)施本發(fā)明的用于電弧點(diǎn)火輪的電源的電路概圖;
圖2根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的反饋電路的電路概圖;
圖3說明實(shí)施本發(fā)明電源的電流與電壓變化的波形圖，并示出與現(xiàn)有技術(shù)電源的比較。
現(xiàn)在參照圖1，電源1包括一個門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)開關(guān)2與一個空氣隙扼流圈(電感)3串聯(lián)輸入及輸出端口之間，具體在一直流電源的正端4與電弧點(diǎn)火掄6的陽極5之間。電弧點(diǎn)火掄6的陰極7與直流電源的負(fù)端8相連接。一個續(xù)流二極管9連接于開關(guān)2及電感3的結(jié)點(diǎn)與電源的負(fù)端之間。一個反饋電路10包括一個霍耳效應(yīng)電流傳感器件11，后者與流經(jīng)電感3及電弧點(diǎn)火掄6的電流通路相連接，該反饋電路用于使開關(guān)導(dǎo)通及關(guān)斷。
直流電源可典型地由三相交流干線電源經(jīng)傳統(tǒng)的整流器及平波而獲得。
開關(guān)2導(dǎo)通與關(guān)斷的作用在于調(diào)低直流電源的平均值。當(dāng)開關(guān)2導(dǎo)通，電流(直線上升)流出電源經(jīng)由電感3及電弧點(diǎn)火掄6。當(dāng)開關(guān)2關(guān)斷時，電流(直線下降)繼續(xù)流經(jīng)電感3及電弧點(diǎn)火掄6，但換經(jīng)續(xù)流二極管9。實(shí)際上當(dāng)開關(guān)2導(dǎo)通時電感3存儲的能量用于當(dāng)開關(guān)2關(guān)斷時維持電流流經(jīng)電弧。電感中存儲的能量漸漸消耗在電弧的電阻、電感中的電阻及續(xù)流二極管的正向電阻構(gòu)成的全部電阻上，其中以電弧電阻為主。
現(xiàn)在參照圖2，更為詳細(xì)地描述反饋電路。來自于傳感器11的信號經(jīng)由運(yùn)算放大器12隔離并在運(yùn)算放大器14上被電位器13上預(yù)設(shè)電壓減去。該預(yù)設(shè)電壓代表期望的電弧電流電平，例如為160安培。其差值被放大并與-滯后值相比較，該滯后值由電位器15調(diào)節(jié)，它代表所選擇的最大允許波動，例如為12安培。當(dāng)該滯后值被超出時運(yùn)算放大器16的輸出改變狀態(tài)，其輸出為矩形波。這個信號然后在門18中受代表最小的關(guān)斷時間的信號17的門控制;然后在門20中受代表最小導(dǎo)通時間的信號19的門控制;最后在門22中受代表電流故障狀態(tài)的、來自線21信號的門控制。
電流故障狀態(tài)由第二電流傳感器23取得。這個所產(chǎn)生的信號在處理器24中被處理并與電位器25上設(shè)置的電平相比較，當(dāng)流經(jīng)開關(guān)、電感及電弧的電流超過由電位器25所確定的值時輸出一個信號。這就為開關(guān)提供了過電流保護(hù)。
在輸出端26上獲得的信號因而不僅是根據(jù)傳感器11測量電流驅(qū)動開關(guān)2導(dǎo)通及關(guān)斷，而且也保證其保持在所需最小導(dǎo)通時間及最小關(guān)斷時間內(nèi)并對過電流故障狀態(tài)起反應(yīng)。在端子26上的信號可以直接地或是經(jīng)由晶體三極管驅(qū)動電路輸入到一個大功率晶體三極管的基極上。應(yīng)該看到，不需用單穩(wěn)或時鐘信號發(fā)生器。
電流及電壓的變化將參照圖3，現(xiàn)在來進(jìn)行描述。
圖3a表示電弧電壓隨時間典型變化。電弧消耗的功率是根據(jù)需要，并且這也決定了電壓。當(dāng)電弧起弧時隨電弧根部延陽極伸展出由陰極返回，其電壓達(dá)到最大需要電平值。然后電弧周期性地在靠近陰極處重新起燃并重新建立起來，隨著電弧漸漸地建立就引起電壓的瞬時下降。在時間t1電弧再次起燃，比平時更接近陰極，就引起電壓比通常電壓降大得多的下降。然后經(jīng)由幾次漸漸伸展的再起燃在時間t2電弧再度達(dá)到通常狀態(tài)。經(jīng)過相同的時間周期，電壓回到其正常工作的范圍。
圖3b表示在相同的時間周期上電弧電流的變化。當(dāng)電弧開始起弧時，電弧電流上升到其最大值imax。然后下降到其最小值imin并再次上升到其最大值，為此重復(fù)下去。電壓值的變化并不引起電流值的相應(yīng)變化，但引起電流開關(guān)頻率的變化。電壓的下降引起開關(guān)頻率的下降，但不改變平均電流。
圖3c表示現(xiàn)有技術(shù)預(yù)定值電源的特性。隨預(yù)定值控制器的調(diào)整，在t1時的電壓降引起了電流的上升。當(dāng)電壓恢復(fù)時，預(yù)定值控制器使電流下降，這類的電流下降可引起電弧熄滅。
雖然本發(fā)明是參照專門的實(shí)施例描述的，應(yīng)該看到它可用許多其它方式實(shí)施。例如，適當(dāng)?shù)木彌_保護(hù)可采納來保護(hù)開關(guān)器件。
權(quán)利要求
1.一種用于直流電弧點(diǎn)火掄的直流電源，包括一個輸入端口，用于與直流源相連接，一個輸出端口，用于與電弧點(diǎn)火掄的電極相連接；串聯(lián)于輸入與輸出端口之間的一個控制開關(guān)及一個電感；一個續(xù)流二極管，其連接方式為在工作中當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時該二極管反向偏置，當(dāng)開關(guān)斷開時它正向偏置以保證直流電流流過電弧及電感；及一個反饋電路，它具有一個檢測流經(jīng)電弧的電流瞬時值的電流傳感器，及一個與開關(guān)相連接的控制端，該反饋電路在工作時，用以當(dāng)瞬時電流值達(dá)到第一電平值時，在控制端上輸出一控制信號以使開關(guān)導(dǎo)通，當(dāng)瞬時電流值達(dá)到第二電平值時在控制端上輸出一控制信號以使開關(guān)關(guān)斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的直流電源，其中反饋電路還包括產(chǎn)生相應(yīng)于電流瞬時值與預(yù)置值之間差值的第一信號的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的直流電源，其中反饋電路還包括將第一信號與相應(yīng)于第一及第二電平之間差值的滯后信號相比較的裝置，用以產(chǎn)生一個兩狀態(tài)的控制信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的直流電源，其中反饋電路還包括一個關(guān)斷門控裝置，用以借助一個代表最小關(guān)斷時間的信號對兩狀態(tài)控制信號進(jìn)行門控制，以保證開關(guān)的關(guān)斷不小于最小關(guān)斷時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的直流電源，其中反饋電路還包括一個導(dǎo)通門控裝置，用以借助一個代表最小導(dǎo)通時間的信號對兩狀態(tài)控制信號進(jìn)行門控制，以保證開關(guān)的導(dǎo)通不小于最小導(dǎo)通時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的直流電源，其中反饋電路還包括一個“故障”門控電路，用以借助一個代表電流故障狀態(tài)的信號對兩狀態(tài)控制信號進(jìn)行門控制，以保證流經(jīng)電弧的電流保持低于一個預(yù)定的最大值。
全文摘要
一種用于直流電弧點(diǎn)火槍(6)的直流電源(1)包括一個輸入端口(4，8)用于與直流源相連接，一個輸出端口，用于與電弧點(diǎn)火槍的電極(5，7)相連接；串聯(lián)于輸入與輸出端口之間的一個控制開關(guān)(2)及一個電感(3)；一個續(xù)流二極管(9)，以保證直流電流流經(jīng)電弧及電感(3)；及一個反饋電路(10)，它具有一個檢測流經(jīng)電弧的電流瞬時值的電流傳感器(11)，及一個與開關(guān)(2)相連接的控制端(26)，當(dāng)瞬時電流值達(dá)到第一電平值時在控制端(26)上輸出一控制信號以使開關(guān)(2)導(dǎo)通，當(dāng)瞬時電流值達(dá)到第二電平值時，在控制端(26)上輸出一控制信號以使開關(guān)(2)關(guān)斷。
文檔編號H05H1/32GK1057938SQ91103960
公開日1992年1月15日 申請日期1991年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月15日
發(fā)明者彼得·菲爾布姆 申請人:悉尼大學(xué), 新南威爾士州電力委員會