CN102695354A - 远程控制的等离子体点火枪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种远程控制的等离子体点火枪，属于等离子体发生器技术领域。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)、高压电源(5)和控制***(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，所述的高压电源(5)给内电极(1)和外电极(2)之间施加一高压电源以电离内电极(1)和外电极(2)之间的腔体内的空气，所述高压电源(5)包括n级直流电压单元，控制***(6)能够远程控制各直流电压单元的通断，所述n为大于或者等于4的整数。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。

Description

远程控制的等离子体点火枪

技术领域

本发明涉及一种远程控制的等离子体点火枪，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很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于远程控制的等离子体点火枪，其可以进行远程控制，且升压电路中能够采用耐压较低的元器件。

为实现所述发明目的，本发明提供了一种远程控制的等离子体点火枪，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、高压电源5和控制***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，所述的高压电源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，所述高压电源5包括n级级连的直流电压单元，各直流电压单元通过续流线圈级联，控制***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，所述的高压电源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，所述n为大于或者等于4的整数。

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***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，所述的高压电源5还包括n个光接收器，所述的光接收器接收对应的光发射器发射的光信号，并将光信号转换成控制驱动级的电信号。

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，控制器可通过软件编程以远程控制高压电源输出任意电压值，具有***通用性。同时高压电路中可以采用耐压值较低的元器件。

附图说明

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；

图2是本发明提供的高压电源一种情况下的瞬时电压的波形图；

图3是本发明提供的高压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，所述远程控制的等离子体点火枪包括：柱状的内电极1、筒状的外电极2、绝缘套筒3、高压电源5和控制***6，其中，绝缘套筒3的中心通孔固定所述柱状的内电极1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，所述的高压电源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之间提供一高压电源以电离内电极1和外电极2之间所形成的腔室内的空气，所述外电极的下端设置有喷嘴，以将高温等离子体喷出以点燃可然物，如煤、油、混合气等。所述高压电源5包括n级直流电压单元M₀、M₁，M₂…和M_N，各直流电压单元通过N个续流线圈L₀₁、L₁₂、L₂₃...级联，控制***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的上端设置有通风管4，以将空气、水汽等注入到内、外电极之间所形成的腔室内。

所述的控制***6包括一个控制器和n个光发射器OT₀、OT₁、OT₂…和OT_N，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…和OR_N，所述变压器包括一个初级线圈和n个次级线圈，以将220V的工频交流电压变换成所需要的交流电压。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D₀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整流转换直流电压U₀。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D₁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。CMOS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将第一个线圈L₁输出的交流电压u₁整流转换直流电压U₁伏。续流二极管D₁两端的电压为U₁，上端为正，下端为负。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u₂整流转换直流电压U₂。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M_N包括变压器次级的第n个线圈L_N、一个整流器R_N、一个续流二极管D_N、一个电子开关和一个驱动级P_N，电子开关为CMOS管CMOS _N，所述整流器R_N的正极连接于变压器次级的第n个线圈L_N的第一端，整流器R_N的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管D_N的正极连接到CMOS管CMOS_N的漏极，CMOS管CMOS_N的源极连接到变压器次级的第n个线圈L_N的第二端，CMOS管CMOS_N的栅极连接到驱动级P_N，由驱动级P_N根据光接收器OR_N所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOS_N的通断。MOS管CMOS_N工作于开关状态，当CMOS管CMOS_N的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOS_N导通，第n个线圈L_N的第二端相当于接到续流二极管D_N的正极。整流器R_N将第一个线圈L₀输出的交流电压u_N整流转换直流电压U_N伏。续流二极管D_N两端的电压为U_N，上端为正，下端为负。当CMOS管CMOS_N的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOS_N截止。续流二极管D_N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，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，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M_N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+…+U_N。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***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7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7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7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***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…和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…和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2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***6使其中一部分直流电压单元，如M₀、M₁…和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***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…和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***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…和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。

由于本发明提供的高压直流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 (5)

1.一种远程控制的等离子体点火枪，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)、高压电源(5)和控制***(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，所述的高压电源(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)之间提供一高压电源以电离内电极(1)和外电极(2)之间的腔体内的空气，其特征在于，所述高压电源(5)包括n级级连直流电压单元，各直流电压单元通过续流线圈级联，控制***(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的直流电能，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，所述的高压电源(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。

3.根据权利要求2所述的等离子体点火枪，其特征在于，所述的电子开关为晶体管、场效应管或者可控硅。

4.根据权利要求3所述的等离子体点火枪，其特征在于，所述的控制***(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。

5.根据权利要求4所述的等离子体点火枪，其特征在于，所述的高压电源(5)还包括n个光接收器，所述的光接收器接收对应的光发射器发射的光信号，并将光信号转换成控制驱动级的电信号。

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