[实用新型]高可靠高性能大功率等离子体电源

说明书

技术领域

本实用新型涉及光机电一体化技术领域，更具体地说，涉及一种高可靠高性能大功率等离子体电源。

背景技术

随着国民经济和社会的快速发展，我国面临着环境保护、资源再利用、以及节能减排等关键而迫切的科技问题。现阶段，我国的能源结构仍以煤为主，燃煤机组占我国5亿KW发电装机容量的70％以上，绝大部分采用燃油点火和助燃都存在严重的环境污染问题。国外研究表明，采用电弧等离子体点火技术代替传统的火电站锅炉燃油点火，煤粉与高温等离子充分混合时发生深度裂解迅速燃烧，煤中碳的燃净率提高3％左右，NO_X排放减少3倍，SO₂排放量也明显减少。采用该技术清洁环保，除了为电厂节省高额的配套油库建设投资外，还可以节约80～90％的点火成本。此外，全国工业固体废物产生量已超过10亿吨/年，其中工业危险废物约占5％，预计到2015年，全国工业企业的固体废物和危险废物的产生量将分别达到23.1亿吨和0.57亿吨。对危险废物一般采用直接填埋或堆放的方法，不仅占用大量土地，而且严重污染土壤、地下水和大气，破坏生存环境；而含有金属、非金属以及高分子聚合物等的混杂废物(如废旧线路板等电子垃圾)也正以每年数百万吨级的数量递增。在固体垃圾、危险废物以及金属与非金属混杂废物的无害化、减容和资源化回收处理等方面，强电弧等离子体技术表现出了安全、高效、无二次污染和广泛适用性，并且不会产生致癌的二恶英(Dioxin)。此外，在冶金(包括金属熔化与重熔、保温、新冶炼工艺过程)、煤的清洁化以及表面涂覆、发动机点火、国防工业等方面，电弧等离子体技术相对于传统工艺在节能、减排、增效、环保等方面亦具有得天独厚的技术优势。而要实现强电弧等离子体技术的多种应用和全面推广，可靠性高、控制性能好的强电弧等离子体电源是其关键环节之一。

根据电弧理论以及强电弧等离子体的实际工艺情况，其电弧主要呈水平或上升的伏安特性，为保证电弧稳定以及防止出现双弧现象，一般采用陡降特性电源，能够100％负载持续率长时间高压、大电流工作，具备优异的可靠性和控制性能；由于电弧等离子体能量高达几百甚至几千KW，因此要求有很高的传递效率。传统的整流式电源可靠性好，但由于自身结构特点，需在回路串入较大的阻抗以获得所需的陡降特性，效率低，体积庞大，动特性不佳，需要附加感应器等复杂措施来实现对电弧的快速控制。而高频逆变电源虽然具有节能、省材以及控制性能好等优点，但大功率逆变式电源系统的工业应用还面临一个瓶颈问题，即随着功率的增强，因并联均流、温升、电磁干扰、复杂结构、寄生参数等因素造成的强能量传递的可靠性问题，在严酷的电弧等离子体大功率负载工作环境下，其可靠性问题尤其明显，已成为制约其推广应用的技术瓶颈。

软开关以及数字化控制技术对逆变电源可靠性的提高起到了积极的作用，成为研究的热点。在软开关拓扑结构方面，已经产生了以M.Marada为代表的用磁放大器、VPEC为代表的用励磁或者漏感、用谐振元件外加开关器件，或者辅助谐振换流的ASRC方式等软开关换流拓扑结构。这些软开关拓扑结构各有其特点，其中，移相软开关换流拓扑结构简单，功率器件承受的电流电压低，比较适合强电弧等离子体的能量传递特点，但其回路漏感、励磁等参数、空载或者轻载情况下的软开关换流方法以及控制模式均还需要深入细致的研究。而数字化控制易于采用先进的控制方法和算法，系统灵活，控制电路元器件少，易于实现逆变电源的并联工作。但在实际应用当中还有一些问题需要解决，如控制输出电压分解能以及应对特性、时间延迟等。

电源系统具有非线性、开放性、非平衡性、混沌性、时变性、模糊性等特征，随着功率输出能力的不断增强，并联工作的模块越来越多，整个电源系统将不可避免的变得益发复杂，设计和调试的难度很大，强能量传递过程所面临的可靠性问题越来越突出。单纯从电源技术的角度来考虑和解决这些问题，在思路上将具有较大的局限性。生命科学研究表明，生物系统的复杂程度要远远超过现代电源系统，但它却有着任何复杂的电源系统都无法比拟的可靠性。因此，基于仿生学的基本原理，通过研究和借鉴生物系统的某些可靠性机理并应用于系统的设计，有可能解决现代电源特别是复杂的大功率电弧等离子体电源系统所面临的可靠性问题。人体系统就是一种结构复杂而可靠性又很高的典型生物系统。研究表明，人体系统的可靠性机理有很多，包括冗余机制、控制递阶控制结构、自律以及分散控制、自修复和自复制等。人体系统通过这些先进的组织结构和运行模式来实现能量高效、可靠的流动，对大功率逆变电源可靠性问题的解决具有重要的借鉴价值。