專利名稱：等離子點火大功率開關電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明步及一種煤粉鍋爐點火用開關電源，特別是在煤粉鍋爐點火、穩(wěn)燃、 助燃時直接點燃煤粉用等離子點火大功率開關電源。
背景技術：
目前，電站燃煤鍋爐啟動時通用的點火方式是先用點火裝置點燃燃油燃 燒器進行升溫、升壓，當鍋爐各相關參數(shù)達到投粉要求時，啟動制粉系統(tǒng)和煤 粉燃燒器，實現(xiàn)帶負荷運行；當鍋爐負荷降低到50%左右時，還須投油穩(wěn)燃才能 保證鍋爐正常運行。據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)每年用于電站鍋爐點火、穩(wěn)燃、助燃用 油高達近千萬噸，占全國總?cè)加土康?5%，價值數(shù)百億元，消耗了大量燃油資源。 近幾年來，國內(nèi)外一些科研單位和企業(yè)，致力于研究等離子點火系統(tǒng)用于 燃煤鍋爐的點火和穩(wěn)燃，其等離子點火燃燒裝置在一些電廠得到運用，但也存 在不少問題，在等離子電源上存在的主要問題是其使用的電源為可控硅整流 電源，需要大功率的工頻隔離變壓器和電抗器，龐大而笨重；可控硅整流電源 的電力電子器件工作在工頻，響應速度慢；隔離變壓器和電抗器的體積大，工 作頻率低，損耗大，造成電源的效率偏低。發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)在等離子點火電源的上述問題，本發(fā)明提供一種響應速度快、 體積小、工作頻率高、效率高的等離子點火大功率開關電源。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是該等離子電源，設定工作電 流，設定的電流信號經(jīng)過主控制器同時控制多組并聯(lián)的電源模塊，每一組獨立 的電源模塊按照主控制器分配的電流信號輸出電流，最后并聯(lián)輸出正常的工作電流；單組電源模塊化；多組電源模塊并聯(lián)的工作方式；多組電源模塊并聯(lián)的均 流方式為主從方式；單組電源模塊的控制模式為平均電流模式；功率冗余技術。單組電源模塊化，每個電源模塊的體積及輸入、輸出接口完全相同，便于 電源模塊的更換、維修、擴展。多組電源模塊并聯(lián)的工作方式，并聯(lián)的電源模塊輸出端連接在一起，每一 組電源模塊的輸入端均與主控制器連接，受主控制器的控制，主控制器的輸入 信號與每一個電源模塊的反饋信號混合后控制電源模塊的輸出電流，電源模塊 的輸出電流被均衡分配，每一組電源模塊的輸出端均連接在一起，為電源的輸 出端。多組電源模塊并聯(lián)的均流方式為主從方式，在系統(tǒng)中設置一個主控制器， 在主控制器設定各電源模塊的控制電流，用來控制各個模塊電源的輸出電流， 控制輸出電流相等。功率冗余技術，提高可靠性，開關電源采用N+l個電源并聯(lián)構成的電源向 負載供電，每個電源的功率為負載所需功率的1/N,當某一組電源發(fā)生故障時， 供電不中斷，僅僅是最大供電能力有所下降，不會嚴重影響負載的正常工作。單組電源模塊的控制模式為平均電流模式，在輸出電壓閉環(huán)的控制系統(tǒng)中， 增加電流反饋控制，平均電流模式控制采用PID調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器，并將 調(diào)節(jié)器輸出的控制量與鋸齒波信號相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM 信號，用以控制開關的通與斷。單組電源模塊的開關器件采用IGBT代替可控硅，變壓器采用納米晶磁性材 料，電抗器采用非晶材料，冷卻方式為強制風冷；輸出電壓在300V以上，輸出 電流在300A以上，功率為25KW，工作頻率為20KHZ;采用N+l個開關電源多組并聯(lián)的方式向負載供電，每個電源的功率為負載所需功率的1/N。單組電源模塊由整流二極管(2)、電容(3)、 IGBT (4)、高頻變壓器(5)、 高頻整二極管(6)、電抗器(7)、保護控制驅(qū)動電路順序電連接構成，'三相交 流經(jīng)6個整流二極管整流和電容濾波后變成直流，再由4個IGBT組成的全橋電 路逆變器逆變成高頻交流方波脈沖電壓，逆變器輸出經(jīng)高頻變壓器隔離并變換 成合適的交流電壓，經(jīng)過14個高頻整流二極管整流和電抗器濾波變成所需要的 直流輸出電壓，提供給等離子弧。有益效果由于采用了上述技術，采用多組開關電源并聯(lián)的工作方式，功 率擴展容易；采用功率冗余技術，提高可靠性；輸出為高電壓、大電流；采用 PID控制PWM的脈沖寬度；采用主從方式均流；輸出為恒流特性。本發(fā)明達到了 如下效果體積減小，重量輕；工作頻率高，響應速度快；損耗很小，工作效率咼。在電源模塊的輸出電壓閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，采用電流反饋控制，電流反饋 模式控制有以下幾個優(yōu)點系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強，系統(tǒng)動態(tài)特性改善，具有快速 限制電流的能力。由于開關電源的開關器件采用IGBT代替可控硅，其工作頻率在20KHZ以上， 工作頻率提高了 400倍以上，由于電源工作頻率的提高，可以使電源的體積減 小，重量'減輕；由于采用高頻逆變技術，變壓器的工作頻率大大提高，使變壓器和電抗器 的體積和重量大大減小，從而使變壓器的電抗器的各種損耗比工頻時小很多；由于電源工作頻率的提高，控制周期由可控硅整流電路的毫秒級提高到微 秒級，動態(tài)響應迅速；因此本發(fā)明電源能適應于非接觸高頻引弧、觸針引弧、 接觸引弧等各種引弧方式；由于采用功率冗余技術，整套電源的可靠性得到大幅度提高； 由于采用多組并聯(lián)工作方式，開關電源在需要擴展功率時，只要增加相應 數(shù)量的單組電源模塊，然后對主控器進行設定即可實現(xiàn)擴展。 '


圖1是本發(fā)明的總體控制原理方框圖。圖2是本發(fā)明的單組電源模塊控制原理方框圖。圖3是本發(fā)明的單組電源模塊的主電路原理圖。圖4是本發(fā)明的單組電源模塊的控制保護驅(qū)動電路原理圖。圖3中，1、交流輸入；2、整流二極管；3、電容；4、 IGBT; 5、高頻變壓 器；6、高頻整流二極管；7、電抗器；8、等離子弧。圖4中，控制部分分為電源供應、PID調(diào)節(jié)、PWM產(chǎn)生、'IGBT驅(qū)動保護、電 源的啟動停止控制和保護顯示電路等。
具體實施方式
實施例l:該等離子電源，設定工作電流，設定的電流信號經(jīng)過主控制器同 時控制多組并聯(lián)的電源模塊，每一組獨立的電源模塊按照主控制器分配的電流 信號輸出電流，最后并聯(lián)輸出正常的工作電流；該大功率開關電源，采用多組并聯(lián)的方式；單組電源采用模塊化設計，擴 展容易；多組并聯(lián)的均流方式為主從方式；單組電源的控制模式為平均電流模 式；功率冗余技術，提高可靠性。多組并聯(lián)的方式，這并不是簡單地將多個電源的輸出端接在一起，幾個結(jié) 構相同的電源并聯(lián)運行時，輸出端連接在一起，輸出端電壓被強制相等，由于 各自參數(shù)的分散性，使得有的電流較大，有的很小，使得電源的壽命衰減不一 致，為了提高可靠性，必須使各電源的輸出電流分配均衡。對單組電源采用模塊化設計技術，每個模塊的體積、輸入輸出接口完全相 同，便于電源模塊的更換和維修。單組電源包括整流二極管、電容、IGBT、高 頻變壓器、高頻整流二極管、電抗器、散熱器、冷卻風機、控制保護驅(qū)動電路。在本系統(tǒng)中采用主從方式均流，系統(tǒng)中設置一個主控制器，主控制器根據(jù) 總設定電流的要求分配給各電源一個電流參考信號，用來控制各個電源的輸出 電流，由于每個電源的電流參考信號都相等，因此輸出電流也相等。功率冗余技術，開關電源采用N+l個電源并聯(lián)構成的電源向負載供用，每個電源的功率為負載所需功率的1/N，當某一組電源發(fā)生故障時，供電并不中斷，僅僅是最大供電能力有所下降，不會嚴重影響負載的正常工作。平均電流模式控制，其基本思想是在輸出電壓閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，增加了 電流反饋控制，電流模式控制的引入給開關電源的控制性能帶來了一次革命性 飛躍。平均電流模式控制采用PI調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控 制量與鋸齒波信號相比較，得到周期固定、占空比變化的p麗信號，用以控制開關的通與斷，電流模式控制有以下幾個優(yōu)點系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強，系統(tǒng)動態(tài) 特性改善，具有快速限制電流的能力。由于受開關器件、磁性材料的性能限制，單組開關電源的功率以25KW為宜， 開關電源的工作頻率為20KHZ，電源的開關器件采用IGBT，變壓器采用納米晶 磁性材料，電抗器采用非晶材料，冷卻方式為強制風冷。在圖1中，本發(fā)明的等離子點火大功率開關電源的工作過程如下人工設 定等離子電源的工作電流，設定的電流信號經(jīng)過主控制器，'分配到各獨立的電 源模塊，電源模塊接收到電流信號以后，按照分配的信號輸出電流，最后并聯(lián) 輸出正常的工作電流。實施例2:在圖2中，本發(fā)明的等離子點火大功率開關電源的單組電源模塊的工作過程如下主控制器輸出的是流信號作為設定信號，.和單組的輸出電流 信號進行比較，輸出一個誤差信號，指示本組實際輸出電流和分配到本組電流 的差別，進入PID調(diào)節(jié)器進行運算，輸出一個控制信號，送P麗電路，P她電路 根據(jù)控制信號產(chǎn)生相應脈沖寬度，以調(diào)節(jié)IGBT輸出，使本組輸出電流和分配到 的電流相等。單組電源模塊設有檢測電路和保護電路，對電壓信號、溫度信號、電流信號進行檢測，并和IGBT錯誤信號一起，產(chǎn)生一個故障信號，封鎖P麗輸出。在 不發(fā)生任何故障時，主控電路發(fā)來的啟動信號加在PWM控制端，允許PWM輸出。 其它與實施例1同，略。實施例3:在圖3中，實現(xiàn)本發(fā)明的等離子點火大功率開關電源專用的單組 電源模塊的主電路原理如下三相交流輸入1經(jīng)六個整流二極管2整流和電容3濾波后變成直流，再由 四個IGBT4組成的全橋電路逆變器逆變成高頻交流方波脈沖電壓，全橋電路逆 變器由控制驅(qū)動保護電路驅(qū)動，逆變器輸出經(jīng)高頻變壓器5隔離并變換成合適 的交流電壓，經(jīng)過四個高頻整流二極管6整流和電抗器7濾波變成所需要的直 流輸出電壓，提供給等離子弧8。實施例4:在圖4中，實現(xiàn)本發(fā)明的等離子點火大功率開關電源專用的單組 電源模塊的控制驅(qū)動保護電路原理如下-主控電路發(fā)來的啟動停止信號控制電路啟動停止和電流大小。在主控電路 發(fā)送啟動信號以后，.電流信號經(jīng)過PID電路調(diào)整，送出控制信號到P麵產(chǎn)生電 路，產(chǎn)生P麗輸出，P麗信號送IGBT驅(qū)動保護電路，形成IGBT驅(qū)動信號，驅(qū)動 全橋電路逆變器工作，同時保護IGBT，電源啟動停止及保護顯示電路，控制單 組電源的工作狀態(tài)并進行顯示，電源供應電路提供整個控制電路的電壓供應。
權利要求
1、一種等離子點火大功率開關電源，由整流器件、變壓器、開關器件、電抗器等組成，其特征是該等離子電源，設定工作電流，設定的電流信號經(jīng)過主控制器同時控制多組并聯(lián)的電源模塊，每一組獨立的電源模塊按照主控制器分配的電流信號輸出電流，最后并聯(lián)輸出正常的工作電流；單組電源模塊化；多組電源模塊并聯(lián)的工作方式；多組電源模塊并聯(lián)的均流方式為主從方式；單組電源模塊的控制模式為平均電流模式；功率冗余技術。
2、 根據(jù)權利要求l所述的等離子點火大功率開關電源，其特征是單組電 源模塊化，每個電源模塊的體積及輸入、輸出接口完全相同，便于電源模塊的 更換、維修、擴展。
3、 根據(jù)權利要求1所述的等離子點火大功率開關電源，其特征是多組電 源模塊并聯(lián)的工作方式，并聯(lián)的電源模塊輸出端連接在一起，每一組電源模塊 的輸入端均與主控制器連接，受主控制器的控制，主控制器的輸入信號與每一 個電源模塊的反饋信號混合后控制電源模塊的輸出電流，電源模塊的輸出電流 被均衡分配，每一組電源模塊的輸出端均連接在一起，為電源的輸出端。
4、 根據(jù)權利要求l所述的等離子點火大功率開關電源，其特征是多組電 源模塊并聯(lián)的均流方式為主從方式，在系統(tǒng)中設置一個主控制器，在主控制器 設定各電源模塊的控制電流，用來控制各個模塊電源的輸出電流，控制輸出電 流相等。
5、 根據(jù)權利要求1所述的等離子點火大功率開關電源，其特征是功率冗 余技術，提高可靠性，開關電源采用N+1個電源并聯(lián)構成的電源向負載供電， 每個電源的功率為負載所需功率的1/N，當某一組電源發(fā)生故障時，供電不中斷， 僅僅是最大供電能力有所下降，不會嚴重影響負載的正常工作。
6、 根據(jù)權利要求1所述的等離子點火大功率開關電源，其特征是單組電 源模塊的控制模式為平均電流模式，在輸出電壓閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，增加電流 反饋控制，平均電流模式控制采用PID調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸 出的控制量與鋸齒波信號相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號，用 以控制開關的通與斷。
7、 根據(jù)權利要求1所述的等離子點火大功率開關電源，其特征是單組電源模塊的開關器件采用IGBT代替可控硅，變壓器采用納米晶磁性材料，電抗器 采用非晶材料，冷卻方式為強制風冷；輸出電壓在300V以上，輸出電流在300A 以上，功率為25KW，工作頻率為20KHZ;采用N+l個開關電源多組并聯(lián)的方 式向負載供電，每個電源的功率為負載所需功率的1/N。
8、 一種實現(xiàn)等離子點火大功率開關電源專用的電源模塊，其特征是單組 電源模塊由整流二極管(2)、電容(3)、 IGBT (4)、高頻變壓器(5)、高頻整 二極管(6)、電抗器(7)、保護控制驅(qū)動電路順序電連接構成，三相交流經(jīng)6 個整流二極管整流和電容濾波后變成直流，再由4個IGBT組成的全橋電路逆變 器逆變成高頻交流方波脈沖電壓，逆變器輸出經(jīng)高頻變壓器隔離并變換成合適 的交流電壓，經(jīng)過14個高頻整流二極管整流和電抗器濾波變成所需要的直流輸 出電壓，提供給等離子弧。
全文摘要
一種等離子點火大功率開關電源，屬于開關電源。該等離子電源，設定工作電流，設定的電流信號經(jīng)過主控制器同時控制多組并聯(lián)的電源模塊，每一組獨立的電源模塊按照主控制器分配的電流信號輸出電流，最后并聯(lián)輸出正常的工作電流；單組電源模塊化；多組電源模塊并聯(lián)的工作方式；多組電源模塊并聯(lián)的均流方式為主從方式；單組電源模塊的控制模式為平均電流模式；功率冗余技術。該開關電源用于在煤粉鍋爐中直接點燃煤粉的等離子發(fā)生器提供大功率直流電源；為多組開關電源并聯(lián)；輸出為高電壓、大電流；多組并聯(lián)的均流方式為主從方式；單組電源的控制模式為平均電流模式；采用功率冗余技術，提高可靠性；具有恒電流的特性；體積減小，重量減輕；工作頻率高，響應速度快；損耗很小，工作效率高；單組電源采用模塊化設計，擴展容易。
文檔編號H02M3/335GK101271345SQ20071013534
公開日2008年9月24日 申請日期2007年11月6日 優(yōu)先權日2007年11月6日
發(fā)明者朱德明, 李廣偉, 王文舉, 袁邦銀 申請人:徐州燃燒控制研究院有限公司