Исследование и производство инверторного источника питания для сильного ионизационного разряда с диэлектрическим барьером -Оборудование для литий-ионных аккумуляторов
Технология сильного ионизационного разряда с диэлектрическим барьером является важным новым аспектом технологии применения плазмы. Он покрывает тонкий диэлектрический слой с обеих сторон или с одной стороны газового разрядного зазора с помощью таких методов, как прилипание. Когда между двумя электродами подается высоковольтный переменный ток определенной частоты, газ в зазоре ионизируется, образуя сильные газовые разряды, тем самым создавая плазму высокой концентрации. Интенсивность разряда газа в зазоре - это величина, связанная с частотой, напряжением, материалом и структурой. Из-за ограниченности мощных устройств и технологий преобразователей частоты традиционное устройство питания для диэлектрического барьерного разряда может быть реализовано только двумя способами: во-первых, использовать трансформатор для непосредственного повышения переменного тока промышленной частоты до требуемого напряжения; другой заключается в использовании таких устройств, как тиристоры Модулирует переменный ток промышленной частоты до переменного тока относительно высокой частоты. Используя эти два метода электропитания, хотя между двумя полюсами разрядного устройства может подаваться высокое напряжение, а инверторный источник питания таких устройств, как тиристоры или GTR, также может увеличить рабочую частоту разрядного устройства, он все еще не может удовлетворить требования высокоэффективного газового разряда. Для того, чтобы удовлетворить потребности проекта, выпустить проект фонда: инженер финансируется Национальным фондом естественных наук Китая (69871002), а его научным направлением является применение технологии силовой электроники в плазменной инженерии. (Оборудование для литий-ионных аккумуляторов)
Газовый разряд в электрическом зазоре недостаточно силен. Разрядное устройство и инверторное силовое устройство громоздки, а структура инверторного источника питания сложна и нестабильна, что не может удовлетворить потребности практических приложений и ограничивает развитие технологии применения сильного ионизационного разряда с диэлектрическим барьером.
Появление высокочастотных и мощных силовых электронных устройств, таких как IGBT, и разработка соответствующей технологии преобразования частоты обеспечивают надежную предпосылку и гарантию для разработки диэлектрического барьерного сильного ионизационного разряда, новой технологии. Мы знаем, что IGBT - это составное устройство из MOSFET и GTR, которое имеет двойные преимущества MOSFET и GTR. Применение IGBT к источнику питания инвертора для сильного ионизационного разряда с диэлектрическим барьером не только удваивает производительность устройства диэлектрического барьерного разряда, но также удваивает объем разрядного устройства и устройства питания, еще больше упрощает источник питания инвертора и делает устройство диэлектрического барьерного разряда удваивающим. Область применения технологии сильного ионизационного разряда становится все шире и шире.
2 Схема замещения диэлектрического барьерного разряда Принципиальная структура диэлектрического барьерного разряда показана в а, 1 - высоковольтный электрод; это диэлектрический слой; 3 - разгрузочный зазор; 4 - заземлитель; 5 - блок питания. Согласно анализу физической структуры, диэлектрический барьерный разряд на самом деле представляет собой конденсатор с потерями, состоящий из разрядных электродов, диэлектрических слоев и разрядных воздушных зазоров, которые могут быть эквивалентны резистивной емкостной нагрузке для источника питания. b - эквивалентная принципиальная схема диэлектрического барьерного разряда. Среди них Cg - емкость нагнетательного воздушного зазора; Rg - эквивалентное сопротивление разрядного промежутка, которое изменяется с напряжением, приложенным между электродами, и имеет сильную нелинейность; Cs - емкость диэлектрика. Вставка диэлектрического слоя эффективно подавляет неограниченное увеличение тока разряда, предотвращает искровой разряд или дуговой разряд в разрядном зазоре и делает газовый разряд, образующийся в зазоре, более интенсивным и, таким образом, добавляет некоторые новые функции: (1) Диэлектрический барьер Разрядное устройство имеет высокое начальное напряжение и рабочее напряжение. Когда напряжение, приложенное между двумя электродами устройства диэлектрического барьерного разряда, ниже начального напряжения, в зазоре не образуется газовый разряд, а ток, проходящий через нагрузку, очень мал. Когда напряжение в зазоре выше, чем начальное напряжение разрядного зазора, в зазоре начинает происходить газовый разряд, и интенсивность разряда пропорциональна напряжению. Чем выше напряжение, тем сильнее разряд; (2) Для достижения сильного ионизационного разряда с диэлектрическим барьером источник питания должен быть При более высокой рабочей частоте интенсивность разряда диэлектрического барьера пропорциональна частоте напряжения источника питания. Чем выше частота напряжения, приложенного к обоим концам электродов, тем сильнее газовый разряд в зазоре, и чем больше потери диэлектрика, тем серьезнее тепловыделение; (3)Для достижения наилучшего эффекта разряда диэлектрический слой в устройстве диэлектрического барьерного разряда обычно делается очень тонким, приложенное напряжение часто работает близко к критическому значению напряжения пробоя, а способность к перенапряжению разрядного устройства очень низкая; (4)Устройство диэлектрического барьерного разряда представляет собой резистивную и емкостную нагрузку, и цепь может образовываться с индуктивностью утечки трансформатора и цепи при его работе. Колебания LC, так что перенапряжение образуется на обоих концах нагрузки, особенно при запуске, легче образует резонансное перенапряжение, что ставит под угрозу безопасность разрядного устройства и самого источника питания. Поэтому конструкция схемы должна гарантировать, что напряжение, приложенное к нагрузке, может быстро превысить начальное напряжение Начальное напряжение не образует перенапряжения.
3 Базовая структура инверторного источника питания IGBT для диэлектрического барьерного разряда На рисунке показана структурная схема блока питания инвертора IGBT, спроектированная в соответствии с техническими требованиями к диэлектрическому барьерному разряду. Трехфазный переменный ток выпрямляется в гладкий постоянный ток с помощью цепи выпрямительного фильтра после фильтрации ЭМС. Полномостовой инвертор IGBT преобразует эту мощность постоянного тока в однофазную мощность переменного тока с равномерно регулируемым коэффициентом заполнения в определенном диапазоне, а затем выводит ее на устройство диэлектрического барьерного разряда после усиления высокочастотным и высоковольтным трансформатором. Все регулировки системы осуществляются полномостовым инвертором IGBT. Целью использования схемы фильтра ЭМС в энергосистеме является эффективное подавление электромагнитного шума и шума проводимости, создаваемого цепью инвертора и высокочастотным и высоковольтным газовым разрядом, чтобы предотвратить воздействие инверторного источника питания и высокочастотного и высоковольтного газового разряда на сетевую сеть и саму энергосистему. и другое оборудование вокруг него. Часть системы выпрямления и фильтрации использует трехфазную полномостовую неконтролируемую выпрямление и LC-фильтрацию, что может упростить схему и снизить стоимость. Инвертор IGBT использует полномостовую технологию ШИМ, которая не только отвечает требованиям технологии диэлектрического барьерного разряда, но и упрощает структуру системы питания инвертора. В высокочастотном высоковольтном трансформаторе используется ферритовый сердечник, подходящий для высокочастотной работы. При намотке обмотки старайтесь использовать более тонкий изоляционный материал с хорошими изоляционными характеристиками, и в то же время намотайте первичную катушку с небольшим количеством витков в середину вторичной катушки. , чтобы уменьшить индуктивность утечки.
4 Цепь управления Схема управления является очень важным аспектом в системе питания с диэлектрическим барьерным разрядом. Все функции диэлектрического барьерного разряда реализуются схемой управления, управляющей IGBT-инвертором. Схема управления источником питания состоит из схемы обнаружения сигнала, схемы управления ШИМ, схемы привода и защиты и других частей.
4.1 Обнаружение сигнала Источник питания оснащен функцией обнаружения сигнала входного напряжения, обнаружения сигнала перегрузки по току IGBT, обнаружения сигнала выходного напряжения, обнаружения сигнала тока нагрузки и так далее. Сигнал входного напряжения получается вспомогательным трансформатором; обнаружение перегрузки по току IGBT получается от источника IGBT через диод; определение выходного напряжения осуществляется через делитель напряжения; детектирование тока нагрузки заключается в последовательном подключении измерительного конденсатора С к диэлектрическому барьеру, полученному со стороны низкого напряжения разрядного устройства (см.). Потому что: out) и потому что: C определяет емкость конденсатора. Видно, что до тех пор, пока напряжение на конденсаторе обнаружено, ток, протекающий через нагрузку, может быть известен. Цель использования измерительного конденсатора для измерения тока нагрузки: с одной стороны, само устройство диэлектрического барьерного разряда является емкостной нагрузкой, и использование измерительного конденсатора для обнаружения тока нагрузки упростит схему, обеспечивая при этом точность измерения; С другой стороны, это не приведет к потере цепи.
Схема управления 42PWM Основным компонентом, используемым схемой управления PWM, является компонент широтно-импульсной модуляции SG3524. Как показано на рисунке, схема плавного пуска системы состоит из сумматора и интегратора, состоящего из операционных усилителей, и подключена к контакту 9 SG3524. Когда система включена, схема плавного пуска контролирует уровень контакта 9 SG3524, так что выходное напряжение находится только на начальном напряжении разряда и поддерживает его в течение определенного периода времени, а затем интегратор постепенно увеличивает уровень контакта 9 в соответствии с определенным наклоном, чтобы выходное напряжение повышалось до напряжения разряда. Настройка напряжения. Это позволяет избежать воздействия на нагрузку при запуске. Стабильность выходного напряжения реализуется усилителем ошибок (вывод 1, вывод 2) SG3524 и периферийными схемами. Когда в системе питания возникают такие неисправности, как перенапряжение, перегрузка по току, перегрузка и пониженное напряжение, после обработки схемой обработки сигнала триггер посылает высокий уровень на контакт 10 SG3524 и блокирует выходное напряжение на 20 мс, а затем повторяет процесс плавного пуска. Если явление неисправности сохраняется в течение определенного периода времени, выход источника питания будет полностью прерван, и будет выдан сигнал тревоги о неисправности.
Выходная волна модуляции ШИМ может напрямую управлять изолированной оптопарой.
Схема управления ШИМ 4.3 Усовершенствование схемы привода EXB841 представляет собой специальный модуль привода IGBT производства японской корпорации Fuji. Из-за структуры и использования часто возникают некоторые проблемы, поэтому в схему привода в приложении были внесены некоторые улучшения: (1) В модуле привода EXB841 используется один +20 В Для питания отрицательное напряжение смещения формируется с помощью трубки регулятора напряжения 5 В. Из-за своей небольшой мощности он не может хорошо подавлять колебания напряжения сети, и легко повредить IGBT. Поэтому вне цепи подключается трубка регулятора 6В мощностью 1 Вт, а напряжение питания немного увеличивается. Таким образом, можно эффективно предотвратить повреждение модуля привода, и в то же время IGBT можно более надежно управлять и выключать; (2)Выпрямительный диод с быстрым восстановлением, подключенный последовательно между клеммой обнаружения перегрузки по току цепи привода EXB841 и стоком IGBT, защищает IGBT от перегрузки по току. Это оказывает очень важное влияние, и прямое падение напряжения обычно должно составлять 3 В. Тем не менее, выводы о быстром восстановлении 5, которые можно приобрести на внутреннем рынке, были успешными в технологии диэлектрического барьерного разряда. Приложений. Практика доказала, что конструкция инверторной системы электроснабжения полностью отвечает потребностям технологии диэлектрического барьерного разряда. Блок питания не только имеет простую схемотехнику, удваивает объем и имеет стабильную и надежную работу, но также значительно уменьшает объем устройства диэлектрического барьерного разряда с использованием источника питания и значительно улучшает производительность. Результаты применения блока питания с выходной мощностью 20 кВт и рабочей частотой 20 кГц в высокопроизводительном генераторе озона высокой концентрации показывают, что объем блока питания составляет всего одну пятую от исходного объема, а объем генератора озона составляет всего одну шестую от исходного объема. Во-первых, при тех же производственных условиях концентрация O3 увеличивается в несколько раз, наибольшая концентрация может достигать 200 г/м3, также снижается расход сырого газа. Проблема, вызванная инверторным источником питания, заключается в том, что увеличение частоты увеличивает энергопотребление разрядного устройства и снижает эффективность. Следующая цель разработки - улучшить метод управления и попытаться повысить эффективность устройства при сохранении высокой концентрации и высокой производительности устройства, генерирующего озон.
Газовый разряд в электрическом зазоре недостаточно силен. Разрядное устройство и инверторное силовое устройство громоздки, а структура инверторного источника питания сложна и нестабильна, что не может удовлетворить потребности практических приложений и ограничивает развитие технологии применения сильного ионизационного разряда с диэлектрическим барьером.
Появление высокочастотных и мощных силовых электронных устройств, таких как IGBT, и разработка соответствующей технологии преобразования частоты обеспечивают надежную предпосылку и гарантию для разработки диэлектрического барьерного сильного ионизационного разряда, новой технологии. Мы знаем, что IGBT - это составное устройство из MOSFET и GTR, которое имеет двойные преимущества MOSFET и GTR. Применение IGBT к источнику питания инвертора для сильного ионизационного разряда с диэлектрическим барьером не только удваивает производительность устройства диэлектрического барьерного разряда, но также удваивает объем разрядного устройства и устройства питания, еще больше упрощает источник питания инвертора и делает устройство диэлектрического барьерного разряда удваивающим. Область применения технологии сильного ионизационного разряда становится все шире и шире.
2 Схема замещения диэлектрического барьерного разряда Принципиальная структура диэлектрического барьерного разряда показана в а, 1 - высоковольтный электрод; это диэлектрический слой; 3 - разгрузочный зазор; 4 - заземлитель; 5 - блок питания. Согласно анализу физической структуры, диэлектрический барьерный разряд на самом деле представляет собой конденсатор с потерями, состоящий из разрядных электродов, диэлектрических слоев и разрядных воздушных зазоров, которые могут быть эквивалентны резистивной емкостной нагрузке для источника питания. b - эквивалентная принципиальная схема диэлектрического барьерного разряда. Среди них Cg - емкость нагнетательного воздушного зазора; Rg - эквивалентное сопротивление разрядного промежутка, которое изменяется с напряжением, приложенным между электродами, и имеет сильную нелинейность; Cs - емкость диэлектрика. Вставка диэлектрического слоя эффективно подавляет неограниченное увеличение тока разряда, предотвращает искровой разряд или дуговой разряд в разрядном зазоре и делает газовый разряд, образующийся в зазоре, более интенсивным и, таким образом, добавляет некоторые новые функции: (1) Диэлектрический барьер Разрядное устройство имеет высокое начальное напряжение и рабочее напряжение. Когда напряжение, приложенное между двумя электродами устройства диэлектрического барьерного разряда, ниже начального напряжения, в зазоре не образуется газовый разряд, а ток, проходящий через нагрузку, очень мал. Когда напряжение в зазоре выше, чем начальное напряжение разрядного зазора, в зазоре начинает происходить газовый разряд, и интенсивность разряда пропорциональна напряжению. Чем выше напряжение, тем сильнее разряд; (2) Для достижения сильного ионизационного разряда с диэлектрическим барьером источник питания должен быть При более высокой рабочей частоте интенсивность разряда диэлектрического барьера пропорциональна частоте напряжения источника питания. Чем выше частота напряжения, приложенного к обоим концам электродов, тем сильнее газовый разряд в зазоре, и чем больше потери диэлектрика, тем серьезнее тепловыделение; (3)Для достижения наилучшего эффекта разряда диэлектрический слой в устройстве диэлектрического барьерного разряда обычно делается очень тонким, приложенное напряжение часто работает близко к критическому значению напряжения пробоя, а способность к перенапряжению разрядного устройства очень низкая; (4)Устройство диэлектрического барьерного разряда представляет собой резистивную и емкостную нагрузку, и цепь может образовываться с индуктивностью утечки трансформатора и цепи при его работе. Колебания LC, так что перенапряжение образуется на обоих концах нагрузки, особенно при запуске, легче образует резонансное перенапряжение, что ставит под угрозу безопасность разрядного устройства и самого источника питания. Поэтому конструкция схемы должна гарантировать, что напряжение, приложенное к нагрузке, может быстро превысить начальное напряжение Начальное напряжение не образует перенапряжения.
3 Базовая структура инверторного источника питания IGBT для диэлектрического барьерного разряда На рисунке показана структурная схема блока питания инвертора IGBT, спроектированная в соответствии с техническими требованиями к диэлектрическому барьерному разряду. Трехфазный переменный ток выпрямляется в гладкий постоянный ток с помощью цепи выпрямительного фильтра после фильтрации ЭМС. Полномостовой инвертор IGBT преобразует эту мощность постоянного тока в однофазную мощность переменного тока с равномерно регулируемым коэффициентом заполнения в определенном диапазоне, а затем выводит ее на устройство диэлектрического барьерного разряда после усиления высокочастотным и высоковольтным трансформатором. Все регулировки системы осуществляются полномостовым инвертором IGBT. Целью использования схемы фильтра ЭМС в энергосистеме является эффективное подавление электромагнитного шума и шума проводимости, создаваемого цепью инвертора и высокочастотным и высоковольтным газовым разрядом, чтобы предотвратить воздействие инверторного источника питания и высокочастотного и высоковольтного газового разряда на сетевую сеть и саму энергосистему. и другое оборудование вокруг него. Часть системы выпрямления и фильтрации использует трехфазную полномостовую неконтролируемую выпрямление и LC-фильтрацию, что может упростить схему и снизить стоимость. Инвертор IGBT использует полномостовую технологию ШИМ, которая не только отвечает требованиям технологии диэлектрического барьерного разряда, но и упрощает структуру системы питания инвертора. В высокочастотном высоковольтном трансформаторе используется ферритовый сердечник, подходящий для высокочастотной работы. При намотке обмотки старайтесь использовать более тонкий изоляционный материал с хорошими изоляционными характеристиками, и в то же время намотайте первичную катушку с небольшим количеством витков в середину вторичной катушки. , чтобы уменьшить индуктивность утечки.
4 Цепь управления Схема управления является очень важным аспектом в системе питания с диэлектрическим барьерным разрядом. Все функции диэлектрического барьерного разряда реализуются схемой управления, управляющей IGBT-инвертором. Схема управления источником питания состоит из схемы обнаружения сигнала, схемы управления ШИМ, схемы привода и защиты и других частей.
4.1 Обнаружение сигнала Источник питания оснащен функцией обнаружения сигнала входного напряжения, обнаружения сигнала перегрузки по току IGBT, обнаружения сигнала выходного напряжения, обнаружения сигнала тока нагрузки и так далее. Сигнал входного напряжения получается вспомогательным трансформатором; обнаружение перегрузки по току IGBT получается от источника IGBT через диод; определение выходного напряжения осуществляется через делитель напряжения; детектирование тока нагрузки заключается в последовательном подключении измерительного конденсатора С к диэлектрическому барьеру, полученному со стороны низкого напряжения разрядного устройства (см.). Потому что: out) и потому что: C определяет емкость конденсатора. Видно, что до тех пор, пока напряжение на конденсаторе обнаружено, ток, протекающий через нагрузку, может быть известен. Цель использования измерительного конденсатора для измерения тока нагрузки: с одной стороны, само устройство диэлектрического барьерного разряда является емкостной нагрузкой, и использование измерительного конденсатора для обнаружения тока нагрузки упростит схему, обеспечивая при этом точность измерения; С другой стороны, это не приведет к потере цепи.
Схема управления 42PWM Основным компонентом, используемым схемой управления PWM, является компонент широтно-импульсной модуляции SG3524. Как показано на рисунке, схема плавного пуска системы состоит из сумматора и интегратора, состоящего из операционных усилителей, и подключена к контакту 9 SG3524. Когда система включена, схема плавного пуска контролирует уровень контакта 9 SG3524, так что выходное напряжение находится только на начальном напряжении разряда и поддерживает его в течение определенного периода времени, а затем интегратор постепенно увеличивает уровень контакта 9 в соответствии с определенным наклоном, чтобы выходное напряжение повышалось до напряжения разряда. Настройка напряжения. Это позволяет избежать воздействия на нагрузку при запуске. Стабильность выходного напряжения реализуется усилителем ошибок (вывод 1, вывод 2) SG3524 и периферийными схемами. Когда в системе питания возникают такие неисправности, как перенапряжение, перегрузка по току, перегрузка и пониженное напряжение, после обработки схемой обработки сигнала триггер посылает высокий уровень на контакт 10 SG3524 и блокирует выходное напряжение на 20 мс, а затем повторяет процесс плавного пуска. Если явление неисправности сохраняется в течение определенного периода времени, выход источника питания будет полностью прерван, и будет выдан сигнал тревоги о неисправности.
Выходная волна модуляции ШИМ может напрямую управлять изолированной оптопарой.
Схема управления ШИМ 4.3 Усовершенствование схемы привода EXB841 представляет собой специальный модуль привода IGBT производства японской корпорации Fuji. Из-за структуры и использования часто возникают некоторые проблемы, поэтому в схему привода в приложении были внесены некоторые улучшения: (1) В модуле привода EXB841 используется один +20 В Для питания отрицательное напряжение смещения формируется с помощью трубки регулятора напряжения 5 В. Из-за своей небольшой мощности он не может хорошо подавлять колебания напряжения сети, и легко повредить IGBT. Поэтому вне цепи подключается трубка регулятора 6В мощностью 1 Вт, а напряжение питания немного увеличивается. Таким образом, можно эффективно предотвратить повреждение модуля привода, и в то же время IGBT можно более надежно управлять и выключать; (2)Выпрямительный диод с быстрым восстановлением, подключенный последовательно между клеммой обнаружения перегрузки по току цепи привода EXB841 и стоком IGBT, защищает IGBT от перегрузки по току. Это оказывает очень важное влияние, и прямое падение напряжения обычно должно составлять 3 В. Тем не менее, выводы о быстром восстановлении 5, которые можно приобрести на внутреннем рынке, были успешными в технологии диэлектрического барьерного разряда. Приложений. Практика доказала, что конструкция инверторной системы электроснабжения полностью отвечает потребностям технологии диэлектрического барьерного разряда. Блок питания не только имеет простую схемотехнику, удваивает объем и имеет стабильную и надежную работу, но также значительно уменьшает объем устройства диэлектрического барьерного разряда с использованием источника питания и значительно улучшает производительность. Результаты применения блока питания с выходной мощностью 20 кВт и рабочей частотой 20 кГц в высокопроизводительном генераторе озона высокой концентрации показывают, что объем блока питания составляет всего одну пятую от исходного объема, а объем генератора озона составляет всего одну шестую от исходного объема. Во-первых, при тех же производственных условиях концентрация O3 увеличивается в несколько раз, наибольшая концентрация может достигать 200 г/м3, также снижается расход сырого газа. Проблема, вызванная инверторным источником питания, заключается в том, что увеличение частоты увеличивает энергопотребление разрядного устройства и снижает эффективность. Следующая цель разработки - улучшить метод управления и попытаться повысить эффективность устройства при сохранении высокой концентрации и высокой производительности устройства, генерирующего озон.
.png?imageView2/1/w/400/h/300)
