一种紧凑型交流电弧加热装置及其驱动方法与流程

本发明属于电弧加热领域，具体涉及一种紧凑型交流电弧加热装置及其驱动方法。

背景技术：

小功率气体加热的场合，通常利用正负针电极放电产生电弧，获得一个具有极高温度和温度梯度的热核心，当气流通过电弧时可以迅速被加热。

目前国内外的研究大多数是单对针电极放电产生高温电弧。该装置结构简单，能效高，然而由于电弧温度高、电弧等离子体动量大，在电弧热力作用下，装置针电极容易被烧蚀，影响加热装置使用效果和寿命。采用多对电极分散电弧电流的方法可以减少烧蚀，但是当多对电极距离较近时，极容易发生电弧串线的情况，如在直流情况下，第一对电极的正极与第二对电极的负极间产生电弧，而第二对电极的正极与第一对电极的负极间产生电弧，影响到电弧的空间分布，使加热效果、装置电气特性发生改变，因此要求多对电极距离足够远，最终使加热装置的体积增加，电弧分散也降低了等离子体温度。

技术实现要素：

针对现有电弧加热装置使用寿命短，作用面积小的问题，本发明提供一种紧凑型交流电弧加热装置及其驱动方法，使得在紧凑的空间内多对电极放电，形成加热核心，并且各对电极互不影响地工作，避免电弧串线的情况发生。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种紧凑型交流电弧加热装置，包括设置在同一平面或两个平面上的至少两对针电极对以及连接所述针电极对的驱动模块；

所述针电极对包括正极针和负极针，各对正极针和负极针相对布置且沿中心对称排布，并沿着径向镶嵌在石英管道内，针电极外端与驱动模块相连；

所述驱动模块包括低功率变压器和高压二极管，低功率变压器的原边为两同名端相反的绕组，副边为单个绕组，在副边上连接有高压二极管；副边输出端连接到对应的针电极对的正极针和负极针；驱动模块的控制信号遵循时序依次驱动各针电极对产生电弧，实现电弧加热。

优选的，所述每对针电极对的电极间距为5～15mm。

优选的，所述每对针电极对数为2～5对。

优选的，所述设置在同一平面的多个针电极对均匀分布，正极针与负极针相邻排布，所有针电极对的正极针与负极针连线经过同一点，连线通过对称中心的正、负极针构成一对电极对。

优选的，所述设置在两个平面上的多个针电极对均匀分布，正极针沿中心环形排布在同一平面，负极针沿中心环形排布在另一平面，两个平面互相平行，所有针电极对正极针与负极针连线经过同一点，连线通过对称中心的正、负极针构成一对电极。

优选的，所述正极针与负极针所在平面相距为3～7mm。

优选的，所述低功率变压器的原边的两同名端相反的绕组包括同名端与原边相同线圈和同名端与原边相反线圈两组线圈，副边线圈一端经过高压二极管输出。

优选的，所述驱动模块的输出端的输出正极与一对针电极对的正极针相连，输出负极与该针电极对的负极针相连。

优选的，所述针电极对的正极针和负极针均为尖端直径20μm的钨针；电极针的外端连接高压导线。

本发明进一步给出了紧凑型交流电弧加热装置的驱动方法，包括以下步骤：

1)对于此时产生电弧的针电极对的驱动模块，低功率变压器的原边同名端与副边相同线圈上施加暂态电压，同名端与副边相反线圈不施加暂态电压；

2)对于此时没有输出的其他针电极对的驱动模块，同名端与副边相反线圈施加暂态电压，同名端与副边相同线圈不施加暂态电压；

3)某一针电极对输出电弧结束后，在极短时间所有驱动模块停止任何输出，然后更换工作电极，由另外一针电极对输出电弧，各对电极周期性地产生电弧。

与现有的单对针电极电弧加热装置相比，本发明装置多对电极排布紧凑，提高了加热核心温度。驱动电路利用二极管和与原边相反线圈配合，使得对于不工作的电极对，逆着二极管方向输入时电流被二极管阻断，顺着二极管方向输入时电流被感应出来的电势差阻断，即不工作的二极管呈现出高阻态，避免了电弧工作时发生串线，使得电极的使用寿命长、工作稳定，在电弧加热场合应用前景巨大。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明的多对针环形电极的单平面电极配置方式；

图2为本发明的多对针环形电极的两平面电极配置方式；

图3为本发明的多对针环形电极的驱动电路(以三对电极为例)；

图4为本发明的多对针环形电极的驱动逻辑。

图1～图4中：1、针电极；2、针电极对；3、参考平面ⅰ；4、参考平面ⅱ；5、同名端与副边相同线圈；6、同名端与副边相反线圈；7、磁芯；8、驱动模块；9、副边线圈；10、高压二极管；11、输出正极；12、输出负极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。

在一个具体实施例1中，多对针电极配置方式如图1所示，驱动模块8如图3所示，逻辑信号如图4所示。

实施例1用于加热流过管道的气体。

加热区域内将三对针电极对2环形排布在同一平面上，三对针电极对中心对称排布，针电极对2均匀分布，正极针与负极针相邻排布，所有针电极对2的正极针与负极针连线经过同一点，连线通过对称中心的正、负极针构成一对电极对，每对针电极对2的电极间距为5～15mm。并沿着径向镶嵌在一内径8mm，壁厚为5mm，长度为50mm的石英管道内。管道内的伸出针电极1的长度为1mm，针电极外端与高压导线相连。采用的针电极均为尖端直径20μm左右的钨针。针电极的外端及与其相连的高压导线。

实施例1的驱动模块8如图3所示。驱动模块8由3个低功率变压器和3个高压二极管组成。每个变压器参数相同，原边为两同名端相反的绕组，副边为单个绕组，原边的两绕组有公共端。如图所示a1、b1、c1与副边a+、b+、c+互为同名端，a2、b2、c2与副边a+、b+、c+互为非同名端。原边的两绕组有公共端a0、b0、c0，另外一端输入逻辑信号来控制变压器的工作状态。副边的正极经二极管接单对针电极的正极，负极接单对针电极的负极。在原边输入逻辑驱动信号使得电极依次导通。驱动模块8的控制信号遵循时序依次驱动各针电极对2产生电弧，实现电弧加热。

驱动模块8的低压功率变压器原边包括同名端与副边相同线圈5和同名端与副边相反线圈6，低压功率变压器副边包括副边线圈9，变压器采用磁芯7。在副边线圈9一端经过高压二极管10输出。驱动模块8的输出端的输出正极11与一对针电极对2的正极针相连，输出负极12与该针电极对2的负极针相连。

实施例1的逻辑信号如图4所示。第一个脉冲，a1输入高电平，a2输入零电平，则副边a⁺、a^－输出正极性高压经二极管接入针电极，针电极a⁺、a^－电弧放电。同时，b1和c1均输入零电平，b2、c2输入高电平，由于二极管的极性限制b⁺与b^－之间、c⁺与c^－之间断路，所接针电极间无法形成电弧放电，第二个脉冲以及后续脉冲更换针电极b⁺、b^－或c⁺、c^—放电，驱动的逻辑驱动方式同上所述。每个脉冲之间都有死区时间使磁芯复位，保证电弧可靠熄灭和发生。

在另一个具体实施例2中，多对针电极配置方式如图2所示，4根正极针和4根负极针均匀分布，正极针沿中心环形排布在同一平面，负极针沿中心环形排布在另一平面，利用石英玻璃固定在两个平行平面上，见图2参考平面ⅰ3和参考平面ⅱ4；所有针电极对2正极针与负极针连线经过同一点，连线通过对称中心的正、负极针构成一对电极。两块石英玻璃中心开直径30mm的圆孔，每个平面上针电极排布沿着圆孔圆心中心对称。固定两个石英板之间距离，使正极针所在平面与负极针所在平面相距5mm，两个平面上的针电极a⁺和a^－、b⁺和b^－、c⁺和c^－，d⁺和d^－构成一对针电极与相应的驱动模块相连。

驱动方法如下：

1)对于此时产生电弧的针电极对2的驱动模块8，低功率变压器的原边同名端与副边相同线圈5上施加暂态电压，同名端与副边相反线圈6不施加暂态电压；

2)对于此时没有输出的其他针电极对2的驱动模块8，同名端与副边相反线圈6施加暂态电压，同名端与副边相同线圈5不施加暂态电压；

3)某一针电极对2输出电弧结束后，在极短时间所有驱动模块8停止任何输出，然后更换工作电极，由另外一针电极对2输出电弧，各对电极周期性地产生电弧。

控制信号遵循特定时序依次驱动各对电极，形成电弧放电。每一个脉冲导通使一对电极发生放电，其余电极截止。下一个脉冲时更换放电电极。每个脉冲之间都有死区时间来使磁芯复位，使得下一个脉冲下变压器副边能够感应到电压，防止电弧之间发生串线。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。