一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统的制作方法

1.本实用新型涉及大功率多相等离子体发生器的电源领域，具体而言，涉及一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统。


背景技术：

2.热等离子体作为一种高效率能量源，在各个领域得到了广泛的应用。由于它不仅拥有高温、高焓、增强反应动力学、快速反应生成化学非平衡材料等的特有能力，而且还可以根据不同需要调节化学反应的氧化或还原气氛，热等离子体最近引起了人们的强烈关注。
3.交流电源供应产生的交流电弧是热等离子体中的一种。它的能源效率之所以高，主要是因为它省去了ac转换dc这一环节。然而，现有的单相或三相交流电弧由于极性转换时具有间歇性放电的特性以及存在放电体积较小的问题，限制了热等离子体的进一步发展，所以引入了多相交流电弧。多相交流电弧产生于4或6个甚至12个以上电极之间，具有高能量效率、大等离子体体积、低气体流速三大特征，可应用于石墨烯制造、无碱玻璃微珠生产、有机废水处理、气体加热以及废气处理等诸多领域，还可以广泛应用于火力发电、水泥建材、化工、冶金与矿山行业。
4.多相等离子体集成变压器电源作为等离子体发生装置中最核心的系统，必须保证高效皮实、经久耐用、容易维护的实用工程化的条件。而现有的多相等离子体集成变压器电源系统需要根据不同的多相等离子体发生装置的特殊需要进行单独的设计，例如输出的多相电源常为3相、6相、12相和24相，而对于需要9相、15相等的多相等离子体发生装置则需要重新设计，系统整体的灵活性较低，不能广泛应用于不同的多相等离子体发生装置中。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统，其能够通过改变集成变压器单元的接线方式，得到不同需要的多相电源，达到高效皮实、经久耐用、容易维护的实用工程化的必要条件。
6.本实用新型的实施例是这样实现的：
7.本技术实施例提供一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统，其包括依次连接的调压控频单元、集成变压器单元和等离子体发生器，调压控频单元的输入端用于与外部交流电源连接，等离子体发生器用于利用上述集成变压器单元输出的多相电压产生多相等离子体；
8.集成变压器单元包括至少一组主变压器，主变压器的一次侧采用星形连接并与调压控频单元连接，主变压器的二次侧与等离子体发生器连接。
9.在本实用新型的一些实施例中，上述调压控频单元包括调压电路和辅助变压器，调压电路的输入端用于与外部交流电源连接，输出端与主变压器的一次侧连接；
10.辅助变压器的一次侧的一端与主变压器的一次侧的星形点连接，辅助变压器的一
次侧的另一端接地，辅助变压器的二次侧的一端与主变压器的二次侧连接，辅助变压器的二次侧的另一端与等离子体发生器的引火电极连接并接地。
11.在本实用新型的一些实施例中，上述主变压器的二次侧的两端均分别与等离子体发生器的电极连接，主变压器的二次侧的中点抽头与辅助变压器的二次侧的一端连接，辅助变压器的二次侧的另一端与等离子体发生器的引火电极连接并接地。
12.在本实用新型的一些实施例中，上述辅助变压器的输出频率是主变压器的输出频率的2-4倍。
13.在本实用新型的一些实施例中，上述集成变压器单元包括第一组主变压器和第二组主变压器，第一组主变压器的一次侧采用星形连接，第二组主变压器的一次侧采用三角形连接，第一组主变压器和第二组主变压器的二次侧与等离子体发生器连接。
14.在本实用新型的一些实施例中，上述第一组主变压器和第二组主变压器的二次侧的一端与等离子体发生器的电极连接，另一端接地。
15.在本实用新型的一些实施例中，上述第一组主变压器和第二组主变压器的二次侧的两端分别与等离子体发生器的电极连接，第一组主变压器和第二组主变压器的二次侧的中点抽头接地。
16.在本实用新型的一些实施例中，上述第二组主变压器的一次侧线圈匝数是第一组主变压器的一次侧线圈匝数的倍。
17.在本实用新型的一些实施例中，还包括n组一次侧采用延边三角形接法的主变压器，其中，n为大于等于1的整数。
18.在本实用新型的一些实施例中，上述调压控频单元为三相变频器。
19.相对于现有技术，本实用新型的实施例至少具有如下优点或有益效果：
20.本实用新型实施例提供一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统，包括依次连接的调压控频单元、集成变压器单元和等离子体发生器，其中调压控频单元可以由调压电路+辅助变压器构成，也可以由三相变频器构成，而集成变压器单元至少包括一组一次侧采用星形连接的主变压器。当辅助变压器采用三倍频器时，其频率为主变压器的3倍，辅助变压器二次侧输出的高压用于与任一组主变压器中的每个单相变压器输出的电压叠加，然后作为等离子体发生器的多相电源输入，以防止在产生交流电弧的过程中因电源过零点导致灭弧，影响稳定性。此时，多组主变压器与辅助变压器构成n+1相集成变压器电源(n为3的倍数)，可输出不同需要的多相电源。
21.另外，当调压控频单元直接使用三相变频器时，其输出端可直接与多组主变压器的一次侧连接，通过改变各组主变压器的一次侧的连接方式，例如星形连接、三角形连接、延边三角形连接，使得在二次侧得到不同相位差的相数，进而可以得到大于9相，比如12、15、18、24
……
(3的倍数相)等离子体发生器的集成变压器电源。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1为本实用新型提供的一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统一实施例的结构示意图；
24.图2为本实用新型提供的一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统又一实施例的结构示意图；
25.图3为本实用新型提供的一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统一实施例中等离子体发生器的电极布置示意图；
26.图4为本实用新型提供的一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统一实施例中集成变压器单元的结构示意图；
27.图5为本实用新型提供的一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统又一实施例中集成变压器单元的结构示意图。
28.图标：1、调压控频单元；2、集成变压器单元；21、第一组主变压器；22、第二组主变压器；3、等离子体发生器；31、等离子体发生器外壳；32、电极；33、引火电极。
具体实施方式
29.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.实施例
32.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。
33.请参照图1，本实用新型实施例提供一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统，其包括依次连接的调压控频单元1、集成变压器单元2和等离子体发生器3，调压控频单元1的输入端用于与外部交流电源连接，等离子体发生器3用于利用上述集成变压器单元2输出的多相电压产生多相等离子体；
34.集成变压器单元2包括至少一组主变压器，主变压器的一次侧采用星形连接并与调压控频单元1连接，主变压器的二次侧与等离子体发生器3连接。
35.更进一步地，上述调压控频单元1包括调压电路和辅助变压器，调压电路的输入端用于与外部交流电源连接，输出端与主变压器的一次侧连接；
36.辅助变压器的一次侧的一端与主变压器的一次侧的星形点连接，辅助变压器的一次侧的另一端接地，辅助变压器的二次侧的一端与主变压器的二次侧连接，辅助变压器的二次侧的另一端与等离子体发生器3的引火电极33连接并接地。
37.在本实施例所提供的技术方案中，一组主变压器由3个规格相同的单相变压器构成，示例性的，当集成变压器单元2包括一组主变压器时，3个单相变压器分别为单相变压器t1、单相变压器t2和单相变压器t3，三者的一次侧采用星形接法，且与调压电路连接，三者
的二次侧用于输出多相电源，并与等离子体发生器3的电极32连接，从而为等离子体发生器3提供多相电源以产生交流电弧。但是由于交流电在放电过程中，电流一个周期内会过两次零点，而这会造成放电不稳定，导致“灭弧”情况的发生，所以可以通过一个辅助变压器t4来减弱这种情况。具体的，辅助变压器t4的一次侧的一端与主变压器的一次侧的星形点连接，另一端接地，辅助变压器t4的二次侧的一端分别与单相变压器t1、单相变压器t2和单相变压器t3的二次侧连接，另一端与等离子体发生器3的引火电极33连接并接地，而单相变压器t1、单相变压器t2和单相变压器t3的二次侧的另一端则作为三相电源输出给等离子体发生器3。此时，辅助变压器t4的频率可以为单相变压器t1、单相变压器t2和单相变压器t3的频率的2-4倍，最优为3倍，且两两之间存在相位差，从而其二次侧输出的高压可用于与任意一个单相变压器输出的电压叠加，然后作为等离子体发生器3的多相电源输入，以达到稳定地产生交流电弧的目的。也就是说辅助变压器t4实际上起到一个引弧的作用。整体而言，单相变压器t1、单相变压器t2和单相变压器t3与辅助变压器t4可看做构成了一个“3+1相”自引燃集成变压器电源，可用于输出三相电源。另外，通过增加主变压器的组数，即可实现多相输出，例如9相、12相等。
38.示例性的，整个系统可以由外部三相交流电源提供基础电力，其中三相交流电源的相电压可以为220-2500v，频率可以为50-5000hz，整个系统的空载输出相电压可以为200v-120kv，负载输出相电压可以为50v-20kv。另外，辅助变压器t4可以采用小型的具有陡降特性的单相变压器，其容量只需要占总系统容量的10％，而且其一次侧电压是主变压器输电干线电压的0.3倍。
39.请参照图2和图3，在本实用新型的一些实施例中，上述主变压器的二次侧的两端均分别与等离子体发生器3的电极32连接，主变压器的二次侧的中点抽头与辅助变压器的二次侧的一端连接，辅助变压器的二次侧的另一端与等离子体发生器3的引火电极33连接并接地。
40.在本实施例所提供的技术方案中，辅助变压器t4的二次侧的一端分别与单相变压器t1、单相变压器t2和单相变压器t3的中点抽头连接，另一端与等离子体发生器3的引火电极33连接并接地，且引火电极33和等离子体发生器外壳31是连接在一起的。此时，单相变压器t1、单相变压器t2和单相变压器t3的两端均与等离子体发生器3的电极32连接，作为6相电源输出给等离子体发生器3，以稳定地产生交流电弧。整体而言，单相变压器t1、单相变压器t2和单相变压器t3与辅助变压器t4可看做构成了一个“6+1相”自引燃集成变压器电源，可用于输出6相电源。另外，通过增加主变压器的组数，即可实现多相输出，例如12相、24相等。
41.请参照图4，在本实用新型的一些实施例中，上述调压控频单元1可直接采用三相变频器，并且集成变压器单元2包括第一组主变压器21和第二组主变压器22，第一组主变压器21的一次侧采用星形连接，第二组主变压器22的一次侧采用三角形连接，第一组主变压器21和第二组主变压器22的二次侧与等离子体发生器3连接。
42.更进一步地，上述第一组主变压器21和第二组主变压器22的二次侧的一端与等离子体发生器3的电极32连接，另一端接地。
43.在本实施例所提供的技术方案中，调压控频单元1可直接采用三相变频器，由三相变频器给集成变压器单元2提供基础电力，例如输出相电压为380v，频率为3000hz的三相交
流电。示例性的，集成变压器单元2包括第一组主变压器21和第二组主变压器22，共6个单相变压器，则二次侧总共有12个端子，记为1-12号。其中，第一组主变压器21的一次侧采用星形连接，第二组主变压器22的一次侧采用三角形连接，然后通过将二次侧的2、4、6、8、10、12号端子短接后接地，并将1、3、5、7、9、11号端子作为6相输出，与等离子体发生器3的电极32连接，以产生6相交流电弧。
44.请参照图5，在本实用新型的一些实施例中，上述第一组主变压器21和第二组主变压器22的二次侧的两端分别与等离子体发生器3的电极32连接，第一组主变压器21和第二组主变压器22的二次侧的中点抽头接地。
45.在本实施例所提供的技术方案中，首先第一组主变压器21的一次侧仍然采用星形连接，第二组主变压器22的一次侧仍然采用三角形连接，然后通过将6个单相变压器的中点抽头短接后接地，并将1-12号端子作为12相输出，与等离子体发生器3的电极32连接，以产生12相交流电弧。
46.在本实用新型的一些实施例中，上述第二组主变压器22的一次侧线圈匝数是第一组主变压器21的一次侧线圈匝数的倍。
47.在本实施例所提供的技术方案中，当集成变压器单元2包括两组主变压器时，为了避免各单相变压器之间出现环流，降低效率，可以将一次侧采用三角形接法的第二组主变压器22的一次侧线圈匝数设置为一次侧采用星形接法的第一组主变压器21的一次侧线圈匝数的倍。
48.在本实用新型的一些实施例中，还包括组一次侧采用延边三角形接法的主变压器，其中，n为大于等于1的整数。
49.请参照图4和图5，通过两组主变压器(第一组主变压器21的一次侧采用星形连接，第二组主变压器22的一次侧采用三角形连接)，已经可以输出6相、12相电源，在此基础之上，再增加一组主变压器，即可得到9相高压中频输出电源，并且增加的这一组主变压器的一次侧可以采用延边三角形接法，以在二次侧得到不同相位差的9相输出电源。更进一步地，若增加n组一次侧采用延边三角形接法的主变压器，则可以在二次侧得到多相输出电源，例如12、15、18、24
……
(3的倍数相)等，以适应不同的多相等离子体发生装置的不同频率要求、不同电压要求、不同电压相位要求、不同陡降特性要求等，通过改变接线方式即可得到多相电源，灵活性高，可广泛应用。并且各项之间具有不同的相位差，其中1相在过零点时，其它5相不经过零点，即每相交替过零点，从而可以保证电弧持续和稳定。
50.综上所述，本技术实施例提供的一种用于多相等离子体发生装置的集成变压器电源系统，包括依次连接的调压控频单元1、集成变压器单元2和等离子体发生器3，其中调压控频单元1可以由调压电路+辅助变压器构成，也可以由三相变频器构成，而集成变压器单元2至少包括一组一次侧采用星形连接的主变压器。当辅助变压器采用三倍频器时，其频率为主变压器的3倍，辅助变压器二次侧输出的高压用于与任一组主变压器中的每个单相变压器输出的电压叠加，然后作为等离子体发生器3的多相电源输入，以防止在产生交流电弧的过程中因电源过零点导致灭弧，影响稳定性。此时，多组主变压器与辅助变压器构成n+1相集成变压器电源(n为3的倍数)，可输出不同需要的多相电源。
51.另外，当调压控频单元1直接使用三相变频器时，其输出端可直接与多组主变压器的一次侧连接，通过改变各组主变压器的一次侧的连接方式，例如星形连接、三角形连接、
延边三角形连接，使得在二次侧得到不同相位差的相数，进而可以得到大于9相，比如12、15、18、24
……
(3的倍数相)等离子体发生器3的集成变压器电源。
52.整体而言，本系统由基础电力供应与多台单相变压器组合而成。通过变压器集成模块化的多种接线方式，即可得到不同需要的多相电源，顺利实现了高效皮实、经久耐用、容易维护的实用工程化的必要条件。
53.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
54.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。