一种交流大功率MW级恒温调压自动化控制等离子电源的制作方法

本发明涉及等离子电源领域，尤其涉及一种交流大功率mw级恒温调压自动化控制等离子电源。

背景技术：

高频高压电源使通道内的气体发生电离，激发出高能电子，高能电子和废气分子发生非弹性碰撞，当其能量大于废气分子的化学键能时使污染物分解，同时非弹性碰撞也产生大量正负离子、激发态离子和自由基，它们和废气分子进行反应也能够分解污染物。使用低温等离子体处理方法具有效率高，能耗低，使用范围广，操作简便等优点，因此，利用等离子体技术处理环境中有毒物质或难以降解物质，正从实验室走向市场，等离子技术将逐步发展成为一个新的高技术产业。

目前，使用低温等离子体处理有毒物质或难以降解物质的技术还有待提高，等离子反应器(发生器)的选择，匹配和优化，反应机理等方面需要进一步研究。需要处理的气体种类，流量，浓度，温度等参数与电极结构，电源特性之间的关系共同决定了废气处理的效果。可见，反应器的结构，电源特性是低温等离子体技术的关键。如今，等离子电源在调压过程中，气体在转化为等离子的时候需要吸收大量的热量才能使得温度升高至离解的温度，而这样一来，等离子电源能够提供的电量会出现一定的波动。

技术实现要素：

发明目的：

针对等离子电源在调压过程中，气体在转化为等离子的时候需要吸收大量的热量才能使得温度升高至离解的温度，而这样一来，等离子电源能够提供的电量会出现一定的波动的问题，本发明提供一种交流大功率mw级恒温调压自动化控制等离子电源。

技术方案：

一种交流大功率mw级恒温调压自动化控制等离子电源，包括：三相电源输入装置、变压箱、反应箱以及气体控制箱，所述三相电源输入装置连接所述变压箱，所述变压箱连接所述反应箱，所述反应箱连接所述气体控制箱；

所述反应箱包括高温加热装置、若干等离子反应柜以及第一通道口，所述高温加热装置设置于所述反应箱的内侧壁，所述第一通道口设置于所述反应箱的一个侧壁上，所述等离子反应柜包括呈闭合环状管道结构，所述等离子反应柜竖直设置，所述等离子反应柜竖直平均划分为第一区域以及第二区域，所述等离子反应柜包括换气口、继电器、若干加热组、半导体工作块以及极化电源，所述继电器设置于所述等离子反应柜的底部，所述继电器连接所述变压箱，所述加热组连接所述高温加热装置，所述半导体工作块设置于所述等离子反应柜的环侧壁上，所述极化电源连接所述半导体工作块，所述极化电源设置于所述等离子反应柜的外侧壁，所述第一区域的极化电源与所述第二区域的极化电源的电极布置相反；

所述气体控制箱包括工作气体箱以及保护气体箱，所述工作气体箱通过主第一气体通道连接所述换气口，所述保护气体箱通过第二气体通道连接至所述主第一气体通道，所述换气口设置有背压检测器，所述背压检测器检测所述等离子反应柜中的压力，所述主第一气体通道连接所述换气口的部分设置有气体预加热装置，所述气体预加热装置加热主第一气体通道中的部分工作气体，所述第二气体通道与所述主第一气体通道的连接处设置有气压阀，所述气压阀控制所述第二气体通道向所述主第一气体通道补充气体。

作为本发明的一种优选方式，所述等离子反应柜还包括载流体组以及大型线圈组，所述载流体组设置于所述等离子反应柜的内侧壁，每个所述载流体组中包含两个载流体，所述载流体沿水平方向横向设置；

所述大型线圈组绕于所述等离子反应柜内侧壁，所述大型线圈组连接所述极化电源，所述大型线圈组与所述半导体工作块间隔设置，每个所述极化电源对应分别对应一个大型线圈组与一个半导体工作块。

作为本发明的一种优选方式，所述载流体组设置于所述半导体工作块两端，所述载流体组均匀分布于所述等离子反应柜的内侧，所述大型线圈组外包覆绝缘材料。

作为本发明的一种优选方式，基于所述半导体工作块的极化分布的区别，所述第一区域对应的极化电源的电流输入方向与所述第二区域对应的极化电源的电流输入方向相反。

作为本发明的一种优选方式，所述工作气体箱分为若干子工作气体箱，所述子工作气体箱分别储存不同的工作气体，所述子工作气体箱分别通过子第一气体通道连接至所述主第一气体通道。

作为本发明的一种优选方式，每个所述子第一气体通道设置有比例阀，所述子第一气体通道通过所述比例阀连接所述主第一气体通道。

作为本发明的一种优选方式，还包括负载检测器以及控制器，所述负载检测器连接等离子电源以及等离子电源的供电输出线，所述负载检测器检测接入等离子电源的工作负载总量；

所述控制器连接所述比例阀以及所述负载检测器，所述控制器通过所述负载检测器检测的工作负载总量控制所述比例阀调整对应的所述子工作气体箱输出的工作气体。

作为本发明的一种优选方式，所述工作气体根据离解电量以及高温状态下的比热容进行分类并归入不同的所述子工作气体箱中，所述工作气体分别对应不同的离解量。

作为本发明的一种优选方式，所述控制器连接计算机，所述计算机计算工作气体根据当前接入等离子电源的负载的工作情况对负载所需的电量进行计算，所述计算机根据计算得到的电量对工作气体比例进行计算。

作为本发明的一种优选方式，所述计算机在已知工作气体比例条件下对混合工作气体成分进行模拟，并最终调整工作气体最后的成分比例。

本发明实现以下有益效果：

1.计算各个工作气体电解出电荷的量，通过各个子工作气体箱的比例阀对工作气体进行一定比例的混合，使得添加进等离子反应柜中的混合气体既能够快速提供电能也能够持续提供电能，使得等离子电源供电更加平均，不会出现供电的波动。

2.利用高温加热装置加热等离子反应柜中的工作气体，使得工作气体转变为等离子，并通过等离子反应提供大量的电荷，通过极化电源将工作半导体极化并对电荷产生电荷作用，使得等离子反应产生的电荷能变得有序，从而调整电荷分布，并在继电器提供的小电流的作用下能够产生大量的电荷移动，并且，线圈组在极化电源的作用下形成偏转磁场，从而规定了电荷移动的方向，从而产生较大的电压；在等离子电源供电过程中能够通过工作气体箱对等离子电源进行气体补充，从而使得等离子电源在消耗一定电荷量的情况下得到持续的电荷补充，从而稳定当前等离子电源的电压，避免等离子电源产生电压衰退。

3.根据接入等离子电源的正在工作的负载的总量调整等离子电源的工作气体的量以及工作气体的比例，使得工作气体产生的可供电荷量的实时值能够与接入等离子电源的工作负载所需的总电量相同，从而使得等离子电源与负载所需总量匹配，不会出现浪费电能的情况。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并于说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为本发明提供的一种交流大功率mw级恒温调压自动化控制等离子电源的等离子柜示意图；

图2为本发明提供的一种交流大功率mw级恒温调压自动化控制等离子电源的等离子柜与气体控制箱的连接关系图；

图3为本发明提供的一种交流大功率mw级恒温调压自动化控制等离子电源的反应箱示意图；

图4为本发明提供的一种交流大功率mw级恒温调压自动化控制等离子电源的外观图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

参考图1-4。一种交流大功率mw级恒温调压自动化控制等离子电源，包括：三相电源输入装置1、变压箱2、反应箱3以及气体控制箱4，所述三相电源输入装置1连接所述变压箱2，所述变压箱2连接所述反应箱3，所述反应箱3连接所述气体控制箱4。

所述反应箱3包括高温加热装置5、若干等离子反应柜6以及第一通道口，所述高温加热装置5设置于所述反应箱3的内侧壁，所述第一通道口设置于所述反应箱3的一个侧壁上，所述等离子反应柜6包括呈闭合环状管道结构，所述等离子反应柜6竖直设置，所述等离子反应柜6竖直平均划分为第一区域以及第二区域，所述等离子反应柜6包括换气口7、继电器8、若干加热组9、半导体工作块10以及极化电源11，所述继电器8设置于所述等离子反应柜6的底部，所述继电器8连接所述变压箱2，所述加热组9连接所述高温加热装置5，所述半导体工作块10设置于所述等离子反应柜6的环侧壁上，所述极化电源11连接所述半导体工作块10，所述极化电源11设置于所述等离子反应柜6的外侧壁，所述第一区域的极化电源11与所述第二区域的极化电源11的电极布置相反。

所述气体控制箱4包括工作气体箱12以及保护气体箱13，所述工作气体箱12通过主第一气体通道14连接所述换气口7，所述保护气体箱13通过第二气体通道15连接至所述主第一气体通道14，所述换气口7设置有背压检测器，所述背压检测器检测所述等离子反应柜6中的压力，所述主第一气体通道14连接所述换气口7的部分设置有气体预加热装置，所述气体预加热装置加热主第一气体通道14中的部分工作气体，所述第二气体通道15与所述主第一气体通道14的连接处设置有气压阀，所述气压阀控制所述第二气体通道15向所述主第一气体通道14补充气体。

作为本发明的一种优选方式，所述等离子反应柜6还包括载流体组16以及大型线圈组17，所述载流体组16设置于所述等离子反应柜6的内侧壁，每个所述载流体组16中包含两个载流体，所述载流体沿水平方向横向设置。

所述大型线圈组17绕于所述等离子反应柜6内侧壁，所述大型线圈组17连接所述极化电源11，所述大型线圈组17与所述半导体工作块10间隔设置，每个所述极化电源11对应分别对应一个大型线圈组17与一个半导体工作块10。

作为本发明的一种优选方式，所述载流体组16设置于所述半导体工作块10两端，所述载流体组16均匀分布于所述等离子反应柜6的内侧，所述大型线圈组17外包覆绝缘材料。

作为本发明的一种优选方式，基于所述半导体工作块10的极化分布的区别，所述第一区域对应的极化电源11的电流输入方向与所述第二区域对应的极化电源11的电流输入方向相反。

在具体实施过程中，对于等离子反应柜6，等离子反应柜6是竖直设置的，将等离子反应柜6平均划分为左右两个区域，分别记为第一区域以及第二区域，第一区域以及第二区域中设置的大型线圈组17的缠绕方向一致，大型线圈组17连接的极化电源11的正负极方向相反，例如，可以将第一区域中极化电源11的正极设置于上方、负极设置于下方，第二区域中极化电源11的正极设置于下方、负极设置于上方。在极化电源11工作时，极化电源11向半导体施加电压，使得半导体处于电场的作用下，内部沿电场方向产生感应偶极矩，从而在半导体表面出现极化电荷，即极化电源11将半导体极化，在第一区域中，由于正极设置于上方、负极设置于下方，则对于第一区域中的半导体工作块10，半导体工作块10受到的电场方向是沿着半导体工作块10向下的，因此，对于半导体工作块10的电荷，正电荷在下方聚集、负电荷在上方聚集；在第二区域中，由于正极设置于下方、负极设置于上方，则对于第二区域中的半导体工作块10，半导体工作块10受到的电场方向是沿着半导体工作块10向上的，因此，对于半导体工作块10的电荷，正电荷在上方聚集、负电荷在下方聚集，从而，使得第一区域与第二区域中半导体工作块10的极化方向相反。

在半导体工作块10的极化的两端，间隔一定距离分别设置载流体组16，载流体组16包括两个载流体。等离子电源进行工作时，三相电源输入装置1向变压箱2输入一定的初始电压，变压箱2将初始电压放大，放大电压接入反应箱3的继电器8中，同时，高温加热装置5开始对加热组9进行加热，加热组9高温加热后对等离子反应柜6中的温度产生影响，使得等离子反应柜6中的温度上升，在等离子反应柜6中的温度上升时，等离子反应柜6中的气体构成分子的原子发生分离，形成独立的原子，如氮气的氮分子为分裂成两个氮原子，此时便是气体分子的离解，在离解过程发生时高温加热装置5始终是对加热组9提供加热，从而使得等离子反应柜6中的温度同样在上升，在上升的过程中，原子中的电子会从原子中剥离，使得原子成为带正电荷的原子核以及带负电荷的电子，从而原子发生电离过程，从而形成等离子。

在高温加热装置5进行加热的同时，极化电源11也向半导体工作块10以及大型线圈组17提供电能，从而使得第一区域以及第二区域的半导体工作块10产生极化反应，在等离子反应柜6中的气体变为等离子时，由于没有外界电场或电压的限制，等离子是处于混乱的状况，而在半导体工作块10被极化后，对于第一区域，半导体工作块10的正电荷在下方聚集、负电荷在上方聚集，从而使得等离子的负电荷在半导体工作块10的下方聚集、正电荷在半导体工作块10的上方聚集，因此，对于半导体工作块10附近的等离子而言，形成了相当于正极朝上负极朝下的电源结构，而每个半导体工作块10相当于串联的电源，从而使得第一区域形成了一个正极朝上负极朝下的电源结构。

对于第二区域，半导体工作块10的正电荷在上方聚集、负电荷在下方聚集，从而使得等离子的负电荷在半导体工作块10的上方聚集、正电荷在半导体工作块10的下方聚集，因此，对于半导体工作块10附近的等离子而言，形成了相当于正极朝下负极朝上的电源结构，而每个半导体工作块10相当于串联的电源，从而使得第二区域形成了一个正极朝下负极朝上的电源结构，进而，使得第一区域以及第二区域形成一个闭合的能量循环，进而，可以将第一区域顶端作为正极、第二区域顶端作为负极，产生一个等离子电源。

而对于等离子反应柜6，在等离子形成后，继电器8对变压箱2提供的一定的电压产生反应形成一定的电流，从而对等离子反应柜6中的等离子产生一定的电流的影响，使得等离子在初始状况下就有一定的电荷的导向性，便于等离子在后续的根据半导体极化的方向进行电荷分布的改变时有一定的初始量。由于在半导体工作块10的两个极化端都设置有载流体组16，等离子环境下，在获得继电器8的一定的电流初始值的时候，会根据电流以及等离子中电荷的反应形成一个更大的电流，载流体组16中设置有两个载流体，从而使得电流能够形成类似电弧反应的可以用肉眼看见的放电情况，而半导体的极化导致等离子环境中正电荷与负电荷有序排列，从而使得半导体两端的载流体组16的放电情况产生一定联系，从而在继电器8的促进作用下形成大量的电荷移动，从而形成电动势，进而，在第一区域与第二区域中形成电动势差，从而产生电压。

在极化电源11对半导体工作块10进行供电的同时，极化电源11会对大型线圈组17输入一定的电流，从而使得大型线圈组17产生一定的偏转磁场，在偏转磁场的作用下，使得电荷的移动产生一定的偏移，并对电荷的移动规定一个路径，使得产生的电流以及电压更加稳定。

对于等离子反应柜6，在进行反应的过程中，随着用电量的增多，等离子中的正电荷以及负电荷的消耗变多，从而需要进行等离子反应柜6中工作气体的补充。工作气体箱12会通过第一气体通道将一部分的工作气体事先充满第一气体通道，从而使得气体预加热装置附近存在一定的工作气体，从而使得气体预加热装置对该部分的工作气体进行加热。背压检测器检测等离子反应柜6中的压力，在不需要调整电压时，当背压检测器检测出等离子反应柜6中的压力减小到预设压力时，打开第一气体通道与换气口7的连接，将第一气体通道中的工作气体补充至等离子反应柜6中，从而使得等离子反应柜6中有足够的工作气体进行工作；当需要调整电压时，可以通过计算，获取等离子工作柜中特定的气压状况以及气体成分状况下对应的离解和电离程度所能带来的电压数值，可以根据所需的电压数值的状况对等离子工作柜中气压的状况进行限定，从而根据背压检测器检测的结果调整气体状况。例如，等离子反应柜中经过反应以及供电后得到的电量总和为8×10ⁿ且电压为0.2mw，当通过计算工作负载得到此时所需电压为0.3mw时，通过比例计算，得到所需电量为12×10ⁿ，则所需要增加的电量为4×10ⁿ，进而，通过背压检测器检测等离子反应柜中的压力，假设压力缺口为20kpa，则向等离子反应柜中输入工作气体，直至压力缺口为0，对于工作气体，通过气体压强定律计算得到气体的量，并根据增加的电量，即4×10ⁿ计算每个单位的气体对应的电量，根据单位气体所需提供电量计算气体混合状况，例如每单位气体所需供电量为1×10ⁿ，而工作气体a每单位供电量为1.2×10ⁿ、工作气体b每单位供电量为0.8×10ⁿ，则将0.5个单位的工作气体a与0.5个单位的工作气体b混合，从而混合气体可以提供1×10ⁿ的电量。

实施例二

参考图1-4。作为本发明的一种优选方式，所述工作气体箱12分为若干子工作气体箱18，所述子工作气体箱18分别储存不同的工作气体，所述子工作气体箱18分别通过子第一气体通道19连接至所述主第一气体通道14。

作为本发明的一种优选方式，每个所述子第一气体通道19设置有比例阀20，所述子第一气体通道19通过所述比例阀20连接所述主第一气体通道14。

作为本发明的一种优选方式，还包括负载检测器以及控制器，所述负载检测器连接等离子电源以及等离子电源的供电输出线，所述负载检测器检测接入等离子电源的工作负载总量；

所述控制器连接所述比例阀20以及所述负载检测器，所述控制器通过所述负载检测器检测的工作负载总量控制所述比例阀20调整对应的所述子工作气体箱18输出的工作气体。

作为本发明的一种优选方式，所述工作气体根据离解电量以及高温状态下的比热容进行分类并归入不同的所述子工作气体箱18中，所述工作气体分别对应不同的离解量。

作为本发明的一种优选方式，所述控制器连接计算机，所述计算机计算工作气体根据当前接入等离子电源的负载的工作情况对负载所需的电量进行计算，所述计算机根据计算得到的电量对工作气体比例进行计算。

作为本发明的一种优选方式，所述计算机在已知工作气体比例条件下对混合工作气体成分进行模拟，并最终调整工作气体最后的成分比例。

根据接入等离子电源的正在工作的负载的总量调整等离子电源的工作气体的量以及工作气体的比例，使得工作气体产生的可供电荷量的实时值能够与接入等离子电源的工作负载所需的总电量相同，从而使得等离子电源与负载所需总量匹配，不会出现浪费电能的情况。

在具体实施过程中，主第一气体通道连接一整个气体控制箱，气体控制箱中分为几个小的子气体控制箱，子第一气体通道连入主第一气体通道，连接的地方设置比例阀，比例阀用来调整子第一气体通道向主第一气体通道传输的气体，等离子的比热容在高温的时候非常大，因此单对于等离子反应柜6中的等离子而言，比热容可以看作是固定的，因此，只要是等离子反应柜6中的气体受热转变为等离子后，等离子受热升温变得越来越难，此时，等离子反应柜6中的环境可以视作是恒温的环境。

对于工作气体，在气体预加热装置的加热下，不会有很多的气体分子转变为等离子，因而，在气体进入等离子反应柜6的时候，就工作气体而言，依旧是会受到比热容的影响，在比热容的影响下，工作气体的升温的速度不同，从而导致了工作气体转变为等离子的速度不同，进一步会影响电荷变为有序状态的时间。因此，需要工作气体中混有能够迅速在高温状态下转变为等离子体的工作气体以及逐渐转变为等离子体，从而保证产生电荷更持久的工作气体。

因此，在进行工作气体补充时，每个子工作气体箱18会提供不同量的工作气体或不提供工作气体，对于气体比热容，在定压高温条件下，氢气的比热容为16.25j/(kg·k)，氮气的比热容为1.252j/(kg·k)，以这两种气体为例，由于等离子的电荷不会在瞬间消耗完毕，因此，对于等离子反应柜6中的工作气体可以在工作一定时间后再进行补充，从而，将氢气和氮气混合加入等离子反应柜6，由于氮气的比热容低，则氮气分子本身在吸收热量的过程中会先升温，从而到达氮气分子离解的临界点，进而进行电离，从而产生新的正电荷与负电荷，补充等离子电源发电的过程中损耗的一定量的电荷。

而氢气比热容较高，从而吸收热量升温的速度较慢，从而使得补充电荷量的速度慢一些，进而可以逐步的进行电荷的补充，进一步的，氮气原子电离出的电荷数量是比氢气多的，且根据原子知识，氮原子的正电荷量和负电荷量都是氢原子的两倍，从而使得单一氮原子先电离出的电荷的量也较多，因此，可以视作相同摩尔量的氮原子能够提供的电量是氢原子的两倍，且速度更快。

氢气与氮气的比热容比为16.25:1.252，因此到达离解的速度比为16.25:1.252，近似至整数时，氮气到离解的速度为氢气的13倍，且氮气产生的整体电荷为氢气的2倍，则同摩尔量的氮气产生电荷的能力是氢气的26倍，从而，可以将氮气与氢气的摩尔量比例设置为13:2，因此，将氮气对应的子工作气体箱18连接的子第一气体通道19的比例阀20与氢气对应的子工作气体箱18连接的子第一气体通道19的比例阀20的比例至少设置为13:2，即氮气与氢气的比例可以为13:3、13:4等等，即氢气的气体比例分数至少为2。

对于接入的负载，通过工作的负载的量对负载进行总电量的计算，在计算得到总电量后，例如，计算得到的总电量为m×10ⁿ，若m小于15，由于氮气与氢气的比例为13:2，则根据总电量值进行具体量的计算，假设m为7.5，则氮气相对于m的比例为6.5、氢气相对于m的比例为1，则氮气的摩尔量为6.5×10ⁿ、氢气的摩尔量为1×10ⁿ；当m大于15时，将氮气的比例分数设定为13，剩余的比例全设置为氢气，即氢气的比例分数为m-13，即氮气与氢气的比例为13：m-13。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。