CN116164308B - 一种全桥高能点火装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全桥高能点火装置，其包括点火器、点火电缆和点火枪；点火器、点火电缆及点火枪通过螺纹连接，直接点燃天然气、液化石油气、煤油、柴油、重油、渣油与空气混合之气体。本发明采用电容低压高能点火系统，点火电压只有2000V左右，点火功率最大能达到500W，主要用于高超音速空气试验风洞的加热器的点火系统中，具有的点火频率高，单次点火能量大，元器件发热小可长时间使用等优点，可很好满足风洞空气加热器对实时点火的要求。

Description

一种全桥高能点火装置

技术领域

本发明属于高超音速空气试验加热器电能点火试验技术领域，涉及一种全桥高能点火装置。

背景技术

随着现代科技和现代工业的发展，在许多场合要进行安全点火，例如石化和冶金工业上的煤气窑炉、发电厂的锅炉点火、航空高焓值风洞加热空气等。在通常情况下，具有能可靠地点燃燃油混合气、点火时刻准确并能在很大范围内调整点火时刻的还是电点火，所以广泛使用的、研究最多的还是电点火系统。对于电点火系统，从产生放电形式主要是电感放电。电感放电电压高，单次能量低，一般小于50mJ，放电形式为沿面放电，即沿着导体和接触空气的交界面放电。放电打火时电流击穿正负两级之间的空气间隙，属于沿面放电现象，击穿电压一般最少都在10kv以上，否则无法击穿两极板之间的火花间隙，对于高压沿面电嘴，虽然能打火频率高，按照汤逊放电的基本原理，随着气压的升高，其击穿电压也升高。由于点火器的供电电压高(此时系统输出电压在10kV以上)，对整个系统的其他附件的绝缘(耐电压强度)要求也高。而且在这种高压情况下，当器件上有污染时，由于降低了耐电性能而增加了被击穿的可能，并且太高的电压对周边系统产生了强烈的电磁干扰。可以说打火电压高是电感点火系统的一个缺陷，阻碍了点火系统在大能量方面(大于100W)和含精密测控系统的燃烧器上的应用。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种全桥高能点火装置，以降低打火电压。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种全桥高能点火装置，其包括点火器、点火电缆和点火枪；点火器、点火电缆及点火枪通过螺纹连接，直接点燃天然气、液化石油气、煤油、柴油、重油、渣油与空气混合之气体。

其中，所述点火器中封装有点火电路，点火电路包括大功率CD型升压变压器、全桥高压整流桥、高压储能电容、真空放电管、刹车电阻和高压绝缘接头；大功率CD型升压变压器的主线圈连接交流电源，副线圈一端接地，另一端连接刹车电阻的一端，刹车电阻的另一端连接全桥高压整流桥的I端，全桥高压整流桥的II端和IV端接地，全桥高压整流桥的III端连接高压储能电容的正极，高压储能电容的负极连接真空放电管的一端，真空放电管的另一端连接点火枪。

其中，所述全桥高压整流桥包括四个二极管，二极管I和二极管II串联，二极管III和二极管IV串联，两组串联二极管并联，二极管I和二极管IV的正极接地，二极管II和二极管III的负极连接高压储能电容的正极。

其中，所述二极管选用氮化镓PN结的二极管。

其中，所述全桥高压整流桥上安装散热装置。

其中，所述真空放电管包括两个带引出头的放电极，放电极间留有间隙，并由玻璃绝缘外壳密封装，内部充入低压氮氢混合气。

其中，所述点火线缆为5KV高压绝缘线缆，外敷金属编制层，屏蔽点火能量的电磁干扰。

其中，所述点火枪采用半导体耐压点火电枪，包括点火枪外壳、半导体氧化铝陶瓷、绝缘陶瓷、前电极、铜垫和后电极，前电极外部套半导体氧化铝陶瓷，后电极外部套绝缘陶瓷，前电极和后电极之间通过铜垫隔开，前电极、铜垫和后电极组成点火枪的发电内芯，发电内芯装入点火枪外壳中；半导体耐压点火电枪的结构缝隙之间用硅橡胶密封。

其中，所述半导体氧化铝陶瓷在发火端面侧3mm厚的氧化铝中掺杂导电杂质，使其导电。

其中，所述点火枪使用时，在燃烧室上打一螺纹孔，点火枪外壳前端的螺纹与燃烧室连接，点火枪外壳的后螺纹与点火电缆连接以输入打火所需的高压电流。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的全桥高能点火装置，采用电容低压高能点火系统，点火电压只有2000V左右，点火功率最大能达到500W，主要用于高超音速空气试验风洞的加热器的点火系统中，具有的点火频率高，单次点火能量大，元器件发热小可长时间使用等优点，可很好满足风洞空气加热器对实时点火的要求；在结构上具有性能先进、结构合理、运动灵活、工作平稳可靠、易于实现自控操作等优点。

附图说明

图1为本发明实施例全桥高能点火装置的外形图。

图2为本发明实施例全桥高能点火装置的点火电路工作原理图。

图3为真空放电管结构图。

图4为高能点火枪剖视图。

图5为点火器的充放电特性图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例全桥高能点火装置包括点火器、点火电缆和点火枪；点火器、点火电缆及点火枪通过M18×1螺纹连接而成，可直接点燃天然气、液化石油气、煤油、柴油、重油、渣油等与空气混合之气体。使用该点火装置点火，抗污染能力强，能在水、乙醚、酒精中打火，发火端即使结焦亦能打火。近年来在能源和动力系统得到广泛应用，性能优于常用的电感高压间隙点火。

点火器中封装有点火电路，点火电路包括大功率CD型升压变压器、全桥高压整流桥、高压储能电容、真空放电管、刹车电阻和高压绝缘接头；大功率CD型升压变压器的主线圈连接交流电源，副线圈一端接地，另一端连接刹车电阻的一端，刹车电阻的另一端连接全桥高压整流桥的I端，全桥高压整流桥的II端和IV端接地，全桥高压整流桥的III端连接高压储能电容的正极，高压储能电容的负极连接真空放电管的一端，真空放电管的另一端连接点火枪。

全桥高压整流桥包括四个二极管，二极管I和二极管II串联，二极管III和二极管IV串联，两组串联二极管并联，二极管I和二极管IV的正极接地，二极管II和二极管III的负极连接高压储能电容的正极。

如图3所示，真空放电管包括两个带引出头的放电极，放电极间留有间隙，并由玻璃绝缘外壳密封装，内部充入低压氮氢混合气。

点火线缆为常用5KV高压绝缘线缆，外敷金属编制层，屏蔽点火能量的电磁干扰。

点火枪由金属、绝缘陶瓷和半导体材料复合加工而成。

全桥高能点火装置的工作原理为：交流工频220V或110V，通过大功率CD型变压器升压，经高压整流桥变换成高压脉动直流对高压储能电容充电。当电容器上电压升至真空放电管击穿电压时，放电电流经放电管、屏蔽电缆直至在半导体电嘴，电流经过电嘴内芯后，击穿内芯和外壳之间的半导体氧化铝陶瓷，产生电弧火花。当点火器停止工作时，电容器上的剩余电荷通过刹车电阻泄放，如图2。

本实施例全桥高能点火装置点火通过对装置中的高压大容量电容定压充放电来完成，

本装置实现低压高能点火，其关键技术有三点，分别为：1、更低电压开启的真空放电管；2、高速开关的高压全桥整流桥的应用；3、更低击穿电压的半导体点火枪。

1、更低电压开启的真空放电管：点火器电路中的真空放电管内部由两个带引出头的放电极组成，电极间留有间隙，并由玻璃绝缘外壳密封装起来，内部充入一定比例的低压氮氢混合气。当放电管两端电压不高时，放电管呈高阻抗(约650MΩ)，当两端电压提高到击穿电压后，放电管内两电极间开始放电，且从辉光放电迅速转为大能量弧光放电，放电管呈极低阻抗状况，当高压储能电容电压降低至弧光放电维持电压以下，放电停止，电管又恢复到高阻抗状况。经过反复实验，调整真空发电管内的氮氢充气比例和气压，使本装置的真空放电管击穿所需的电压最低可达到为1800V，其在电路中的作用相当于开关，控制电容充放电。

2、高速开关的高压全桥整流桥的应用：点火装置的供电是交流供电，而点火枪打火需要的是直流电，电源的交流电经过升压达到预定打火的电压后，需要对高压交流电进行整流，对一般市电电压的整流使用的是二极管或二极管组成的整流桥，但对于中等电流高电压的电路来说，单只二极管无法达到所需耐压值，故一般需要将一系列二极管串联(几个到几十个)，来达到为高压交变电流整流的目的，这种多个二极管串联组成的元器件叫高压硅堆。高压硅堆整流虽然能够耐高压，但由于其内部每个二极管都有开启和关断时间，而高压硅堆整体的开启和关断时间远远高于各个二极管开关时间的代数和，使得高压硅堆的开启和关断时间在ms这个量级上。并且过大的开关时间也造成高压硅堆不能搭建全桥整流电路，如果用高压硅堆搭建整流桥，由于其过慢的开关时间，其一个周期的交流电信号中，正周期无法在负周期开启时有效关闭，会造成短路烧毁整流桥的后果。为了解决以上问题，专门定制了适合高压的使用氮化镓PN结的二极管和二极管组成的整流桥，开关速度可以和普通二极管一样，且耐压最高能到4000V。并在其上安装散热装置，减少整流桥开关产生的热量，实现了兼顾高压和全桥高效整流的目的。

3、更低击穿电压的半导体点火枪：本装置使用电容储能，真空发电管开关控制充放电，点火枪电打火。现今常用的点火电嘴为半导体电嘴与火花塞电嘴,而这两种点火方式各存在着不可避免的优缺点：半导体的优点是能量大，可在恶劣环镜中使用并有良好的放电点火功能，并且有耐热抗结焦等优点。可是在特定耐压和安装方式环境下也有着无法满足需求的地方。火花塞可以对耐压及任意位置安装有着完美特性,可是对恶劣环境及结焦较大的点火就不能使用。针对上述情况和更低电压的打火要求，研制了新型半导体耐压点火电枪，如图4所示，其由点火枪外壳1、半导体氧化铝陶瓷2、绝缘陶瓷3、前电极4、铜垫5和后电极6组成，前电极4外部套半导体氧化铝陶瓷2，后电极6外部套绝缘陶瓷3，前电极4和后电极6之间通过铜垫5隔开，前电极4、铜垫5和后电极6组成点火枪的发电内芯，发电内芯装入点火枪外壳1中；半导体耐压点火电枪的结构缝隙之间用硅橡胶密封。使用时，在燃烧室上打一螺纹孔，点火枪外壳1前端的螺纹负责与其连接，点火枪外壳1的后螺纹与点火电缆连接以输入打火所需的高压电流，铜垫5作为整个结构中最软的部分，也起到了变形协调和耐压的作用，绝缘陶瓷3起到阻隔绝缘点火枪外壳1和后电极6的作用。其中半导体氧化铝陶瓷2在发火端面侧大约3mm厚的氧化铝中掺杂导电杂质，可使其导电，电流从中心电极直接沿着半导体氧化铝导电，而不需要击穿空气，故导电电压比火花塞电嘴更小，由于只有接近头部很薄的一层才有半导体氧化铝陶瓷，使其电流密度更大，更容易产生火花，也比普通半导体陶瓷导通电压更小。另外，此点火枪具有高能高压高密封性，有较高的防腐、防结焦性，可在恶劣环境下使用，此电嘴可承载10MPa的压力下工作，完全做到密封不泄漏。

本装置输入工作电压，经升压、整流获得直流脉动高压，向高压储能电容充电，储能元件达到真空放电管开启电压后，电能即通过放电元件，经点火电缆及高压点火枪将电能集中在其上的半导体氧化铝陶瓷上，击穿半导体，同时产生高温脉冲电火花，引燃燃气、轻油、重油或渣油等，点火器的充放电动态特性可由高压储能电容两端的电压值变化来表征，如图5为示波器显示数据，其表示了一种放电频率18.333Hz、储能电容6uF、真空放电管击穿电压2000V的全桥高能点器动态充放电特性。可见，每一次的放电电压的幅度都很稳定，示波器上显示的放电频率也无变化，达到了更低电压和更高频率的设计和使用要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种全桥高能点火装置，其特征在于，包括点火器、点火电缆和点火枪；点火器、点火电缆及点火枪通过螺纹连接，直接点燃天然气、液化石油气、煤油、柴油、重油、渣油与空气混合之气体；

所述点火器中封装有点火电路，点火电路包括大功率CD型升压变压器、全桥高压整流桥、高压储能电容、真空放电管、刹车电阻和高压绝缘接头；大功率CD型升压变压器的主线圈连接交流电源，副线圈一端接地，另一端连接刹车电阻的一端，刹车电阻的另一端连接全桥高压整流桥的I端，全桥高压整流桥的II端和IV端接地，全桥高压整流桥的III端连接高压储能电容的正极，高压储能电容的负极连接真空放电管的一端，真空放电管的另一端连接点火枪；

所述点火枪采用半导体耐压点火电枪，包括点火枪外壳、半导体氧化铝陶瓷、绝缘陶瓷、前电极、铜垫和后电极，前电极外部套半导体氧化铝陶瓷，后电极外部套绝缘陶瓷，前电极和后电极之间通过铜垫隔开，前电极、铜垫和后电极组成点火枪的发电内芯，发电内芯装入点火枪外壳中；半导体耐压点火电枪的结构缝隙之间用硅橡胶密封；

所述半导体氧化铝陶瓷在发火端面侧3mm厚的氧化铝中掺杂导电杂质，使其导电；

所述点火枪使用时，在燃烧室上打一螺纹孔，点火枪外壳前端的螺纹与燃烧室连接，点火枪外壳的后螺纹与点火电缆连接以输入打火所需的高压电流。

2.如权利要求1所述的全桥高能点火装置，其特征在于，所述全桥高压整流桥包括四个二极管，二极管I和二极管II串联，二极管III和二极管IV串联，两组串联二极管并联，二极管I和二极管IV的正极接地，二极管II和二极管III的负极连接高压储能电容的正极。

3.如权利要求2所述的全桥高能点火装置，其特征在于，所述二极管选用氮化镓PN结的二极管。

4.如权利要求3所述的全桥高能点火装置，其特征在于，所述全桥高压整流桥上安装散热装置。

5.如权利要求4所述的全桥高能点火装置，其特征在于，所述真空放电管包括两个带引出头的放电极，放电极间留有间隙，并由玻璃绝缘外壳密封装，内部充入低压氮氢混合气。

6.如权利要求5所述的全桥高能点火装置，其特征在于，所述点火电缆为5KV高压绝缘线缆，外敷金属编制层，屏蔽点火能量的电磁干扰。