[发明专利]一种用于大功率气体放电电子枪的逆变电源装置

说明书

技术领域

本发明关于电源技术领域，特别是关于逆变电源装置技术领域，具体的讲是一种用于大功率气体放电电子枪的逆变电源装置。

背景技术

电子束熔炼是20世纪80年代发展起来的熔炼技术，是一种生产洁净金属的先进熔炼技术。该项技术已经用于冶炼钛、铌、钼、铂、锆等贵重金属。目前，美国已经将航空旋转件、结构件所用钛合金材料的真空电子束冷床炉熔炼技术纳入到航空标准中，国内已经开始采用电子束熔炼技术冶炼钛合金。电子束熔炼技术的核心设备是电子束流发生系统，主要包括电子枪、加速高压电源、束流控制系统。

目前，电子束熔炼炉中常用的电子束流发生系统的电子枪为热阴极电子枪，阴极被直接或间接加热，产生大量热电子，热电子的发射量可以由束流控制系统通过调节流过灯丝的电流与偏压大小来实现。热电子被电子枪中阴极、阳极间施加的高压电场加速后，高速轰击金属材料，将大量动能转化成热能，使金属材料熔化。

热阴极电子枪的枪室真空度要求比较高，一般要求达到10^-3Pa以上，与熔炼炉室内的10^-2Pa真空度相差较大，需要独立的真空系统。热阴极的寿命一般比较短，最长使用寿命为几十个小时。频繁更换阴极将会影响工艺参数，导致金属冶炼的质量不稳定。并且在金属冶炼的高金属蒸汽环境下，常规的热阴极电子枪容易放电，很难长期稳定工作。

气体放电电子枪属于冷阴极电子枪，其基本工作原理是在电子枪的腔室内通入氢、氧混合气体，使压力达到零点几帕或数十帕，在阴极、阳极间施加几十千伏的高压，在阴极、阳极之间产生气体放电，形成等离子体，等离子体中的正离子在电场作用下轰击水冷阴极表面，产生二次电子，等离子体中的电子与阴极发射的二次电子被阴极、阳极之间的高压电场加速，经过电子枪的电磁汇聚系统聚焦后，产生电子束。

与热阴极电子枪相比，气体放电电子枪的电子束产生方式比较独特，阴极寿命比较长，对真空度要求不严格。在目前，气体放电电子枪的单枪最大功率达到600kW，阴极寿命长达1000小时以上，在10Pa～10^-2Pa均可正常工作。气体放电电子枪不需要独立真空系统，不需要频繁更换电极。

热阴极电子枪所配套的高压电源不仅需要有加速电子的高压电路，而且需要加热阴极的电路、调节束流的偏压电路。加热阴极电路、调节束流的偏压电路一般悬浮于几十甚至上百千伏加速电子的高压电路上。加热阴极电路与调节束流的偏压电路的变压器设计制造技术难度大。由于需要电路较多，使得电源结构复杂，各个电路高压部分电路之间的空间布局不合理，极易导致放电，影响设备正常工作。此外，需要多芯高压电缆将电源与电子枪联接，电缆联接端子结构复杂，制造技术难度比较大。

与热阴极电子枪所配套的高压电源相比，气体放电电子枪的高压电源相对简洁，仅需一个高压电源用于电离气体和加速电子。

对于应用于电子束熔炼炉设备中的数百KW大功率气体放电电子枪，如果采用工频升压后整流的模式制造高压电源，则由于升压变压器功率大，使得其体积极其庞大，铁损、铜损严重，电源效率低。电子枪或高压电源放电，通过功率变压器直接耦合到原边，引起电网电压大幅波动，干扰其它设备正常工作。此外，要获得平滑的高压直流电压输出，需要大容量LC滤波电路才能实现，高压滤波原件制造、选型都比较困难。

采用逆变技术设计制造大功率气体放电电子枪配套的高压电源，将频率提高到几kHz甚至几十kHz，将能有效减少变压器体积，降低高压电源损耗。但是采用一次整流滤波、逆变升压、二次整流滤波模式设计的高压电源，仍然不可避免的将电子枪或高压电源高压端的放电脉冲尖峰耦合到电网中。

目前，电子束熔炼炉设备所用大功率电子枪配套的高压电源功率一般都达到几百千瓦，通常在600kW以上，这就需要变压器原边电流达到1000A以上，用单只功率逆变变压器很难实现，即使能实现，变压器的设计制造难度也极大。变压器原边电流达到上千安，而目前电流容量大于1000A的开关元件，工作频率均较低，一般均处于噪音区，使得电源噪音很大。选择多组逆变电源并联的方式，虽然能够满足设计需求，但是需要进行复杂的均流、均压控制，使得电源设计难度很大。

针对当前电子束熔炼炉设备所用气体放电电子枪功率较大，传统工频升压电源设计制造技术损耗大且工作不稳定，常规逆变技术所需高频高压大功率开关器件选择范围有限的特点，本领域急需一种基于大功率冷阴极气体放电电子枪的电子束熔炼炉所用的高压逆变电源装置。

发明内容