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1 电弧等离子体基础知识1

1.1 电弧等离子体的产生1

1.2 电弧等离子体的特点3

1.3 电弧等离子体的工作形式6

1.4 电弧等离子体特性7

1.5 电弧等离子体系统及其现状8

1.5.1 电弧等离子体系统的构成8

1.5.2 电弧等离子体系统的现状及发展趋势10

2 电弧等离子体发生器12

2.1 约束型电弧等离子体发生器12

2.1.1 约束型电弧等离子体发生器的特点12

2.1.2 约束型等离子体发生器的设计要求13

2.1.3 电弧等离子体发生器的基本结构形式14

2.2 再约束型电弧等离子体发生器20

2.2.1 机械约束21

2.2.2 气体再约束21

2.2.3 水再约束21

2.2.4 磁场再约束23

2.3 自由电弧等离子体发生器28

3 直流等离子体电源能量的高效变换技术30

3.1 等离子体电源的分类及其发展30

3.1.1 等离子体电源的分类30

3.1.2 等离子体电源的发展31

3.2 主电路拓扑结构的选择32

3.3 全桥硬开关逆变式等离子体电源34

3.3.1 硬开关换流原理34

3.3.2 驱动波形测试35

3.3.3 主变压器二次侧波形测试36

3.3.4 主变压器一次侧电流波形测试36

3.3.5 快恢复整流电压波形测试37

3.3.6 IGBT电流及电压波形38

3.4 全桥软开关等离子体电源技术38

3.4.1 全桥软开关技术的发展39

3.4.2 移相全桥软开关逆变拓扑结构分析41

3.5 改进型的移相零电压软开关电路45

3.5.1 软开关换流原理及过程45

3.5.2 系统仿真研究50

3.5.3 基于饱和电感阻断的ZVS软开关电路特点53

3.5.4 谐振换流参数的设计55

3.5.5 实验研究及分析58

3.6 ZVZCS软开关变换技术64

3.6.1 软开关换流过程64

3.6.2 实现ZVS和ZCS的条件及策略67

3.6.3 仿真研究和功率实验分析68

3.7 软开关与硬开关电源的比较70

4 大功率变极性等离子体电源能量的高效变换技术72

4.1 变极性拓扑基本结构及原理72

4.1.1 变极性电源的结构组成73

4.1.2 变极性电源工作原理分析75

4.1.3 电流换向过程高压稳弧原理77

4.2 关键部件参数设计与选型78

4.2.1 工频整流桥的选择78

4.2.2 输入滤波电容的选择78

4.2.3 功率开关管IGBT的选择79

4.2.4 功率变压器的设计80

4.2.5 谐振电感的设计82

4.2.6 快速整流二极管的选择83

4.2.7 输出滤波电感的设计83

4.2.8 后级逆变桥IGBT的选择83

4.2.9 尖峰抑制吸收电路的设计84

4.3 系统仿真及结果分析85

4.3.1 仿真环境及仿真电路原理85

4.3.2 前级逆变电路的仿真86

4.3.3 后级逆变电路的仿真88

4.4 实验研究及验证90

4.4.1 双逆变桥驱动波形90

4.4.2 主变压器波形测试92

4.4.3 前级逆变桥开关波形93

4.4.4 后级逆变桥输出波形95

4.4.5 实际工艺过程波形97

5 等离子体能量的精密数字功率转换技术98

5.1 数字功率转换基础98

5.2 数字化控制系统的结构与功能99

5.2.1 DSC控制器及其最小系统101

5.2.2 JTAG调试电路103

5.2.3 外围电路供电电源103

5.2.4 IGBT驱动电路104

5.2.5 一次侧过流保护电路104

5.2.6 电流电压反馈电路106

5.2.7 DA光耦隔离与放大电路107

5.2.8 系统故障检测与保护电路109

5.2.9 通信接口电路110

5.2.10 IO接口电路111

5.3 人机交互的数字化111

5.3.1 数字化面板112

5.3.2 可视化人机交互系统115

5.4 数字化控制软件的设计120

5.4.1 Keil软件开发工具120

5.4.2 FreeRTOS实时内核122

5.4.3 任务设计及管理123

5.4.4 数字PWM的产生129

5.4.5 数字调节规律134

5.5 电源性能测试139

5.5.1 静特性测试139

5.5.2 动特性测试140

5.5.3 能效测试141

6 电弧等离子体电源系统功率增强方法143

6.1 基于仿生学的电源系统优化方法143

6.1.1 人体系统的可靠性机制143

6.1.2 电弧等离子体电源仿生优化的实践144

6.2 多智能节点型功率模块的数字化协同147

6.2.1 数字协同网络的选择147

6.2.2 CAN协同网络的延时问题150

6.2.3 CAN网络协同程序设计152

6.2.4 CAN网络协同控制实验153

6.3 并联均流策略154

6.3.1 常用均流方法工作原理154

6.3.2 数字均流策略157

6.3.3 实际均流效果158

6.4 智能冗余策略158

6.4.1 智能冗余的实现方法158

6.4.2 智能冗余效果测试161

7 强等离子体能量传递可靠性优化设计163

7.1 双闭环控制策略163

7.1.1 电流模式反馈控制163

7.1.2 平均电流－峰值电流双闭环控制164

7.1.3 双电流闭环控制的特征171

7.1.4 峰值电流控制电路设计的关键问题173

7.2 功率变压器的偏磁校正176

7.2.1 变压器偏磁过程分析176

7.2.2 隔直电容的偏磁抑制作用177

7.2.3 双闭环控制的偏磁调节作用177

7.3 驱动可靠性设计178

7.3.1 高频驱动要求178

7.3.2 脉冲变压器驱动电路179

7.3.3 基于非神经超前反馈与保护的高频驱动技术179

7.3.4 新型驱动器驱动实验185

7.4 系统抗干扰措施191

7.4.1 干扰源分析191

7.4.2 硬件抗干扰措施193

7.4.3 软件抗干扰措施193

7.4.4 具体抗干扰措施实例194

7.5 逆变器的热设计196

7.5.1 IGBT功耗和散热设计196

7.5.2 功率变压器的热设计198

7.5.3 过热保护199

7.6 新一代宽禁带器件对等离子体系统综合性能的提升199

7.6.1 WBG半导体材料的特点200

7.6.2 WBG功率器件对等离子体逆变器性能的提升201

7.6.3 基于WBG功率器件的新一代等离子体逆变器203

8 电弧等离子体工艺过程的数字化管理209

8.1 电弧等离子体系统的数字化集成209

8.1.1 电弧等离子体系统的结构及功能209

8.1.2 综合管理系统的构成210

8.2 综合管理系统界面开发212

8.2.1 MATLAB与VB混合编程的实现方法212

8.2.2 通信界面的设计213

8.2.3 波形显示模块的设计215

8.2.4 综合管理系统的通信接口及波特率的选择217

8.2.5 通信界面任务的设计217

8.2.6 联机实验218

8.3 数据采集、处理及分析220

8.3.1 数据采集与数字化处理220

8.3.2 数据的分析方法221

8.3.3 小波变换分析技术223

8.3.4 数据采集及处理流程225

8.4 图像与电信号的多信息协同感知与分析226

9 高效电弧等离子体技术的应用231

9.1 工业固废等离子体清洁处理技术231

9.1.1 电子废弃物的等离子体资源化处理231

9.1.2 工业固废的等离子体减量化、清洁化处理235

9.1.3 危险固体废弃物的等离子体清洁处理235

9.2 核废料等离子体清洁处理技术237

9.2.1 等离子体离心处理系统237

9.2.2 等离子体气化熔融废物处理技术238

9.2.3 等离子体减容设备238

9.2.4 废树脂等离子体处理技术239

9.3 电弧等离子体清洁点火技术240

9.3.1 等离子体无油点火技术240

9.3.2 等离子体点火技术在发动机点火中的应用245

9.4 煤化工中的等离子体清洁生产技术245

9.4.1 热等离子体裂解煤制乙炔技术246

9.4.2 等离子体煤气化制合成气技术246

9.4.3 等离子法合成碳纳米管技术247

9.4.4 等离子裂解煤制炭黑技术247

9.5 高性能等离子弧切割技术247

9.5.1 等离子弧切割特点247

9.5.2 等离子弧切割分类及其应用249

9.5.3 中厚板等离子弧切割设备及工艺250

9.5.4 磁再约束等离子弧精细切割265

9.6 等离子弧焊接278

9.6.1 通用等离子弧焊接方法278

9.6.2 等离子－复合热源焊接280

9.6.3 机器人VPPA等离子弧焊接282

9.6.4 等离子弧焊接的不足及缺陷283

9.6.5 等离子弧焊接的应用范围284

9.7 等离子弧增材制造284

9.7.1 丝材熔积等离子弧增材制造原理285

9.7.2 等离子弧增材制造的进展及问题286

9.8 等离子弧喷涂288

9.9 等离子体镀膜289

参考文献291