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摘要：氣體放電機理的研究是很多物理領域研究的基礎，放電電源是氣體放電的關鍵設備。針對氣體放電時復雜的工況和其特殊的負阻特性，提出并研制了一種以CPLD和PLC結合控制的放電電源。對電源主功率電路、數(shù)字控制系統(tǒng)及驅動電路的工作原理和設計理念作了詳細的闡述。實驗結果與實際的使用均表明，本系統(tǒng)在氣體放電過程中電源工作穩(wěn)定且有良好的恒流特性，對核聚變科學研究電弧等離子體具有典型的應用價值。

關鍵詞：氣體放電；電弧等離子體；負阻特性；恒流特性

1概述

飛行器在高速飛入太空時，在其周圍會形成一種極其復雜的等離子鞘套，鞘套厚度約為10cm左右，該鞘套會吸收或者反射電磁波，從而造成飛行器與外界的通信信號衰減甚至中斷，即黑障效應。所以產(chǎn)生等離子體研究這種現(xiàn)象非常有意義。此外，電弧等離子體因具有溫度高（達30000K）[1]、能流密度大和良好的控制性等特點，現(xiàn)已在節(jié)能、減排、增效、環(huán)保等多領域備受青睞[2]。目前，工業(yè)發(fā)達的國家已將等離子體技術應用在工業(yè)固廢處理、切割、焊接、冶煉及點火等眾多領域[3]，國內(nèi)也正在推廣使用。要實現(xiàn)等離子體技術的全面推廣，具有高可靠性和優(yōu)良控制性能的大功率等離子體激勵電源是其關鍵。在工業(yè)生產(chǎn)中，獲取等離子的方式雖然有很多種，但是歸結起來主要有3種[4]：即熱電離、光輻射電離和放電電離，放電電離有時稱場致電離，但在航空航天領域一般采用放電電離的方式來獲取穩(wěn)定的等離子體。根據(jù)電源-電弧理論以及等離子體在實際工況的應用情況，電弧等離子體負載呈一種負阻特性，要保證其能量可持續(xù)保持在幾百千瓦或幾兆瓦，放電電源需長時間工作在高壓大電流狀態(tài)。一般保持3mm左右的等離子體流，起弧電壓約5kV，電流約1A；維持電壓約300V，電流約160A，且需要在其范圍內(nèi)可連續(xù)可調。放電電源主功率電路采用了三相橋式全控整流電路，利用晶閘管較大的單管容量和較強的抗浪涌能力來滿足電弧等離子體對放電電源這種苛刻的供電要求，并采用運算速度快、抗干擾能力強的數(shù)字控制系統(tǒng)對其進行控制，提高了放電電源的可靠性和靈活性。

2放電原理及系統(tǒng)構成

從電弧等離子體工作原理來分析，交流激勵和直流激勵均可使放電電極之間的氣體被擊穿[5]，發(fā)生放電現(xiàn)象。交流激勵一般采用工頻變壓器直接升壓后將其氣體擊穿，但因存在體積大、消耗鐵銅金屬材料較多、對電網(wǎng)沖擊厲害且功率因數(shù)極低而很少被采用。隨著新電磁材料和新控制理論的不斷出現(xiàn)并應用在開關電源中，以及與電力電子技術相關的其他學科不斷改進和飛速發(fā)展，直流激勵一般采用開關電源的方式獲取直流電，但是由于開關電源在逆變環(huán)節(jié)所使用的開關器件大多為IGBT或MOSFET，因其單管容量較小，所以在大功率放電電源中只能采用開關器件串并聯(lián)的方式工作，由于所選用開關器件的參數(shù)和靜態(tài)特性不可能完全一致，實際使用時必須對其進行串聯(lián)均壓和并聯(lián)均流的措施來彌補這種不足，不僅使電源系統(tǒng)復雜化而且因環(huán)節(jié)較多使系統(tǒng)的可靠性也大大地降低?；诂F(xiàn)有等離子體激勵電源的不足，設計了一種額定輸出電壓為500V，額定輸出電流為300A的放電電源，主功率電路拓撲結構為三相全控整流橋，主電路原理圖如圖1所示。主電路主要內(nèi)容涉及進線交流接觸器、工頻整流變壓器、三相整流橋電路、RC吸收電路和低通LC濾波電路。工作原理為：當主電路上電且接收到外部控制面板的合閘信號時，進線側的交流接觸器觸點吸收，主電路通電。工作時每個周期整流橋晶閘管器件均按照VT1、VT2→VT2、VT3→VT3、VT4→VT4、VT5→VT5、VT6→VT6、VT1的導通規(guī)律工作，每個晶閘管在一個工作周期內(nèi)都導通120°。2．1整流橋輸入線電壓。（1-1）2．2整流臂晶。閘管平均通態(tài)電流（1-2）電力電子器件抗電流浪涌能力都較差，晶閘管也不例外，在其開關瞬間或過載工作時，會流過大于器件額定值的工作電流，器件極易因管芯溫度迅速升高而燒壞，且過電流是電力電子電路最容易發(fā)生且最容易損壞器件的主要原因之一；同時電力電子器件對電壓也是十分敏感，一旦外加電壓超過器件最大額定電壓時，器件會立即被損壞，而過電壓在實際工作時經(jīng)常發(fā)生，如激勵電源進線交流接觸器分/合閘、晶閘管換相和關斷以及雷電均會引起過電壓，所以為了確保電路可以安全可靠的工作，在工程實際中，選取管子額定電壓和電流時一般都會考慮2~3倍的安全裕量[6]。此外，由于等離子體激勵電源對效率的要求較高，如果選擇容量較小的晶閘管讓其在接近管子額定值時長期工作，不僅會縮短器件的壽命，且工作效率也較低。通過以上計算和分析，最終選擇了中國中車集團公司生產(chǎn)的扁平式晶閘管，型號為：Y38KPJ，該晶閘管通態(tài)平均電流，IT（AV）=100（A），反向重復峰值電壓VRRM=3000（V），dv/dt=1000V/μs，di/dt=100A/μs，斷態(tài)漏電流范圍為34~39mA。2．3RC吸收電路。激勵電源整流橋晶閘管采用了RC吸收電路對其進行過電壓保護，緩沖電路直接并聯(lián)在其每個晶閘管的陰陽極之間，既能對整流臂晶閘管瞬態(tài)過電壓吸收，又可抑制開關管在導通時正向電壓上升率，RC參數(shù)計算如下：（1-3）（1-4）（1-5）式中：CS—整流橋RC吸收電路電容（μF）IT（AV）—閥側器件額定正向平均電流（A）RS—整流橋RC吸收電路電阻（Ω）PRS—RC吸收電路功率損耗（W）f—電源頻率（Hz）UARM—臂反向工作峰值電壓（V）ns—每個整流臂串聯(lián)晶閘管個數(shù)換相吸收電阻R01-R06最終選擇了30W/10歐姆線繞電阻，換相吸收電容C01-C06為0.5μF/750V的CBB電容。

3控制系統(tǒng)

等離子體激勵電源的控制系統(tǒng)是以CPLD和PLC為核心，將CPLD較強的運算能力、可靈活重復編程性和PLC超強的抗干擾能力結合在一起，設計了一套高效率、高性能、高精度的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)結構及功能圖如圖2所示，內(nèi)容涉及了同步信號采集電路、驅動電路、輸出電壓電流檢測電路、保護電路、監(jiān)控電路以及外部控制面板功能。兩個控制器分工明確，CPLD主要負責將采集回來的各種信號通過運算并結合外部有無故障，給主功率電路發(fā)送觸發(fā)脈沖[7]；主電路正常工作時，將采集回來的電流信號經(jīng)PID運算后發(fā)出相應移相角度的控制脈沖，實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流調節(jié)；當檢測到主電路有故障發(fā)生時，立刻封鎖脈沖，對其進行保護。PLC主要負責與上位機通信，將系統(tǒng)在運行時實時情況傳給上位機，便于后續(xù)工作人員對系統(tǒng)工作情況的分析；此外，還負責系統(tǒng)電流給定調節(jié)、分/合閘操作、上電解/封鎖脈沖、本地控制和遠程控制的切換以及復位功能。

4驅動電路

驅動電路作為功率主電路和控制電路的接口電路，是電力電子系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)，不僅需要有較強的隔離能力，還需將控制信號功率放大。隔離電路一般采用光隔離或電磁隔離；光隔離一般采用光耦器件，光耦實質是將發(fā)光二極管和光敏晶體管封裝在一起，不僅會使控制發(fā)生延時還會使其波形發(fā)生畸變。在強激勵下，前沿波形較好，后延畸變厲害；激勵不足時，前沿波形畸變厲害，后沿波形較好。從而影響開關器件的開通和關斷時間，所以實際用于中一般需將光耦輸出的信號經(jīng)整形電路后才可使用，整形電路一般采用施密特電路，這就會使控制系統(tǒng)復雜化。由CPLD直接輸出的控制脈沖，因主電路三相整流橋中被觸發(fā)的晶閘管陰極電位有很大的差別，所以控制脈沖不可直接送至被控晶閘管的門-陰極，更重要的晶閘管屬于電流型器件，需要一定的功率才可將其可靠觸發(fā)，而CPLD輸出電流能為數(shù)10毫安，根本無法直接去驅動晶閘管。設計的驅動電路如圖3所示。圖3中當來自移相觸發(fā)板的脈沖g1為低電平時，晶體管T1截止，脈沖變壓器T0的原邊無電流流過，此時二次側無感應電壓，所以驅動電路的端口（G1、K1之間）無觸發(fā)脈沖出現(xiàn)；一旦控制脈沖g1變?yōu)楦唠娖?，晶體管T1導通，則脈沖變壓器T0原邊就會有電流流過，其二次側便有感應電壓，該脈沖電壓經(jīng)二極管VD2、VD3整形并削去負半波后提供給被觸發(fā)晶閘管，使其被可靠觸發(fā)。圖3中二極管VD1及穩(wěn)壓管Z1、Z2構成給脈沖變壓器在脈沖消失時的電感能量提供一通路，由于穩(wěn)壓管Z1、Z2的存在，保證了耦合到脈沖變壓器T1二次側的脈沖為正負脈沖，防止了脈沖變壓器的飽和。另外電阻R2、C1構成抗干擾網(wǎng)絡，防止干擾脈沖造成晶閘管的誤觸發(fā)；圖3中R1、VL1支路用來為電路正常工作時提供指示，使在工作時，沒有接入示波器的情況下仍可隨時了解到觸發(fā)脈沖是否正常。

5實驗與分析

圖4為在實際工況下主電路帶載時測得晶閘管VT1門陰極兩端的驅動信號，由圖4可知，驅動脈沖前沿很陡，寬度為18°，最大幅值為3.5V，強觸發(fā)時間約為250μs，穩(wěn)定觸發(fā)脈沖約為600mV，可以可靠、有效地控制晶閘管的導通。為了保證晶閘管可靠地導通，在上下橋臂晶閘管換相時，給還需繼續(xù)導通的晶閘管補發(fā)一個脈沖，即采用雙窄脈沖控制方法，如圖5所示，從圖5中可以看出兩觸發(fā)脈沖前后沿相差約60°。晶閘管導通角最大時，電弧等離子體負載兩端的電壓波形如圖6所示。

6結語

所設計的電弧等離子體激勵電源具有可靠性高、抗干擾能力強和結構簡單的優(yōu)點。經(jīng)長時間在實際工況中的應用效果表明：該等離子體激勵電源在氣體放電過程中有良好的恒流特性和穩(wěn)弧特性，即工作時電弧等離子體穩(wěn)定、無抖動閃爍。

參考文獻

[1]陳要玲.IGBT逆變式等離子弧切割電源[D].蘭州理工大學,2008:2-4.

[2]王振民,等.高效電弧等離子體技術及其應用[M].華南理工大學出版社,2018.

[3]MurphyAB,ColomboV,MostaghimiJ.Arcwelding,plasmacuttingandplasmaspraying[J].JournalofPhysicsDAppliedPhysics,2013,46(46):220-301.

[4]鄭春開.等離子體物理[M].北京：北京大學出版社,2009：20-21.

[5]王兆安,張明勛.電力電子設計和應用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[6]王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009.

[7]李宏,范柳絮,趙棟.基于CPLD的相序自適應晶閘管數(shù)字觸發(fā)器設計[J].電氣應用,2008.

作者:劉衛(wèi)華 孫立萌 梁哲 單位:中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術研究所