導(dǎo)語：電弧等離子體激勵(lì)電源分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：氣體放電機(jī)理的研究是很多物理領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)，放電電源是氣體放電的關(guān)鍵設(shè)備。針對(duì)氣體放電時(shí)復(fù)雜的工況和其特殊的負(fù)阻特性，提出并研制了一種以CPLD和PLC結(jié)合控制的放電電源。對(duì)電源主功率電路、數(shù)字控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電路的工作原理和設(shè)計(jì)理念作了詳細(xì)的闡述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)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(duì)核聚變科學(xué)研究電弧等離子體具有典型的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氣體放電；電弧等離子體；負(fù)阻特性；恒流特性

1概述

飛行器在高速飛入太空時(shí)，在其周圍會(huì)形成一種極其復(fù)雜的等離子鞘套，鞘套厚度約為10cm左右，該鞘套會(huì)吸收或者反射電磁波，從而造成飛行器與外界的通信信號(hào)衰減甚至中斷，即黑障效應(yīng)。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(dá)30000K）[1]、能流密度大和良好的控制性等特點(diǎn)，現(xiàn)已在節(jié)能、減排、增效、環(huán)保等多領(lǐng)域備受青睞[2]。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家已將等離子體技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)固廢處理、切割、焊接、冶煉及點(diǎn)火等眾多領(lǐng)域[3]，國(guó)內(nèi)也正在推廣使用。要實(shí)現(xiàn)等離子體技術(shù)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(lì)電源是其關(guān)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(jié)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(shí)稱場(chǎng)致電離，但在航空航天領(lǐng)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(shí)際工況的應(yīng)用情況，電弧等離子體負(fù)載呈一種負(fù)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(zhǎng)時(shí)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(diào)。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(qiáng)的抗浪涌能力來滿足電弧等離子體對(duì)放電電源這種苛刻的供電要求，并采用運(yùn)算速度快、抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)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(gòu)成

從電弧等離子體工作原理來分析，交流激勵(lì)和直流激勵(lì)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(lì)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(duì)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(yīng)用在開關(guān)電源中，以及與電力電子技術(shù)相關(guān)的其他學(xué)科不斷改進(jìn)和飛速發(fā)展，直流激勵(lì)一般采用開關(guān)電源的方式獲取直流電，但是由于開關(guān)電源在逆變環(huán)節(jié)所使用的開關(guān)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(guān)器件串并聯(lián)的方式工作，由于所選用開關(guān)器件的參數(shù)和靜態(tài)特性不可能完全一致，實(shí)際使用時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行串聯(lián)均壓和并聯(lián)均流的措施來彌補(bǔ)這種不足，不僅使電源系統(tǒng)復(fù)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(lì)電源的不足，設(shè)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jìn)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(dāng)主電路上電且接收到外部控制面板的合閘信號(hào)時(shí)，進(jìn)線側(cè)的交流接觸器觸點(diǎn)吸收，主電路通電。工作時(shí)每個(gè)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(dǎo)通規(guī)律工作，每個(gè)晶閘管在一個(gè)工作周期內(nèi)都導(dǎo)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(guān)瞬間或過載工作時(shí)，會(huì)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(shí)電力電子器件對(duì)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(shí)，器件會(huì)立即被損壞，而過電壓在實(shí)際工作時(shí)經(jīng)常發(fā)生，如激勵(lì)電源進(jìn)線交流接觸器分/合閘、晶閘管換相和關(guān)斷以及雷電均會(huì)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(shí)際中，選取管子額定電壓和電流時(shí)一般都會(huì)考慮2~3倍的安全裕量[6]。此外，由于等離子體激勵(lì)電源對(duì)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(shí)長(zhǎng)期工作，不僅會(huì)縮短器件的壽命，且工作效率也較低。通過以上計(jì)算和分析，最終選擇了中國(guó)中車集團(tuán)公司生產(chǎn)的扁平式晶閘管，型號(hào)為：Y38KPJ，該晶閘管通態(tài)平均電流，IT（AV）=100（A），反向重復(fù)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(lì)電源整流橋晶閘管采用了RC吸收電路對(duì)其進(jìn)行過電壓保護(hù)，緩沖電路直接并聯(lián)在其每個(gè)晶閘管的陰陽極之間，既能對(duì)整流臂晶閘管瞬態(tài)過電壓吸收，又可抑制開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)正向電壓上升率，RC參數(shù)計(jì)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(cè)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(gè)整流臂串聯(lián)晶閘管個(gè)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(lì)電源的控制系統(tǒng)是以CPLD和PLC為核心，將CPLD較強(qiáng)的運(yùn)算能力、可靈活重復(fù)編程性和PLC超強(qiáng)的抗干擾能力結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一套高效率、高性能、高精度的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能圖如圖2所示，內(nèi)容涉及了同步信號(hào)采集電路、驅(qū)動(dòng)電路、輸出電壓電流檢測(cè)電路、保護(hù)電路、監(jiān)控電路以及外部控制面板功能。兩個(gè)控制器分工明確，CPLD主要負(fù)責(zé)將采集回來的各種信號(hào)通過運(yùn)算并結(jié)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(shí)，將采集回來的電流信號(hào)經(jīng)PID運(yùn)算后發(fā)出相應(yīng)移相角度的控制脈沖，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒流調(diào)節(jié)；當(dāng)檢測(cè)到主電路有故障發(fā)生時(shí)，立刻封鎖脈沖，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。PLC主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，將系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)情況傳給上位機(jī)，便于后續(xù)工作人員對(duì)系統(tǒng)工作情況的分析；此外，還負(fù)責(zé)系統(tǒng)電流給定調(diào)節(jié)、分/合閘操作、上電解/封鎖脈沖、本地控制和遠(yuǎn)程控制的切換以及復(fù)位功能。

4驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，不僅需要有較強(qiáng)的隔離能力，還需將控制信號(hào)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(shí)質(zhì)是將發(fā)光二極管和光敏晶體管封裝在一起，不僅會(huì)使控制發(fā)生延時(shí)還會(huì)使其波形發(fā)生畸變。在強(qiáng)激勵(lì)下，前沿波形較好，后延畸變厲害；激勵(lì)不足時(shí)，前沿波形畸變厲害，后沿波形較好。從而影響開關(guān)器件的開通和關(guān)斷時(shí)間，所以實(shí)際用于中一般需將光耦輸出的信號(hào)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(huì)使控制系統(tǒng)復(fù)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(qū)動(dòng)晶閘管。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。圖3中當(dāng)來自移相觸發(fā)板的脈沖g1為低電平時(shí)，晶體管T1截止，脈沖變壓器T0的原邊無電流流過，此時(shí)二次側(cè)無感應(yīng)電壓，所以驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通，則脈沖變壓器T0原邊就會(huì)有電流流過，其二次側(cè)便有感應(yīng)電壓，該脈沖電壓經(jīng)二極管VD2、VD3整形并削去負(fù)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(gòu)成給脈沖變壓器在脈沖消失時(shí)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(cè)的脈沖為正負(fù)脈沖，防止了脈沖變壓器的飽和。另外電阻R2、C1構(gòu)成抗干擾網(wǎng)絡(luò)，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(shí)提供指示，使在工作時(shí)，沒有接入示波器的情況下仍可隨時(shí)了解到觸發(fā)脈沖是否正常。

5實(shí)驗(yàn)與分析

圖4為在實(shí)際工況下主電路帶載時(shí)測(cè)得晶閘管VT1門陰極兩端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由圖4可知，驅(qū)動(dòng)脈沖前沿很陡，寬度為18°，最大幅值為3.5V，強(qiáng)觸發(fā)時(shí)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(dǎo)通。為了保證晶閘管可靠地導(dǎo)通，在上下橋臂晶閘管換相時(shí)，給還需繼續(xù)導(dǎo)通的晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)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(dǎo)通角最大時(shí)，電弧等離子體負(fù)載兩端的電壓波形如圖6所示。

6結(jié)語

所設(shè)計(jì)的電弧等離子體激勵(lì)電源具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間在實(shí)際工況中的應(yīng)用效果表明：該等離子體激勵(lì)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(shí)電弧等離子體穩(wěn)定、無抖動(dòng)閃爍。

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作者:劉衛(wèi)華 孫立萌 梁哲 單位:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所