电弧等离子体激励电源分析

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摘要：气体放电机理的研究是很多物理领域研究的基础，放电电源是气体放电的关键设备。针对气体放电时复杂的工况和其特殊的负阻特性，提出并研制了一种以CPLD和PLC结合控制的放电电源。对电源主功率电路、数字控制系统及驱动电路的工作原理和设计理念作了详细的阐述。实验结果与实际的使用均表明，本系统在气体放电过程中电源工作稳定且有良好的恒流特性，对核聚变科学研究电弧等离子体具有典型的应用价值。

关键词：气体放电；电弧等离子体；负阻特性；恒流特性

1概述

飞行器在高速飞入太空时，在其周围会形成一种极其复杂的等离子鞘套，鞘套厚度约为10cm左右，该鞘套会吸收或者反射电磁波，从而造成飞行器与外界的通信信号衰减甚至中断，即黑障效应。所以产生等离子体研究这种现象非常有意义。此外，电弧等离子体因具有温度高（达30000K）[1]、能流密度大和良好的控制性等特点，现已在节能、减排、增效、环保等多领域备受青睐[2]。目前，工业发达的国家已将等离子体技术应用在工业固废处理、切割、焊接、冶炼及点火等众多领域[3]，国内也正在推广使用。要实现等离子体技术的全面推广，具有高可靠性和优良控制性能的大功率等离子体激励电源是其关键。在工业生产中，获取等离子的方式虽然有很多种，但是归结起来主要有3种[4]：即热电离、光辐射电离和放电电离，放电电离有时称场致电离，但在航空航天领域一般采用放电电离的方式来获取稳定的等离子体。根据电源-电弧理论以及等离子体在实际工况的应用情况，电弧等离子体负载呈一种负阻特性，要保证其能量可持续保持在几百千瓦或几兆瓦，放电电源需长时间工作在高压大电流状态。一般保持3mm左右的等离子体流，起弧电压约5kV，电流约1A；维持电压约300V，电流约160A，且需要在其范围内可连续可调。放电电源主功率电路采用了三相桥式全控整流电路，利用晶闸管较大的单管容量和较强的抗浪涌能力来满足电弧等离子体对放电电源这种苛刻的供电要求，并采用运算速度快、抗干扰能力强的数字控制系统对其进行控制，提高了放电电源的可靠性和灵活性。

2放电原理及系统构成

从电弧等离子体工作原理来分析，交流激励和直流激励均可使放电电极之间的气体被击穿[5]，发生放电现象。交流激励一般采用工频变压器直接升压后将其气体击穿，但因存在体积大、消耗铁铜金属材料较多、对电网冲击厉害且功率因数极低而很少被采用。随着新电磁材料和新控制理论的不断出现并应用在开关电源中，以及与电力电子技术相关的其他学科不断改进和飞速发展，直流激励一般采用开关电源的方式获取直流电，但是由于开关电源在逆变环节所使用的开关器件大多为IGBT或MOSFET，因其单管容量较小，所以在大功率放电电源中只能采用开关器件串并联的方式工作，由于所选用开关器件的参数和静态特性不可能完全一致，实际使用时必须对其进行串联均压和并联均流的措施来弥补这种不足，不仅使电源系统复杂化而且因环节较多使系统的可靠性也大大地降低。基于现有等离子体激励电源的不足，设计了一种额定输出电压为500V，额定输出电流为300A的放电电源，主功率电路拓扑结构为三相全控整流桥，主电路原理图如图1所示。主电路主要内容涉及进线交流接触器、工频整流变压器、三相整流桥电路、RC吸收电路和低通LC滤波电路。工作原理为：当主电路上电且接收到外部控制面板的合闸信号时，进线侧的交流接触器触点吸收，主电路通电。工作时每个周期整流桥晶闸管器件均按照VT1、VT2→VT2、VT3→VT3、VT4→VT4、VT5→VT5、VT6→VT6、VT1的导通规律工作，每个晶闸管在一个工作周期内都导通120°。2．1整流桥输入线电压。（1-1）2．2整流臂晶。闸管平均通态电流（1-2）电力电子器件抗电流浪涌能力都较差，晶闸管也不例外，在其开关瞬间或过载工作时，会流过大于器件额定值的工作电流，器件极易因管芯温度迅速升高而烧坏，且过电流是电力电子电路最容易发生且最容易损坏器件的主要原因之一；同时电力电子器件对电压也是十分敏感，一旦外加电压超过器件最大额定电压时，器件会立即被损坏，而过电压在实际工作时经常发生，如激励电源进线交流接触器分/合闸、晶闸管换相和关断以及雷电均会引起过电压，所以为了确保电路可以安全可靠的工作，在工程实际中，选取管子额定电压和电流时一般都会考虑2~3倍的安全裕量[6]。此外，由于等离子体激励电源对效率的要求较高，如果选择容量较小的晶闸管让其在接近管子额定值时长期工作，不仅会缩短器件的寿命，且工作效率也较低。通过以上计算和分析，最终选择了中国中车集团公司生产的扁平式晶闸管，型号为：Y38KPJ，该晶闸管通态平均电流，IT（AV）=100（A），反向重复峰值电压VRRM=3000（V），dv/dt=1000V/μs，di/dt=100A/μs，断态漏电流范围为34~39mA。2．3RC吸收电路。激励电源整流桥晶闸管采用了RC吸收电路对其进行过电压保护，缓冲电路直接并联在其每个晶闸管的阴阳极之间，既能对整流臂晶闸管瞬态过电压吸收，又可抑制开关管在导通时正向电压上升率，RC参数计算如下：（1-3）（1-4）（1-5）式中：CS—整流桥RC吸收电路电容（μF）IT（AV）—阀侧器件额定正向平均电流（A）RS—整流桥RC吸收电路电阻（Ω）PRS—RC吸收电路功率损耗（W）f—电源频率（Hz）UARM—臂反向工作峰值电压（V）ns—每个整流臂串联晶闸管个数换相吸收电阻R01-R06最终选择了30W/10欧姆线绕电阻，换相吸收电容C01-C06为0.5μF/750V的CBB电容。

3控制系统

等离子体激励电源的控制系统是以CPLD和PLC为核心，将CPLD较强的运算能力、可灵活重复编程性和PLC超强的抗干扰能力结合在一起，设计了一套高效率、高性能、高精度的控制系统。控制系统结构及功能图如图2所示，内容涉及了同步信号采集电路、驱动电路、输出电压电流检测电路、保护电路、监控电路以及外部控制面板功能。两个控制器分工明确，CPLD主要负责将采集回来的各种信号通过运算并结合外部有无故障，给主功率电路发送触发脉冲[7]；主电路正常工作时，将采集回来的电流信号经PID运算后发出相应移相角度的控制脉冲，实现系统的恒流调节；当检测到主电路有故障发生时，立刻封锁脉冲，对其进行保护。PLC主要负责与上位机通信，将系统在运行时实时情况传给上位机，便于后续工作人员对系统工作情况的分析；此外，还负责系统电流给定调节、分/合闸操作、上电解/封锁脉冲、本地控制和远程控制的切换以及复位功能。

4驱动电路

驱动电路作为功率主电路和控制电路的接口电路，是电力电子系统设计的重要环节，不仅需要有较强的隔离能力，还需将控制信号功率放大。隔离电路一般采用光隔离或电磁隔离；光隔离一般采用光耦器件，光耦实质是将发光二极管和光敏晶体管封装在一起，不仅会使控制发生延时还会使其波形发生畸变。在强激励下，前沿波形较好，后延畸变厉害；激励不足时，前沿波形畸变厉害，后沿波形较好。从而影响开关器件的开通和关断时间，所以实际用于中一般需将光耦输出的信号经整形电路后才可使用，整形电路一般采用施密特电路，这就会使控制系统复杂化。由CPLD直接输出的控制脉冲，因主电路三相整流桥中被触发的晶闸管阴极电位有很大的差别，所以控制脉冲不可直接送至被控晶闸管的门-阴极，更重要的晶闸管属于电流型器件，需要一定的功率才可将其可靠触发，而CPLD输出电流能为数10毫安，根本无法直接去驱动晶闸管。设计的驱动电路如图3所示。图3中当来自移相触发板的脉冲g1为低电平时，晶体管T1截止，脉冲变压器T0的原边无电流流过，此时二次侧无感应电压，所以驱动电路的端口（G1、K1之间）无触发脉冲出现；一旦控制脉冲g1变为高电平，晶体管T1导通，则脉冲变压器T0原边就会有电流流过，其二次侧便有感应电压，该脉冲电压经二极管VD2、VD3整形并削去负半波后提供给被触发晶闸管，使其被可靠触发。图3中二极管VD1及稳压管Z1、Z2构成给脉冲变压器在脉冲消失时的电感能量提供一通路，由于稳压管Z1、Z2的存在，保证了耦合到脉冲变压器T1二次侧的脉冲为正负脉冲，防止了脉冲变压器的饱和。另外电阻R2、C1构成抗干扰网络，防止干扰脉冲造成晶闸管的误触发；图3中R1、VL1支路用来为电路正常工作时提供指示，使在工作时，没有接入示波器的情况下仍可随时了解到触发脉冲是否正常。

5实验与分析

图4为在实际工况下主电路带载时测得晶闸管VT1门阴极两端的驱动信号，由图4可知，驱动脉冲前沿很陡，宽度为18°，最大幅值为3.5V，强触发时间约为250μs，稳定触发脉冲约为600mV，可以可靠、有效地控制晶闸管的导通。为了保证晶闸管可靠地导通，在上下桥臂晶闸管换相时，给还需继续导通的晶闸管补发一个脉冲，即采用双窄脉冲控制方法，如图5所示，从图5中可以看出两触发脉冲前后沿相差约60°。晶闸管导通角最大时，电弧等离子体负载两端的电压波形如图6所示。

6结语

所设计的电弧等离子体激励电源具有可靠性高、抗干扰能力强和结构简单的优点。经长时间在实际工况中的应用效果表明：该等离子体激励电源在气体放电过程中有良好的恒流特性和稳弧特性，即工作时电弧等离子体稳定、无抖动闪烁。

参考文献

[1]陈要玲.IGBT逆变式等离子弧切割电源[D].兰州理工大学,2008:2-4.

[2]王振民,等.高效电弧等离子体技术及其应用[M].华南理工大学出版社,2018.

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

[4]郑春开.等离子体物理[M].北京：北京大学出版社,2009：20-21.

[5]王兆安,张明勋.电力电子设计和应用手册[M].北京:机械工业出版社,2009.

[6]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2009.

[7]李宏,范柳絮,赵栋.基于CPLD的相序自适应晶闸管数字触发器设计[J].电气应用,2008.

作者:刘卫华 孙立萌 梁哲 单位:中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所