尤兆爽

（湛江火力發(fā)電有限公司，廣東湛江524000）

工業(yè)用的電弧等離子體發(fā)生器的功率通常是在50～200 kW，而且它的使用效率通常不低于50%，甚至可以達(dá)到90%。另外，電極則影響著它所能使用時(shí)間的長短。由于電極通常會(huì)受到活性的工作氣影響，它的使用壽命通常不會(huì)很高，基本上沒有使用200個(gè)小時(shí)以上的[1-3]。

其中，影響電極的陽極壽命關(guān)鍵在于它上面的斑點(diǎn)對(duì)電極的燒蝕速度，陽極表面若是被局部性的燒蝕，那么將會(huì)大大縮短它的壽命。目前，在等離子體炬中，可以通過控制第一路與第二路風(fēng)之間的配合來進(jìn)行調(diào)節(jié)它的燒蝕情況，然而由于實(shí)際控制起來效果并不理想，如果氣體壓力控制不當(dāng)都會(huì)造成電極的陽極燒蝕的部位受到影響。所以此方案不適合用于延長它的連續(xù)使用壽命，還需要研究另外的方法來解決[4-5]。

1 等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)的大功率等離子體技術(shù)

1.1 技術(shù)簡要說明

針對(duì)等離子體發(fā)生裝置壽命短以及輸出功率低的缺陷，有必要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，并提出一種輸出大功率的等離子體發(fā)生裝置，如圖1所示。具體實(shí)現(xiàn)過程為：首先打開電源，當(dāng)高壓脈沖激發(fā)器中有電弧出現(xiàn)后，將第一路風(fēng)送至等離子體發(fā)生裝置的陰極和陽極中間的空隙中，這些操作完成之后，在陰極和陽極的內(nèi)表面上，就會(huì)有等離子體弧產(chǎn)生。然后再將第二路載體風(fēng)通往陰極與陽極內(nèi)部的空腔之中，把陰極和陽極的內(nèi)表面產(chǎn)生的等離子體弧通過陽極上面的噴嘴送出。由于等離子體發(fā)生裝置的陽極與陰極都是相同的結(jié)構(gòu)與形狀，所以等離子體在傳輸?shù)倪^程中，不會(huì)出現(xiàn)影響氣流對(duì)它的壓縮力度的一系列變故，采取這種方法所帶來的好處很多，比如說能夠加長等離子體弧和增大它的輸出功率等優(yōu)點(diǎn)。另外，陽極與陰極采用相同的結(jié)構(gòu)與形狀，能夠使等離子體在其內(nèi)部的電流密度變得更小，從而使得等離子體弧燒蝕陽極的情況得到改善，能夠很有效的延長連續(xù)使用壽命[6-7]。

除了上述結(jié)構(gòu)之外，大功率的等離子體發(fā)生裝置還有一個(gè)關(guān)鍵的部分，那就是掃描式的電磁線圈組，它的結(jié)構(gòu)是由很多個(gè)獨(dú)立的電磁線圈所構(gòu)成的，此線圈組纏在上述陰極和陽極的表面，當(dāng)線圈組通電時(shí)，就會(huì)有電磁場的產(chǎn)生，利用這個(gè)電磁場能夠很好地控制等離子體的運(yùn)動(dòng)情況。掃描式的電磁線圈組需要放在冷卻系統(tǒng)中，等離子體發(fā)生裝置一般也帶有冷卻系統(tǒng)，在這里，這部分指的是用冷卻水填充的水管。

這里所用到的直流電源的正負(fù)極分別與陽極與陰極表面上的水套管外表相連接，將直流電源就與陰極和陽極形成一個(gè)回路。

圖1 大功率等離子體發(fā)生裝置的構(gòu)造示意圖

大功率高壽命等離子體發(fā)生裝置實(shí)現(xiàn)，具體包含如下步驟：

由高壓脈沖激發(fā)器形成電弧，開啟直流電源，面向陽極和陰極之間的間隙加入第一路的載體風(fēng)，同時(shí)，在直筒狀陽極和陰極的內(nèi)部空腔表面形成等離子體弧，向上述直筒狀的陽極和陰極連通的內(nèi)部空腔通入第二路載體風(fēng)，將所形成的等離子體弧由上述陽極的噴嘴向外輸出。在產(chǎn)生等離子體弧以后，分別的給以上陰極和陽極外部的掃描式電磁線圈組中每個(gè)分離的電磁線圈通電和斷電，同時(shí)在陰極和陽極的內(nèi)部空腔中形成了移動(dòng)的掃描式電磁場，進(jìn)而控制等離子體在裝置的陰極和陽極的內(nèi)部空腔表面上的運(yùn)動(dòng)。

由于陰極和陽極使用同樣的內(nèi)徑的直筒狀結(jié)構(gòu)，等離子體在陰極和陽極之間相互輸運(yùn)的時(shí)候不會(huì)因?yàn)殛枠O內(nèi)徑的縮小而致使等離子體流場畸變以致氣流對(duì)等離子體的壓縮程度下降，極大的提高等離子體氣流的速度和流量，讓等離子體弧長變長，輸出的電壓更高，增加了等離子體的輸出功率，另外由于使用這種結(jié)構(gòu)，還可以使等離子體在陽極內(nèi)部的電流密度下降，導(dǎo)致等離子體弧在陽極表面的燒蝕點(diǎn)散布的更加平均，極大的使得等離子體發(fā)生裝置的使用年限提高。在環(huán)繞有水冷的掃描式電磁線圈組的陰極和陽極的外部，在陽極和陰極內(nèi)部空腔里面形成高速移動(dòng)的電磁場，在使得等離子體穩(wěn)定的同時(shí)也更進(jìn)一步使得對(duì)陰極和陽極的燒蝕降低。更進(jìn)一步增加了等離子體發(fā)生裝置的使用壽命以及輸出功率。

1.2 等離子發(fā)生器的啟弧和穩(wěn)弧試驗(yàn)

1.2.1 電氣計(jì)算

1）變壓器選型計(jì)算

α為控制角，β為導(dǎo)通角，β=150°-α，U2為變壓器二次側(cè)相電壓=線電壓/1.732。

在0≤α≤90°時(shí)：

（1）負(fù)載電感Lb=0，無電感。

直流側(cè)平均電壓：Ud=2.34×U2×cosα

直流側(cè)平均電流：Id=2.34×（U2/Rd）×cosα

功 率 因 數(shù)：cosΦ=0.955×cosα=Ud/U2×（0.955/1.205）=0.8×Ud/U2X

（2）負(fù)載電感Lb=3 mH，XLB=2πF×Lb=0.314Ω×3=0.942ΩF=50Hz

直流側(cè)平均電壓：Ud=2.34×U2×cosα-ΔUd

ΔUd=0.955×XLB×Id=0.9×Id

直流側(cè)平均電流Id=Ud/R

得Ud=2.34πU2Rcosα/（πR+3XB）=2.34×U2×cosα×πR/（πR+3XB）

功率因數(shù)：cosΦ=0.955×cosα=0.8×Ud/U2X

對(duì)u2x=380 V，則ud=380 V時(shí)，cosα=0.8；Ud=400 V時(shí)，cosα=0.83；Ud=332 V時(shí)，cosα=0.7；Ud=356 V時(shí)，cosα=0.75。

于是有控制角α越小，則輸出電壓和輸出電流就越高，功率因數(shù)越高。即如果想要提高功率因數(shù)，則需要設(shè)定輸出電壓，輸出電壓越高越好，要約等于0.928～0.969額定輸出電壓，此時(shí)：控制角在11°～16°。此時(shí)功率因數(shù)約能到0.88。

舉例：591選擇0725A額定，變壓器次級(jí)線電壓380 V，相電壓220 V，則直流側(cè)電壓Ud=458×cosα，最大能到458 V，設(shè)R=1Ω，Id=458 A；若輸出400 V，則：cosα=0.87，功率因數(shù)cosΦ=0.955×cosα=0.83；

若輸出380 V，則：cosα=0.83，功率因數(shù)cosΦ=0.955×cosα=0.79。

因此輸出電壓越高，那么功率因數(shù)就越好，所以本項(xiàng)目所采用的輸出電壓為450 V的直流設(shè)備，根據(jù)該直流設(shè)備的輸入電壓和電流特性，選用的變壓器為350 kVA，380 V/575 Vac。

2）電抗器計(jì)算

為了讓直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常需要在整流輸出電路中接入攜帶有氣隙的鐵心電抗器Ld，叫做平波電抗器。它的主要參數(shù)有流過電抗器的電流，這個(gè)一般是已知的，因此電抗器參數(shù)的計(jì)算主要是有關(guān)電感量的計(jì)算。

計(jì)算出電流連續(xù)的臨界電感量L1可以使用下式計(jì)算，單位mH。

式中：K1為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可以由表查得。

Idmin為最小負(fù)載電流，通常取電動(dòng)機(jī)額定電流的5%～10%計(jì)算。

根據(jù)本電路形式查得K1=0.695所以

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

等離子發(fā)生器主要由這三部分組成陽級(jí)、陰極和穩(wěn)弧線圈，是等離子點(diǎn)火裝置的核心部件。等離子發(fā)生器在通常情況下可否正常點(diǎn)火、運(yùn)行的關(guān)鍵是正常啟弧、穩(wěn)弧。等離子發(fā)生器的啟弧、穩(wěn)弧相關(guān)試驗(yàn)就是要發(fā)現(xiàn)影響正常啟弧、穩(wěn)弧的各個(gè)有關(guān)因素，并通過試驗(yàn)得到預(yù)期的數(shù)值，從而確保了等離子發(fā)生器可以正常工作，不會(huì)發(fā)生滅弧、滅火情況。通過對(duì)等離子發(fā)生器多次進(jìn)行啟、穩(wěn)弧試驗(yàn)，并且對(duì)電弧的穩(wěn)定性實(shí)行考核。歸納總結(jié)后認(rèn)為影響等離子發(fā)生器啟、穩(wěn)弧的主要因素包含以下幾個(gè)方面：

（1）陰極、陽極的穩(wěn)弧距離。在等離子發(fā)生器開啟拉弧的程序中，陰極開始向前推進(jìn)并且與陽極接觸，啟弧后向后退，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)碾妷?、電流，從而使電弧變得穩(wěn)定。試運(yùn)中經(jīng)多次試驗(yàn)，確定了爐膛各個(gè)角等離子發(fā)生器陰、陽極穩(wěn)弧的距離如表1所示。

表1 等離子發(fā)生器陰，陽極的穩(wěn)弧距離

（2）壓縮空氣壓力。影響等離子發(fā)生器啟弧的主要參數(shù)是壓縮的空氣壓力。經(jīng)過多次的試驗(yàn)調(diào)整，得出結(jié)論：壓縮空氣的壓力在0.02～0.2 MPa，通常電弧是不會(huì)發(fā)生斷弧的。在正常的運(yùn)行過程中，對(duì)燃燒器出口火焰的穩(wěn)定性、著火的容易程度這個(gè)角度進(jìn)行試驗(yàn)分析，確定了壓縮空氣的壓力維持在0.05～0.1 MPa為宜，能夠確保等離子發(fā)生器啟弧的穩(wěn)定性。為保證陰、陽極使用壽命，防止因?yàn)槭嚎s空氣而造成燒損，同時(shí)，還設(shè)立了壓縮空氣壓力小于0.04 MPa時(shí)，自動(dòng)滅弧的保護(hù)功能。設(shè)定保護(hù)功能之后的壓縮空氣壓力影響啟弧的曲線概覽圖如圖2所示。

圖2 壓縮空氣壓力與啟弧的電壓關(guān)系

2 基于等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)的智能控制技術(shù)

這種智能控制技術(shù)采用空腔陰極和空腔陽極的多腔體結(jié)構(gòu)作為火炬的基本結(jié)構(gòu)，采用直流電源作為等離子體的高能能量源，采用雙路載體空氣，功率范圍100～500 kW（本次主要研究為110～250 kW），控制量包括直流電流和兩路載體空氣。因此，針對(duì)這種等離子體的多腔體多控制變量系統(tǒng)，要求采用一種全新的控制策略和硬件配置，來達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行的目的。

2.1 智能控制系統(tǒng)技術(shù)裝置

本項(xiàng)目研發(fā)的新一代智能控制系統(tǒng)，其主要構(gòu)成如圖3所示。

圖3 智能控制系統(tǒng)主要構(gòu)成

采用此控制系統(tǒng)后，用戶可以在不同界面下到任意界面，方便了數(shù)據(jù)的查看和故障分析的響應(yīng)速度。

系統(tǒng)HMI界面間的邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 智能控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系

智能控制系統(tǒng)及裝置，包括中央控制單元、整流控制單元、氣體控制單元、檢測和傳感設(shè)備、人機(jī)界面和配套的智能化軟件。

中央控制單元，所采用的是一種基于PLC的高性能中央控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)執(zhí)行器的控制。

整流控制單元，采用一種可控硅六脈整流裝置，將三相交流電進(jìn)行整流控制，并且配置了完備的運(yùn)行保護(hù)，確?？煽靠焖俚闹绷麟娫垂?yīng)控制。

氣體控制設(shè)備，采用高精度氣體電磁比例閥，以保證毫秒級(jí)的氣流運(yùn)行控制響應(yīng)精度，保證了等離子體運(yùn)行過程中能夠?qū)ν饨绺蓴_波動(dòng)的快速響應(yīng)。

檢測傳感設(shè)備，檢測包括系統(tǒng)運(yùn)行電網(wǎng)供電電源、等離子體運(yùn)行電壓電流、載體控制運(yùn)行壓力等，將實(shí)時(shí)采集的信號(hào)傳輸至中央控制器內(nèi)，并且進(jìn)行一定頻帶內(nèi)噪音干擾抑制，以確保多變量控制參數(shù)識(shí)別的可靠性和準(zhǔn)確性。

人機(jī)界面采用彩色液晶觸摸屏，用于顯示等離子體控制系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)、參數(shù)情況，并且對(duì)系統(tǒng)故障、事件記錄、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等進(jìn)行顯示，同時(shí)可以在運(yùn)行過程中對(duì)參數(shù)進(jìn)行無擾動(dòng)在線調(diào)整。

2.2 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

下面結(jié)合附圖中所示和優(yōu)選的實(shí)施例詳細(xì)描述發(fā)明所采用的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，其中，圖5為發(fā)明的系統(tǒng)原理圖。

圖5 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成。三個(gè)執(zhí)行器包括一個(gè)整流裝置和兩個(gè)氣體電磁比例閥，其中的整流裝置將從電網(wǎng)側(cè)接入的三相交流電壓根據(jù)中央控制器發(fā)送的指令和設(shè)定轉(zhuǎn)化為可控的直流電流為等離子體火炬供電，氣體電磁比例閥將中央控制器發(fā)送的指令轉(zhuǎn)化為可控的氣壓和流量為等離子體火炬供應(yīng)載體空氣。中央控制器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號(hào)的處理、數(shù)據(jù)采集和三個(gè)執(zhí)行器的控制。一系列檢測和傳感裝置用于檢測電源的狀態(tài)和電壓等、供給等離子火炬直流電壓和直流電流、載體空氣氣源壓力、供給等離子體火炬的雙路載體空氣實(shí)際氣壓等參數(shù)，并且將檢測到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成中央控制器能夠識(shí)別的電氣信號(hào)。本發(fā)明中，采用三相工頻580 V作為主電源供應(yīng)給定，采用0.69 MPa壓縮空氣作為載體空氣氣源。

圖6給出了系統(tǒng)的控制框圖。其中電流控制和氣流控制分別采用雙閉環(huán)。外環(huán)控制在央控制器內(nèi)部，內(nèi)環(huán)控制在各自的執(zhí)行器內(nèi)部完成電源。流控制外環(huán)分別參照實(shí)時(shí)主電源電壓、被控直流電壓、實(shí)際氣流情況等三者對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)特定的自動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算規(guī)律調(diào)節(jié)實(shí)所需直流電流值，送至整流裝置。整流裝置根據(jù)實(shí)時(shí)的電流反饋、EMF控制、中央控制器電流給定等，通過PI補(bǔ)償算法實(shí)時(shí)計(jì)算所需的控制角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流的雙閉環(huán)控制。電源信號(hào)和氣源信號(hào)均作為參照信號(hào)和補(bǔ)償輸入信號(hào)對(duì)控制閉環(huán)進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)和補(bǔ)償以期達(dá)到最優(yōu)的控制性能和穩(wěn)定性。對(duì)運(yùn)行直流電流和直流電壓、雙路氣壓等信號(hào)進(jìn)行采集，通過氣壓與流量之類的給定曲線關(guān)系，對(duì)等離子體運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。雙路氣流控制外環(huán)參照智能化的陰極燒蝕策略，檢定陰陽極燒蝕累積效應(yīng)時(shí)間、實(shí)時(shí)的被控直流電壓和主、氣源氣壓、實(shí)時(shí)氣流情，自動(dòng)的調(diào)節(jié)和不同程度的對(duì)兩路氣流進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將調(diào)節(jié)值送至伺服的電磁比例閥。電磁比例閥實(shí)時(shí)的壓力反饋，另外通過對(duì)PI算法實(shí)時(shí)控制閥芯的位置，從而確保了對(duì)壓縮空氣的雙閉環(huán)控制。整流裝置采用600 V輸入，針對(duì)可控硅六脈整流可以控制運(yùn)行功率范圍110～250 kW，等離子體運(yùn)行可靠陰極壽命超過250小時(shí)，陽極壽命超過1 200小時(shí)。

圖6 系統(tǒng)控制框圖

3 結(jié)論

（1）對(duì)等離子體技術(shù)的研究背景、工作原理以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)變壓器選型、電抗器進(jìn)行了詳盡的設(shè)計(jì)計(jì)算。通過對(duì)變壓器選型、電抗器設(shè)計(jì)計(jì)算得到變壓器的型號(hào)為350 kVA，380V/575Vac，臨界電感量為6.116 mH。在等離子點(diǎn)火裝置投入運(yùn)行的過程當(dāng)中，要調(diào)整好四個(gè)角的穩(wěn)弧距離，從而保證壓縮空氣的壓力在0.05～0.1 MPa，冷卻水壓力為0.6 MPa，然后從觸摸屏PLC直接進(jìn)行操作，等離子發(fā)生器啟弧以及穩(wěn)弧過程都正常，在穩(wěn)弧功率如果在85～120 kW，電弧都能保持穩(wěn)定。

（2）研發(fā)出新一代智能控制系統(tǒng)，并且介紹了其工作原理以及作用。通過中央控制單元、整流控制單元、氣體控制單元、檢測和傳感設(shè)備、人機(jī)界面和配套編寫的智能化軟件來實(shí)現(xiàn)智能控制技術(shù)。智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)等離子體的控制，增加了系統(tǒng)的智能性，使得復(fù)雜的等離子體系統(tǒng)運(yùn)行變得智能化簡單化，具有明顯的優(yōu)越性。