大功率等離子體智能控制點火系統(tǒng)研究

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%，甚至可以達到90%。另外，電極則影響著它所能使用時間的長短。由于電極通常會受到活性的工作氣影響，它的使用壽命通常不會很高，基本上沒有使用200個小時以上的[1-3]。

其中，影響電極的陽極壽命關(guān)鍵在于它上面的斑點對電極的燒蝕速度，陽極表面若是被局部性的燒蝕，那么將會大大縮短它的壽命。目前，在等離子體炬中，可以通過控制第一路與第二路風(fēng)之間的配合來進行調(diào)節(jié)它的燒蝕情況，然而由于實際控制起來效果并不理想，如果氣體壓力控制不當(dāng)都會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，有必要對其進行改進，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，不會出現(xiàn)影響氣流對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。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)是由很多個獨立的電磁線圈所構(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，就會有電磁場的產(chǎn)生，利用這個電磁場能夠很好地控制等離子體的運動情況。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，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分離的電磁線圈通電和斷電，同時在陰極和陽極的內(nèi)部空腔中形成了移動的掃描式電磁場，進而控制等離子體在裝置的陰極和陽極的內(nèi)部空腔表面上的運動。

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的時候不會因為陽極內(nèi)徑的縮小而致使等離子體流場畸變以致氣流對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的電磁場，在使得等離子體穩(wěn)定的同時也更進一步使得對陰極和陽極的燒蝕降低。更進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

1.2.1 電氣計算

1）變壓器選型計算

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：

（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u2x=380 V，則ud=380 V時，cosα=0.8；Ud=400 V時，cosα=0.83；Ud=332 V時，cosα=0.7；Ud=356 V時，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：控制角在11°～16°。此時功率因數(shù)約能到0.88。

舉例：591選擇0725A額定，變壓器次級線電壓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，這個一般是已知的，因此電抗器參數(shù)的計算主要是有關(guān)電感量的計算。

計算出電流連續(xù)的臨界電感量L1可以使用下式計算，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，通常取電動機額定電流的5%～10%計算。

根據(jù)本電路形式查得K1=0.695所以

1.2.2 試驗結(jié)果

等離子發(fā)生器主要由這三部分組成陽級、陰極和穩(wěn)弧線圈，是等離子點火裝置的核心部件。等離子發(fā)生器在通常情況下可否正常點火、運行的關(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)試驗就是要發(fā)現(xiàn)影響正常啟弧、穩(wěn)弧的各個有關(guān)因素，并通過試驗得到預(yù)期的數(shù)值，從而確保了等離子發(fā)生器可以正常工作，不會發(fā)生滅弧、滅火情況。通過對等離子發(fā)生器多次進行啟、穩(wěn)弧試驗，并且對電弧的穩(wěn)定性實行考核。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，陰極開始向前推進并且與陽極接觸，啟弧后向后退，同時保持適當(dāng)?shù)碾妷?、電流，從而使電弧變得穩(wěn)定。試運中經(jīng)多次試驗，確定了爐膛各個角等離子發(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，通常電弧是不會發(fā)生斷弧的。在正常的運行過程中，對燃燒器出口火焰的穩(wěn)定性、著火的容易程度這個角度進行試驗分析，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，防止因為失去壓縮空氣而造成燒損，同時，還設(shè)立了壓縮空氣壓力小于0.04 MPa時，自動滅弧的保護功能。設(shè)定保護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，來達到優(yōu)化運行的目的。

2.1 智能控制系統(tǒng)技術(shù)裝置

本項目研發(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，實現(xiàn)對等離子體運行狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)視，并且實現(xiàn)對三個執(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，將三相交流電進行整流控制，并且配置了完備的運行保護，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，以保證毫秒級的氣流運行控制響應(yīng)精度，保證了等離子體運行過程中能夠?qū)ν饨绺蓴_波動的快速響應(yīng)。

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

人機界面采用彩色液晶觸摸屏，用于顯示等離子體控制系統(tǒng)運行的狀態(tài)、參數(shù)情況，并且對系統(tǒng)故障、事件記錄、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等進行顯示，同時可以在運行過程中對參數(shù)進行無擾動在線調(diào)整。

2.2 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點

下面結(jié)合附圖中所示和優(yōu)選的實施例詳細描述發(fā)明所采用的結(jié)構(gòu)和特點，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)主要由三個部分組成。三個執(zhí)行器包括一個整流裝置和兩個氣體電磁比例閥，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)信號的處理、數(shù)據(jù)采集和三個執(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際氣壓等參數(shù)，并且將檢測到的信號轉(zhuǎn)化成中央控制器能夠識別的電氣信號。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)分別參照實時主電源電壓、被控直流電壓、實際氣流情況等三者對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)特定的自動補償運算規(guī)律調(diào)節(jié)實所需直流電流值，送至整流裝置。整流裝置根據(jù)實時的電流反饋、EMF控制、中央控制器電流給定等，通過PI補償算法實時計算所需的控制角，進而實現(xiàn)對直流電流的雙閉環(huán)控制。電源信號和氣源信號均作為參照信號和補償輸入信號對控制閉環(huán)進行預(yù)調(diào)節(jié)和補償以期達到最優(yōu)的控制性能和穩(wěn)定性。對運行直流電流和直流電壓、雙路氣壓等信號進行采集，通過氣壓與流量之類的給定曲線關(guān)系，對等離子體運行的實時狀態(tài)進行監(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)時間、實時的被控直流電壓和主、氣源氣壓、實時氣流情，自動的調(diào)節(jié)和不同程度的對兩路氣流進行調(diào)節(jié)，并將調(diào)節(jié)值送至伺服的電磁比例閥。電磁比例閥實時的壓力反饋，另外通過對PI算法實時控制閥芯的位置，從而確保了對壓縮空氣的雙閉環(huán)控制。整流裝置采用600 V輸入，針對可控硅六脈整流可以控制運行功率范圍110～250 kW，等離子體運行可靠陰極壽命超過250小時，陽極壽命超過1 200小時。

圖6 系統(tǒng)控制框圖

3 結(jié)論

（1）對等離子體技術(shù)的研究背景、工作原理以及結(jié)構(gòu)進行了詳細介紹，并對變壓器選型、電抗器進行了詳盡的設(shè)計計算。通過對變壓器選型、電抗器設(shè)計計算得到變壓器的型號為350 kVA，380V/575Vac，臨界電感量為6.116 mH。在等離子點火裝置投入運行的過程當(dāng)中，要調(diào)整好四個角的穩(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、人機界面和配套編寫的智能化軟件來實現(xiàn)智能控制技術(shù)。智能控制系統(tǒng)，實現(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)運行變得智能化簡單化，具有明顯的優(yōu)越性。