大功率等离子体智能控制点火系统研究

尤兆爽

（湛江火力发电有限公司，广东湛江524000）

工业用的电弧等离子体发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%，甚至可以达到90%。另外，电极则影响着它所能使用时间的长短。由于电极通常会受到活性的工作气影响，它的使用寿命通常不会很高，基本上没有使用200个小时以上的[1-3]。

其中，影响电极的阳极寿命关键在于它上面的斑点对电极的烧蚀速度，阳极表面若是被局部性的烧蚀，那么将会大大缩短它的寿命。目前，在等离子体炬中，可以通过控制第一路与第二路风之间的配合来进行调节它的烧蚀情况，然而由于实际控制起来效果并不理想，如果气体压力控制不当都会造成电极的阳极烧蚀的部位受到影响。所以此方案不适合用于延长它的连续使用寿命，还需要研究另外的方法来解决[4-5]。

1 等离子体点火系统的大功率等离子体技术

1.1 技术简要说明

针对等离子体发生装置寿命短以及输出功率低的缺陷，有必要对其进行改进，并提出一种输出大功率的等离子体发生装置，如图1所示。具体实现过程为：首先打开电源，当高压脉冲激发器中有电弧出现后，将第一路风送至等离子体发生装置的阴极和阳极中间的空隙中，这些操作完成之后，在阴极和阳极的内表面上，就会有等离子体弧产生。然后再将第二路载体风通往阴极与阳极内部的空腔之中，把阴极和阳极的内表面产生的等离子体弧通过阳极上面的喷嘴送出。由于等离子体发生装置的阳极与阴极都是相同的结构与形状，所以等离子体在传输的过程中，不会出现影响气流对它的压缩力度的一系列变故，采取这种方法所带来的好处很多，比如说能够加长等离子体弧和增大它的输出功率等优点。另外，阳极与阴极采用相同的结构与形状，能够使等离子体在其内部的电流密度变得更小，从而使得等离子体弧烧蚀阳极的情况得到改善，能够很有效的延长连续使用寿命[6-7]。

除了上述结构之外，大功率的等离子体发生装置还有一个关键的部分，那就是扫描式的电磁线圈组，它的结构是由很多个独立的电磁线圈所构成的，此线圈组缠在上述阴极和阳极的表面，当线圈组通电时，就会有电磁场的产生，利用这个电磁场能够很好地控制等离子体的运动情况。扫描式的电磁线圈组需要放在冷却系统中，等离子体发生装置一般也带有冷却系统，在这里，这部分指的是用冷却水填充的水管。

这里所用到的直流电源的正负极分别与阳极与阴极表面上的水套管外表相连接，将直流电源就与阴极和阳极形成一个回路。

图1 大功率等离子体发生装置的构造示意图

大功率高寿命等离子体发生装置实现，具体包含如下步骤：

由高压脉冲激发器形成电弧，开启直流电源，面向阳极和阴极之间的间隙加入第一路的载体风，同时，在直筒状阳极和阴极的内部空腔表面形成等离子体弧，向上述直筒状的阳极和阴极连通的内部空腔通入第二路载体风，将所形成的等离子体弧由上述阳极的喷嘴向外输出。在产生等离子体弧以后，分别的给以上阴极和阳极外部的扫描式电磁线圈组中每个分离的电磁线圈通电和断电，同时在阴极和阳极的内部空腔中形成了移动的扫描式电磁场，进而控制等离子体在装置的阴极和阳极的内部空腔表面上的运动。

由于阴极和阳极使用同样的内径的直筒状结构，等离子体在阴极和阳极之间相互输运的时候不会因为阳极内径的缩小而致使等离子体流场畸变以致气流对等离子体的压缩程度下降，极大的提高等离子体气流的速度和流量，让等离子体弧长变长，输出的电压更高，增加了等离子体的输出功率，另外由于使用这种结构，还可以使等离子体在阳极内部的电流密度下降，导致等离子体弧在阳极表面的烧蚀点散布的更加平均，极大的使得等离子体发生装置的使用年限提高。在环绕有水冷的扫描式电磁线圈组的阴极和阳极的外部，在阳极和阴极内部空腔里面形成高速移动的电磁场，在使得等离子体稳定的同时也更进一步使得对阴极和阳极的烧蚀降低。更进一步增加了等离子体发生装置的使用寿命以及输出功率。

1.2 等离子发生器的启弧和稳弧试验

1.2.1 电气计算

1）变压器选型计算

α为控制角，β为导通角，β=150°-α，U2为变压器二次侧相电压=线电压/1.732。

在0≤α≤90°时：

（1）负载电感Lb=0，无电感。

直流侧平均电压：Ud=2.34×U2×cosα

直流侧平均电流：Id=2.34×（U2/Rd）×cosα

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

（2）负载电感Lb=3 mH，XLB=2πF×Lb=0.314Ω×3=0.942ΩF=50Hz

直流侧平均电压：Ud=2.34×U2×cosα-ΔUd

ΔUd=0.955×XLB×Id=0.9×Id

直流侧平均电流Id=Ud/R

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

功率因数：cosΦ=0.955×cosα=0.8×Ud/U2X

对u2x=380 V，则ud=380 V时，cosα=0.8；Ud=400 V时，cosα=0.83；Ud=332 V时，cosα=0.7；Ud=356 V时，cosα=0.75。

于是有控制角α越小，则输出电压和输出电流就越高，功率因数越高。即如果想要提高功率因数，则需要设定输出电压，输出电压越高越好，要约等于0.928～0.969额定输出电压，此时：控制角在11°～16°。此时功率因数约能到0.88。

举例：591选择0725A额定，变压器次级线电压380 V，相电压220 V，则直流侧电压Ud=458×cosα，最大能到458 V，设R=1Ω，Id=458 A；若输出400 V，则：cosα=0.87，功率因数cosΦ=0.955×cosα=0.83；

若输出380 V，则：cosα=0.83，功率因数cosΦ=0.955×cosα=0.79。

因此输出电压越高，那么功率因数就越好，所以本项目所采用的输出电压为450 V的直流设备，根据该直流设备的输入电压和电流特性，选用的变压器为350 kVA，380 V/575 Vac。

2）电抗器计算

为了让直流负载得到平滑的直流电流，通常需要在整流输出电路中接入携带有气隙的铁心电抗器Ld，叫做平波电抗器。它的主要参数有流过电抗器的电流，这个一般是已知的，因此电抗器参数的计算主要是有关电感量的计算。

计算出电流连续的临界电感量L1可以使用下式计算，单位mH。

式中：K1为与整流电路形式有关的系数，可以由表查得。

Idmin为最小负载电流，通常取电动机额定电流的5%～10%计算。

根据本电路形式查得K1=0.695所以

1.2.2 试验结果

等离子发生器主要由这三部分组成阳级、阴极和稳弧线圈，是等离子点火装置的核心部件。等离子发生器在通常情况下可否正常点火、运行的关键是正常启弧、稳弧。等离子发生器的启弧、稳弧相关试验就是要发现影响正常启弧、稳弧的各个有关因素，并通过试验得到预期的数值，从而确保了等离子发生器可以正常工作，不会发生灭弧、灭火情况。通过对等离子发生器多次进行启、稳弧试验，并且对电弧的稳定性实行考核。归纳总结后认为影响等离子发生器启、稳弧的主要因素包含以下几个方面：

（1）阴极、阳极的稳弧距离。在等离子发生器开启拉弧的程序中，阴极开始向前推进并且与阳极接触，启弧后向后退，同时保持适当的电压、电流，从而使电弧变得稳定。试运中经多次试验，确定了炉膛各个角等离子发生器阴、阳极稳弧的距离如表1所示。

表1 等离子发生器阴，阳极的稳弧距离

（2）压缩空气压力。影响等离子发生器启弧的主要参数是压缩的空气压力。经过多次的试验调整，得出结论：压缩空气的压力在0.02～0.2 MPa，通常电弧是不会发生断弧的。在正常的运行过程中，对燃烧器出口火焰的稳定性、着火的容易程度这个角度进行试验分析，确定了压缩空气的压力维持在0.05～0.1 MPa为宜，能够确保等离子发生器启弧的稳定性。为保证阴、阳极使用寿命，防止因为失去压缩空气而造成烧损，同时，还设立了压缩空气压力小于0.04 MPa时，自动灭弧的保护功能。设定保护功能之后的压缩空气压力影响启弧的曲线概览图如图2所示。

图2 压缩空气压力与启弧的电压关系

2 基于等离子体点火系统的智能控制技术

这种智能控制技术采用空腔阴极和空腔阳极的多腔体结构作为火炬的基本结构，采用直流电源作为等离子体的高能能量源，采用双路载体空气，功率范围100～500 kW（本次主要研究为110～250 kW），控制量包括直流电流和两路载体空气。因此，针对这种等离子体的多腔体多控制变量系统，要求采用一种全新的控制策略和硬件配置，来达到优化运行的目的。

2.1 智能控制系统技术装置

本项目研发的新一代智能控制系统，其主要构成如图3所示。

图3 智能控制系统主要构成

采用此控制系统后，用户可以在不同界面下到任意界面，方便了数据的查看和故障分析的响应速度。

系统HMI界面间的逻辑关系如图4所示。

图4 智能控制系统逻辑关系

智能控制系统及装置，包括中央控制单元、整流控制单元、气体控制单元、检测和传感设备、人机界面和配套的智能化软件。

中央控制单元，所采用的是一种基于PLC的高性能中央控制器，实现对等离子体运行状态参数进行实时监视，并且实现对三个执行器的控制。

整流控制单元，采用一种可控硅六脉整流装置，将三相交流电进行整流控制，并且配置了完备的运行保护，确保可靠快速的直流电源供应控制。

气体控制设备，采用高精度气体电磁比例阀，以保证毫秒级的气流运行控制响应精度，保证了等离子体运行过程中能够对外界干扰波动的快速响应。

检测传感设备，检测包括系统运行电网供电电源、等离子体运行电压电流、载体控制运行压力等，将实时采集的信号传输至中央控制器内，并且进行一定频带内噪音干扰抑制，以确保多变量控制参数识别的可靠性和准确性。

人机界面采用彩色液晶触摸屏，用于显示等离子体控制系统运行的状态、参数情况，并且对系统故障、事件记录、统计数据等进行显示，同时可以在运行过程中对参数进行无扰动在线调整。

2.2 智能控制系统结构和特点

下面结合附图中所示和优选的实施例详细描述发明所采用的结构和特点，其中，图5为发明的系统原理图。

图5 系统原理图

系统主要由三个部分组成。三个执行器包括一个整流装置和两个气体电磁比例阀，其中的整流装置将从电网侧接入的三相交流电压根据中央控制器发送的指令和设定转化为可控的直流电流为等离子体火炬供电，气体电磁比例阀将中央控制器发送的指令转化为可控的气压和流量为等离子体火炬供应载体空气。中央控制器主要负责数据信号的处理、数据采集和三个执行器的控制。一系列检测和传感装置用于检测电源的状态和电压等、供给等离子火炬直流电压和直流电流、载体空气气源压力、供给等离子体火炬的双路载体空气实际气压等参数，并且将检测到的信号转化成中央控制器能够识别的电气信号。本发明中，采用三相工频580 V作为主电源供应给定，采用0.69 MPa压缩空气作为载体空气气源。

图6给出了系统的控制框图。其中电流控制和气流控制分别采用双闭环。外环控制在央控制器内部，内环控制在各自的执行器内部完成电源。流控制外环分别参照实时主电源电压、被控直流电压、实际气流情况等三者对应关系，根据特定的自动补偿运算规律调节实所需直流电流值，送至整流装置。整流装置根据实时的电流反馈、EMF控制、中央控制器电流给定等，通过PI补偿算法实时计算所需的控制角，进而实现对直流电流的双闭环控制。电源信号和气源信号均作为参照信号和补偿输入信号对控制闭环进行预调节和补偿以期达到最优的控制性能和稳定性。对运行直流电流和直流电压、双路气压等信号进行采集，通过气压与流量之类的给定曲线关系，对等离子体运行的实时状态进行监控。双路气流控制外环参照智能化的阴极烧蚀策略，检定阴阳极烧蚀累积效应时间、实时的被控直流电压和主、气源气压、实时气流情，自动的调节和不同程度的对两路气流进行调节，并将调节值送至伺服的电磁比例阀。电磁比例阀实时的压力反馈，另外通过对PI算法实时控制阀芯的位置，从而确保了对压缩空气的双闭环控制。整流装置采用600 V输入，针对可控硅六脉整流可以控制运行功率范围110～250 kW，等离子体运行可靠阴极寿命超过250小时，阳极寿命超过1 200小时。

图6 系统控制框图

3 结论

（1）对等离子体技术的研究背景、工作原理以及结构进行了详细介绍，并对变压器选型、电抗器进行了详尽的设计计算。通过对变压器选型、电抗器设计计算得到变压器的型号为350 kVA，380V/575Vac，临界电感量为6.116 mH。在等离子点火装置投入运行的过程当中，要调整好四个角的稳弧距离，从而保证压缩空气的压力在0.05～0.1 MPa，冷却水压力为0.6 MPa，然后从触摸屏PLC直接进行操作，等离子发生器启弧以及稳弧过程都正常，在稳弧功率如果在85～120 kW，电弧都能保持稳定。

（2）研发出新一代智能控制系统，并且介绍了其工作原理以及作用。通过中央控制单元、整流控制单元、气体控制单元、检测和传感设备、人机界面和配套编写的智能化软件来实现智能控制技术。智能控制系统，实现了复杂结构等离子体的控制，增加了系统的智能性，使得复杂的等离子体系统运行变得智能化简单化，具有明显的优越性。