CN105101600A - 一种等离子体运行控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体运行控制系统，包括中央控制器和三个执行器；中央控制器进行数据信号的处理、数据采集和三个执行器的控制；三个执行器包括一个整流装置和两个气体电磁比例阀；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。实现复杂结构等离子体的控制，增加了系统的智能性，使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，能够满足不同运行电压范围、功率范围的场合应用,能够达到最优的运行稳定性和寿命,能够达到最优的控制性能和稳定性。

Description

一种等离子体运行控制系统

技术领域

本发明属于低温热等离子体高能物理及大功率热源的工业应用技术领域，特别是涉及多腔体阴阳极结构的直流电弧等离子体火炬的一种等离子体运行控制系统。

背景技术

低温热等离子体是固态、气态、液态以外的物体第四种状态，大功率等离子体在高危垃圾处理、生物质气化、特殊金属冶炼、高能点火、等离子切割、等离子喷涂等领域有着宽泛的应用。当气体外界电场强度大于空气击穿场强时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子、分子、各种自由基在内的混合体。由于电子和离子总是成对出现，所以等离子体呈电中性。人工生成的等离子体中，放电方式最为常见。

目前主流的等离子体技术主要有以下三种形式：

(一)专利号为“ZL02203117.0”,授权公告号为“CN2521510Y”,名称为“一种直接点燃煤粉锅炉的等离子体点火装置”中国实用新型专利,公开了一种直接点燃煤粉锅炉的等离子体点火装置,由等离子体发生器、煤粉燃烧器、等离子体发生器托架及其直流电源构成，等离子体发生器主要由组合式阴极、复合式阳极、电磁线圈、输弧线圈、直线电机构成；煤粉燃烧器主要由风粉管件、第一级燃烧筒进入管、第二级燃烧筒进入管、一次风粉进入管、第一级燃烧筒、第二级燃烧筒、第三级燃烧筒、第四级燃烧筒、燃烧器喷口、可调煤粉浓淡导流板组成。该直接点燃煤粉锅炉的等离子体点火装置,其采用实体阴极配合单腔阳极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，采用单路载体空气，功率范围为100-200kW，控制量为直流电流。

(二)专利号为“ZL02820827.7”，授权公告号为“CN1283131C”,名称为“用于固态电源的多线圈感应等离子体火炬”的中国发明专利,公开了一种用于固态电源的多线圈感应等离子体火炬,其包括:一个具有近端和远端的管状火炬体,并且围出一个轴向室,在该室中产生高温等离子；一个安装在所述管状火炬体的近端的气体分布头，用于供应至少一种气体物质进入所述轴向室；一系列位于所述管状火炬体近端和远端之间并基本上与所述管状火炬体同轴地安装在管状火炬体上的感应线圈，所述系列感应线圈包括：一个第一感应线圈,在所述感应等离子火炬操作期间,其与一个第一电源的高频输出相连接以感应地将能量施加到提供在所述轴向室内的至少一种气体物质上；及多个在所述第一感应线圈和所述管状火炬体远端之间的第二感应线圈，所述第二感应线圈各自具有端子；及一个互连电路，其在所述感应等离子火炬操作期间，设置在一个第二电源低频输出的第一和第二端子之间,和所述第二感应线圈的端子之间,以将所述第二感应线圈以一个串联或并联的布置连接在所述第一和第二端子之间,使得所述多个第二感应线圈的输入阻抗与所述第二电源的输出阻抗匹配；和感应地将能量施加到被提供到所述轴向室的至少一种所述物质中。该用于固态电源的多线圈感应等离子体火炬，其采用无电极感应式非金属单腔体作为火炬的基本结构，采用高频固态电源作为等离子体的高能能量源，采用单路载体空气和双炉冷却空气，功率范围为50-200kW，控制量为交流电流。

（三）专利号为“ZL200910158582.5”，授权公告号为“CN101790276B”，名称为“一种等离子体发生装置”的中国发明专利，公开了一种等离子体发生装置，包括：阴极、阳极、高压脉冲激发器和直流电源，所述阳极和所述阴极分别与直流电源的正负极相连接，所述高压脉冲激发器与所述阴极和所述阳极连接，所述阳极沿轴心线方向有贯通两端的空岛，所述阴极与所述阳极布置于同一轴心线上，相互不接触且位置相对固定，两者之间留有间隙，形成载体风输入通道，其中，所述阳极为两端开口的短管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构；所述阴极为一端开口的长管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构，且其开口的一端朝向所述阳极；另一端腔体壁上开有若干通孔，与所述阴极的腔体内部相同，形成另一路载体风的输入通道。该等离子体发生装置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100-500kW，控制量包括直流电流和两路载体空气。

可见，上述现有技术的方案均难以控制复杂结构的等离子体，系统智能化较低，操作不够简单，为此，需要一种能够解决上述问题的等离子体运行控制系统，以满足实际情况的需要。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种等离子体运行控制系统，解决现有技术中所存在的难以控制复杂结构的等离子体，系统智能化较低，操作不够简单的问题，以满足实际情况的需要。

为实现上述目的，本发明的提供一种等离子体运行控制系统，包括中央控制器和三个执行器；所述中央控制器进行数据信号的处理、数据采集和三个执行器的控制；所述三个执行器包括一个整流装置和两个气体电磁比例阀；所述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，所述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。

在以上方案中优选的是,所述等离子体运行控制系统，还包括检测和传感装置，用于检测电源的状态和电压、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参数，并且将检测到的信号转化为中央控制器可识别的电气信号。

在以上任一方案中优选的是,所述等离子体运行控制系统，采用三相工频600V作为主电源供应。

在以上任一方案中优选的是,所述等离子体运行控制系统，采用0.7MPa压缩空气作为载体空气气源。

在以上任一方案中优选的是,所述整流装置采用可控硅六脉整流，或者可控硅十二脉整流，或者IGBT(绝缘栅双极型晶体管)二十四脉整流。

在以上任一方案中优选的是,所述等离子体运行控制系统，其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。

在以上任一方案中优选的是,所述等离子体运行控制系统，其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。

在以上任一方案中优选的是,所述等离子体运行控制系统，其电流控制和气流控制分别采用双闭环。

在以上任一方案中优选的是,所述双闭环的外环控制在中央控制器内完成，内环控制在各自的执行器内部完成。

在以上任一方案中优选的是,所述电流控制的双闭环的外环控制分别参照实时的主电源电压、被控直流电压、实际气流情况三者对应关系，根据特定的自动补偿运算规律调节实时的所需直流电流值，送至整流装置。

在以上任一方案中优选的是,所述整流装置根据实时的电流反馈、EMF预控制、中央控制器电流给定，通过PI(圆周率)补偿算法实时计算所需的控制角，实现对直流电流的双闭环控制。

在以上任一方案中优选的是,所述气流控制的双闭环的外环控制参照智能化的阴阳极烧蚀策略，检定阴阳极烧蚀累积效应时间、实时的被控直流电压和主电源电压、气源气压、实时气流情况，自动调节和不同程度的对两路气流独立的进行调节，并将调节值送至伺服的气体电磁比例阀。

在以上任一方案中优选的是,所述气体电磁比例阀根据实时的压力反馈，通过PI算法实时控制阀芯位置，实现对压缩空气的双闭环控制。

在以上任一方案中优选的是,所述等离子体运行控制系统，还包括人机界面和配套的智能化软件。

在以上任一方案中优选的是,所述中央控制器采用基于PLC(可编程逻辑控制器)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，且实现对三个执行器的控制。

在以上任一方案中优选的是,所述整流装置采用可控硅六脉整流装置，将三相交流电进行整流控制，且配置完备运行保护，保证可靠快速的直流电源供应控制。

在以上任一方案中优选的是,所述气体电磁比例阀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，保证等离子体运行过程中对外界干扰波动的快速响应。

在以上任一方案中优选的是,所述的检测和传感装置，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，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，确保多变量控制参数识别的可靠性和准确性。

在以上任一方案中优选的是,所述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，并且对系统故障、事件记录、统计数据进行显示，同时在运行过程中对参数进行无扰动在线调整。

在以上任一方案中优选的是,所述智能化软件实现对运行参数的识别，对多腔体阴阳极的烧蚀情况进行评估，对电网电源进行判定，对运行载体空气气源进行监视，自动辨别和补偿三个控制变量的输出。

在以上任一方案中优选的是,所述智能化软件根据多参数协同迁移的特性，采用非恒定控制参数运行方式，通过多参数之间的周期性迁移配合，保证在监视参数全动态的平衡。

在以上任一方案中优选的是,所述智能化软件实现对等离子体运行状态进行监视，对系统内装置、设备工作状况和异常进行监视，对出现的故障进行专家系统识别和分类，并且给出检修和维护方法提示。

在以上任一方案中优选的是,所述智能化软件实现对等离子体电极寿命进行监视，对系统装置和设备的运行环境进行监视，并给出寿命报警和环境条件恶劣报警。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种等离子体运行控制系统,能够解决现有技术中所存在的难以控制复杂结构的等离子体，系统智能化较低，操作不够简单的问题，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，能够满足不同运行电压范围、功率范围的场合应用,能够达到最优的运行稳定性和寿命,同时能够达到最优的控制性能和稳定性，从而满足实际情况的需要。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明：

图1是本发明的等离子体运行控制系统的结构原理框图；

图2是本发明的等离子体运行控制系统的控制原理框图。

其中，1为中央控制器,2为整流装置,3为气体电磁比例阀,4为等离子体火炬。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作了详细说明。但是，显然可对本发明进行不同的变型和改型而不超出后附权利要求限定的本发明更宽的精神和范围。因此，以下实施例具有例示性的而没有限制的含义。

实施例1:

一种等离子体运行控制系统，包括中央控制器1和三个执行器；所述中央控制器1进行数据信号的处理、数据采集和三个执行器的控制；所述三个执行器包括一个整流装置2和两个气体电磁比例阀3；所述整流装置2将从电网侧接入的三相交流电压根据中央控制器1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，所述气体电磁比例阀3将中央控制器1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。

实施例2:

一种等离子体运行控制系统，与实施例1相似,所不同的是,所述等离子体运行控制系统，还包括检测和传感装置，用于检测电源的状态和电压、供给等离子火炬4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参数，并且将检测到的信号转化为中央控制器1可识别的电气信号。

实施例3:

一种等离子体运行控制系统，与实施例2相似,所不同的是,所述等离子体运行控制系统，采用三相工频600V作为主电源供应。

实施例4:

一种等离子体运行控制系统，与实施例3相似,所不同的是,所述等离子体运行控制系统，采用0.7MPa压缩空气作为载体空气气源。

实施例5:

一种等离子体运行控制系统，与实施例4相似,所不同的是,所述整流装置2采用可控硅六脉整流，或者可控硅十二脉整流，或者IGBT二十四脉整流。

实施例6:

一种等离子体运行控制系统，与实施例5相似,所不同的是,所述等离子体运行控制系统，其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。

实施例7:

一种等离子体运行控制系统，与实施例6相似,所不同的是,所述等离子体运行控制系统，其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。

实施例8:

一种等离子体运行控制系统，与实施例7相似,所不同的是,所述等离子体运行控制系统，其电流控制和气流控制分别采用双闭环。

实施例9:

一种等离子体运行控制系统，与实施例8相似,所不同的是,所述双闭环的外环控制在中央控制器1内完成，内环控制在各自的执行器内部完成。

实施例10:

一种等离子体运行控制系统，与实施例9相似,所不同的是,所述电流控制的双闭环的外环控制分别参照实时的主电源电压、被控直流电压、实际气流情况三者对应关系，根据特定的自动补偿运算规律调节实时的所需直流电流值，送至整流装置2。

实施例11:

一种等离子体运行控制系统，与实施例10相似,所不同的是,所述整流装置2根据实时的电流反馈、EMF预控制、中央控制器1电流给定，通过PI补偿算法实时计算所需的控制角，实现对直流电流的双闭环控制。

实施例12:

一种等离子体运行控制系统，与实施例11相似,所不同的是,所述气流控制的双闭环的外环控制参照智能化的阴阳极烧蚀策略，检定阴阳极烧蚀累积效应时间、实时的被控直流电压和主电源电压、气源气压、实时气流情况，自动调节和不同程度的对两路气流独立的进行调节，并将调节值送至伺服的气体电磁比例阀3。

实施例13:

一种等离子体运行控制系统，与实施例12相似,所不同的是,所述气体电磁比例阀3根据实时的压力反馈，通过PI算法实时控制阀芯位置，实现对压缩空气的双闭环控制。

实施例14:

一种等离子体运行控制系统，与实施例13相似,所不同的是,所述等离子体运行控制系统，还包括人机界面和配套的智能化软件。

实施例15:

一种等离子体运行控制系统，与实施例14相似,所不同的是,所述中央控制器1采用基于PLC的高性能中央控制器1，实现对等离子体运行状态参数进行实时监视，且实现对三个执行器的控制。

实施例16:

一种等离子体运行控制系统，与实施例15相似,所不同的是,所述整流装置2采用可控硅六脉整流装置2，将三相交流电进行整流控制，且配置完备运行保护，保证可靠快速的直流电源供应控制。

实施例17:

一种等离子体运行控制系统，与实施例16相似,所不同的是,所述气体电磁比例阀3采用高精度气体电磁比例阀3，以保证毫秒级的气流运行控制响应精度，保证等离子体运行过程中对外界干扰波动的快速响应。

实施例18:

一种等离子体运行控制系统，与实施例17相似,所不同的是,所述的检测和传感装置，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，将实时采集的信号传输至中央控制器1内，并且进行一定频带内噪音干扰抑制，确保多变量控制参数识别的可靠性和准确性。

实施例19:

一种等离子体运行控制系统，与实施例18相似,所不同的是,所述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，并且对系统故障、事件记录、统计数据进行显示，同时在运行过程中对参数进行无扰动在线调整。

实施例20:

一种等离子体运行控制系统，与实施例19相似,所不同的是,所述智能化软件实现对运行参数的识别，对多腔体阴阳极的烧蚀情况进行评估，对电网电源进行判定，对运行载体空气气源进行监视，自动辨别和补偿三个控制变量的输出。以期达到最优的运行稳定性和寿命。

实施例21:

一种等离子体运行控制系统，与实施例20相似,所不同的是,所述智能化软件根据多参数协同迁移的特性，采用非恒定控制参数运行方式，通过多参数之间的周期性迁移配合，保证在监视参数全动态的平衡。以期达到最优的运行性能的寿命。

实施例22:

一种等离子体运行控制系统，与实施例21相似,所不同的是,所述智能化软件实现对等离子体运行状态进行监视，对系统内装置、设备工作状况和异常进行监视，对出现的故障进行专家系统识别和分类，并且给出检修和维护方法提示。

实施例23:

一种等离子体运行控制系统，与实施例22相似,所不同的是,所述智能化软件实现对等离子体电极寿命进行监视，对系统装置和设备的运行环境进行监视，并给出寿命报警和环境条件恶劣报警，保证系统的安全可靠运行。

本发明的等离子体运行控制系统，其主要由三个部分组成。中央控制器1主要进行数据信号的处理、数据采集和三个执行器的控制。三个执行器包括一个整流装置2和两个气体电磁比例阀3，其中的整流装置2将从电网侧接入的三相交流电压根据中央控制器1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4供电，气体电磁比例阀3将中央控制器1发送的指令转化为可控的气压和流量为等离子体火炬4供应载体空气。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4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为中央控制器1可识别的电气信号。本发明中，采用三相工频600V作为主电源供应给定，采用0.7MPa压缩空气作为载体空气气源。

本发明的等离子体运行控制系统，按照一种变形方案，整流装置2可以采用可控硅六脉整流，或者可控硅十二脉整流，或者IGBT二十四脉整流，从而满足不同运行电压范围、功率范围的场合应用。

本发明的等离子体运行控制系统，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。其中电流控制和气流控制分别采用双闭环。外环控制在中央控制器1内完成，内环控制在各自的执行器内部完成。电流控制外环分别参照实时的主电源电压、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时的所需直流电流值，送至整流装置2。整流装置2根据实时的电流反馈、EMF预控制、中央控制器1电流给定等，通过PI补偿算法实时计算所需的控制角，从而实现对直流电流的双闭环控制。双路气流控制外环参照智能化的阴阳极烧蚀策略，检定阴阳极烧蚀累积效应时间、实时的被控直流电压和主电源电压、气源气压、实时气流情况，自动的调节和不同程度的对两路气流独立的进行调节，并将调节值送至伺服的电磁比例阀。电磁比例阀根据实时的压力反馈，通过PI算法实时控制阀芯位置，从而实现对压缩空气的双闭环控制。

本发明的等离子体运行控制系统，其实施例还可以是,主电源采用400V输入，针对IGBT二十四脉整流可以控制功率范围50-150kW，等离子体运行可靠阴极寿命超过300小时，阳极寿命超过2000小时。

本发明的等离子体运行控制系统，其实施例还可以是,整流装置2采用600V输入，针对可控硅六脉整流可以控制运行功率范围150-300kW，等离子体运行可靠阴极寿命超过250小时，阳极寿命超过1200小时。

本发明的等离子体运行控制系统，其实施例还可以是,整流装置2采用800V输入，针对可控硅十二脉整流可以控制运行功率范围300-500kW，等离子体运行可靠阴极寿命超过180小时，阳极寿命超过1000小时。

Claims (10)

1.一种等离子体运行控制系统，包括中央控制器(1)和三个执行器；其特征在于：中央控制器(1)进行数据信号的处理、数据采集和三个执行器的控制；所述三个执行器包括一个整流装置(2)和两个气体电磁比例阀(3)；整流装置(2)将从电网侧接入的三相交流电压根据中央控制器(1)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(3)将中央控制器(1)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。

2.如权利要求1所述的等离子体运行控制系统，其特征在于：该系统还包括检测和传感装置，用于检测电源的状态和电压、供给等离子火炬(4)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参数，并且将检测到的信号转化为中央控制器(1)可识别的电气信号。

3.如权利要求2所述的等离子体运行控制系统，其特征在于：该系统采用三相工频600V作为主电源供应。

4.如权利要求3所述的等离子体运行控制系统，其特征在于：该系统采用0.7MPa压缩空气作为载体空气气源。

5.如权利要求4所述的等离子体运行控制系统，其特征在于：整流装置(2)采用可控硅六脉整流，或者可控硅十二脉整流，或者IGBT二十四脉整流。

6.如权利要求5所述的等离子体运行控制系统，其特征在于：该系统的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。

7.如权利要求6所述的等离子体运行控制系统，其特征在于：该系统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。

8.如权利要求7所述的等离子体运行控制系统，其特征在于：该系统的电流控制和气流控制分别采用双闭环。

9.如权利要求8所述的等离子体运行控制系统，其特征在于：所述双闭环的外环控制在中央控制器(1)内完成，内环控制在各自的执行器内部完成。

10.如权利要求9所述的等离子体运行控制系统，其特征在于：所述电流控制的双闭环的外环控制分别参照实时的主电源电压、被控直流电压、实际气流情况三者对应关系，根据特定的自动补偿运算规律调节实时的所需直流电流值，送至整流装置(2)。