CN105201657A - 一种低温等离子体点火电源及点火系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温等离子体点火电源，包括主电路模块和控制电路模块，主电路模块包括顺序连接的直流电源、调压电路、全桥逆变电路、串联谐振电路、升压输出电路，控制电路模块包括顺序连接的给定输入控制、DSP控制电路、驱动电路、控制信号，其为主电路模块中调压电路开关及全桥逆变开关提供控制信号。还公开了一种低温等离子体点火系统，由低温等离子体点火电源和凸台放电负载组成。本发明实现了低温等离子体电源按一定的频率和脉宽产生低温等离子体，能量消耗小，点火效率高，实验室用电源参数范围宽并可调，机载电源参数固定，体积小，可靠性高，满足发动机的点火需求。

Description

一种低温等离子体点火电源及点火系统

技术领域

本发明涉及航空航天发动机点火技术领域，尤其涉及一种低温等离子体点火电源及点火系统。

背景技术

飞行器从低空到高空，向临近空间迈进，发动机燃烧室气流参数变化很大，燃烧室工况十分恶劣，易出现低空高压和高空低压下点火困难、燃烧稳定性差等现象。为改善飞行包线内点火及二次点火的可靠性、拓宽稳定工作范围，需要研发一种新型的高效点火电源。

常见的点火方式有激光诱导火花点火、热等离子流点火、催化点火、液氧煤油点火、低温等离子体点火、火花塞点火、火药棒点火。它们都是通过加热未燃混气，使其温度升高，产生初始自由基，再由这些自由基引发链式反应。激光诱导火花点火需要聚焦高能激光脉冲，体积和重量比较大，小型化比较难；热等离子流点火技术具有缩短点火延迟时间，扩大点火范围，加强高空二次点火的能力，但点火效率低，系统设备复杂，重量大，应用于飞行器点火非常困难；催化点火采用文氏管、催化元件和整流锥，要求进口气流温度较高，混气通过铂铑丝催化层形成火焰，火焰速度低，刚性弱，铂铑丝昂贵，易受污染失效，影响点火的可靠性；液氧煤油点火需机载氧气瓶和点火电源，系统复杂，重量大，安全性差，但点火可靠；低温等离子体可实现大体积点火，提高点火性，缩短了着火延迟时间和改善着火极限，一种是利用交流驱动介质阻挡放电，但阻挡介质容易被击穿和烧毁，同时存在放电电压高和电源体积大等缺点，将其用于高速燃烧室点火还有很多不足，另一种是纳秒脉冲点火技术，瞬间放电电压高达几万伏以上，放电时间50-100ns，对电子设备干扰大，电源设备制造难度大，很难达到应用程度；火花塞点火体积小，点火效率低，属热点火机理，在恶劣工况下点火可靠性差；火药棒点火能量高，性能可靠，技术成熟，缺点是一次使用，不能进行多次点火。

在上述点火方式中，火花塞点火是一种工程应用广泛、比较可靠的点火方式，但当燃烧工况非常恶劣时，如高空低压点火或低空高压点火，其点火可靠性就存在缺陷，从而会导致点火困难或点火不成功。虽然等离子体点火具有优势，但还没有达到应用的程度，其关键在于电源的小型化和点火方式，如果在这方面取得进展，飞行器也可以采用一种低温等离子体电源和某种放电点火方式。

对于火花塞和低温等离子体点火两种点火方式。火花塞点火主要是在点火瞬间，放电电弧直接击穿可燃混气，通过升高局部小区域的燃气温度，产生热等离子体，使可燃混气分子受热、分解，形成活性基团，实现点燃混气的过程，点火效率低。介质阻挡放电和纳秒脉冲放电可以产生体积大、能量密度高的低温等离子体，利用产生的高能电子与燃料分子碰撞，引起分子离解、激发甚至电离，产生大量的活性原子、分子和离子等物质，从而提高点火性和燃烧稳定性，与火花塞点火相比，低温等离子体优点是：1)可在燃烧室内同时产生多个大尺度放电通道，实现混合气的多点着火，大大提高点火的可靠性；2)脉冲放电的大部分能量直接作用于可燃混气，点火效率高，节约能量；3)脉冲放电能量产生更多的化学反应活性基，加速点火与燃烧过程。但受电源研制水平和点火方式等限制，等离子体点火技术在航空领域无成功应用案例。

纳秒脉冲放电、热等离子体、低温等离子体射流所需电源功率大，应用上有很多缺陷。介质阻挡放电产生低温等离子体具有高效点火能力，但放电电压高，同时阻挡介质容易击穿，及点火器结构复杂和可靠性差等缺点，从而上述几种点火方式应用于航空航天发动机受到限制。那么，有没有一种放电方式，其能量消耗小，又点火能力强？这就是拉弧放电产生低温等离子体方式，其以非介质阻挡方式，采用裸露高压电极凸台对低压电极直接放电，其放电特征是高电压低电流，拉弧时间长等特点。其电弧单位时间内的放电能量明显高于介质阻挡放电的单个细丝，又低于火花塞单位时间的电弧放电能量及等离子体射流电弧的能量，大大提高了在高气压和高速气流条件下的点火能力。通过拉弧，容易在可燃混气中产生局部高浓度的低温等离子体，点火能力强，比火花塞提高点火效率。

在单次放电能量相近情况下，火花塞单次点火时间短，单位时间放电能量高，拉弧放电单次点火时间长，单位时间放电能量小，但足以点燃可燃混气。点火的关键是在运动气流中形成初始火焰体积大小，初始火焰体积大，能量高，点火容易，火焰稳定，初始火焰体积小，点火困难。假设低温等离子体电源正弦波频率20kHz，点火区域的混气流动速度10m/s。对于火花塞，放电时间短0.25ms，只有一个放电的正弦波，放电时间不可调，混气通过火花塞放电弧距离为2.5mm。使用拉弧低温等离子体，放电时间任意可调，如果放电时间1.25ms，有25个放电的正弦波，燃料混气经过反复击穿，气流通过放电弧距离为12.5mm。这样火花塞放电时间内形成的火焰体积小，拉弧放电形成的火焰体积大。而点火的实质是稳定点火源存在的时间长短，时间长形成的火核体积大，对点火越有利。可见，拉弧低温等离子体能够形成大的火核体积，对点火十分有利，提高了点火效率。再如低温等离子体放电点火时间为1ms，频率为10Hz，周期为100ms，那么在放电点火过程中，只有百分之一的时间在放电，其余时间是不放电的，从而达到机载电源节电的目的。

低温等离子体点火比火花塞具有明显优势，而现有的低温等离子体电源，主要是通过手动方式逐步调节电压，实施连续放电产生低温等离子体，消耗大量的能量，其不能满足航空发动机点火要求，更不能满足PDE点火起爆的要求，从而限制了低温等离子体点火技术的应用。为了加快低温等离子体点火技术的应用，必须使低温等离子体电源按一定的频率脉冲放电，在每个放电周期内，放电时间可调。

发明内容

本发明的目的是利用DSP控制技术，使低温等离子体电源输出一定频率的脉冲放电，每次脉冲放电包含多个正弦波形，从而为实验室用燃烧点火和飞行器点火提供电源支撑，并结合点火方法，达到高效点火的目的。

为了达到以上目的，本发明公开了一种低温等离子体点火电源，包括主电路模块和控制电路模块，主电路模块包括顺序连接的直流电源、调压电路、全桥逆变电路、串联谐振电路、升压输出电路，控制电路模块包括顺序连接的给定输入控制、DSP控制电路、驱动电路、控制信号，为主电路模块中调压电路开关及全桥逆变开关提供控制信号。

本发明还公开了一种低温等离子体点火系统，包括权要求1所述的低温等离子体点火电源和高压电极凸台负载，点火电源和高压电极凸台负载相对放置。

本发明的一种低温等离子体点火电源及点火系统，采用间歇脉冲放电模式，能够满足实验室燃烧点火和空中发动机点火要求，可实现大体积低温等离子体点火，及拉弧放电低温等离子体点火，缩短点火延迟时间，提高点火及再次点火的可靠性，扩展发动机稳定工作范围。实现了低温等离子体电源按一定的频率和脉宽产生低温等离子体，能量消耗小，点火效率高，实验室用电源参数范围宽并可调，机载电源参数固定，体积小，可靠性高，满足发动机的点火需求。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为低温等离子体电源框图；

图2为低温等离子体电源实施例电路图。

具体实施方式

参照附图1-2对本发明的实施例进行说明。

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

低温等离子体电源的主要工作过程为：交流工频电经过整流变成直流电压，或Vs直流电压，通过调压电路升压，该电压经过全桥逆变电路逆变为高频交流类方波电压，经串联谐振电路变为高频交流类正弦电压。当全桥逆变电路中的开关频率与串联谐振电路的谐振频率接近时，变压器原边电压最高，此交流电压通过变压器升压为所需高频率、高电压信号。

在主电路中，调压电路主要是升压电路，其主要作用是控制开关的导通、关断，进而控制占空比，将交流工频电压变成直流电压或Vs电压的升压；全桥逆变电路是控制开关的导通时序，将调压电路输出的直流电压变为交流电压；串联谐振电路主要作用是将全桥逆变输出的交流电压升压，并变为类正弦交流电压；升压输出电路的主要作用是将类正弦交流电压升压至所需电压。

在控制电路中，给定输入是设置的一定脉冲放电频率及单脉冲放电时间信号，可集成于DSP控制电路中；DSP控制电路是产生多路脉宽、频率、时序可调的控制信号；驱动电路主要是开关驱动电路，即IGBT驱动电路，其主要作用是将DSP输出信号变为可驱动开关的控制信号，控制信号使电源输出一定脉冲放电频率的高压。

DSP控制电路第一个作用是保证主电路模块产生连续的类正弦交流电压，第二个作用是对连续的类正弦交流电压进行控制，使其按一定频率脉冲放电及单脉冲放电时间产生脉冲放电现象。因此，低温等离子体点火电源输出形式是高电压、低电流间歇脉冲放电，每个脉冲放电时间内包含多个正弦波形。

对于实验室用低温等离子体电源，其脉冲放电频率、单脉冲放电时间及包含的正弦波个数、放电的电压和电流及功率等参数可调。对于机载微型电源，其脉冲放电频率、单脉冲放电时间及包含的正弦波个数、放电的电压和电流及功率等参数为固定值。

对于实验室用低温等离子体电源，电源固有电压、电流和正弦波交流频率分别为：0-50kV、0.1-40A和5-100kHz。通过DSP控制，电源输出的脉冲放电频率和单脉冲放电时间及包含的正弦波个数分别为：0.1-1000Hz和0.2-10s和2-10000个波形。

对于机载用低温等离子体电源，电压、电流、正弦波交流频率、脉冲放电频率、单脉冲放电时间及包含的正弦波个数分别为0-50kV、0.1-40A、5-100kHz、0.1-1000Hz、0.2-10s、2-10000个波形范围内的某一固定值。

作为电源的点火负载，可采用高压电极凸台对低压电极直接放电模式，或介质阻挡放电模式，采用同轴结构，低压电极上开有一定数目小孔。在凸台直接放电模式中，高压电极上的凸台为不同分布形式，凸台个数为1-30，凸台与低压电极的间隙为1-10mm。

点火负载安装在燃烧室恰当位置，保证负载内高压电极和低压电极之间充满流动的可燃混气，高压电极和低压电极与低温等离子体电源的高压线和低压线连接，触发电源开关，点火器按一定的频率进行脉冲放电点火。

如图1所示，一种低温等离子体点火电源，包括主电路模块1和控制电路模块2，主电路模块1包括顺序连接的直流电源11、调压电路12、全桥逆变电路13、串联谐振电路14、升压输出电路15，控制电路模块2包括顺序连接的给定输入控制21、DSP控制电路22、驱动电路23、控制信号24，为主电路模块1中调压电路12开关及全桥逆变13开关提供控制信号。

如图2所示，当一种低温等离子体点火电源，其电路主要包括：Boost升压电路12、逆变电路13、谐振升压电路14、DSP控制电路2(未示出)、点火负载15。电源工作原理为：直流电压VS为电源提供直流电，当开关Q1接收到导通信号时，开关Q1由关断变为导通，此时电源电压Vs加到升压电感L1上，电感电流线性增长，Vs通过回路Vs-L1-Q1给电感L1充电；当开关Q1由导通变为关断时，此时Vs和电感L1上电压叠加加到电容C1上，实现升压过程。升压比通过控制开关的占空比实现，一般升压比控制在5倍以内。当开关Q3、Q4导通，谐振电容C2被充电，当电路中谐振电流过0时，谐振电容C2放电，反并联二极D3、D4导通，开关Q3、Q4关断，此过程逆变器输出电压为正向电压；在Q3、Q4关断时，Q2、Q5开通，电流被迫转移到开关Q2、Q5，谐振电容C2反向充电，当谐振电流再次过0时，电流经反并联二极管D2、D5续流，谐振电容C2正向充电，此时开关Q2、Q5关断，此过程逆变器输出电压为负向电压；而后，开关Q3、Q4导通，重复上述过程。C1上的电压经过上述过程变为类方波交流电压，经过谐振电容C2、谐振电感L2变为类正弦交流电压，此电压经过高频变压器T1升压至所需电压。电源输出电压信号的高压线与点火器负载的高压电极连接，低压线与点火器负载的低压电极连接。DSP控制电路产生多路具有一定时序的IGBT开关控制信号，经驱动电路输入到IGBT开关Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的门极，控制5只IGBT开关的开通与关断，从而产生所需电压波形，最终在点火负载上产生按一定频率脉冲放电，及单个脉冲放电时间小于一个脉冲周期的正弦波交流电压电流波形，其脉冲放电频率、单脉冲放电时间及包含的正弦波个数、放电的电压和电流及功率等参数可调，就是通过脉冲放电频率、单脉冲放电时间、电源正弦波频率及升压变压器的调节，达到电源参数调整的目的，另外，随点火负载使用条件的变化，电源的电压、电流及功率也随之变化。

对于实验室用低温等离子体电源，由于实验参数范围广，并需寻找点火负载的最佳电源参数及最优的放大点火效果，需要进行广泛参数的实验研究，因此，电源固有电压、电流和正弦波交流频率分别为：0-50kV、0.1-40A和5-100kHz。通过DSP控制，电源输出的脉冲放电频率和单脉冲放电时间分别为：0.1-1000Hz和0.2-10s。

对于机载用低温等离子体电源及点火负载，通过研究得到最佳放电参数，在飞行过程中，这些参数是不可调节的。因此，电源输出的电压、电流、正弦波交流频率、脉冲放电频率、单脉冲放电时间分别为0-50kV、0.1-40A、5-100kHz、0.1-1000Hz、0.2-10s范围内的某一固定值。

以上实验室用电源及机载电源，对于电源和控制领域人员，在电源改制和微型化，都是很容易实现的。

举例，对于机载电源的固有正弦波频率20kHz，输出电压5kV，启动电源Vs为27V直流电压，电源工作时间6s，脉冲放电频率100Hz，单次脉冲放电时间0.5ms。根据需要的电压波形，通过DSP控制电路设定好开关Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的开通关断频率、运行时间。27V直流电压通过Boost升压至135V，135V电压通过逆变电路逆变为幅值约为170V、频率约为20kHz的类方波交流电压，设计谐振电容C2和谐振电感L2的值，使谐振频率为20kHz，此时170V的交流电压通过谐振电路升压至500V(估计值)，具体电压根据谐振参数进行计算。通过DSP控制电路控制开关的运行时间、脉冲放电频率、单脉冲放电时间，从而产生电压5kV、频率100Hz、单次脉冲放电时间0.5ms及包含的10个正弦波形的脉冲放电参数。机载电源小型化首先要把高频变压器小型化，由于机载电源工作时间短，同时采用间歇脉冲放电模式，高频变压器发热量小，不必采用冷却措施，从而变压器体积大幅度减小，同时，放电电压降低，可减小变压器体积和重量；电路的半导体开关器件选用芯片式器件，大大的减小了电路体积；电源输出参数固定值，可将DSP控制电路变为最小的控制系统，使得控制模块体积很小。因此，机载电源体积可小于10×9×8cm³，重量可小于1千克。

点火方法是通过电源输出电压信号的高压线与点火负载的高压电极连接，低压线与点火负载的低压电极连接。

当点火负载为介质阻挡放电模式时，采用同轴结构，高压电极外覆盖阻挡介质，低压电极上开有一定数目的小孔，保证高压电极和低压电极之间充满流动的可燃混气，燃烧后的气体被迅速带走，放电间隙2-10mm。

当点火负载为高压电极凸台对低压电极直接拉弧放电模式时，图2点火负载中的标号51为高压电极、52为绝缘件、53为低压电极、54为凸台、55小孔。由于没有阻挡介质，降低了放电电压，增大了放电电流，每次放电时间比火花塞可大幅度增加，点火初始火焰体积大，其电弧单位时间内的放电能量明显高于介质阻挡放电的单个细丝，又低于火花塞单位时间的放电能量，大大提高了在高气压和高速气流条件下的点火能力。同时，高压电极外表面分布的凸台，放电的区域扩大，即使不同区域的混气成分和气流流速不同，只要某个凸台局部区域处于点火可燃边界和速度界限内，就能保证点火成功。比如放电频率200赫兹，有20个凸台放电点，它们处在混气中的不同位置，假定每个凸台随机放电几率相同，那么每个凸台的放电频率为10赫兹，从而保证点火的可靠性。

当点火负载为凸台放电模式时，采用同轴结构，低压电极上开有一定数目小孔。高压电极上的凸台为不同分布形式，凸台个数为1-30，凸台与低压电极的间隙为1-10mm。

本发明的最大特点是将工业中应用的低温等离子体电源，通过改制和DSP控制，实现电源脉冲放电模式，负载产生脉冲低温等离子体。对于实验室用电源，其脉冲放电频率0.1-1000Hz、单脉冲放电时间0.2-10s及包含的正弦波个数2-10000、放电的电压0-50kV和电流0.1-40A及功率等参数可调。对于机载微型电源，上述参数为固定值，电源体积可小于10×9×8cm³，重量可小于1千克。点火负载放置在燃烧室合适位置，适合气流速度2-300m/s，气体压力0.02-2.0MPa，油气比0.4-1.4。负载采用同轴结构，一种是介质阻挡放电模式，放电间隙2-10mm，另一种是凸台放电模式，高压电极上的凸台个数为1-30，放电间隙为1-10mm。本发明的低温等离子体电源及点火方法，为在实验室内开展燃烧点火研究，为提高飞行器飞行包线内点火的可靠性和点火效率，提供一种高效的低温等离子体电源及点火方法。

如上所述，本发明的核心是通过低温等离子体电源产生脉冲放电模式，从而点火负载脉冲产生低温等离子体，以满足航空航天发动机点火和助燃的要求。以上对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果，可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低温等离子体点火电源，其特征在于，包括主电路模块和控制电路模块，主电路模块包括顺序连接的直流电源、调压电路、全桥逆变电路、串联谐振电路、升压输出电路，控制电路模块包括顺序连接的给定输入控制、DSP控制电路、驱动电路、控制信号，其为主电路模块中调压电路开关及全桥逆变开关提供控制信号。

2.根据权利要求书1所述的一种低温等离子体点火电源，其特征在于，DSP控制电路产生多路脉宽、频率、时序可调的控制信号。

3.根据权利要求书1所述的一种低温等离子体点火电源，其特征在于，直流电源经交流-直流整流获得，采用工频交流电驱动，通过DSP控制，电源输出的电压、电流、正弦波交流频率、放电频率和脉宽及包含的正弦波个数分别为：0-50kV、0.1-40A和5-100kHz、0.1-1000Hz和0.2-10s和2-10000个波形。

4.根据权利要求书1所述的一种低温等离子体点火电源，其特征在于，直流电源采用直流电驱动，通过DSP控制，电源输出的电压、电流、正弦波交流频率、放电频率和脉宽及包含的正弦波个数分别为：0-50kV、0.1-40A和5-100kHz、0.1-1000Hz和0.2-10s和2-10000个波形范围内的某一固定值。

5.一种低温等离子体点火系统，其特征在于，由权利要求1所述的低温等离子体点火电源和凸台放电负载组成。

6.根据权利要求书5所述的一种低温等离子体点火系统，其特征在于，凸台放电负载包括高压电极，高压电极上的凸台为不同分布形式，凸台个数为1-30，放电间隙为1-10mm。

7.根据权利要求书5所述的一种低温等离子体点火系统，其特征在于，凸台放电负载采用同轴结构，凸台放电负载包括高压电极和低压电极，高压电极外覆盖阻挡介质，低压电极上开有一定数目的小孔，保证电极间充满流动的可燃混气，放电间隙2-10mm。