CN106714440B - 一种应用于高频感应等离子发生器起弧系统及起弧方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于高频感应等离子发生器起弧系统及起弧方法，所述的系统包括真空机组(1)、电源系统(3)、阀门Ⅰ(5)、阀门Ⅱ(6)；试验段(2)与等离子发生器(4)连接并密封，电源系统(3)与高频感应等离子发生器(4)的线圈连接；真空机组(1)通过扩压段与试验段(2)连接，用于试验段内腔体及等离子发生器内腔体抽真空，使真空度达到300Pa以下；易电离气体、空气分别通过阀门Ⅰ(5)、阀门Ⅱ(6)连接至等离子发生器的内腔，电源系统(3)对线圈提供400kHz以上的交变电流。本发明主要应用于高频感应等离子发生器的起弧，实现高频感应等离子风洞起弧，高频感应等离子各功率型号的起弧，以及各种高频感应等离子试验的起弧要求。

Description

一种应用于高频感应等离子发生器起弧系统及起弧方法

技术领域

本发明涉及一种等离子起弧方法，特别是一种应用于高频感应等离子发生器起弧方法。

背景技术

一种应用于高频感应等离子发生器起弧方法，应用于飞行器气动热地面模拟风洞试验中。高频感应等离子发生器是为了满足高焓洁净流场而研发的新型地面试验风洞，它具有流场稳定、加热气体纯净、焓值高等特点，是一种新型航天型号防热材料地面模拟试验设备。为保证风洞正常运行，高频感应等离子发生器起弧方法是风洞运行的关键技术之一。

现有等离子加热器起弧方法包括引弧丝起弧、空气起弧以及电离起弧等方式。其存在问题包括：气体杂质多、起弧成功率低、设备磨损大、成本消耗高等缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种应用于高频感应等离子发生器起弧系统及方法。

本发明的技术方案：高频感应等离子发生器起弧系统，包括真空机组、电源系统、阀门Ⅰ、阀门Ⅱ；

试验段与等离子发生器连接并密封，电源系统与高频感应等离子发生器的线圈连接；真空机组通过扩压段与试验段连接，用于试验段内腔体及等离子发生器内腔体抽真空，使真空度达到300Pa以下；易电离气体、空气分别通过阀门Ⅰ、阀门Ⅱ连接至等离子发生器的内腔，电源系统对线圈提供400kHz以上的交变电流。

所述的真空机组包括200升/秒真空泵、300升/秒真空泵、600升/秒真空泵、1800升/秒真空泵、5000升/秒真空泵、低真空挡板阀、高真空挡板阀、真空计、掺气阀、第一压力传感器、第二压力传感器和电动截止阀；

高频感应风洞通过管路和真空计一端连接，真空计另一端同时与掺气阀的一端和高真空挡板阀进口连接，高真空挡板阀的出口通过管路依次连接5000升/秒真空泵和1800升/秒真空泵，1800升/秒真空泵与低真空挡板阀的一个出口连接，掺气阀的另一端与低真空挡板阀的进口连接，低真空挡板阀的另一个出口通过管路依次连接600升/秒真空泵、300升/秒真空泵和200升/秒真空泵，200升/秒真空泵通过消音器与大气连接；

储水池通过进水管路与300升/秒真空泵和1800升/秒真空泵的进水口连接，所述进水管路上依次设置有第一压力传感器、电动截止阀和第二压力传感器，1800升/秒真空泵的出水口与600升/秒真空泵的进水口连接，300升/秒真空泵的出水口与200升/秒真空泵的进水口连接，600升/秒真空泵的出水口以及200升/秒真空泵的出水口通过出水管路与储水池连接。

还包括上位机控制系统、PLC、温度传感器和压力传感器，PLC采集每一个真空泵的电流、电压数据，并传输给上位机控制系统，温度传感器采集每一个真空泵的温度并传输给上位机控制系统，压力传感器采集每一个真空泵的冷却水压力，上位机控制系统在真空泵的电流、电压、温度或冷却水压力超过预设的阈值时进行报警。

所述真空压力调节系统设计有防电磁干扰的屏蔽隔离措施，且在真空泵和PLC之间、PLC和温度传感器之间、PLC和压力传感器之间均设计有光电隔离模块。

还包括变频参数控制模块，用于设置或改变各个真空泵的变频参数。

易电离气体为氩气。

在等离子发生器的尾部设置进气端面，易电离气体、空气分别通过阀门Ⅰ、阀门Ⅱ先连接至进气端面，由进气端面将气体旋进等离子发生器的内腔。

所述的进气端面采用外环设置旋转沟槽的方式实现气体旋进，旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度设为15～60°。

所述的进气端面采用内环设置旋转沟槽的方式实现气体旋进，旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度设为15～45°。

高频感应等离子发生器起弧方法，步骤如下：

第一步，启动真空机组，观测风洞试验段内腔压力至300Pa以下，调节阀门Ⅰ至1～1.8Mpa范围内且稳定，调节阀门Ⅱ至0.8～1Mpa范围内且稳定；

第二步，打开阀门Ⅰ向等离子发生器内部供氩气，当氩气压力稳定时，电源系统输出所用的等离子发生器的额定高频电源，使等离子发生器内部出现火焰；

第三步，当等离子发生器电压达到3000V以上时，打开阀门Ⅱ向等离子发生器内部供空气，关闭阀门Ⅰ，随后根据试验需求，提高电源系统输出功率和调节阀门Ⅱ加大空气压力直至建立稳定的高频等离子体。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明是针对高频感应等离子发生器所特殊设计的起弧方法。其他等离子发生器起弧方法不适用于高频感应等离子发生器。

(2)本发明根据对高频感应等离子发生器的特殊起弧前准备条件，要求其风洞内部真空度必须达到300Pa以下，外环设置旋转沟槽的方式实现气体旋进，旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度设为15～60°。内环设置旋转沟槽的方式实现气体旋进，旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度设为15～45°。通过此方式能够使氩气与空气更容易在等离子发生器内腔壁上贴附旋转，增大起弧的成功率。

(3)本发明中所明确起弧前准备氩气气路压力调节至1～1.8Mpa范围内稳定值，调节空气气路压力调节至0.8～1Mpa。超出此范围起弧将失败。电源系统对线圈提供400kHz以上的交变电流。当不能达到此频率时电弧容易失败。

(4)本发明中引弧和起弧过程严格根据高频感应等离子发生器特点制定，其时序性颇为重要，如果氩气不先于空气进入，则不能达到电离效果，引弧则将失败。如果真空度不能达到300pa以下就进行氩气、空气通入，则会导致真空过高，不能电离起弧。

(5)本发明真空机组通过双通路设计，实现低真空运行和高真空运行两种模式，满足高频感应风洞各种要求下的静压要求。普通真空泵组只有单一的通路模式，不具备两种模式的互相切换，不能满足高频感应风洞的试验要求。

(6)本发明真空机组通过对真空泵进行防电磁干扰设计，满足在高频干扰环境下的正常工作，控制核心部位以及距离高频感应设备较近部位进行特殊防电磁屏蔽材料包裹。相比普通真空泵组，在无保护状态下被电磁干扰将导致控制模块失效或损坏，使机组无法正常运行。

(7)本发明真空机组中所用真空泵组通过高真空模式实测静压可达到100Pa以下，满足高频感应风洞的试验要求，此种真空压力调节控制设计针对高真空度需求，尤其在地面防热试验领域有很重要的实用价值。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明真空机组示意图；

图3为本发明进气端面旋转角度示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明高频感应等离子发生器起弧系统，包括真空机组1、电源系统3、阀门Ⅰ5、阀门Ⅱ6；

试验段2与高频感应等离子发生器4连接并密封，电源系统3与高频感应等离子发生器4的线圈连接；真空机组1通过扩压段与试验段2连接，用于试验段内腔体及等离子发生器内腔体抽真空，使真空度达到300Pa以下；易电离气体、空气分别通过阀门Ⅰ5、阀门Ⅱ6连接至等离子发生器的内腔，电源系统3对线圈提供400kHz以上的交变电流。

易电离气体可以为氩气、氦气、二氧化碳等。氩气由于其电离能小，在高频电磁作用下容易电离，因而本例忠选用氩气作为引弧介质。

为了保证可靠起弧，在等离子发生器的尾部设置进气端面，易电离气体、空气分别通过阀门Ⅰ5、阀门Ⅱ6先连接至进气端面，由进气端面将气体旋进等离子发生器的内腔。下面给出本发明具体的两种进气端面结构形式，一种采用外环设置旋转沟槽的方式实现气体旋进，旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度设为15～60°。另外一种采用内环设置旋转沟槽的方式实现气体旋进，旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度设为15～45°，角度示意如图3中的α所示。

本发明根据对高频感应等离子发生器的特殊起弧前准备条件，要求其风洞内部真空度必须达到300Pa以下。下面给出一种能够实现上述真空度要求的真空机组具体实现方式。

如图2所示，本发明高频感应风洞真空压力调节系统包括200升/秒真空泵11、300升/秒真空泵12、600升/秒真空泵13、1800升/秒真空泵14、5000升/秒真空泵15、低真空挡板阀16、高真空挡板阀17、真空计18、掺气阀19、第一压力传感器110、第二压力传感器111和电动截止阀112。

高频感应风洞通过管路和真空计18一端连接，真空计18另一端同时与掺气阀19的一端和高真空挡板阀17进口连接，高真空挡板阀17的出口通过管路依次连接5000升/秒真空泵15和1800升/秒真空泵14，1800升/秒真空泵14与低真空挡板阀16的一个出口连接，掺气阀19的另一端与低真空挡板阀16的进口连接，低真空挡板阀16的另一个出口通过管路依次连接600升/秒真空泵13、300升/秒真空泵12和200升/秒真空泵11，200升/秒真空泵11通过消音器与大气联通；

储水池通过进水管路与300升/秒真空泵12和1800升/秒真空泵14的进水口连接，所述进水管路上依次设置有第一压力传感器110、电动截止阀112和第二压力传感器111，1800升/秒真空泵14的出水口与600升/秒真空泵13的进水口连接，300升/秒真空泵12的出水口与200升/秒真空泵11的进水口连接，600升/秒真空泵13的出水口以及200升/秒真空泵11的出水口通过出水管路与储水池连接。

每个真空泵的电流、电压数据采集通过PLC连入上位机控制系统，上位机控制系统设置上限值进行预警。真空泵冷却水压力通过压力传感器采集后连入上位机控制系统，真空泵温度通过温度传感器采集后连入上位机控制系统，上位机控制系统设置上限值进行预警。所有数据均实时采集形成文档保存。

每个真空泵采用防电磁干扰保护设计，且在真空泵和PLC之间、PLC和各传感器之间设计有光电隔离模块，信号通路采用金属屏蔽线，重要部位如各种传感器，数据采集设备以及控制芯片等采用特殊防电磁屏蔽材料包裹。

本发明还进一步设置有变频参数控制模块，用于设置或改变各个真空泵的变频参数，以保证高精准度调节。

本发明低真空模式运行指标为试验真空环境为20～100kpa；高真空模式运行指标：试验真空环境为≤20kpa。当高频感应风洞需要低真空度时(即20～100kpa)，前三组抽力较小的真空泵运行；当高频感应风洞需要高真空度时(即≤20kpa)，五组真空泵同时运行，实现最大抽力，满足风洞运行需要。具体来说，本发明的真空压力调节方法如下：

在运行低真空模式时，打开低真空挡板阀16，关闭高真空挡板阀17，开启200升/秒真空泵11，使试验段真空度到40～50Kpa区间，开启300升/秒真空泵12，待试验段真空度达到20～30Kpa区间，开启600升/秒真空泵13，试验段静压稳定在20Kpa，满足低真空模式条件。

在运行高真空模式时，重复低真空模式操作，待试验段静压稳定在20Kpa时，关闭低真空挡板阀16，打开高真空挡板阀17，开启1800升/秒真空泵14，待试验段真空度达到0.8Kpa以下且稳定不变，开启5000升/秒真空泵15。在不改变变频参数的情况下，真空泵组将抽气到设备极限真空(实测即≤100Pa)。

为了进一步提高系统的自动化程度，本发明的真空压力调节系统在高真空运行模式时除了上面提到的手动逐级启动方式，还有高真空自动控制方式。在高真空自动控制方式中，200升/秒真空泵、300升/秒真空泵、600升/秒真空泵、1800升/秒真空泵、5000升/秒真空泵每一组泵可以通过直接点击对应图标进行启停操作。也可通过点击高真空启动按钮，每组泵在完成自启动情况下，自动启动下一组真空泵组，依次完成五组泵的全部启动。每组泵的启停通过PLC连接控制面板，由上位机操作界面控制，同时试验现场设有操纵柜的直接机械控制。高真空自动控制模式，只需在停机状态下点击高真空自动控制，系统将自动完成高真空模式启动操作，达到极限真空度并稳定压力。在高真空模式下，改变变频参数，可以使真空机组在5Kpa以下范围任意参数保持真空压力值。

高频感应等离子发生器起弧方法包括起弧前准备，引弧，起弧，三个阶段。首先进行起弧前准备，启动真空机组，观测风洞试验段压力至300Pa以下，调节氩气气路阀门至1～1.8Mpa范围内稳定值，调节空气气路阀门至0.8～1Mpa且保证稳定。完成以上条件进入引弧阶段，打开氩气气路阀门(阀门Ⅰ5)向等离子发生器内部供氩气，当氩气压力稳定时，高频感应等离子发生器电源系统输出对应发生器的额定高频电源，使高频感应等离子发生器氩气电离(即高频感应等离子发生器内部出现火焰)。当以上步骤完成时进行最终起弧阶段，当等离子发生器(4)电压达到3000V以上时，打开空气气路阀门向发生器内部供空气，直观的方式可以观测高频感应等离子发生器内部火焰明亮时，关闭氩气气路阀门，随后提高电源系统输出功率和调节空气气路阀门(阀门Ⅱ6)加大空气压力直至试验所需参数。

本发明方法是针对高频感应等离子发生器起弧点火所设计，拥有较高特殊性，为发生器创造了新型起弧方式，为高频感应等离子发生器稳定试验运行奠定了基础。经反复试验验证，按照上述方法进行起弧，起弧成功率可以达到100％。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种应用于高频感应等离子发生器起弧系统，其特征在于：包括真空机组(1)、电源系统(3)、阀门Ⅰ(5)、阀门Ⅱ(6)；

试验段(2)与等离子发生器(4)连接并密封，电源系统(3)与高频感应等离子发生器(4)的线圈连接；真空机组(1)通过扩压段与试验段(2)连接，用于试验段内腔体及等离子发生器内腔体抽真空，使真空度达到300Pa以下；在等离子发生器的尾部设置进气端面，易电离气体、空气分别通过阀门Ⅰ(5)、阀门Ⅱ(6)先连接至进气端面，由进气端面将气体旋进等离子发生器的内腔；电源系统(3)对线圈提供400kHz以上的交变电流；所述的真空机组(1)包括200升/秒真空泵(11)、300升/秒真空泵(12)、600升/秒真空泵(13)、1800升/秒真空泵(14)、5000升/秒真空泵(15)、低真空挡板阀(16)、高真空挡板阀(17)、真空计(18)、掺气阀(19)、第一压力传感器(110)、第二压力传感器(111)和电动截止阀(112)；

高频感应风洞通过管路和真空计(18)一端连接，真空计(18)另一端同时与掺气阀(19)的一端和高真空挡板阀(17)进口连接，高真空挡板阀(17)的出口通过管路依次连接5000升/秒真空泵(15)和1800升/秒真空泵(14)，1800升/秒真空泵(14)与低真空挡板阀(16)的一个出口连接，掺气阀(19)的另一端与低真空挡板阀(16)的进口连接，低真空挡板阀(16)的另一个出口通过管路依次连接600升/秒真空泵(13)、300升/秒真空泵(12)和200升/秒真空泵(11)，200升/秒真空泵(11)通过消音器与大气连接；

储水池通过进水管路与300升/秒真空泵(12)和1800升/秒真空泵(14)的进水口连接，所述进水管路上依次设置有第一压力传感器(110)、电动截止阀(112)和第二压力传感器(111)，1800升/秒真空泵(14)的出水口与600升/秒真空泵(13)的进水口连接，300升/秒真空泵(12)的出水口与200升/秒真空泵(11)的进水口连接，600升/秒真空泵(13)的出水口以及200升/秒真空泵(11)的出水口通过出水管路与储水池连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：还包括上位机控制系统、PLC、温度传感器和压力传感器，PLC采集每一个真空泵的电流、电压数据，并传输给上位机控制系统，温度传感器采集每一个真空泵的温度并传输给上位机控制系统，压力传感器采集每一个真空泵的冷却水压力，上位机控制系统在真空泵的电流、电压、温度或冷却水压力超过预设的阈值时进行报警。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述真空机组(1)设计有防电磁干扰的屏蔽隔离措施，且在真空泵和PLC之间、PLC和温度传感器之间、PLC和压力传感器之间均设计有光电隔离模块。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：还包括变频参数控制模块，用于设置或改变各个真空泵的变频参数。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：易电离气体为氩气。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的进气端面采用外环设置旋转沟槽的方式实现气体旋进，旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度设为15～60°。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的进气端面采用内环设置旋转沟槽的方式实现气体旋进，旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度设为15～45°。

8.一种应用权利要求1所述的系统实现高频感应等离子发生器起弧方法，其特征在于步骤如下：

第一步，启动真空机组(1)，观测风洞试验段(2)内腔压力至300Pa以下，调节阀门Ⅰ(5)至1～1.8Mpa范围内且稳定，调节阀门Ⅱ(6)至0.8～1Mpa范围内且稳定；

第二步，打开阀门Ⅰ(5)向等离子发生器(4)内部供氩气，当氩气压力稳定时，电源系统(3)输出所用的等离子发生器的额定高频电源，使等离子发生器(4)内部出现火焰；

第三步，当等离子发生器(4)电压达到3000V以上时，打开阀门Ⅱ(6)向等离子发生器(4)内部供空气，关闭阀门Ⅰ(5)，随后根据试验需求，提高电源系统(3)输出功率和调节阀门Ⅱ(6)加大空气压力直至建立稳定的高频等离子体。

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