一种用于电弧风洞加热器的引弧电路及引弧方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种用于电弧风洞加热器的引弧电路及引弧方法。

背景技术：

等离子电弧加热装置工作原理是将一定流量和压力下的压缩空气注入电弧加热器中，大功率直流电源系统输出直流高压将加热器中的气体电离击穿，形成等离子电弧，电弧燃烧把空气加热到高温状态。高温气体经锥形喷管加速成高焓、高速气流，以实现加热、烧蚀、熔炼等目的，电弧加热器是航天器地面模拟高温热环境的主要设备。

电弧风洞一般工作在真空环境下，加热器工作时会充满空气，但加热器的正极与负极之间距离很大，要直接引燃正极负极之间的空气需要很高的能量，为此电弧加热器采用分段引弧的方式，即将直流分断开关并接在加热器抽头上，在引弧阶段先使直流分断开关闭合，短路该部分电极，待引弧成功后，气体介质成功击穿成离子状态，断开直流分断开关，击穿该部分气体，完成引弧阶段的工作。

采用直流分段开关引弧有如下的缺点

(一)等离子电弧加热装置应用直流进行供电，由于直流电弧无自然过点，灭弧更为困难，直流分断开关是一种机械开关，通过线圈控制电磁铁的吸合使触点吸合或断开，为了保证能够安全熄灭电弧，所以直流分断开关一般采用磁吹式灭弧，其结构比较复杂、笨重、分断性能较差，导致使用寿命受到限制，时间久了灭弧罩容易烧毁。

(二)由于设备灭弧的要求，直流分断开关体积一般较大，并且在灭弧室一侧需要留有足够的安全空间，所以设备占用空间较大。

(三)直流分断开关的吸合和断开是通过线圈控制电磁铁来完成，所以转换速度较慢，一般为零点几秒，极端状态可能会导致断弧。

技术实现要素：

为此，本发明的一个目的在于提出一种能解决上述技术问题的用于电弧风洞加热器的引弧电路及引弧方法。

本发明提供了一种用于电弧风洞加热器的引弧电路，包括：整流电源、控制单元、igbt电子开关和电弧风洞加热器；所述整流电源的正极与所述电弧风洞加热器的正极相连，所述整流电源的负极与所述电弧风洞加热器的负极相连，所述控制单元与所述整流电源信号连接，且与所述igbt电子开关控制连接，所述电弧风洞加热器具有进气口；所述电弧风洞加热器的正极和负极之间具有两个或两个以上片间，每个所述片间的两端对应连接有一个所述igbt电子开关；两个或两个以上所述igbt电子开关依次串联后与所述电弧风洞加热器的负极相连。本发明采用igbt电子开关有效取代机械式直流分断开关作为开关器件。igbt电子开关作为半导体器件，其导通和关断是由栅极和发射极之间的电压控制，通过器件内部电子移动完成的，避免了机械触头的合-分动作，不产生电弧，极大的延长了使用寿命。同时，无需增加灭弧装置，大大减小该部分设备所占用的空间。

进一步地，所述进气口的位于所述电弧风洞加热器的正极。

进一步地，所述片间具有四个，对应地，所述igbt电子开关具有四个。

本发明还提供了一种用于电弧风洞加热器的引弧方法，包括：

步骤一，闭合所有igbt电子开关，在电弧风洞加热器的正极通入少量高纯度氩气；

步骤二，启动整流电源,电弧风洞加热器中的高纯度氩气在直流高电压下发生击穿形成电弧，使电弧风洞加热器的正极与第一片间之间的形成回路；

步骤三，控制单元迅速断开与第一片间对应的第一igbt电子开关，使电弧弧根由第一片间落到第二片间；

步骤四，控制单元迅速断开与第二片间对应的第二igbt电子开关，使电弧弧根由第二片间落到第三片间或者落到负极，以此类推，当电弧弧根落到负极时，完成电弧加热器的引弧。

进一步地，所述步骤二还包括：控制单元接收整流电源的起弧成功信号及故障信号，并响应于接收到起弧成功信号，继续进行下一步骤；响应于接收到故障信号，控制整流电源紧急停车。

进一步地，所述步骤三和步骤四还包括：控制单元接收整流电源的引弧成功信号及故障信号，并响应于接收到起弧成功信号，待分断时间后，断开下一个igbt电子开关；响应于接收到故障信号，控制整流电源紧急停车；其中，所述分断时间为预先设定的时长。

进一步地，还包括：控制单元检测igbt电子开关的电压和电流，并响应于igbt电子开关的电压异常或电流异常，控制整流电源紧急停车。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1绘示了一种用于电弧风洞加热器引弧的引弧电路的结构图。

附图中标记为：

1整流电源

2控制单元

3igbt电子开关

31第一igbt电子开关

32第二igbt电子开关

33第三igbt电子开关

34第四igbt电子开关

4电弧风洞加热器

41正极

42负极

43第一片间

44第二片间

45第三片间

46第四片间

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供了一种用于电弧风洞加热器的引弧电路，如图1所示，包括：整流电源1、控制单元2、igbt电子开关3和电弧风洞加热器4；所述整流电源1的正极与所述电弧风洞加热器4的正极41相连，所述整流电源1的负极与所述电弧风洞加热器4的负极42相连，所述控制单元2与所述整流电源1信号连接，且与所述igbt电子开关3控制连接，所述电弧风洞加热器4具有进气口；所述电弧风洞加热器4的正极41和负极42之间具有两个或两个以上片间，每个所述片间的两端对应连接有一个所述igbt电子开关3；两个或两个以上所述igbt电子开关3依次串联后与所述电弧风洞加热器4的负极42相连。本发明采用igbt电子开关3有效取代机械式直流分断开关作为开关器件。igbt电子开关3作为半导体器件，其导通和关断是由栅极和发射极之间的电压控制，通过器件内部电子移动完成的，避免了机械触头的合-分动作，不产生电弧，极大的延长了使用寿命。同时，无需增加灭弧装置，大大减小该部分设备所占用的空间。而且，igbt电子开关3作为电压控制型器件，其设计频率可以达到上千赫兹，转换速度远远超过了直流分断开关，提高了引弧的成功率。

优选地，所述进气口的位于所述电弧风洞加热器4的正极41，便于在整流电源1启动之前，通过该进气口向正极41中通入少量高纯度氩气；也方便在起弧后，向电弧风洞加热器4中充入高压空气。

在一个具体的实施例中，如图1所示，所述片间具有四个，包括第一片间43、第二片间44、第三片间45、第四片间46，对应地，所述igbt电子开关3具有四个，分别为第一igbt电子开关31、第二igbt电子开关32、第三igbt电子开关33、第四igbt电子开关34，将一个电弧风洞加热器4分成四段进行引弧，降低了引弧难度，提高了引弧的成功率。

本发明实施例还提供了本发明还提供了一种用于电弧风洞加热器的引弧方法，包括：

步骤一，闭合所有igbt电子开关3，在电弧风洞加热器4的正极41通入少量高纯度氩气；此时，第一片间43、第二片间44、第三片间45、第四片间46和电弧风洞加热器4的负极42电势相同。

步骤二，启动整流电源1，电弧风洞加热器4中的高纯度氩气在直流高电压下发生击穿形成电弧，使电弧风洞加热器4的正极41与第一片间43之间的形成回路；此时，电弧风洞加热器4的正极41与第一片间43、第二片间44、第三片间45、第四片间46和电弧风洞加热器4的负极42之间具有电压差。

步骤三，控制单元2迅速断开与第一片间43对应的第一igbt电子开关31，使电弧弧根由第一片间43落到第二片间44；此时，电弧风洞加热器4的正极41与第二片间44、第三片间45、第四片间46和电弧风洞加热器4的负极42之间具有电压差。

步骤四，控制单元2迅速断开与第二片间44对应的第二igbt电子开关32，使电弧弧根由第二片间44落到第三片间45，以此类推，当电弧弧根落到电弧风洞加热器4的负极42时，完成电弧加热器4的引弧。

在本发明实施例的一个方面，所述步骤二还包括：控制单元2接收整流电源1的起弧成功信号及故障信号，并响应于接收到起弧成功信号，继续进行下一步骤；响应于接收到故障信号，控制整流电源1紧急停车。

在本发明实施例的一个方面，所述步骤三和步骤四还包括：控制单元2接收整流电源1的引弧成功信号及故障信号，并响应于接收到起弧成功信号，待分断时间后，断开下一个igbt电子开关3；响应于接收到故障信号，控制整流电源1紧急停车；其中，所述分断时间为预先设定的时长，时间差达到毫秒级，可以实现电弧风洞加热器4快速起弧和稳弧。

在本发明实施例的一个方面，控制单元2还检测igbt电子开关3的电压和电流，并响应于igbt电子开关3的电压异常或电流异常，控制整流电源1紧急停车。

综上，本发明具有以下有益效果：

本发明更多的关注于对电弧风洞加热器4起弧阶段工艺情况，通过设置igbt电子开关3短路掉部分电弧风洞加热器4的弧路，实现分级引弧的功能。

本发明采用igbt电子开关3取代传统的机械式直流分断开关，提高了该器件的使用寿命，同时减少的设备的体积，方便安装，极大的缩短了加热器试验的准备时间。目前，igbt电子开关3的功率等级可以达到600a/6500v，完全满足了大功率工况的要求，并且通过串/并联可以实现在兆瓦和几十兆瓦量电弧风洞加热器4上的应用。

本发明对电弧风洞加热器4起弧和引弧的过程具有完善的检测和保护功能，可以有效地减少对电弧风洞加热器4的损伤。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。