水射流等离子弧动态伏安特性

论文摘要

等离子弧已广泛应用于冶金、焊接与切割、电推进技术等领域。目前等离子弧大多以氩气、氮气以及空气等气体作为工作介质,而对于以液体作为工质的等离子弧的研究较少。水具有高焓特性,将水作为等离子弧的反应工质在等离子弧切割及电推进应用中表现出了其特有的优势。因此,对其进行深入研究具有重大的理论价值和应用价值。本文提出了水射流等离子弧推进效应的概念,设计了水射流等离子弧发生及信号检测电路。建立了基于虚拟仪器技术的等离子弧电信号测试及分析软件系统。该系统具有通道选择、实时采样、数据存储、波形回放、数据分析等功能。在此基础上对水射流等离子弧电信号进行了时域波形分析、频谱分析及谐波分析,并从统计学角度对放电信号的稳定性进行了评估。研究了水射流环境下交流电弧的产生,稳定和熄灭过程,结果表明:水射流等离子弧产生过程存在气液两相放电,水的汽化程度越大放电波形畸变也越大;稳定放电时,电弧稳定燃烧电压约为100V,在电流自然过零前后存在1~2ms的熄弧时间,在此时间内电流接近于零并且变化缓慢,电压恢复到约1500V使得电弧重燃。实验分析了不同水流量、喷嘴孔径、极间距对放电特性的影响。分析了水射流等离子弧动态伏安特性,对传统的交流电弧动态数学模型进行了改进。将Mayr模型和Cassie模型以串联电阻的方式联合起来,并针对液态工质的特点引入了最小电导这一新的参数,建立了适合水射流等离子弧的动态模型。确立了模型参数的求解方法并采用Matlab/Simulink软件将电弧数学模型转换为电路模型进行了伏安特性仿真分析,探讨了模型中各参数变化的对仿真结果的影响。仿真结果与实测结果具有较好的一致性,从而验证了电弧动态模型的可用性。本研究对于其它交流电弧设备的工程设计也具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 等离子弧信号检测与分析的研究现状
• 1.2.2 电弧模型及仿真的研究现状
• 1.3 课题来源及意义
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 水射流等离子弧发生及测试系统的建立
• 2.1 反应器结构设计
• 2.2 电弧放电及测试系统
• 2.2.1 放电及测试电路
• 2.2.2 数据采集设备
• 2.3 基于虚拟仪器技术的信号采集软件设计
• 2.3.1 虚拟仪器技术简介
• 2.3.2 数据采集与存储程序设计
• 2.3.3 前面板设计
• 2.4 数据回放及分析程序设计
• 2.4.1 数据回放前面板
• 2.4.2 频域分析程序设计
• 2.4.3 统计分析程序设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 水射流等离子弧电信号分析
• 3.1 放电波形时域分析
• 3.1.1 燃弧过程及其波形
• 3.1.2 等离子弧电流过零理论分析
• 3.1.3 伏安特性分析
• 3.2 放电信号频谱分析
• 3.3 统计分析
• 3.4 不同条件对放电特性的影响
• 3.4.1 燃弧时间与放电电流的关系
• 3.4.2 电极间距对放电的影响
• 3.4.3 流量对放电的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 水射流等离子弧动态模型及仿真
• 4.1 交流电弧动态模型
• 4.1.1 Cassie 和Mayr 动态模型
• 4.1.2 电弧动态模型的改进
• 4.2 动态伏安特性仿真模型的建立
• 4.3 仿真结果分析
• 4.3.1 仿真与实测结果对比分析
• 4.3.2 不同参数下仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢