电弧加热器

利用电弧对气体加热产生温度的实验装置

电弧加热器，利用电弧对气体加热产生温度为几千开以至上万开气流的实验装置，用以模拟超高速飞行时飞行器前方受压缩的高温气体对飞行器的加热过程，尤其用以测定防热材料和防热系统性能，是迄今为止几乎唯一可以持续产生接近真实飞行中气流温度和压力的实验工具，在航空、航天事业中起着重要的作用。

简介

电弧加热器是指利用电弧对气体加热产生温度为几千开以至上万开气流的实验装置，用以模拟超高速飞行时飞行器前方受压缩的高温气体对飞行器的加热过程，尤其用以测定防热材料和防热系统性能。它是迄今为止几乎唯一可以持续产生接近真实飞行中气流温度和压力的实验工具。除用于气动加热试验外，它还可用于高温气体动力学的其他研究，如高速飞行时等离子体现象的模拟实验。电弧加热器在其他方面的应用见等离子体的工业应用。

电弧加热模拟实验是在20世纪50年代末随着远程导弹和人造卫星再入大气层的研究发展起来的。到70年代，电弧加热器发展成为以直流、长弧、大功率加热器为主。电弧功率达到 100兆瓦量级(电压几万伏，电流上千安)。弧室气压达30×106帕。气压较低时,空气焓值达25兆焦耳/千克。下图是一种较先进的加热器结构示意图。电弧加热器可用于产生亚声速和超声速气体射流，配合亚声速和超声速导管、包罩、超声速风洞（见风洞）等进行不同要求的模拟实验。

工作原理

电弧加热器的电源系统的负载为等离子体电弧，呈非线性负阻特性(电流越大电压越低)，具有气体放电的特点。气体电离起弧前，阻抗很大，电压很高而电流很小；起弧后，气体急剧电离，阻抗迅速减小，若不串镇流阻抗，电流会越来越大，而弧区电压则越来越低。起弧后弧区内存在气体电离与消电离的矛盾。当消电离因素主导其物理过程时，电弧可能突然断开，-di/dlt极大。所以保持负载有稳定的工作点或稳定的工作段十分重要，以保证电弧稳定燃烧，不断弧。

传统电源

传统电弧加热器电源为饱和电抗器调压整流电源，其构成包括三档17级调压：变压器、饱和电抗器、整流变压器、整流柜、起动电阻和镇定电阻等。其主要工作原理是：通过饱和电抗器和起动电阻进行限流起弧，饱和电抗器调压，稳弧电阻保证电弧连续，确保加热器瞬时短路负载特性的实现。该电源控制系统对输出参数的调节主要是通过饱和电抗器来实现的。

饱和电抗器在电力系统中等诸多领域有广泛的应用，例如：在超高压电网中作调相调压设备，在输电系统中可以抑制系统过电压，提高系统的稳定性，抑制功率振荡等。饱和电抗器是利用铁磁质磁化曲线的非线性和饱和特性，即利用铁磁质的磁导率不是常数这一特性而工作的。它在这种传统的电弧加热器电源控制系统中的作用主要有：①调节电压的功能。②镇流功能。通过饱和电抗器的电感和镇定电阻，使系统引入了线性阻抗，通过线性阻抗和非线性负阻阻抗的叠加，确保了系统具有一定的稳定工作点，从而保证电弧稳定燃烧。但饱和电抗器调压控制系统为开环系统，没有引入反馈，而且响应较慢，造成了系统易断弧，同时在饱和电抗器控制的电源系统中必须引入一定的镇定电阻以提高系统的线性特性，无形中导致系统效率大大下降，造成能量的极大浪费。尤其是现在电弧加热器向着大功率、长时间、高稳定性发展的趋势，这种传统的电弧加热器控制方法已经暴露出越来越多的问题。

新型电源

近年来，随着电力电子技术的发展，电力电子器件不断进步，针对电弧加热器负载为非线性这一重要特性，利用晶闸管易于控制，可以实现快速调压的特点，新型电弧加热器电源引入了晶闸管调压整流的新型控制策略，大大提高了系统的稳弧特性，使电弧加热器电弧能够稳定燃烧；同时在控制系统中引入了电流闭环，进一步增强了系统的抗扰动能力，确保了电弧加热器不断弧，具有稳定的工作点。

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