電弧加熱器

電弧加熱器是指利用電弧對氣體加熱產生温度為幾千開以至上萬開氣流的實驗裝置，用以模擬超高速飛行時飛行器前方受壓縮的高温氣體對飛行器的加熱過程，尤其用以測定防熱材料和防熱系統性能。它是迄今為止幾乎唯一可以持續產生接近真實飛行中氣流温度和壓力的實驗工具。除用於氣動加熱試驗外，它還可用於高温氣體動力學的其他研究，如高速飛行時等離子體現象的模擬實驗。電弧加熱器在其他方面的應用見等離子體的工業應用。

電弧加熱模擬實驗是在20世紀50年代末隨着遠程導彈和人造衞星再入大氣層的研究發展起來的。到70年代，電弧加熱器發展成為以直流、長弧、大功率加熱器為主。電弧功率達到 100兆瓦量級(電壓幾萬伏，電流上千安)。弧室氣壓達30×106帕。氣壓較低時,空氣焓值達25兆焦耳/千克。下圖是一種較先進的加熱器結構示意圖。電弧加熱器可用於產生亞聲速和超聲速氣體射流，配合亞聲速和超聲速導管、包罩、超聲速風洞（見風洞）等進行不同要求的模擬實驗。

電弧加熱器的電源系統的負載為等離子體電弧，呈非線性負阻特性(電流越大電壓越低)，具有氣體放電的特點。氣體電離起弧前，阻抗很大，電壓很高而電流很小；起弧後，氣體急劇電離，阻抗迅速減小，若不串鎮流阻抗，電流會越來越大，而弧區電壓則越來越低。起弧後弧區內存在氣體電離與消電離的矛盾。當消電離因素主導其物理過程時，電弧可能突然斷開，-di/dlt極大。所以保持負載有穩定的工作點或穩定的工作段十分重要，以保證電弧穩定燃燒，不斷弧。

傳統電弧加熱器電源為飽和電抗器調壓整流電源，其構成包括三檔17級調壓：變壓器、飽和電抗器、整流變壓器、整流櫃、起動電阻和鎮定電阻等。其主要工作原理是：通過飽和電抗器和起動電阻進行限流起弧，飽和電抗器調壓，穩弧電阻保證電弧連續，確保加熱器瞬時短路負載特性的實現。該電源控制系統對輸出參數的調節主要是通過飽和電抗器來實現的。

飽和電抗器在電力系統中等諸多領域有廣泛的應用，例如：在超高壓電網中作調相調壓設備，在輸電系統中可以抑制系統過電壓，提高系統的穩定性，抑制功率振盪等。飽和電抗器是利用鐵磁質磁化曲線的非線性和飽和特性，即利用鐵磁質的磁導率不是常數這一特性而工作的。它在這種傳統的電弧加熱器電源控制系統中的作用主要有：①調節電壓的功能。②鎮流功能。通過飽和電抗器的電感和鎮定電阻，使系統引入了線性阻抗，通過線性阻抗和非線性負阻阻抗的疊加，確保了系統具有一定的穩定工作點，從而保證電弧穩定燃燒。但飽和電抗器調壓控制系統為開環系統，沒有引入反饋，而且響應較慢，造成了系統易斷弧，同時在飽和電抗器控制的電源系統中必須引入一定的鎮定電阻以提高系統的線性特性，無形中導致系統效率大大下降，造成能量的極大浪費。尤其是現在電弧加熱器向着大功率、長時間、高穩定性發展的趨勢，這種傳統的電弧加熱器控制方法已經暴露出越來越多的問題。

近年來，隨着電力電子技術的發展，電力電子器件不斷進步，針對電弧加熱器負載為非線性這一重要特性，利用晶閘管易於控制，可以實現快速調壓的特點，新型電弧加熱器電源引入了晶閘管調壓整流的新型控制策略，大大提高了系統的穩弧特性，使電弧加熱器電弧能夠穩定燃燒；同時在控制系統中引入了電流閉環，進一步增強了系統的抗擾動能力，確保了電弧加熱器不斷弧，具有穩定的工作點。