Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние исследований и разработок электролизно-водных генераторов для сварки и пайки
1.1 Состояние исследования и разработки электролизно-водных генераторов 7
1.2 Постановка задачи диссертации и ее общая характеристика 21
Глава 2 Научное обоснование выбора структурной схемы генератора и его элементной базы 24
2.1 Автоматизация выбора структурной схемы генератора 24
2.2 Обоснование выбора конструкционных параметров и оптимального режима электропитания электролизера ЭВГ 29
2.3 Научное обоснование системы датчиков и защитных 39 автоматизированных устройств ЭВГ
2.3.1 Система датчиков давления в ЭВГ 40
2.3.2 Система датчиков температуры в ЭВГ 43
2.3.3 Комплекс датчиков устройств системы защиты от обратного удара 53
2.3.4 Экспериментальная модель элекролизно-водного генератора «АГАТ-П», разработанная при непосредственном участии автора 62
Глава 3 Научное обоснование принципов построения и разработки системы автоматического управления и защиты аппаратов на основе ЭВГ большой мощности 66
3.1 Разработка системы электропитания и управления ЭВГ большой мощности 66
3.2 Исследования электромагнитных процессов в системах электропитания и управления ЭВГ 75
3.3 Анализ уровня радиопомех и выбор схемы помехоподавляющего устройства 85
3.4 Автоматизация управления электротехнологическими установками на базе ЭВГ с применением микроЭВМ 98
3.5 Методика расчета количества пластин и производительности электролизера генератора большой мощности 103
Заключение 106
Список использованной литературы 108
- Состояние исследования и разработки электролизно-водных генераторов
- Постановка задачи диссертации и ее общая характеристика
- Автоматизация выбора структурной схемы генератора
- Разработка системы электропитания и управления ЭВГ большой мощности
Введение к работе
Возможность и целесообразность использования электролизно-водных генераторов в технологии газопламенной обработки материалов и, в частности, для сварки и пайки металлов обсуждается в научной и технической литературе уже с 70-х - 80-х годов прошлого века. Повышенный интерес к данному научно-техническому направлению связан, прежде всего, с тем, что горючим материалом в установках в электролизно-водных генераторах (ЭВГ) является не традиционный органический материал (ацетилен, пропан, бензин и др.), а кислородно-водородная смесь, получаемая путем электролитического разложения воды. При сгорании кислородно-водородной смеси вновь образуется вода. Таким образом, в технологическом процессе практически (за исключением случаев использования органических горючих материалов в качестве добавок для изменения характера пламени (окислительный, восстановительный, нейтральный)) исключается использование органических горючих материалов, стоимость которых непрерывно растет. Очень важным социальным фактором является улучшение экологической обстановки в месте проведения паяльно-сварочных работ, поскольку в процессе горения образуются лишь пары воды. Учитывая, что химическая активность среды характерна для многих процессов бытового обслуживания - в жидкостных процессах обработки изделий, на участках подготовки и жидкостной обработки кожевенного сырья, химическая активность рабочих жидкостей вынуждает изготавливать аппараты из нержавеющих материалов и средства автоматики выносят в отдельные помещения, кроме того, в коммунальном хозяйстве приходится выполнять сварочные работа в стесненных условиях - в помещениях малого объема, в текстильном производстве при большой запыленности производственных помещений взвешенными частицами отходов производства. Обращает на себя внимание и чрезвычайно широкий диапазон возможного уменьшения массо-габаритных и улучшения энергетических характеристик установок на базе ЭВГ, поскольку это зависит лишь от величины
4 активной площади электролизера. Известны случаи реализации
технологических установок от стационарных до переносных и миниатюрных
вариантов, где электролизер совмещен конструктивно с газовой горелкой.
Однако, судя по числу научных и практических публикаций, наиболее
востребованными в настоящее время являются переносные и передвижные
установки мощностью в несколько киловатт. Что касается теплофизических
параметров пламени таких установок, то здесь мы имеем значительное
расширение возможностей газопламенной обработки материалов и изделий. С
помощью установок на базе ЭВГ возможно не только производить все виды
работ, которые осуществляются на обычном газосварочном оборудовании, но
и значительно продвинуться в область, где необходимо сочетание высоких
температур (в факеле такого пламени зафиксированы температуры более
3000С) и малых размеров активной зоны. Особенность использования ЭВГ в
составе газопламенной установки для производства паяльно-сварочных работ
состоит в том, что, во-первых, режим его работы должен легко и в широких
пределах перестраиваться и, во-вторых, осуществляться это должно с помощью
горелки, которая может находиться на большом расстоянии (обычно 5-10 м) от
генератора. Так как в ЭВГ мы имеем дело с газовой смесью, отличающейся
чрезвычайно высокой взрывоопасностью и рабочей жидкостью электролизера
является концентрированный раствор щелочи (КОН или NaOH), то ЭВГ для
производства паяльно-сварочных работ должен быть оснащен весьма сложной
и надежной системой защиты и автоматического регулирования, включающего
ряд датчиков состояния электролизера и газотранспортной системы в целом
(температура, давление, взрывоопасность и др.). Последнее обстоятельство
ограничивает использование этого сравнительно дешевого и простого способа
получения пламени для локального нагрева при пайке и сварке. Поэтому
создание и автоматизация управления ЭВГ, обеспечивающих достаточную
безопасность работы и охраны окружающей среды при длительной
эксплуатации, стабильность и автоматическую регулировку параметров
пламени является актуальной.
5 Целью работы является исследование и повышение качества и
надежности разработанных систем автоматизации поддержания заданных параметров и процессов работы электротехнологических установок большой мощности на базе электролизно-водного генератора кислородно-водородной смеси газов.
Методы исследований основаны на анализе и синтезе структурных схем генераторов кислородно-водородной смеси классическим методом, физическом и математическом моделировании систем автоматизации.
Научная новизна. На основании проведенных исследований впервые составлена структурная схема ЭВГ с двухуровневой газотранспортной системой, разработана новая и обширная система датчиков для контроля параметров с целью осуществления автоматизации управления процессом производства газовой смеси и обеспечения защиты оборудования при нарушении технологического процесса, впервые предложено применение трехфазных вариантов схем тиристорного управления и защиты с применением микроЭВМ для установок большой мощности. Разработаны методики анализа схем управления и проектирования ЭВГ большой мощности.
Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в разработке более совершенных и эффективных методов и средств автоматизации контроля управления режимами ЭВГ, установок на его основе, исследовании и разработке систем управления и защиты установок средней и большой мощности применительно к производству товаров народного потребления, автосервису и ремонту бытовой техники, в условиях, связанных с трудностями обеспечения мер безопасности.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Принципы построения средств контроля параметров ЭВГ и защиты элементов электрооборудования в эксплуатационных и аварийных режимах.
Принципы совмещения функций регулирования, коммутации и защиты ЭВГ схемными решениями с использованием одних и тех же элементов полупроводниковой электроники.
Разработана новая система управления, контроля и защиты электролизно-водных установок большой мощности с применением микроЭВМ.
Методики проектирования элементов электрооборудования ЭВГ, которые могут быть использованы при построении конструкции электролизера.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на VIII межвузовской научной конференции «Современные средства управления бытовой техникой» (2006 г.).
Результаты исследований использованы при разработке лабораторных работ курса «Основы функционирования систем сервиса» в ИГУПИТ, а также в МПО «Гидромаш».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка литературы, включающего 42 наименования и приложения. Работа изложена на 133 страницах текста, содержит 57 рисунков, 14 таблиц, а также результатов практического внедрения научных результатов работы.
Состояние исследования и разработки электролизно-водных генераторов
Выше было отмечено, что возросший интерес к использованию установок на базе электролизно-водных генераторов начиная с 70-х годов прошлого века связан, с одной стороны, со стремлением продвинуться в решении проблемы сокращения расхода углеводородных энергоносителей и, с другой стороны, с накоплением достаточно обширного теоретического, экспериментального и практического материала о процессе получения кислорода и водорода путем электролитического разложения воды применительно к их промышленному производству [1]. Появились первые сообщения о создании специализированных установок для газопламенной обработки различных материалов на базе электролизно-водных генераторов [25].
Источником нагрева при сварке, пайке и некоторых других процессов в установках этого типа служит газовое пламя, образующееся в результате горения водорода. Горючий газ и окислитель (кислород) получают электролитическим разложением воды. Выделение водорода и кислорода сопровождается расходом воды, что приводит к увеличению концентрации электролита (оптимальная концентрация раствора щелочи по мнению авторов разработок составляет - 25%) и требует периодического добавления дистиллированной воды в активную зону электролизера. Сообщается [25], что в случае работы с горелкой, имеющей диаметр сопла 0,48 мм, затрачивается 0,5 10"3 м3 дистиллированной воды за 330 часов работы.
В зависимости от диаметра сопла горелки, применяемой для пайки и сварки, диаметр факела и, следовательно, область концентрированного нагрева составляет 0,5 - 2 мм при длине пламени 10 - 40 мм (данные получены применительно к обработке мелких деталей).
Температура кислородно-водородного пламени максимальна в вершине внутреннего конуса. Вдоль оси факела наблюдается резкий градиент температуры, что позволяет использовать этот источник теплового воздействия в таких технологических процессах, как напыление или обработка ювелирных изделий, где требуется локальный нагрев в широком диапазоне температур. Сообщается о возможности изменения нейтрального характера пламени (получаемого сжиганием смеси газов стехнометрического состава) на восстановительный путем введения паров этилового спирта в газовую смесь [25]. Сообщается о результатах измерения температуры факела, максимум которой достигает 3670К (3397С) [31].
Для электрохимического получения водорода и кислорода промышленное применение получили различные типы электролизеров, отличающиеся друг от друга конструкцией электродов и способами разделения и отвода газов. На практике аппаратура для электролиза воды различается в основном устройством и расположением электродов в зависимости от подключения их к источнику тока. По этому принципу электролизеры делятся на две группы: с монополярным включением электродов (монополярные) и с биполярным включением электродов (биполярные).
Схематическое устройство монополярных и биполярных электролизеров показано на рисунке 1.1 [1]. Монополярные электролизеры состоят из параллельно расположенных стальных электродов. Одна половина электродов (например, четные) соединена с положительной шиной, а другая, нечетные - с отрицательной. При этом каждый отдельно взятый электрод является или только анодом, или только катодом, т.е. имеет определенную полярность. Плотность тока в монополярных электролизерах измеряется как частное от деления силы тока на поверхность всех электродов одной полярности, т.е. на всю рабочую поверхность анодов или катодов. Биполярные электролизеры состоят также из параллельно расположенных стальных электродов, но с той разницей, что подвод тока в них осуществляется только к крайним электродам, работающим монополярно. Они состоят из прямоугольных или круглых биполярных электродов, которые соединены рамами в один агрегат через изолирующие и уплотняющие прокладки. Элемент электролизера, состоящий из двух электродов и рамы с закрепленной на ней диафрагмой, называется ячейкой. Диафрагма делит внутреннюю полость ячейки на две части - катодную и анодную. По способу разделения газов различают колокольные и диафрагменные электролизеры. В настоящее время используют, преимущественно, диафрагменные электролизеры.
Применение двойных электродов улучшает внутреннюю циркуляцию электролита и уменьшает газонаполнение. Известны также сетчатые (рисунок 1.2, г) и пластинчатые (рисунок 1.2, д) электроды. Интересна конструкция жалюзийного электрода (рисунок 1.2, е), в которой электрод выполняет функцию диафрагмы. Наибольшее применение в промышленных фильтр-прессных электролизерах получили биполярные электроды с выносными перфорированными листами (рисунок 1.2, ж). Средний сплошной лист такого электрода служит для разделения соседних ячеек и крепления выносных перфорированных электродов. Газы, выделившиеся при электролизе на внешней стороне выносного электрода, отводятся через отверстие перфорации на обратную сторону в промежутки со средним листом электрода. Такое устройство электродов позволяет почти вплотную приблизить выносные электроды к диафрагме. Кроме конструктивных особенностей следует обратить внимание на материал, из которого изготовлены электроды. Обычно электроды выполняются из стали 3, аноды дополнительно, с целью предохранения от коррозии, электролитически покрывают никелем.
Из сказанного выше следует, что электролизер для получения водорода и кислорода представляет собой весьма сложную конструкцию и связано это, в первую очередь, необходимостью раздельного вывода водорода и кислорода. Конструкторские проблемы в значительной мере упрощаются или снимаются полностью, если нет необходимости в раздельном получении кислорода и водорода. Сварка, пайка и другие виды газопламенной обработки материалов и изделий - это тот вид работ, когда в подавляющем большинстве случаев можно непосредственно направлять в горелку кислородно-водородную смесь стехнометрического состава ("гремучий газ"). Это позволяет значительно упростить конструкцию электролизера и сделать его более эффективным в плане энергетических характеристик. Однако основная тяжесть проблем теперь перемещается на газотранспортную систему электролизно-водного генератора и электронную систему питания и управления, поскольку "гремучий газ" - это взрывоопасная смесь, отличающаяся очень высокой скоростью горения.
Значительный вклад в решение проблем обсуждаемого научно-технического направления внесли ученые Института электросварки им.Е.О.Патона АН Украины [2]. На рисунке 1.3 схематически представлена конструкция биполярного электролизера для получения "гремучего газа". Он состоит из последовательно соединенных ячеек с общим выходом смеси газов [2]. Питание электролизера осуществляется постоянным током. Количество ячеек выбирается исходя из величины приложенного напряжения (примерно два вольта на ячейку, но зависит от концентрации и типа электролита, а также от установленной рабочей температуры электролизера). При протекании электрического тока через электролизер в газотранспортной системе генератора накапливается газовая смесь (обычно под давлением 0,15 - 0,6 МПа) [3].
Постановка задачи диссертации и ее общая характеристика
Целью настоящей работы является исследование и разработка методов дальнейшего совершенствовании оборудования для газопламенной обработки металлов с помощью электролизно-водных генераторов.
Для достижения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие научные задачи: 1. Предложены перспективные схемно-технические Р Итения электролизно-водного генератора с двухуровневой газотранспортной сис -хемой Выполнено ее исследование с целью получения предельного 3H; TjeHH коэффициента полезного действия генератора. 2. Разработана оригинальная измерительная система, для контроля параметров электролизно-водного генератора, которая позволяет контролировать процесс производства горюче-газовой смеси и загцищат оборудование при нарушении технологического процесса. 3. Предложена методика автоматизации технологического оборудования для пайки и сварки с помощью электролизно-водного генератора, проведены исследования динамических процессов управления с применением микроЗВМ 4. Разработаны методики расчетов электролизера ЭВГ и уровня радиопомех тиристорного преобразователя. Исследованы способы их подавления.
Методы исследований основаны на анализе и синтезе структурных схем генераторов кислородно-водородной смеси классическим методом, физитЇЄско и математическом моделировании.
Научная новизна полученных результатов. На основании проведенных исследований составлена структурная схема перспективного ЗВГ двухуровневой газотранспортной системой, разработана измерительная система, включающая датчики для контроля параметров с целью осуществления автоматизации управления процессом производства газовой смеси и обеспечения защиты оборудования при нарушении технологического процесса. Впервые предложено применение трехфазных вариантов схем тиристорного управления и защиты с применением микроЭВМ для Установок большой мощности. Разработаны оригинальные методики анализа схем управления и проектирования ЭВГ большой мощности.
Практическая ценность результатов заключается в разработке более совершенных и эффективных методов и средств автоматизации управления режимами ЭВГ, а также установок на его основе, в исследовании и разработке систем управления и защиты установок средней и большой мощности. Основные научные положения, выносимые на защиту:
5. Принципы построения средств контроля параметров ЭВГ и защиты элементов электрооборудования.
6. Принципы совмещения функций регулирования, коммутации и защиты ЭВГ схемными методами с использованием одних и тех же элементов полупроводниковой электроники.
7. Разработанная при непосредственном участии автора система управления, контроля и защиты электролизно-водных установок большой мощности с применением микроЭВМ.
8. Методики проектирования ЭВГ и построения конструкции электролизера.
Автоматическое поддержание заданного режима работы электролизера осуществляется с помощью установленных на нем датчиков температуры и давления, сигналы с которых поступают на соответствующие блоки защиты и управления (4 и 5). Через некоторое время после начала работы электролизера температура его достигает рабочего значения и по сигналу с блока управления (5) включается в работу система охлаждения (6). Если в процессе работы температура продолжает повышаться и достигает критической величины Ткр, поступает сигнал на блок контроля и управления (7), который отключает питание электролизера. Датчики давления, установленные на электролизере, настроены на три уровня. Срабатывание датчика низкого давления вызывает подачу питания на электролизер. При достижении максимального уровня рабочего давления Ртах подача питания на электролизер прекращается. В случае аварийной ситуации, когда давление в электролизере по каким-либо причинам достигает критического значения, с блока управления и защиты (4) сигнал поступает в блок защиты (7), который отключает электролизно-водный генератор от сети питания. В функциональной схеме генератора предусмотрена защита и от аварийного сброса давления (например, обрыв газовых шлангов).
Это реализуется использованием дополнительного датчика давления в газовом тракте на выходе генератора (16). Процесс получения горючей смеси газов начинается в электролизере, где происходит разложение воды на составляющие и- выделение атомарного водорода (Н) на катоде и атомарного кислорода (О) на аноде. В этой же области происходит рекомбинация атомарного водорода с образованием молекулы. водорода () и-рекомбинация атомарного кислорода с образованием молекулы кислорода ((). Эти процессы сопровождаются выделением достаточно большого количества тепла (для водорода, например, это составляет около 100000 кал/моль) [Г, 19]. Выделение тепла и вызванный им, дополнительный нагрев электролизера приводит к протеканию тока через электролит в межэлектродном пространстве по шунтирующему каналу (он неизбежно образуется из-за необходимости предусмотреть в конструкции электролизера канал для выравнивания уровня электролита в его ячейках). На основании изложенного, электролизер, с позиций электротехники как приемник электроэнергии, может быть представлен следующей эквивалентной схемой (рисунок 2.2).
Автоматизация выбора структурной схемы генератора
В процессе электролиза, как было отмечено выше, в электролизере выделяется достаточно большое количество тепла, что приводит к его нагреву. С другой стороны, и сам процесс электролиза протекает более эффективно (при меньшем напряжении) при повышенных, по сравнению с комнатной, температурах. В работе [1] отмечается, что оптимальной нужно считать температуру электролизера около 85С. Превышение этого порога приводит к резкому увеличению скорости испарения воды, с парами которой происходит унос щелочи из электролизера, т.е. приводит к резкому увеличению нагрузки на устройства очистки и осушки газотранспортной системы. Таким образом, работа электролизера требует постоянного контроля его температурного режима и включение, при необходимости, системы охлаждения, которая может быть реализована различными способами (см. главу 1) и, в частности, воздушным охлаждением или прокачкой электролита через радиатор [2]. Реализация последнего варианта, однако, вряд ли целесообразна для переносных и передвижных генераторов, предназначенных для использования при паяльно-сварочных работах, поскольку такая система охлаждения значительно усложняет и утяжеляет установку. В любом варианте на электролизере должны быть установлены аналоговые датчики температуры, сигналы с которых в нужный момент включают или выключают систему охлаждения. Кратко об элементах газотранспортной системы генератора. В качестве таких элементов нами использованы известные устройства, приспособленные к условиям перехода на двухуровневую (по давлению) газотранспортную систему. Основным элементом здесь является редуктор (11) (рисунок 2.1), который делит газотранспортную систему на две части: высокого и низкого давления. Отстойник (9) и осушитель (10) выполнены аналогично барбатерам однонаправленного действия, но заполненных один стекловатой (на которой хорошо оседают частицы жидкости с последующим стеканием на дно стакана), а другой дисковой радиаторной системой (эффективно охлаждает проходящую газовую смесь). Оба устройства обеспечивают возврат накопленной жидкости в электролизер после его выключения и охлаждения. Для насыщения газа-носителя парами углеводородных соединений используется барбатер двойного действия. Для обеспечения надежной защиты газовой системы от обратного удара применяется оптоэлектронное защитное устройство (13) использованное в работе [20].
Дополнительно, с целью защиты аппаратуры при возникновении аварийного сброса давления в газовой системе на выходе из электролизно-водного генератора, используется быстродействующий датчик давления (16) (рисунок 2.1).
Электролизер является основным блоком электролизно-водного генератора, конструктивные параметры которого определяют технические и массо-габаритные параметры ЭВГ в целом. В электролизно-водных генераторах, предназначенных для использования при газо-сварочных работах (переносные и перемещаемые установки), используются, как правило, электролизеры биполярного типа, поскольку такая конструкция позволяет наилучшим образом решать проблему массо-габаритных показателей устройств. В электролизерах этого типа [1, 2], каждый электрод в последовательной цепочке (около 100 электродов при питании от сети 220 В) является одновременно и катодом, и анодом. Такие электролизеры генерируют газовую смесь, состоящую из одной части кислорода и двух частей водорода, что соответствует химической формуле воды (гремучий газ). Выход газовой смеси, в соответствии с законом Фарадея, зависит от величины протекающего через электролизер тока и, в расчете на одну пару электродов (анод-катод), составляет 2,54-10"4 литра на 1 Кл при нормальном давлении. Отсюда следует целесообразность повышения потребляемой и отдаваемой, соответственно, мощности при сохранении массо-габаритных показателей. Однако имеются ограничения, в первую очередь, связанные с эрозией электродов, которая резко возрастает при достижении некоторой плотности протекающего через электролизер тока. Эрозия электродов приводит к загрязнению электролита и пенообразованию, что, в свою очередь, вызывает прекращение нормального функционирования газотранспортной системы ЭВГ. В таких случаях установка снимается с эксплуатации, проводится тщательная промывка газотранспортной системы и осуществляется замена электролита.
Очевидно, чтобы избежать или сделать достаточно редкими (с позиций целесообразности использования установок такого типа) указанные ситуации можно лишь ограничивать плотность электрического тока, протекающего через электролизер. Экспериментально установлено, что для электродов из никеля при 20% концентрации КОН в растворе электролита максимальное (пиковое) значение плотности тока не должно превышать 0,2 А/см . Из сказанного следует, что повышение тока, протекающего через электролизер, возможно лишь при соответствующем увеличении площади электродов, т.е. при увеличении массы и габаритов электролизера.
Очевидно, что переходный процесс носит "емкостной характер", т.е. резкое нарастание тока в момент включения источника и, затем, постепенное, уменьшение тока, которое сопровождается ростом напряжения на электролизере. Измерение постоянной времени процесса т и сравнение ее с расчетными данными RC-электролизера (распределенные емкости катодного и анодного пространств и активные сопротивления межэлектродных промежутков) показывает, что т на порядки превышает возможное значение RC-электролизера, и это может быть объяснено только накоплением газа в межэлектродном пространстве (как правило, величина т составляет несколько секунд). Изложенное выше приводит к выводу о целесообразности, во-первых, прерывистого питания электролизера номинальным током и, во-вторых, организации промежуточной накопительной емкости для генерируемого газа [11, 12]. Функцию этой емкости может выполнять сам электролизер, давление в котором должно существенно превышать рабочее давление в горелке (примерно 1 атм) и поддерживаться в определенных пределах. Величина же АР = Ртах - Ртт электролизера рассчитывается, исходя из необходимого времени набора давления до уровня- допустимого газонакопления межэлектродного пространства применительно к данной конструкции электролизера.
Таким образом, мы, в очередной раз, приходим к целесообразности использования газотранспортной системы, которую называем двухуровневой. Первый уровень - уровень высокого давления. Здесь идет генерация и накопление газовой смеси. Давление здесь в процессе работы постоянно изменяется в пределах Ртах и Ртш. Скорость изменения давления зависит от расхода газовой смеси. Газовая смесь из первого уровня проходит через редуктор и попадает в систему низкого (рабочего) давления. Это второй уровень.
Разработка системы электропитания и управления ЭВГ большой мощности
В связи с разработкой дешевых аппаратов на основе электролизно-водных генераторов для сварки и пайки изделий при производстве товаров народного потребления, сервисном обслуживании автомобилей и другой бытовой техники требуется создание эффективных защитных устройств, простых и надежных систем автоматического управления.
Опыт разработки и внедрения полупроводниковой техники на современной элементной базе для систем управления и защиты ЭВГ крайне недостаточен для промышленного внедрения. Исследования и разработка систем ограничивается мощностями до 1 кВт и в основном они предназначены для бытовых целей, как правило, для питания ЭВГ используются однофазные варианты систем без должной оценки воздействия пульсаций питающего электролизера напряжения и токов. Как уже отмечалось в главе 2 для питания и управления ЭВГ большой мощности целесообразно использовать трехфазную сеть и соответственно трехфазные системы электропитания и управления. Наиболее приемлемо использование мостовых и кольцевых схем [23].
Исследования, проведенные- с однофазными вариантами. систем управления [15], показали, что включение индуктивности в цепи переменного или постоянного тока позволяет улучшить режим работы элементов электрооборудования и электролизера.
Применение трехфазных шестипульсных систем электропитания- и без включения индуктивности обеспечивает сглаженный, ток нагрузки и улучшает параметры пламени [15].
Решение задачи подавления радиопомех, генерируемых полупроводниковым, преобразователем, наиболее целесообразно начинать на стадии проектирования и конструктивной проработки отдельных узлов агрегата, так, как это облегчит выполнение «Норм»-[33] и снизит дополнительные затраты на-подавление помех.
Во всех работах по радиопомехам тиристорных преобразователей указывается, что основной причиной появления радиопомех является-наличие нелинейных элементов - тиристоров и транзисторов. Лавинные изменения тока и напряжения в силовых цепях при открытии и закрытии тиристоров вызывают появление Вь спектре напряжений и токов высокочастотных гармоник радиодиапазона. Амплитуда этих гармоник в первую очередь определяется напряжением питания, углом регулирования и временем открытия тиристоров. Уровень помех в преобразователе определяется не только амплитудой и формой напряжения в схеме, но и другими факторами. Преобразователь как источник радиопомех представляет собой сложную колебательную систему, состоящую из сосредоточенных и распределенных индуктивностей и емкостей и, в частности, распределенных индуктивностей соединительных проводников, межвитковых емкостей, емкостей монтажа, емкостей полупроводниковых приборов и величин паразитных индуктивностей и емкостей определяются расположением проводников, конструкцией основных узлов и прочими элементами. При воздействии импульсных изменений тока и напряжений в этой системе возникают колебания в широком диапазоне частот.
Наиболее целесообразно для данного случая рассматривать преобразователь по отношению к сети как источник несинусоидального напряжения, для которого используя разложение в ряд Фурье, можно получить спектр гармоник, включая и радиодиапазон частот.
Как показывают исследования трехфазных схем преобразования и регулирования наибольший уровень помех для мостового преобразователя возможен при углах 60 а 120. Без учета времени включения тиристоров токи фаз, потребляемых из сети при этих углах приведены на рис.
В настоящее время наиболее распространенными устройствами помехоподавления являются электрические фильтры от радиопомех, а именно емкостные фильтры и различные LC-фильтры. По существу задача помехоподавления при использовании того или иного типа фильтра сводится к разработке фильтра нижних частот с определенной полосой затухания и частотой среза f = 0,15 МГц. Однако в данном случае необходимо учитывать особенность спектра радиопомех тиристорных преобразователей, заключающуюся в том, что уровень радиопомех с ростом частоты убывает и на частотах 10-15 МГц не превышает допустимых. В связи с этим в качестве фильтров от радиопомех можно использовать простейшие фильтры типа К. В то же время понятно стремление избегать введения продольного индуктивного звена в фильтр от радиопомех и использовать (там, где это возможно) емкостные фильтры. Дело в том, что наряду с достоинствами LC-фильтры нижних частот обладают и существенным недостатком - ухудшают весо-габаритные и, в ряде случаев, энергетические показатели установок. В настоящее время фильтры от радиопомех разрабатываются только для небольших значений тока. Они предназначаются для источников радиопомех, отличных от рассматриваемого, и в связи с этим имеют сложную электрическую схему. Поэтому рекомендовать их даже для маломощных статических преобразователей не всегда целесообразно. Серийно фильтры от радиопомех предназначены для полупроводниковых статических преобразователей, в нашей стране не изготавливаются. Методике Г-образных и
П-образных фильтров от радиопомех, при известной степени подавления, посвящен ряд работ русских и зарубежных авторов. Следует отметить, что при проектировании одной из тенденций, повышающей технологичность конструкции, является использование, в качестве продольных сопротивлений фильтров, без витковых дросселей из материалов с высокой индукцией насыщения и высокой магнитной проницаемостью. Однако значительного выигрыша в весогабаритных показателях использование таких фильтров в известных отечественных разработках не дало. Поэтому большее распространение находят катушки индуктивности как указывается в [30], целесообразно применение воздушных дросселей, так как применение дросселей с сердечниками в большинстве случаев не дает ощутимого выигрыша в габаритах и весе. Кроме того, наличие сердечника способствует увеличению собственной емкости дросселя, что приводит к уменьшению его полного высокочастотного сопротивления и, следовательно, к уменьшению эффективности фильтра. Помехи измерялись прибором первого класса RFT-SMV-6.1. Поскольку измерения проводились без эквивалента сети, при углах регулирования, соответствующих максимальному уровню радиопомех. Помехи сети, при проведении измерений, были ниже норм на 10 дБ. Результаты измерений фазных помех на входе преобразователя- (мостовая схема) занесены в таблицу 3-4 и изображены на рисунке 3-10.
