Содержание к диссертации
Введение
I. Современное состояние вопроса
1.1. Анализ развития источников электропитания режущих плазмотронов 8
1.2. Математическое описание электрической дуги, как элемента электрической цепи 19
1.3. Устойчивость системы источник электропитания - плазменная дуга 28
1.4. Методы исследования электромагнитных процессов в источниках электропитания 32
Выводы и постановка задачи работы 35
2. Исследование электрических характеристик плазмотрона с медным электродом
2.1. Особенности горения электрической дуги в плазмотроне 37
2.2. Методика исследований и используемая аппаратура 39
2.3. Исследование статических вольт-амперных характеристик дуги плазмотрона 43
2.4. Динамические характеристики дуги плазмотрона 46
Выводы 51
3. Исследование установившихся процессов в источниках электропитания плазмотрона с медным электродом
3.1. Исходные положения 54
3.2. Анализ процессов в преобразователе с линейными индуктивностями в фазных цепях 55
3.3. Анализ процессов в преобразователе с дросселями насыщения 63
3.4. Анализ процессов в преобразователе с конденсаторами 75
3.5. Анализ процессов в преобразователе с тиристорами 100
Выводы 104
4. Исследование переходных процессов в системе электропитания плазмотрона
4.1. Алгоритм расчета электромагнитных процессов в системе электропитания плазмотрона 106
4.2. Процессы включения плазмотрона и устойчивость выхода на рабочий режим
4.3. Процессы отключения плазмотрона 140
Выводы 146
5. Разработка и внещрениб установок воздушной плазменной резки металлов плазмотроном с медным электродом и их энергетические характеристики
5.1. Блок-схема установки для плазменной резки 150
5.2. Установка для плазменной резки на базе источника электропитания с дросселями насыщения 153
5.3. Установка для плазменной резки на базе компенсационного источника электропитания 162
5.4. Исследование технологических режимов резки металлов 175
Выводы 186
Основные результаты работы и общие выводы 188
Литература 191
Приложения 204
- Математическое описание электрической дуги, как элемента электрической цепи
- Методика исследований и используемая аппаратура
- Анализ процессов в преобразователе с линейными индуктивностями в фазных цепях
- Процессы включения плазмотрона и устойчивость выхода на рабочий режим
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС предусмотрено увеличить к 1985г. выпуск продукции машиностроения и металлообработки в целом по стране в 1,4 раза [і], а в Молдавской ССР - в 1,5 раза [2]. Намечено создать и внедрить в производство новое высокоэкономичное оборудование высокой производительности для осуществления таких эффективных методов, каким является плазменная резка. Предусмотрено также повысить технический уровень и качество продукции машиностроения и значительно поднять экономичность и производительность выпускаемой техники, ее надежность и долговечность.
Выполнение поставленных задач намечается осуществить за счет использования высокопроизводительных технологических процессов, повышения эффективности и качества работы. В этом значительная роль отводится заготовительной базе машиностроения,и, в частности, процессу плазменной резки металлов.
Плазменно-дуговая разделительная резка металлов характеризуется более высокой производительностью по сравнению с другими способами механической и тепловой резки как труднообрабатываемых металлов, так и обычных конструкционных сталей.
Первые конструкции плазмотронов для резки металлов были созданы во второй половине 50-х годов некоторыми зарубежными фирмами и отечественными научно-исследовательскими институтами: ВНИИЭСО, ИЭС им.Ё.О.Патона, ВНИИАвтогенмадґ,Институт металлургии им.А.Байко-ва, ЩИИТС и др. Широкое промышленное внедрение плазменной резки началось в 60-е годы [17]. Разработана большая гамма различных типов режущих плазмотронов [7б] . В настоящее время наиболее широко используются плазмотроны с гафшевыми или циркониевыми катодами [13,18,85,86,III,ИЗ,114,120) . Однако эти плазмотроны имеют огра-
5 ничения по числу включений (до 150...400) и по величине рабочего тока (до 400 А), что существенно ограничивает их производительность и область применения.
В начале 70-х годов группа сотрудников Кишиневского политехнического института им.С.Лазо и производственного объединения "Молдавгидромаш" разработала работоспособный плазмотрон с медным электродом [7б]. Работа медного электрода при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа не имеет ограничений по количеству пусков и дает возможность работать на токах 800 А и более, а следовательно, увеличить электрическую мощность и производительность плазмотрона. Проводимые под руководством доцента Ю.Я.Киселева исследования[50...77, 101,102] позволили оптимизировать геометрию дуговой камеры, улучшить конструкцию плазмотрона и существенно повысить его ресурс работы.
Попытка создания плазмотрона с медным электродом для резки металлов предпринималась ранее ЙЭС им.Е.О.Патона [114] , но работоспособного и надежного в эксплуатации режущего плазмотрона получить не удалось.
Продолжительный промышленный опыт эксплуатации режущего плазмотрона с медным электродом подтвердил его высокую технико--экономическую эффективность.
Однако широкое внедрение плазмотрона с медным электродом сдерживается из-за отсутствия соответствующих источников электропитания. Применение серийно выпускаемого оборудования для питания плазмотрона с медным электродом малоэффективно, поскольку в этом случае не обеспечивается достаточная стабильность процесса резки. При этом возникают большие броски тока при пуске, двойное дугообра-зование, перенапряжения и другие нежелательные явления, связанные, как правило, с электромагнитными процессами в системе электропитания.
Поэтому дальнейшее _со_вершенствование процесса воздушной плаз-
менной резки металлов плазмотроном с медным электродом требует детального исследования электромагнитных процессов в источниках электропитания известных схем и создания новых, обеспечивающих высокие энергетические и экономические показатели.
Данная работа посвящена исследованию электромагнитных процессов в системе электропитания плазмотрона с медным электродом для резки металлов, вопросам оптимизации параметров этой системы и промышленному внедрению установок. Основное внимание уделяется закономерностям изменения токов и напряжений на отдельных элементах, а также пульсаций выпрямленного тока. Приводятся результаты промышленной эксплуатации установок плазменной резки и плазмотрона с медным электродом.
По результатам исследований, изложенным в работе, опубликовано 14 статей, монография и получено авторское свидетельство.
На защиту выносятся:
Результаты исследования электрических характеристик плазмотрона с медным электродом для резки металлов.
Математические модэли источников электропитания и алгоритм расчета электромагнитных процессов.
Закономерности изменения токов и напряжений в системе электропитания плазмотронов в установившихся и переходных режимах.
Закономерности процесса плазменной резки металлов.
Устройство для улучшения внешних вольт-амперных характеристик источника электропитания с дросселями насыщения.
Источник электропитания с конденсаторами применительно к установке плазменной резки плазмотроном с медным электродом.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном семинаре ВНЙИЭСО, научно-технических конференциях КПИ им.С.Лазо, республиканских конференциях "Прогрессивные методы и средства в сварочном производстве" (1983г.) и "Достижения науки и практики в сварочном производстве" (1973,
1976, 1979г.г.), на всесоюзном научно-техническом совещании по внедрению прогрессивных методов сборки и сварки аппаратуры в химическом и нефтяном машиностроении в г.Свердловске (1977г.), на всесоюзном семинаре "Специализированные источники питания плазмотронов постоянного и переменного тока" в Киеве (1975г.), на УШ Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы в г.Новосибирске в 1980г.
Математическое описание электрической дуги, как элемента электрической цепи
Величина тока и напряжения полностью характеризуют дугу, как элемент электрической цепи. Зависимости, связывающие их, и представляют электрические модели дуги[37,38,48,94,95].
Характеристики дуги могут быть представлены в виде вольт--амперных, ом-амперных, ватт-амперных и других зависимостей, которые в сущности могут быть получены одна из другой [7б]. Они зависят от физических условий, в которых горит дуга: от свойств плазмообразующего газа и его состояния (давления, расхода, характера течения), от материала и конфигурации электродов и их расположения, от наличия силовых полей и т.п. При горении дуги имеют место такие процессы переноса, как теплопроводность, электропроводность, излучение, конвекция и другие. Электрическая дуга взаимодействует со стенками дуговой камеры, с потоком стабилизирующего воздуха, с собственным и внешним магнитным полем. Значительное многообразие возможных условий горения дуги, многочисленность и сложность протекающих процессов в ней обусловливает сложность теоретического анализа и получение универсального математического описания электрической дуги.
Статические характеристики определяются при таком медленном изменении параметров режима (тока и напряжения), что не обнаруживается их зависимость от скорости изменения последних. В отдельных случаях, когда условия горения дуги достаточно конкретизированы и поддаются упрощенному моделированию, математическое описание может быть получено на основе решения системы дифференциальных уравнений газовой динамики вязкой теплопроводной среды и электродинамики. Это решение получить трудно, так как приходится решать сложную краевую задачу. Оценкой достоверности полученных при этом результатов может служить степень совпадения расчетных и экспериментальных данных.
Модели такого типа отличаются разным видом аппроксимации функции б(и)[3б] . В ряде случаев учитывается влияние излучения и характера течения газа на характеристики дуги [40] .
Подробный анализ методов аппроксимации функции б1и) , а также различных методов расчета параметров дуги в канале проведен авторами [Зб] .
Номограммы, аналогичные [Зб], связывающие напряженность электрического поля в дуге Е, тока I, температуры на оси дуги То и радиуса канала й приведены на рис.1.8. Сравнение расчетных кривых с экспериментальными [б0,у6,77 показывает существенное расхож -дение.
В подавляющем большинстве случаев вольт-амперные характеристики плазмотронов постоянного тока являются пологопадающими и имеют участки, на которых напряжение на дуге не зависит от тока.
В работах [119,12l] установлено, что в плазмотроне с циркониевым катодом в диапазоне токов 100 300 А напряжение на дуге в функции от тока имеет независимый, характер для открытой и сжатой дуг в воздухе и аргоне.
Статические характеристики сжатой воздушной дуги с циркониевым катодом, рассмотренные в работе [із] , при токах 200...300 А являются также пологопадающими. Падение напряжение на 100 А не превышает 2 В.
Электрическая дуга в плазмотроне для резки металлов имеет относительно большую длину и в большинстве случаев приэлектродными падениями напряжения можно пренебречь. По данным авторов [і 19] суммарные приэлектродные падения напряжения для плазмотрона с циркониевым электродом составляют 11+13 В.
При изменении конфигурации разрядной камеры меняется и вольт--амперная характеристика плазмотрона. Большое количество возможных конфигураций камеры не дает возможности получить выражение для статической ВАХ с учетом этого многообразия. В последнее время широко пользуются критериальными зависимостями, являющимися обобщением множества экспериментальных данных, используя методы теории подобия.
Методика исследований и используемая аппаратура
Экспериментальное исследование электрических характеристик дуги плазмотрона с медным электродом сводится к определению вольт-амперных характеристик при изменении режима работы плазмотрона. Очень важным является построение модели электрической дуги, адекватно описывающей процессы в ней во всем диапазоне рассматриваемых скоростей изменения .тока. Динамические свойства дуги определяются тепловыми процессами, характеризующимися определенной инерционностью, что обусловливает отличие статических и динамических вольт-амперных характеристик.
Математическое описание вольт-амперных характеристик плазменной дуги и установление границ диапазона скоростей изменения тока, в котором учет инерционности дуги становится обязательным, необходимы для последующего анализа электромагнитных процессов в системе источник питания - режущая дуга плазмотрона.
Статические характеристики определяются при медленном изменении тока (менее I А/с) с регистрацией зависимости напряжения дуги от тока осциллографом или по точкам с использованием вольтметра и амперметра.
Для определения динамических характеристик снимаются осциллограммы напряжения и тока дуги при разных скоростях изменения последнего во времени. При этом на параметры режима искусственно накладываются возмущения различного характера. В настоящее время наиболее широкое применение получил метод наложения малого гармонического колебания напряжения от генератора частоты[48, 94,95]. Однако при этом методе точность полученных результатов невелика из-за наличия большого уровня шума в дуге.
В данной работе впервые применено устройство для определения динамических характеристик электрической дуги с использованием колебательной цепи RLC. В момент включения такой цепи параллельно электрической дуге в последней возникают возмущения напряжения и тока. В зависимости от величины и соотношения значений R.L и С можно получить апериодический или колебательный процесс различной частоты. Причем амплитуда колебаний по величине может быть сопоставима с рабочим током и напряжением дуги.
В качестве источника электропитания ИЭП использовался выпрямитель, управляемый дросселями насыщения. Регистрация изменения тока и напряжения выполнялась двухлучевым осциллографом N типа CI-I6, на который регистрируемые параметры подавались от малоиндуктивного шунта Шн и частотно-скомпенсированного делителя напряжения, содержащего сопротивления RI и R2 и конденсатор CI. Генератор синхронизирующих импульсов ГСИ типа МГИ-І работал в ждущем режиме и служил для синхронизации моментов запуска развертки осциллографа N и подачи импульса на открытие симистора ТІ. Электрическая цепь, со 4І
Принципиальная схема установки для исследования электрических характеристик плазмотрона с медным электродом. держащая последовательно включенные активное сопротивление R, катушку индуктивности L и конденсатор С, является по существу источником возмущений, так как открытие симистора вызывает в дуге переходный процесс.
Схема установки работает следующим образом. После достижения установившегося режима горения дуги в плазмотроне подается импульс на вход синхронизации генератора импульсов ГСИ. Генератор вырабатывает два импульса: синхронизирующий, подаваемый на вход блока синхронизации осциллографа N , и основной, подаваемый на управляющий электрод симистора ТІ, который открывается. Синхронизирующий импульс может вырабатываться одновременно с основным или опережать его. Опережение регулируется в зависимости от скорости протекания процесса и необходимо для отображения всего процесса на экране осциллографа.
В момент открытия симистора начинается переходный процесс изменения тока, которое зависит от соотношения параметров R,L , С и от начального напряжения на емкости С. Характер переходного процесса может быть колебательным или апериодическим. Таким образом в цепи плазменной дуги протекает сумма токов источника электропитания и цепи симистора. Наиболее наглядно наложение возмущений тока в цепи плазмотрона можно представить, если принять источник электропитания как источник тока. В этом случае переменная составляющая тока в дуге плазмотрона полностью повторяет форму тока в цепи тиристора. Подбором величин R,L , С устанавливаются требуемые интенсивность и частота изменения тока в диапазоне, обеспечивающем устойчивое горение дуги. При малых значениях сопротивления и больших значениях емкости возмущения тока увеличиваются настолько, что дуга гаснет. Импульс, запускающий генератор ГСИ, формируется после нажатия кнопки Кн при разряде предварительно заряженного конденсатора С на сопротивление R3. Генератор ГСИ формирует импульсы, один из которых запускает развертку осциллографа, а другой 43
- через импульсный трансформатор открывает тиристор Т2 и по нему протекает ток до тех пор,пока не будет отключен выключатель В. Под действием падения напряжения на сопротивлении R4 открывается симистор ТІ и тем самым включается цепочка RLC, происходит переходный процесс протекания тока. После его окончания выключатель В отключается.
Изменение напряжения и тока в переходном процессе наблюдалось на экране осциллографа и фотографировалось аппаратом "Зенит-Е". Определение статических характеристик производилось при медленном изменении тока управления дросселей насыщения источника электропитания. При этом на горизонтально-отклоняющие пластины электронно--яучевой трубки осциллографа подавалось напряжение с шунта, а на вертикально-отклоняющие пластины-напряжение с делителя. Изменение тока производилось при открытом затворе фотоаппарата.
Для осциллографирования тока изготовлен шунт по петлевой СХЄ-ме с активным сопротивлением 0,58-10 Ом. Достоверность полученных осциллограмм проверялась также при использовании воздушного трансформатора тока по схеме Роговского с интегрирующей цепочкой.
Анализ процессов в преобразователе с линейными индуктивностями в фазных цепях
При решении практических задач важно раскрыть на первом этапе исследований основные закономерности протекания электромагнитных процессов в преобразователе с неуправляемыми вентилями при питании дуговой нагрузки, когда в фазные цепи включены дроссели с линейными индуктивностями. При работе такого преобразователя на дуговую нагрузку возникают пульсации выпрямленного тока. Эти пульсации могут быть учтены при анализе электромагнитных процессов по известной методике [83,10 ] . В данном подразделе проводится анализ работы преобразователя при отсутствии сглаживающего дросселя в цепи выпрямленного тока. При этом наряду с перечисленными ранее общими допущениями принимаются следующие дополнительные допущения: 1) активные сопротивления всех цепей равны нулю; 2) индуктивное сопротивление цепи выпрямленного тока равно нулю. Схема замещения преобразователя с учетом указанных допущений приведена на рис.З.І. В зависимости от значения Ug возможны режимы непрерывного и прерывистого тока. На рис.3.2 приведены кривые питающих напряжений, а также токов в режиме работы двух и трех вентилей и в режиме непрерывной работы трех вентилей.
Анализ процессов рассматривается для фазы В. Началу протекания тока в фазе В соответствует угол \j1 (рис.3.2 б). Зависимость углов и и (в дальнейшем штрих опускается) от lift приведена на рис. 3.3, а вольт-амперная характеристика выпрямителя показана на рис.3.4. Там же пунктиром приведены кривые, огибающие максимальные и минимальные значения выпрямленного тока. Как видно из рис. 3.4, вольт-амперная характеристика обладает существенной крутизной только при сравнительно низких напряжениях (меньше 0,6). Для получения приемлемых режимов индуктивность дросселей фаз должна быть значительной. Например, при напряжении холостого хода 500 В для получения рабочего напряжения 250 В при рабочем токе 250 А требуется дроссель с индуктивным сопротивле-ниєм 2 Ома, что соответствует индуктивности 6,3-10"" Гн при промышленной частоте. Это делает нецелесообразным применение дросселей с линейной индуктивностью.
Дроссели насыщения в преобразователе включены в фазовые цепи силового трансформатора, а их магнитопроводы охватываются единой обмоткой управления (рис.3.5). Анализ процессов с учетом нелинейности дросселей проводится при дополнительных к перечисленным в 3.1 допущениях: 1) активные сопротивления цепей равны нулю; 2) индуктивное сопротивление цепи выпрямленного тока равно нулю; 3) реальная кривая намагничивания аппроксимируется двумя от-резками прямых "оа" и "ав" (рис.3.6); 4) индуктивность дросселя цепи управления достаточно велика, чтобы предположить ток управления неизменным. Последнее допущение обусловливает режим вынужденного управления. В каждой фазе силового трансформатора включены по два дросселя. В одном из них рабочая обмотка и обмотка управления включены встречно, в другом - согласно. В дросселе, в котором обмотки включены встречно, переход из насыщенного состояния в ненасыщенное и наоборот происходит при выполнении равенства WpLpn=Iy7Ja-FK, (3-23) где Ъ7р,Ъ7у - числа витков в рабочей обмотке и в обмотке управления; 1у ток управления; Гк - результирующая м.д.с, соответствующая переходу магнитопровода из насыщенного состояния в ненасыщенное и наоборот.
Дроссель, в котором м.д.с. обмотки управления складывается с м.д.с. рабочей обмотки, будет насыщен во всем полупериоде изменения тока в рабочей обмотке.
Рассмотрим, как и ранее, процессы, начиная с момента открытия вентиля 3. В этот момент в фазе А один из дросселей насыщен, а другой не насыщен. В фазе В ток равен нулю и оба дросселя насыщены током управления. В фазе С один дроссель насыщен—другой не насыщен. Кривые токов для режима 2-3 приведены на рис. 3.7, а схема замещения, соответствующая моменту 0 , показана ;на рис.3.8а, В уравнениях для токов (3.26),(3.28), (3.30) и (3.31) неизвестны постоянные интегрирования.
Процессы включения плазмотрона и устойчивость выхода на рабочий режим
В настоящее время переходные процессы в вентильных преобразователях достаточно хорошо изучены [25,28,103,104]. Однако в литературе отсутствуют сведения о переходных процессах в системах электропитания плазмотронов с медными электродами.
Переходный процесс включения плазмотрона при любом источнике питания происходит в три этапа. . На первом этапе возбуждается искровой разряд от вспомогательного источника высокого переменного Или импульсного напряжения-осциллятора. На этом этапе ток от источника питания начинает протекать только в момент, когда напряжение на канале искрового разряда становится ниже напряжения холостого хода источника. С этого момента наступает второй этап - развитие вспомогательной (дежурной) дуги, горящей между центральным и сопловым электродами. Третий этап - формирование рабочей дуги,, начинается, когда поток ионизированных газов, создаваемый вспомогательной дугой достигнет обрабатываемого изделия, и по этому проводящему каналу станет протекать ток рабочей дуги.
Устойчивость выхода плазмотрона на рабочий режим зависит от характера протекания переходных процессов на каждом из перечисленных трех этапах. В настоящей работе рассматриваются второй и третий этапы в предположении, что осциллятор создает оптимальную начальную проводимость канала искрового разряда, и устойчивость выхода плазмотрона на рабочий режим от него не зависит.
При пуске плазмотрона может возникнуть значительное увеличение тока, намного превышающее величину тока в установившемся режиме. Бросок тока может привести к двойному дугообразованию, когда дуга разделяется на две части, одна из которых горит между основным электродом и внутренней частью соплового электрода, а другая - между его наружной частью и разрезаемым изделием. Дуга теряет при этом пространственную стабильность и интенсивно разрушает сопловой электрод. В других неустойчивых режимах пуска плазмотрона вспомогательная дуга гаснет раньше, чем загорается рабочая дуга или последняя, загоревшись, гаснет, не достигнув своего установившегося режима. Чтобы не возникали такого рода неустойчивые пуски, необходимо выбрать оптимальную схему и ее параметры и правильно организовать процесс вывода плазмотрона на рабочий режим.
Длительная эксплуатация плазмотрона с медным электродом показала, что с ростом тока вспомогательной дуги увеличивается износ сопла. Особенно интенсивно изнашивается сопло при токах, превышающих 150 А. Износ сопла обусловливается тем,что вспомогательная дуга выдувается потоком воздуха и замыкается на его торцевой поверхности. Вследствие слабого перемещения опорного пятна по наружной торцевой поверхности сопла тепловой поток локализуется и вызывает расплавление медного соплового электрода.
Очевидно, что существенное снижение установившегося значения тока вспомогательной дуги приводит к неустойчивому поджигу рабочей дуги. Таким образом, важно определять минимальное значение тока вспомогательной дуги, при котором сохраняется надежное зажигание рабочей дуги. Оптимизация системы электропитания возможна на основе исследования электромагнитных процессов пуска плазмотрона.Исследование проводится теоретически с применением ЭВМ и экспериментально на реальной установке. Схема замещения преобразователя при расчете переходного процесса развития вспомогательной дуги приведена на рис.4.2 а. При использовании метода кусочно-линейной аппроксимации индуктивность фазной цепи на шаге счета принимается постоянной. Величина индуктивности на последующем шаге определяется по известному значению тока на предыдущем шаге.
