Введение к работе
Актуальность темы. Экономия природных ресурсов и рост цен на традиционные энергоносители требуют повышения эффективности энергетических установок, сокращения расхода топлива, а также использования дешевых сортов жидкого или твердого горючего. Это, в свою очередь, определяет необходимость комплексных исследований энергетических установок и их элементов в направлении повышения КПД за счет улучшения качества сжигания топлива.
Опыт эксплуатации теплоэнергетических установок, в которых используются традиционные методы поджига (искровые разряды, вспомогательный факел, трансформаторы зажигания), показывает их невысокую надежность и узкие границы устойчивого поджига, сильно зависящие от свойств топлива. Нарушение устойчивого поджига может приводить к полному выходу энергетической установки из рабочего режима и, как следствие, к аварийным ситуациям в сетях теплоснабжения.
Вместе с тем, описанные методы не всегда обеспечивают стабильный поджиг смесей, содержащих такие трудновоспламеняемые виды топлива, как отработанное масло и обводненный мазут. Даже если поджиг прошел успешно, наблюдаются частые срывы факела и неполное сжигание топлива, что приводит к его перерасходу.
Анализ возможных методов физико-химического воздействия на горючие смеси показывает, что весьма перспективным методом является использование электродугового разряда в виде струи низкотемпературной плазмы. Объясняется этот факт тем, что плазма обладает рядом важных для процесса воспламенения свойств. Факел низкотемпературной плазмы оказывает как тепловое, так и химическое воздействие на топливовоздушную смесь, что приводит к интенсификации реакций горения и, как следствие, к расширению границ устойчивого розжига горючих смесей различных концентраций и свойств.
В связи с указанными преимуществами плазменный розжиг является перспективным направлением, однако, его применение в теплоэнергетических установках ограничено областями средних и высоких мощностей, что обусловлено особенностями горения сжатой дуги на малых токах. Для внедрения систем плазменного розжига в установки малой мощности необходима разработка системы, сочетающей источник питания с заданными характеристиками и устройство автоматического инициирования плазменной струи при возможном ее обрыве под влиянием газодинамических возмущений. Особенности работы подобной системы определяются конкретными условиями ее эксплуатации и сводятся к требованиям генерирования плазменной струи на малых токах порядка 4...6 А и обеспечения максимального быстродействия для противодействия влиянию газодинамических возмущений и при запуске плазмы.
Цель диссертационной работы - разработка системы плазменного розжига, сочетающей источник питания с заданными характеристиками и устрой-
ство автоматического пробоя дугового промежутка при возможном обрыве дуги под влиянием газодинамических возмущений.
Достижение поставленной цели требует решения следующих научно-технических задач:
- создание источника питания, обеспечивающего стабильное горение
сжатой дуги;
исследование характеристик сжатой дуги в канале плазматрона как объекта регулирования системы;
синтез регулятора тока системы автоматического регулирования, включая его параметрическую оптимизацию;
исследование работы системы стабилизации тока сжатой дуги с учетом особенностей ее горения на математической модели;
разработка устройства первоначального пробоя дугового промежутка;
экспериментальная проверка результатов компьютерного моделирования на реальной системе.
Объект исследования - сжатая электрическая дуга в канале плазматрона. К предмету исследования можно отнести построение системы автоматической стабилизации плазменной струи в маломощном электродуговом плазматроне при малых токах.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы основы теории электрической дуги, положения теоретической электротехники, теории электроники, теории автоматического управления, методы математической обработки случайных сигналов, имитационного моделирования электротехнических систем, а также натурные эксперименты.
Достоверность научных результатов, изложенных в работе, подтверждается строгим обоснованием расчетных методик и принимаемых допущений, корректным применением современных методов научных исследований, а также результатами экспериментальных исследований, полученными на разработанном реальном устройстве.
Научная новизна заключается в следующем:
- предложена математическая модель сжатой электрической дуги в кана
ле плазматрона, учитывающая ее статические характеристики и динамические
свойства, обусловленные влиянием газодинамических возмущений;
получена передаточная функция формирующего фильтра, позволяющего моделировать пульсации напряжения на сжатой дуге;
установлен диапазон наиболее значимой части спектра пульсаций напряжения на сжатой дуге, что позволяет определить требуемые динамические характеристики источника питания сжатой дуги;
предложен способ параметрической оптимизации регулятора тока по критерию минимума среднеквадратической ошибки регулирования с учетом ее спектральной составляющей. Способ основан на разработанных математических моделях сжатой дуги и системы автоматического регулирования;
- предложен алгоритм, позволяющий повысить эффективность плазмен
ного розжига углеводородных топлив и обеспечить сохранение ресурса работы
плазматрона за счет увеличения тока дуги при первоначальном розжиге.
Практическая ценность:
разработаны методики по составлению математической модели сжатой дуги и оценки ее точности. Указанные методики позволяют вести исследования работы источников питания сжатой дуги с максимальным учетом особенностей ее горения;
разработаны методики синтеза и параметрической оптимизации регулятора тока системы автоматического регулирования, силовая часть которой представляет собой импульсный регулятор напряжения, а объект регулирования - сжатая дуга;
разработаны математические модели системы автоматического регулирования тока сжатой электрической дуги в канале плазматрона, позволяющие в полном объеме исследовать режимы работы системы с учетом специфики объекта регулирования;
разработано импульсно-зажигающее устройство, обеспечивающее автоматический повторный пробой дугового промежутка на всем интервале работы источника питания сжатой дуги. Преимуществом предложенной схемы является отсутствие дополнительных сигналов о состоянии дуги для повторного пробоя;
разработана принципиальная схема источника питания сжатой дуги, позволяющая интегрировать его в горел очное устройство Olympia ОМ-1;
создана и испытана установка плазменного розжига. Установка обеспечивает надежное воспламенение и поддержание устойчивого горения при сжигании вязкого или обводненного мазута, а также отработанного масла.
Положения, выносимые на защиту:
результаты экспериментальных исследований сжатой электрической дуги в канале плазматрона, математическая модель сжатой дуги, синтез формирующего фильтра, моделирующего пульсации напряжения на сжатой дуге;
структура источника питания сжатой дуги и его математическая модель;
параметрическая оптимизация регулятора тока по критерию минимума среднеквадратической ошибки с учетом спектральной составляющей;
устройство для формирования дугового разряда;
результаты экспериментальных исследований на разработанной установке плазменного розжига.
Публикации по теме диссертации. По теме диссертационной работы опубликованы 10 печатных работ, в том числе три работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК, получен патент РФ на изобретение.
Апробация результатов научных исследований. Основные результаты работы отражены в материалах всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2010), а также на научно-технических конференциях «Вологдинские чтения» (Владивосток, 2009), «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, 2009).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, включающего 108 наименований, и двух приложений. Работа изложена на 124 страницах, содержит 54 рисунка и одну таблицу.
