Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор электродуговых плазменных систем 10
1.1. Общая характеристика состояния применения электродуговых плазменных систем 10
1 1.1.Обзор электродуговых плазменных систем. 12
1.2.1. Однофазные плазмотроны переменного тока 13
1.2.2. Однодуговые плазмотроны постоянного тока. 14
1.2.3. Обзор многодуговых плазмотронов. 15
1.2.3.1. Многокамерные плазмотроны переменного тока. 16
1.2.3.2. Однокамерные плазмотроны переменного тока. 17
1.2.3.3. Многодуговые плазмотроны постоянного тока. 18
1.3. Источники питания электродуговых плазменных систем. 18
1.3.1. Источники питания для плазмотронов постоянного тока. 18
1.3.2. Источники питания электродуговых плазмотронов переменного тока. 23
1,4. Выводы 28
2. Описание электродуговых систем как электрической нагрузки 31
2.1. Описание электродуговых плазмотронов переменного тока. 31
2.2.Разработка и исследование систем питания. 39
2.3. Выводы 48
3. Анализ процессов, происходящих в системе «Источник питания —электродуговой плазмотрон переменного тока». 50
3.1. Исследование электродуговой системы, включающей в себя в качестве нагрузки однофазный высоковольтный плазмотрон переменного тока с торцевыми электродами. 50
3.1.1 Обсуждение экспериментов. " 52
3.2. Исследование электродуговой системы, включающей в себя в качестве нагрузки трёхфазный высоковольтный плазмотрон переменного тока с торцевыми электродами. 57
3.2.1. Обсужде ние резул ьтато в. 5 7
3.2.2. Анализ полученных результатов с точки зрения плазмотрона как нагрузки для системы питания. 63
3.3. Исследование электродуговой системы, включающей в себя как нагрузку многофазный электродуговой плазмотрон с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы. 67
3.3.1.Анализ полученных результатов при рассмотрении плазмотрона как нагрузки. 69
3.4. Выводы 73
4. Анализ электрических процессов в электро дуговой плазменной системе. Расчёт элементов системы питания. 77
4.1. Описание электрических процессов, происходящих в системе "Электродуговой плазмотрон переменного тока - источник питания" 77
4.2. Мод ел и электрической дуги как электрической нагрузки. 86
4.3.Рассчёт элементов системы питания для многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока. 92
4.4. Выводы 96
5. Применение 99
5.1 .Внешние характеристики электродуговых плазмотронов переменного тока. 99
5.2.Область применения 100
5.3. Выводы 103
Заключение 105
Литература 108
Приложение 120
- Источники питания электродуговых плазменных систем.
- Источники питания электродуговых плазмотронов переменного тока.
- Исследование электродуговой системы, включающей в себя в качестве нагрузки трёхфазный высоковольтный плазмотрон переменного тока с торцевыми электродами.
- Исследование электродуговой системы, включающей в себя как нагрузку многофазный электродуговой плазмотрон с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы.
Введение к работе
Актуальность. Диссертационная работа посвящена решению задачи разработки электродуговых плазмотронов переменного тока с источниками питания (в дальнейшем электродуговая плазменная система), имеющей большое значение для развития плазменных технологий.
К настоящему времени накоплен большой опыт по созданию как электродуговых плазмотронов постоянного и переменного тока, так и плазменных технологий на основе электродуговых плазмотронов. Как показывает практика, в теоретических расчётах нельзя учесть все процессы, происходящие в электродуговой системе, состоящей из плазмотрона и его источника электропитания, а это электрические, химические, газодинамические, тепловые, прнэлектродные процессы и процессы, протекающие в столбе дуги. Поэтому для получения оптимальных параметров, создаваемых под конкретную плазменную технологическую установку электродуговых систем, необходимо проводить большое количество экспериментов.
Объектом исследования в рамках данной работы являлась электродуговая плазменная система, состоящая из электродугового плазмотрона переменного тока и его источника электропитания.
Предметом проведённых исследований стало изучение изменения электрических параметров электродуговой плазменной системы при изменении внешних условий, таких как расход плазмообразующего газа и геометрические размеры электроразрядной камеры.
Данная работа проводилась в рамках создания и изучения электродуговых плазмотронов и систем электропитания для серии опытных плазмохимических установок.
Цель работы — изучение электрических процессов в электродуговых плазмотронах переменного тока и их источниках питания для разработки и совершенствования электродуговых плазменных систем переменного тока.
Работы проводились с электродуговыми системами, содержащими в своём составе плазмотроны с торцевыми электродами мощностью до 50 кВт, и с электродуговыми плазменными системами, включающими в себя электродуговые плазмотроны с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 500 кВт.
Для достижения поставленной цели для электродуговых плазменных систем на основе плазмотронов с торцевыми электродами необходимо определить влияние геометрических размеров электродуговой камеры и изменения расхода плазмообразующего газа на электрические процессы, протекающие внутри системы, и определить области устойчивой работы плазмотронов с учётом характеристик источника энергопитания. Для электродуговых плазменных систем на основе плазмотронов с электродами рельсового типа необходимо определить влияние изменения расхода плазмообразующего газа на электрические процессы.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были разработаны источники питания, на которых проведены экспериментальные исследования с различными электродуговыми плазмотронами переменного тока. В процессе экспериментов производилось ос цилло граф иро вание электрических параметров при различных расходах газа и геометрических размерах разрядной камеры. По полученным осциллограммам рассчитывались действующие значения токов и падения напряжений на дугах, а также мощность и КПД плазмотрона. Для анализа колебаний токов и напряжений проводилась обработка полученных осциллограмм на компьютере методами гармонического анализа. Для определения физических параметров в разрядной камере проводилась высокоскоростная видеосъемка. Для определения оптимальных режимов работы плазмотронов использовался метод экспертных оценок.
Научная новизна. В результате проделанной работы для однофазных и многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами и систем их электропитания, работающих в диапазоне мощностей от 5 до 50 кВт и расходом плазмообразующего газа от 1 до 30 г/с, определены: зависимости изменения электрических параметров от изменения расхода плазмообразующего газа; зависимость электрических параметров от геометрических размеров электродуговой камеры.
Для многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, работающих в диапазоне мощностей 100 — 500 кВт, определены зависимости изменения колебаний кривых тока и напряжения от расхода плазмообразующего газа.
Для обоих типов плазменных систем проведён анализ электрических процессов, даны объяснения параметров пульсаций токов и напряжений с частотами выше и ниже, чем частота питающей сети.
По результатам анализа электрических процессов представлены схемы замещения плазмотроЕіов и систем питания с учётом дуги как нелинейной нагрузки.
Для электродуговых плазмотронов с торцевыми электродами предложен метод определения режима горения дуги в плазмотроне (контрагированный или диффузный) на основании результатов гармонического анализа осциллограмм тока и напряжения.
Достоверность полученных результатов подтверждается повторяемостью многократных экспериментов и расчётами.
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты анализа изменения электрических параметров электродуговой системы в зависимости от геометрических размеров электродуговой камеры и расхода плазмообразующего газа позволяют оптимизировать разработку электродуговых плазменных систем переменного тока для определённых условий эксплуатации. А метод определения режимов работы электродуговой плазменной системы на основании результатов гармонического анализа
7 позволяет упростить диагностику работы плазмотрона при использовании его в составе плазмохимического реактора.
Практическая ценность и новизна подтверждаются тем, что на основе предложенных результатов разработаны и созданы источники питания переменного тока мощностью до 50 кВт, предназначенные для электродуговых плазмотронов, работающих на воздухе в качестве плазмообразующего газа, с диапазоном расходов от 1,5 до 30 г/с и предназначенных для плазмохимических реакторов по деструкции медицинских отходов и деструкции жидких токсичных отходов. Результаты анализа электрических процессов в электродуговой плазменной системе и представленные схемы замещения систем питания с учётом дуги как нелинейной нагрузки были использованы для разработки программного обеспечения автоматической системы управления источником питания электродуговой плазменной системы мощностью до 500 кВт.
Вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в создании и исследовании источника питания мощностью до 50 кВт для многофазных высоковольтных плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами и создании источника питания мощностью до 10 кВт для однофазных высоковольтных плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами На созданных системах питания проводил эксперименты с разными типами электродуговых плазмотронов переменного тока в качестве нагрузки.
Автором выполнен анализ полученньгх зависимостей изменения электрических процессов в электродуговой системе от изменения расхода газа и геометрических размеров электродуговой камеры плазмотрона.
Автором проведены эксперименты на экспериментальном источнике питания для многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы.
Также автор принимал непосредственное участие в разработке программного обеспечение и создания автоматической системы управления з источником питания для электродугового плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью до 500 кВт.
Апробация работы По материалам диссертации сделаны доклады на следующих конференциях:
III Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 4-14 декабря 1998 г.;
IV Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 2-10 декабря 1999 г.; E-MRS IUMRS ІСЕМ 2000, International conference on electronic materials & European materials research society spring meeting, May 30 - June 2, 2000, Strasbourg, France.
Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001, Петрозаводск, 1-7 июля 2001 г. Pulsed Power Plasma Science 2001. The 28th IEEE International Conference on Plasma Science. The 13th IEEE Internationa! Conference. June 17-22 2001, Las Vegas, Nevada, USA.
ICPP 2004, 12th International Congress on Plasma Physics, Nice, France, 28-29 October 2004.
Основные положения выносимые на защиту.
1. Результаты исследований зависимости изменения электрических параметров электродугового плазмотрона переменного тока с системой электропитания от изменения расхода плазмообразующего газа и изменения геометрических размеров электродуговой камеры плазмотрона для однофазных и многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами, работающих в диапазоне мощностей от 5 до 50 кВт.
2. Результаты исследований зависимости изменения пульсаций электрических параметров от изменения расхода плазмообразующего газа, для многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с электродами рельсового
9to тина и дополнительной инжекциеи плазмы, работающих в диапазоне мощностей 100 —500 кВт
3. Анализ схем замещения систем электропитания плазмотронов с учетом дуги как нелинейной нагрузки.
10 1. Обзор электроду го вы х плазменных систем
1.1. Общая характеристика состояния применения электродуговых плазменных систем.
Первые технологии [іромьішленного применения дуговой плазмы были разработаны в начале 20 века в Германии и Норвегии для получения оксида азота[1] и просуществовали до конца 20-х годов прошлого века, пока не были вытеснены появлением более экономичных и производительных[2]. Позже, в 1911 году плазма была использована для плавления металла в печи [3]. В 1921 году была запатентована дуговая горелка с газовым обжатием столба дуги [3], а в 1922 году была предложена дуга, стабилизированная водяным вихрем[4]. Один из первых способов электрокрекинга природного газа с целью получения ацетилена был осуществлен в Германии в 1940 году[1].
Но широкое развитие плазменные технологии стали получать только с середины 50-х годов двадцатого века в связи с развитием фундаментальных исследований в области физики газового разряда[1,4]. Применение плазмы началось в следующих областях промышленности. Плазменная обработка металла и плазменная металлургия[5-11], восстановление материалов, различные технологии изменения поверхностных свойств металлов, нанесение разнообразных покрытий плазменным способом[12,13], получение дисперсных и ультрадисперсных порошков разнообразных материал о в[ 14]. Большой интерес вызывает также плазменное воспламенение пылеугольного топлива[15], плазмохимические технологии в области переработки каменного угля, нефти и нефтепродуктов. Плазм охимичес кий процесс переработки угля на синтез-газ или ацетилен при использовании минерального остатка для получения ценных содержащихся в нем веществ, с учетом экологической чистоты этих процессов, имеют большое будущее [16, 17].
В последнее время всё больший интерес вызывает применение низкотемпературной плазмы в различных технологиях переработки отходов: муниципальных, медицинских, промышленных, высоко токсичных, боевых отравляющих веществ, радиоактивных, методами плазменного высокотемпературного окисления, пиролиза, газификации и высокотемпературной плазменной минерализации [18-23]. Практически во всех плазменных установках для переработки отходов используются сильноточные дуговые разряды или электродуговые плазмотроны, так как только они способны обеспечить необходимую плотность энергии при достаточно большой мощности [24-29]. В разрядной камере плазмотрона электрическая энергия, выделяющаяся в дуге, преобразуется посредством теплообмена во внутреннюю энергию рабочего газа. Использование плазмотронов для решения данных задач имеет целый ряд преимуществ. Известно [18], что ионы плазмы сами являются химически активными и способны генерировать химически активные частицы при столкновении с нейтральными молекулами. Это приводит к интенсификации химических процессов. При использовании плазмотронов в составе технологических установок можно гарантированно обеспечивать температуру процессов свыше 1200С, что позволяет практически избежать образования таких особо вредных выбросов, как диоксины, цианиды и фураны [18,22,23,24 ]. При использовании плазмотронов упрощается процесс регулирования температурного режима за счет возможности изменения тепловой мощности плазменной струи. [19-26] Исследования и промышленные разработки в области плазмохимических технологий переработки отходов проводятся во многих странах мира [27].
Компания Startech Environmental Corp (США) - занимается разработкой технологий плазменного пиролиза на основе электродуговых плазмотронов постоянного тока мощностью 200кВт.
Компания Integrated Environmental Technologies, LLC (США) разработала установку для переработки медицинских отходов. В качестве одного из нагревателей используется электрическая дуга постоянного тока, горящая между двумя угольными электродами.
Компания Vanguard Research Inc. (VRI), (США) разработала технологию переработки твердых бытовых и промышленных отходов с использованием плазмотронов постоянного тока.
Компания Westinghouse Plasma Corporation (США) совместно с металлургической компанией Hitachi Metals (Япония) разработали технологию и построили в городе Yoshii завод по переработке твердых бытовых отходов с добавкой угля производительностью 24 тонны в день. Завод имеет два плазменных реактора каждый производительностью по 4 тонны в час. На каждом реакторе установлено 4 плазмотрона постоянного тока компании Westinghouse мощностью 300 кВт каждый.
Источники питания электродуговых плазменных систем.
Подробная классификация многодуговых плазмотронов постоянного тока дана в [33]. Авторы этой работы разделяют многодуговые плазмотроны постоянного тока на устройства с расщеплённой электрической дугой, устройства, содержащие несколько отдельно горящих электрических дуг, стабилизированных индивидуально (при этом отдельные электроды плазмотрона, аноды или катоды, могут быть общими) и на многодуговые многоплазмотронные устройства. Устройства с расщеплённой электрической дугой могут различаться на устройства с расщеплённым анодным, катодным или обоими участками дуги. Некоторые из описанных в [33] плазменные системы представлены в следующих источниках: плазменные установки с расщеплённой анодной областью продольного и радиального типа описаны в [62], устройства, содержащие несколько отдельно горящих электрических дуг в [66]; плазменные устройства с расщеплённой катодной областью описаны в [69]; плазменные системы с делением анодной и катодной зон дуги описаны в [70-72]; плазменные системы объемного разряда описаны в [73-75]. 1.3. Источники питания электродуговых плазменных систем. Как следует из обзора, системы питания электродуговых плазменных установок разделяются на два больших класса — системы питания для плазмотронов постоянного тока н системы питания для плазмотронов переменного тока, которые, в свою очередь, могут разделяться на системы питания для однодуговых плазменных систем и системы питания для многодуговых плазменных систем. Бурное развитие силовой полупроводниковой техники позволяет создавать источники питания с различными законами регулирования тока (широтно-импульсным и частотно-импульсным) [33], организовывать различные варианты обратной связи по току или напряжению, создавать системы питания различной мощности и программировать различные типы В АХ источника питания. На рис. 1.3. представлена типичная схема источника питания для плазмотрона, представленная на сайте компании Westinghouse [76]. Это тиристорный источник питания постоянного тока с регулируемым токовым выходом.
Основные элементы источника питания: трансформатор, тиристорный мост, индуктор (сглаживающий реактор), управляющая и защитная автоматика, а также система контроля и управления. Силовые элементы систем питания могут быть исполнены с воздушным или водяным охлаждением. Для многодуговых плазменных систем источники питания разрабатываются исходя из типа плазменной системы[33]. На рис. 1.4. а, б. представлены схемы питания для плазменных систем с расщеплённым анодным и катодным участком дуги. Здесь расщеплённый анод или катод подключается к источнику питания через балластные сопротивления, что позволяет распределить нагрузку на расщеплённый электрод, обеспечить заданную ВАХ, а изменяя величину сопротивлений обеспечить стабильное функционирование разряда. К недостаткам данной схемы можно отнести сложность конструкции, снижение общего КПД за счёт введения дополнительных балластных сопротивлений. А для устройств с расщеплённой катодной областью обычно требуется дополнительный предионизатор газа [33, 69], что в свою очередь тоже усложняет конструкцию. На рис. 1.5 а и б представлены схемы питания плазменных систем, содержащих несколько отдельно горящих электрических дуг. Обе представленные схемы имеют один основной источник питания и дополнительные, необходимые для зажигания и поддержания горения основных дуг. В схеме, представленной на рис. 1.5 а, в каждом из трёх анодных плазмотронов поддерживается дежурная дуга от отдельного источника питания.
В схеме, представленной на рис. 1.5 б, дуги зажигаются поочерёдно от отдельного высоковольтного источника питания. Как и в приведённых выше схемах, здесь содержатся согласующие балластные сопротивления. На рис.1.6 представлена многодуговая плазменная система объемного разряда [33,73-75]. Устройство содержало 6 пар угольных электродов, при этом каждая пара электродов подключалась к отдельному источнику питания. Были рассмотрены несколько вариантов размещения пар электродов между собой. На рис. 1.6 а представлена схема, при которой дуги горят между соседними электродами, объёмный разряд отсутствует. На рис.ї.6 б представлена схема подключения электродов, при которой авторы наблюдали объёмный разряд. Недостатком данного устройства является сложность изготовления электродуговой камеры и количество источников питания, равное количеству электрических дуг.
Источники питания электродуговых плазмотронов переменного тока.
Наиболее простая система питания электродугового плазменного устройства — однофазный сварочный трансформатор дуги переменного тока, состоящий из трансформатора и токоограничивающего дросселя. Как будет видно дальше, эти конструктивные элементы содержат все системы питания дуги переменного тока. Схема источника питания трёхфазного плазмотрона «Звезда» [30] представлена на рис. 1.8. 6 кб питания. Метод инициации дуг - поджиг зажигающей дуги от дополнительного источника питания. Метод стабилизации дуги — газовихревой, вращение привязки дуги по электроду обеспечивается внешним магнитным полем. На рис Л.9. представлена трёхфазная электродуговая плазменная система, предложенная компанией Westinghouse[78] Мощность, выделяемая в дугах до 10 МВт, напряжение холостого хода источника питания 4 кВ. Способ инициирования дугового разряда самостоятельный пробой между корпусом и полым цилиндрическим электродом с последующим вытягиванием дуги в смесительную камеру. Схема соединения обмоток трансформатора источника питания - «звезда» с заземлённой нейтралью, соединенной со смесительной камерой. В каждой фазе источника питания установлен токоограничивающий реактор. Метод стабилизации дуги — вращение внешним магнитным полем совместно с газовой стабилизацией. На рис.1 Л 0 представлены варианты источника питания для трёхфазного электродугового плазмотрона, предложенного в [79] Особенностью данной системы питания является расщеплённая надвое вторичная обмотка питающего трансформатора, сдвинутая на 60 градусов, к которой через 2 тиристорных моста подключён электродуговой плазмотрон переменного тока. Изменение мощности источника питания осуществляется путём изменения угла открытия тиристоров. Подключение системы питания к питающей сети — первичная обмотка трансформатора соединена по схеме «треугольник». На рис. 1.11 представлена система питания электродугового плазмотрона ЭДП (Отчет о испытаниях плазмотрона № 81-84.9 1986г). Система питания состоит из трансформатора ТРМНП-25000/6-У1 номинальной мощностью 25МВА с возможностью регулирования вторичного напряжения под нагрузкой, токоограиичивающих реакторов и компенсаторов реактивной мощности.
Диапазон изменения напряжения холостого хода источника питания 1700 — 3000 В. Диапазон изменения тока от 300 до 3600 А. В работах [26,83] представлена схема питания многофазного электродугового плазмотрона переменного тока от ударного генератора. В работах [84,85] предложены системы питания трёхфазных плазмотронов переменного тока с различными способами изменения тока источника питания. На рис. 1.12 представлена схема источника питания с управляемыми насыщающимися реакторами. Поджиг дуги в плазмотронах такого типа зависит от напряжения холостого хода системы питания. Это либо самостоятельный пробой, если напряжение холостого хода источника питания такое, что конструкция плазмотрона позволяет пробить межэлектродный промежуток, либо различного рода инициирующие устройства [26, 29, 32]. Таким образом, практически все системы питания для плазменных многофазных электродуговых систем питания содержат одинаковые основные конструктивные элементы, варьируются схемы регулирования мощности и способ зажигания и поддержания устойчивого горения дуги во время перехода тока через нуль. Как следует из анализа существующих генераторов плазмы и их систем электропитания, в технологиях, где необходимы постоянные характеристики дугового разряда, то есть необходима плазменная струя без пульсаций, можно использовать как плазмотроны постоянного тока, так и плазмотроны переменного тока со смесительными камерами и соответствующим сопловым аппаратом. В технологиях, где к пульсациям плазменной струи нет жестких требований, а в некоторых случаях они даже желательны [40,24], естественно будет применение многофазных электродуговых систем.
А наличие большого количества стандартных уровней питающего напряжения позволяет создавать системы питания различной мощности. Еще одним преимуществом электродуговых систем переменного тока является то, что для их создания используется стандартное промышленно выпускаемое оборудование, доля которого в системе питания может доходить до 70%. [39, 40] Плазмохимические технологии ещё стоят в начале своего развития. Установки, на которых реализуются технологии с использованием плазменных процессов, являются уникальными, и хотя к настоящему времени накоплен большой опыт по созданию как электродуговых плазмотронов постоянного и переменного тока, так и плазменных технологий на основе электроду го вьгх плазмотронов, в теоретических расчётах пока не удаётся учесть все процессы, происходящие внутри электродуговой системы, а также процессы протекающие внутри плазмохимического реактора. К примеру, изменение давления внутри плазмохимического реактора способно существенно повлиять на режим работы электродугового генератора плазмы. Поэтому для получения оптимальных параметров конструкций электродуговых систем, предназначенных для конкретной плазменной технологической установки, необходимо проводить большое количество экспериментов, направленных на определение оптимальных параметров электродуговой плазменной системы и уточнение граничных условий для теоретических расчётов. Представленные системы питания относятся, главным образом, к плазмотронам постоянного тока. Источников питания для электродуговых систем переменного тока представлено мало и, как правило, для плазмотронов, работающих на инертных газах и на азоте. Представленные плазмотроны переменного тока содержат дополнительные устройства для инициализации дуги и (или) устройства магнитной стабилизации дуги, что существенно усложняет конструкцию как плазмотрона, так и источника питания. Однако для промышленных технологий необходимо создание плазменных систем переменного тока, работающих на окислительных средах, способных работать в широком диапазоне изменения мощности и расходов газа, не зависящих от изменения внешних условий работы и обладающих высоким КПД преобразования энергии. Эксплуатируемые в промышленных условиях плазмотроны и источники питания должны быть максимально простыми, недорогими в изготовлении и эксплуатации, и содержать как можно меньше подсистем.
Исследование электродуговой системы, включающей в себя в качестве нагрузки трёхфазный высоковольтный плазмотрон переменного тока с торцевыми электродами.
В настоящее время на экспериментальных стендах проводятся работы с двумя моделями высоковольтных многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами модели ИПЭВ9т и ИПЭВ14т. Длина дугового канала для ИПЭВ9т — 175 мм, для ИПЭВ14т — 280 мм [39, 58]. Кривые, рассматриваемые ниже, получены из анализа осциллограмм, которые снимались от одного источника питания. Схема источника питания приведена на рис.2.18. Характеристики источника питания : ток короткого замыкания 22 А; напряжение холостого хода 6000 В. Расход газа для ИПЭВ14т изменялся от 2 до 24 грамм в секунду. Расход газа для ИПЭВ9т изменялся от 2 до 10 грамм в секунду. Критерии выбора максимального и минимального расхода такие же, как и для однофазных плазмотронов описанных выше. Цель проведения экспериментов - выявить зависимости электрических параметров системы от изменения расхода плазмообразугощего газа и от изменения геометрических размеров (длины дугового канала) плазмотрона. В процессе проведения исследований производилось осциллограф и рование токов и напряжений при работе плазмотронов с разным расходом плазмообразующего газа, одновременно с визуальной оценкой режима горения дуги.
.Обсуждение результатов. На рис.3.9 представлены зависимости изменения действующего значения тока от изменения расхода плазмообразующего газа. Как видно из графиков, разница между максимальным и минимальным значениями составляет около 1 А, что составляет не более 5% от максимального значения тока. Таким образом, можно при моделировании дуги принять, что в рабочем диапазоне расхода газа, при принятой схеме источника питания, ток дуги не зависит от изменения расхода газа, и плазмотрон можно считать работающим от «идеального источника тока». На рис.3.10 представлены графики изменения действующего значения падения напряжения на дуге в зависимости от расхода плазмообразующего газа для ИПЭВ 14т и ИПЭВ9т. Как видно из графиков, падение напряжения на дуге имеет растущий характер и может быть аппроксимировано экспоненциальной кривой вида На рис.3.12 и рис.3.13 представлены осциллограммы работы плазмотрона ИПЭВ14т с расходами плазмообразующего газа 2 г/с и 23 г/с. Как видно из приведённых осциллограмм, форма кривых тока практически не отличается от синусоидальной, и практически не зависит от расхода газа. Кривые напряжения существенно отличаются от синусоиды, и их форма сильно зависит от расхода газа.
В приложении 2 (рис.п2.9 — п2.12) представлены разложения в ряд Фурье осциллограмм тока и напряжения для представленных осциллограмм. Как видно из приведенных в приложении 2 графиков (рис.п2.9 - рис.п2.12), с увеличением расхода газа возрастают искажения формы кривых падений напряжений на дугах. В форме кривых тока увеличение расхода газа приводит к появлению гармонических оставляющих с частотой, меньшей частоты питающей сети. На рис.3.14 и рис.3.15 представлены осциллограммы работы электродугового многофазного высоковольтного плазмотрона ИПЭВ9т модели при расходах газа 2г/с и 10 г/с. В приложении 2 (рис.п2.13 - рис.п2.16) представлены результаты гармонического анализа приведённых выше осциллограмм тока и напряжения. Как видно из графиков, с увеличением расхода газа возрастают искажения формы кривых падения напряжения на дуге. В форме кривых тока увеличение расхода газа приводит к появлению гармонических оставляющих с частотой меньшей частоты питающей сети. На графиках рис.3.16 представлены зависимости коэффициента искажений формы кривой падения напряжения на дуге от расхода газа для разных длин дугового канала. Коэффициент искажений вычисляется по формуле (3.2). Как видно из приведенных графиков, увеличение расхода газа оказывает меньшее влияние на плазмотроны с длинными каналами, чем на плазмотроны с короткими каналами. На рисунках 3.17-3.20 представлены фотографии дуги многофазного электродугового высоковольтного плазмотрона переменного тока, сделанные при разных расходах газа. Представленные фотографии сделаны при работе плазмотрона ИПЭВНт от источника переменного тока частоты 50 Гц. На представленных фотографиях видно, что дуги замыкаются между собой в плазме на расстоянии примерно 8 - 10 см от среза дугового канала, и это расстояние практически не зависит от расхода газа. На фотографиях также видно, что с увеличением расхода газа дуга контрагируется, диаметр дугового столба уменьшается. При расходах газа, близких к максимальному, дуга ветвится, и наблюдаются привязки её к кромке сопла рис.3.20. При дальнейшем увеличении расхода работа плазмотрона становится неустойчивой. Однофазные и многофазные электродуговые высоковольтные плазмотроны имеют схожий принцип работы, поэтому выводы из анализа осциллограмм справедливы для обоих типов плазмотронов. Формы осциллограмм напряжения отличаются от синусоидальных, причём с увеличением расхода газа, искажения формы кривых возрастают и колебания напряжения дуги увеличиваются. Форма кривой тока от изменения расхода газа зависит мало. С увеличением расхода газа в кривых тока появляются колебания с частотой ниже частоты питающей сети, которые при максимальном расходе достигают для плазмотрона ИПЭВ14т в диапазоне от О до 15 Гц амплитуды порядка I А, а для ИПЭВ9т в диапазоне от 0 до 15 Гц амплитуды порядка 2 А. Из анализа осциллограмм плазмотронов обеих серий видно, что с увеличением расхода газа у плазмотронов с более короткими каналами искажения формы кривой возрастают гораздо быстрее, чем у плазмотронов с более длинными каналами. Максимальный рабочий расход ИПЭВ9т составляет всего 10 г/с против 25 г/с у ИПЭВ 14т, 3 г/с у ИПЭВ12о и 6 г/с у ИПЗВІЗо. Можно выделить следующие причины возникновения этого явления. Вероятнее всего одной из причин является влияние газодинамики плазмотрона. Как уже было сказано выше, подача газа в канал плазмотрона осуществляется тангенциально. Такой способ подачи газа вызывает колебания газового потока в канале. Известно, что чем больше отношение длины канала к его диаметру, тем менее возмущённым становится поток на выходе из канала плазмотрона.
Исследование электродуговой системы, включающей в себя как нагрузку многофазный электродуговой плазмотрон с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы.
В настоящее время на экспериментальных стендах проводятся исследования многофазных электродуговых плазмотронов с электродами рельсового типа и дополнительной инжекциеи плазмы мощностью 100-500 кВт, диапазон расхода газа 10-60 г/с [39, 40, 59]. Осциллограммы, представленные ниже, получены при работе плазмотрона ИПЭ13т от источника питания со следующими параметрами: ток короткого замыкания 500 А; напряжение холостого хода 480 В; частота питающей сети 50 Гц. Расход газа варьировался в диапазоне от 10 до 45 г/с. Осциллограммы токов и напряжений, снятых при работе плазмотрона с расходами газа 10 г/с и 30 г/с, приведены на рис.3.21 и рис.3.22. Рабочий диапазон расходов газа определяется из условия равномерного заполнения рабочей поверхности электродов привязками дуг. При расходе газа ниже минимального (10 г/с) дуги привязываются к торцам электродов, что способствует их быстрому износу. При расходе газа большем, чем максимальный (45 г/с), дуги стабилизируются в области минимального межэлектродного зазора, что также способствует быстрому износу электродов.
Оба эти режима являются аварийными[39, 40, 80, 81]. Как видно из приведённых осциллограмм, формы кривых токов и напряжений сильно искажены, и их формы значительно отличаются от синусоидальных. Разложения приведённых осциллограмм в ряд Фурье в приложении 2 (рис.п2.17 - п2.20) выявляют большой спектр частот, отличных от первой гармоники [39]. В рассматриваемом диапазоне расходов газа искажения форм кривых и пульсации возрастают с увеличением расхода газа. Представленные ниже графики (рис.3.23) построены по результатам гармонического анализа осциллограмм токов и напряжений электродугового плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа, снятых при различных расходах газа. На рис.3.23. представлены изменения коэффициентов искажений осциллограмм тока и напряжения в зависимости Известно, что в плазмотроне возможны два режима горения дуг: диффузный и контрагированный [26, 28, 40], которые соответствуют различным расходам плазмообразующего газа. В диапазоне расходов газа от 10 до 15 г/с горение дуги носит диффузный характер, а коэффициент искажений осциллограмм напряжения лежит в диапазоне 0,94 - 0,87. С увеличением расхода газа от 20 до 48 г/с степень контракции дуг увеличивается, а коэффициент искажений осциллограммы напряжения изменяется от 0,82 до 0,7. [39, 40] Как видно из приведённых графиков, в осциллограммах тока и напряжения присутствуют колебания с частотой, отличной от частоты питающей сети, зависящие от расхода плазмообразующего газа. В 70 осциллограммах тока наблюдались колебания с частотами, лежащими в диапазоне от 0 (постоянная составляющая) до 3-й гармонической (приложение 2, рис.п2.17 - п2.20).
Увеличение расхода газа, от минимального 10 г/с до максимального 48 г/с, приводит к увеличению амплитуд колебаний лежащих в диапазоне от 0 до 50 Гц. В осциллограммах напряжения присутствуют колебания широкого спектра частот, лежащие в диапазоне частот от 0 до 450 Гц. При увеличении расхода газа от минимального к максимальному происходит увеличение амплитуд этих колебаний, а также при увеличении расхода газа наблюдается появление колебаний с частотой 100 Гц [39]. Механизмы возникновения колебаний токов и напряжений в плазмотроне и системе питания проанализируем на упрощённой - однофазной модели плазмотрона Рис.3.24. [40]. В области минимального межэлектродного расстояния инжектор создаёт область ионизированного газа, в которой после подачи напряжения на основные электроды зажигается дуга. Проводимость, создаваемая инжектором в критическом межэлектродном промежутке, достаточна для инициирования электрической дуги между основными электродами в области критического межэлектродного зазора. Под действием электродинамических и газодинамических сил дуга начинает удлиняться, а точки ее привязки -двигаться по электродам. Если во время очередного перехода тока через нуль длина дуги не достигнет длины надёжного гашения и остаточное сопротивление дуги будет меньше сопротивления ионизированного газа в критическом межэлектродном зазоре, то последует повторное зажигание и дальнейшее движение дуги [86]. Как показано в [26, 28] у трёхфазного плазмотрона в камере одновременно горят две дуги, поэтому происходящие процессы сложнее: один электрод является общим, к этому электроду привязываются две дуги, которые могут иметь точки привязок в разных местах электрода. Как видно из осциллограмм работы плазмотрона рис.3.21. и 3.22, кривые тока не претерпевают разрыв во время погасания дуги на торцах электродов и зажигания в критической межэлектродной области. Анализ гармоник в осциллограммах тока и напряжения показал: — за появления постоянной составляющей в осциллограммах тока, скорее всего, отвечают приэлектродные процессы, дуга работает как нелинейный элемент электрической цепи.[26, 30, 41, 94] — за возникновение колебаний с частотами, меньшими частоты первой гармоники — 50 Гц, отвечает движение электрических дуг по электродам. За время движения дуговой области от критического межэлектродного промежутка до выхода дуги на торцы длина дуги увеличивается, соответственно возрастает сопротивление дугового столба, уменьшается ток дуги и увеличивается напряжение.
