Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Общая характеристика плазменной резки .
Глава II. Энергообеспечение плазмотронов .
2.1. Вольтамперные характеристики плазменной дуги и источников питания.
2.2. Виды источников питания
2.3. Источники питания с электронными ключами. Тиристорные выпрямители .
2.4. Сравнительный анализ пульсаций тока тиристорного выпрямителя .
Глава III. Способы регулирования работы плазменной дуги
3. Два контура обратной связи по току плазменной дуги
3.1.1. Внутренний контур. Динамическая обратная связь
3.1.2. Внешний контур. Инерционная обратная связь
3.2. Циклограмма работы источника питания
Глава IV. Экологические аспекты плазменной резіш на повышенных шостях тока. лючение . :пльзованная литература
Заключение
Использованная литература
- Общая характеристика плазменной резки
- Источники питания с электронными ключами. Тиристорные выпрямители
- Сравнительный анализ пульсаций тока тиристорного выпрямителя
- Внутренний контур. Динамическая обратная связь
Общая характеристика плазменной резки
Плазменная резка является одним из наиболее производительных процессов термической резки [2]. Сущность ее І алючается в локальном удалении металла вдоль линии реза сжатой J. :сі; ірнческой дугой постоянного тока. Сжатие и стабилизация дуги и плазмотроне производятся потоком газа, проходящего совместно со столбом дуги через канал сопла. Благодаря обжатию столба дуги іс.шк ратура ее достигает 12-20 тыс. градусов, вследствие чего сьонеша металла практически не оказывают влияния на процесс ІЧ..ІКЯ, При плазменной резке напряжение составляет 80-300 V, что значительно больше, чем в открытой дуге. Плотность тока достигает 200 А/мм:, а удельная мощность 3 106вт/см2 [4], что достаточно для расплавления любого твердого вещества. Поэтому плазменную резку используют для черных и цветных металлов, легированных сплавов, а также керамических и неэлектропроводных материалов, следовательно, основным преимуществом плазменной резки является се универсальность. Не менее важным фактором является и то, что скорость плазменной резки металлов в диапазоне толщин 5 - 40 мм в раз выше газовой [3]. В основном она применяется для резки цьсзных металлов и высоколегированных сталей.
Бурное развитие металлоемких технологий (судостроение, машиностроение, атомная энергетика и др.) потребовало в 60 - 70-е годы совершенствования методов обработки металлов, прежде всего их резки. Развитие плазменных технологий во многом обеспечило потребности промышленности в силу значительно большей концентрации тепловой энергии в зоне обработки, и соответственно, росту производительности рабочих процессов: скорость резки, і.іублна сварки, толщина напыленного (наплавленного) слоя.
В то же время, поюня за производительностью приводила к высокой стоимости конструкционных материалов плазмотронов, в первую очередь, меди и трансформаторного железа, к завышенным энергозатратам при использовании питающей сети (недостаточный КПД источников и cos ф). Важное значение, особенно в последнее время, имеет и недостаточный уровень экологических характеристик плазменного оборудования: загазованность окружающей среды продуктами испарения металла, интенсивное световое и акустическое; излучение.
Вследствие указанных причин основной тенденцией развития плазменных технологий явилась многофакторная оптимизация всех составляющих плазменного комплекса - от оборудования до режимов контроля и управления процессом металлообработки при особом внимании к экологическим аспектам.
Основное функциональное требование к плазменной резке на повышенных плотностях тока: уменьшение ширины реза, означающее уменьшение потерь на испарение металла, а также уменьшение допусков на разделку и получение параллельных кромок. Кроме того, требует эффективного решения и проблема оптимизации использования питающей сети и устранения влияния генерируемых электропомех на системы управления других устройств. Необходимо и дальнейшее повышение экологической безопасности всех узлов плазменного комплекса.
С учетом всей совокупности перечисленных проблем была поставлена задача комплексной оптимизации процессов плазменной обработки металлов с внедрением нового высокотехнологичного оборудования.
В диссертации представлены различные варианты решения данной задачи. Особое внимание уделено источникам питания плазменной дуги, в частности, анализ схемы с 12-ти пульсным выпрямлением и принципиально новое решение проблемы управления выпрямителя с разделением обратных связей на: внутреннюю .малоинерционную, использующую для стабилизации горения дуги мгновенные значения ток;, внешнюю, более инерционную, оптимизирующую технологический процесс и стартовые режимы плазменной дуги по среднему значению ее тока. Основные положения, защищаемые автором. Использование плазменной резки на повышенных плотностях тока, позволившее компактизировать плазменную дугу с соответствующим уменьшением ширины реза и обеспечением параллельности его кромок. Одновременно существенно уменьшаются потери металла на испарение и загазованность среды.
Обоснование и реализация 12-ти пульсной схемы выпрямления для снижения пульсаций тока дуги и, как следствие, увеличение плотности тока дуги. Схема обеспечивает также уменьшение акустического загрязнения атмосферы. Введение двух контуров обратной связи по току, первый -для стабилизации горения дуги, второй - для оптимизации технологического процесса и обеспечения устойчивого стартового режима. В результате, увеличивается ресурс работы расходных узлов плазмотрона, уменьшается ширина реза и испарение металла. Разработка циклограммы поэтапного запуска плазменной дуги с выходом на заданное значение путем использования промежуточной дуги, что полностью ликвидирует броски тока. Предложенный режим увеличиваетресурс работы расходных медных элементов плазмотрона (катода и сопла). Таким образом, в работе реализуется комплексный подход, учитывающий развитие систем управления силовыми выпрямителями, оптимизацию используемых плазменных процессов и растущие экологические требования к интенсивным промышленным технологиям. Цель работы. Основная цель настоящей работы -экспериментальное и теоретическое обоснование возможных путей оптимизации технико-экономических параметров современных плазмотронных комплексов, в особенности, повышение их экологической безопасности. С учетом современных тенденций развития плазменных технологий, основное внимание в исследованиях уделено стабильности работы плазмотронов на повышенных плотностях тока путем повышения устойчивости дуги и снижения пульсаций силы тока.
Научная новизна. Впервые для стабилизации горения плазменной дуги на повышенных плотностях тока предложено введение двух контуров обратной связи, что позволило компактизнровать плазменную дугу и уменьшить расход обрабатываемых металлов. Кроме того, удалось обосновать и реализовать 12-ти пульсную схему выпрямления для уменьшения пульсаций силы тока дуги, что, в свою очередь, позволило увеличить плотность тока дуги и улучшить экологические характеристики плазмотрона за счет уменьшения его весовых параметров и ослабления сопутствующего акустического поля.
Источники питания с электронными ключами. Тиристорные выпрямители
Источники питания с использованием электронных ключей сложны, в разработке схемы силового регулируемого выпрямителя, и его системы управления с отрицательной обратной связью по току дуги. Однако они имеют неоспоримые преимущества по эффективности использования питающей электрической сети и материалов силового трансформатора питания плазменной дуги, что в настоящее время является самой насущной задачей. На рис. 3 показаны характеристики источников питания с использованием электронных ключей и элементов электромагнитного рассеивания [2].
Источники с использованием электронных ключей имеют меньшее значение напряжения холостого хода Uxx2 по сравнению с источникаші с электромагнитным рассеиванием Uxxl. Поэтому КПД источника с электронными ключами значительно выше. Наклон характеристики источника с электронными ключами на вертикальном участке обусловлен системой управления отрицательной обратной связью по току.
В настоящее время используются два вида силовых электронных ключей: транзисторы и тиристоры. Транзисторы имеют преимущество полной управляемости по цепи управления перед тиристором, для закрытия которого необходимо снять с него напряжение или же приложить к тиристору отрицательный потенциал. Очевидно, что при пологопадающих статических вольтампер-иых характеристиках источника питания колебания напряжения на луге будут вызывать колебания тока дуги, самопроизвольные же колебания тока плазменной дуги — крайне нежелательное явление. Они вызывают, с одной стороны, нарушение технологических параметров процесса плазменной обработки, а с другой, — нарушение нормальной работы плазмотрона вследствие образования так называемой двойной дуги, т.е. возникновение аварийного релсима. Таким образом, статические вольтамперные характеристики источников питания для плазменной обработки должны быть крутопадающими.
Изложенное выше относится к установившимся режимам работы системы шсточник питания - дуга щ соответственно; к статическим вольтамперным характеристикам. Особенности работы системы в переходных режимах в процессе возбуждения и стабилизации горения дуги определяют требования к динамическим характеристикам источника. Динамические параметры источников питания должны обеспечивать устойчивое горение и возбуждение плазменной дуги. Динамические свойства источника питания должны исключать резкие броски тока при зажигании рабочей дуги и не допускать его критического значения до момента, пока расход газа не будет соответствовать номинальному режиму резки. При отсутствии колебания напряжения на дуге ВАХ дает однозначную величину напряжения для каждого значения тока, задаваемого источником питания. Но в случае колебаний каждому значению тока соответствует область значений напряжения на дуге, определяемая амплитудой колебаний.
Таким образом, статические и динамические.вольтамперные характеристики плазменной дуги отражают как энергетические, так и быстропеременные процессы, которые необходим учитывать при выборе формы внешних статических характеристики динамических параметров источников питания. Трансформатор с низким выходным сопротивлением, а, следовательно, с жесткой внешней характеристикой, имеет высокий КПД, не ухудшает cos ф питающей сети, т.е. это наиболее оптимальный вариант силового трансформатора. Но, используя іакой трансформатор, необходимо во вторичной цепи иметь элемент, па котором происходит падение или регулирование мощности. Пассивный элемент, балластное или индуктивное сопротивление, на котором выделяется часть энергии, снижает КПД источника. . Активный элемент - управляемый полупроводниковый выпрямитель имеет высокий КПД, но он сложен в разработке.
Трансформатор с высоким выходным сопротивлением и с мягкой, т.е. крутопадающей внешней характеристикой источника, прост в изготовлении. К его недостаткам можно отнести: повышенный расход меди и трансформаторного железа, низкий КПД и ухудшенный со5ф питающей сети.
Сравнительный анализ пульсаций тока тиристорного выпрямителя
Тиристорные выпрямители имеют высокие технико-экономические показатели, позволяют получить любую форму внешней статической характеристики и широкий диапазон регулирования.
Деонизашія (обрыв) воздушно-плазменной дуги может наступить при мгновенном напряжении на плазменной дуге 80 вольт (при мгновенном значении холостого хода источника питания 311 В), что соответствует среднему значению Uxx=300B, т.е. это значение соответствует углу регулирования 105 эл. градусов при 6-ти пульсном выпрямлении. При этом максимальное значение мгновенного напряжения будет составлять 300В. Диапазон регулирования рабочего тока, соответственно, составляет 45 эл. градусов. В 12-ти пульсной схеме минимальное мгновенное значение напряжение 80В соответствует углу регулирования в 135 эл. градусов. При этом максимальное значение мгновенного значения напряжения составит 215В. а диапазон регулирования 60 эл. градусов, что по сравнению с 6-ти пульсной дает увеличение диапазона регулирования на треть и снижает пульсации не менее чем на 28%. Это позволит расширить диапазон рабочего тока плазменной дуги в области малых токов.
Два контура обратной связи по току плазменной дуги. Внешняя вольтамперная статическая характеристика источника питания должна быть крутопадающей - это необходимо для имизации горения плазменной дуги и технологического процесса. Однако многочисленные эксперименты доказали необходимость разделения этих двух задач, а именно: стабилизации горения дуги, скюплизашш технологического процесса и оптимизации пусковых режимов.
Наиболее эффективным способом питания электрическим і оком дуги является автоматическое регулирование фаз включения їіфгсторов выпрямителя сигналом, выработанным в результате сравнения среднего тока дуги с сигналом программы. Применение л ого способа с обеспечением достаточно высокой крутизны внешней характеристики существенно ограничено возможностью неустойчивой работы замкнутой системы с цепью обратной связи сужению диапазона рабочего тока источника питания на больших углах регулирования тиристоров и сильному броску тока .-о время стартового процесса перехода с дежурной дуги на основную ;л і у.
Но это ограничение, во-первых, определяется требованием устойчивости самой схемы с тиристорным выпрямителем, как на ос.човнои, так и на низших субгармониках. Во-вторых, устойчивость системы источник питания - дуга в значительной степени определяется свойствами дуги как активного элемента - генератора электрических шумов в широком частотном спектре. Устойчивость при этом определяется превышением разницы дифференциальных противлении источника питания и сопротивления дуги над определенной величиной, хиряктеріїзуштои электрические шумы со всем частотном спектре. Величина электрических шумов зависит от условий горения дуги, вида плазмообразующей смеси, конструктивных особенностей плазмотрона и она тем больше, чем выше амплитуда напряжения на дуге.
Однако, как показали многочисленные экспериментальные данные, полученные при разработке и исследовании серийных технологических плазменных установок с тиристорным выпрямителем и отрицательной обратной связью по току (УПРП 201, АПР-404), весьма типичным ограничивающим технологические возможности установок при существующем способе питания является также двузначность и разрьівность дуги. Дискретный характер преобразователя проявляется в том, что тиристоры, являясь ключевыми приборами, не позволяют осуществлять непрерывное аналоговое управление током, а осуществляют его периодически. Двузначность и разрывность вольтамперных характеристик определяется двумя различными значениями сопро; іения дугового промежутка: одно значение - при наличии, другое,при отсутствии плазменной дуги. ! Сущность этого вида неустойчивости заключается в том. что во время переходных процессов, связанных ка : правило с резким нарастанием тока дуги, в цепи отрицательной обратной связи возникает столь сильный сигнал, приводящий к большому запаздыванию очередного импульса управления, что мгновенное значение тока дути Ці) снижается до величины, меньшей порогового уровня деонизации дуги (1вык). Если такое снижение продл"ся дольше времени деонизации (Твык), то дуга плазматрона затух т. Такого рода неустойчивость можно наблюдать при значительных внешних быстро изменяющихся условиях горения дуги (нарушение газового состояния, изменение зазора), особенно в процессе зажигания, когда дуга еще окончательно не сформировалась.
Внутренний контур. Динамическая обратная связь
Для повышения устойчивости горения дуги путем устранения аномально малых токов был предложен способ питания плазменной дуги [12]. При этом способе автоматическое регулирование фаз включения тиристоров выпрямителя управляется сигналом, выработанным в результате сравнения функционала гока дуги 1ос с сигналом программы \s. Автоматическое включение фаз тиристоров осуществляется релейным одно-пороговым регулированием. Команда релейного переключателя вырабатывается в процессе снижения сигнала мгновенного значения тока плазменной дуги 1 о. в момент его достижения уровня сигнала программы I j и распределяет с-е по тиристорам. В результате автоматически устраняются ситуации, когда мгновенные значения тока плазменной дуги могли бы быть пялсе уровня ее деонизации I , то есть полностью устраняется описанная неустойчивость третьего типа.
Функциональная схема реализации этого способа приведена на рис 7. где электронное реле минимального мгновенного тока с входом управления порогом срабатывания Р, дешифратор Д, многоканальный коммутатор К и задатчик первоначального включения выпрямителя 3. Входы дешифратора Д подсоединены к датчикам контроля состояния проводимости каждого силового тиристора [9], либо к его питающему напряжению или токами. Многоканальный коммутатор К распределяет управляющий импульс на тиристор или пару (при мостовой схеме) в соответствии с циклограммой управления выбранной силовой схемы выпрямления.
В случае постоянства сопротивления Яд, электрическому току плазменной дуги обеспечивается и постоянство его среднего значения. Выпрямитель включается и в момент /У зажигается плазменная дуга. Величина тока дуги i(t) контролируется датчиком тока Di [6], [Ц. Как только в момент t2 ток дуги достигает значения Імин, реле Р отключается и через формирователь Фи отключает все сигналы, подаваемые с выходов коммутатора К на цепи управления шристоров, причем включенный тиристор (или включенные тиристоры) не меняют состояния проводимости.
Ток дуги i(t) достигает максимального значения и далее начинает спадать до значения Імин в момент ІЗ .В интервале между /_ и 13 отключается сигнал задатчика 3 и дешифратор, преобразуя входную информацию от датчиков состояния проводимости шристоров, переключает сигнал на другой выход. В момент 13 реле Р опять включает коммутатор К, через который подается сигнал к цени управления последующего тиристора выпрямителя. Далее происходят аналогичные процессы коммутации, при которых в момент достижения тока дуги значения Імин включается последующий тиристор.
В результате, если сопротивление дуги Яд не меняется,! обеспечивается постоянство формы тока дуги без каких либо субгармоник. Понижение сопротивления дуги в интервале между t4 и /5 связано с увеличением амплитуд пульсаций и приводит к увеличению уровня среднего тока, а при повышении сопротивления 15 к уменьшению пульсаций и значения среднего тока.
При использовании способа регулирования по минимальному значению мгновенного тока плазменной дуги, позволяющего повысить стабильность горения плазменной дуги в установившемся режиме, необходимо решить задачу по оптимизации технологического процесса плазменной обработки. Термические процессы более инерционны по сравнению с инерционностью плазменной дуги и поэтому оказалось возможным ввести второй контур обратной связи по среднему значению тока плазменной дуги. Постоянная обратной связи в этом контуре может составлять до половины периода питающей сети, т.е. 180 электрических градусов. Это временное значение отработки обратной связи ни в коем случае не сможет повлиять на термические процессы.
Однако, при увеличении глубины обратной связи повышается быстродействие реакций источника на внешние быстрые возмущения. В результате увеличивается вероятность того, что при первоначальном возбуждении дуги стартовый бросок тока приведет к настолько большому последующему снижению тока источника, что произойдет ее деонизация и она погаснет [10]. Таким образом, требование к коэффициенту усиления компаратора противоречиво - при возбуждении дуги он должен быть невелик, а при установившемся режиме повышен.
С целью повышения устойчивости дуги возбуждение плазменной дуги без снижения крутизны падающего участка внешней вольтамперной характеристики источника питания достигается использованием способа, описанного в [7]. Для этого дополнительно і введено второе регулируемое электронное реле Р2, выход которого подключен к дополнительному коммутируемому входу компаратора для дискретного изменения коэффициента усиления. Электронное реле Р2 переключается при достижении устойчивого значения тока плазменной дуги. Путем переключения коэффициента усиления компаратора в процессе возбуждения плазменной дуги устраняется противоречие в выборе его величины.
