РАЗДЕЛ 2
Экспериментальная и
опытно-промышленная установки
Исследования разрабатываемых плазмотронов и их модулей производились на
экспериментальных установках Донбасского государственного технического
университета (ДонГТУ), Восточноукраинского национального университета
им. В. Даля (ВНУ) и Алчевского металлургического комбината. Каждая из них
включала блоки электроснабжения, газоснабжения, водоснабжения и КИП. В данном
разделе приводится их описание, принципиальные схемы, особенности работы и
анализ погрешностей измерений.
2.1. Блок электроснабжения
Предназначен для электропитания плазмотронов. На рис. 2.1 приведена
принципиальная схема блока электропитания экспериментальных установок,
находящихся в ДонГТУ и ВНУ, которая включает разделительный трансформатор ТР-1
(ТС3В-160/0,5) и тиристорный преобразователь ТП-1, выполненный на базе
возбудителя машин постоянного тока ТЕ-8, и имеющий следующие основные
технические данные:
Напряжение питающей сети, В
380
Номинальное выпрямленное напряжение, В
300/540
Номинальный выпрямленный ток, А
350
Пределы регулирования выпрямленного напряжения, В
0–540
Кроме того, блок электропитания включает демпфирующий дроссель (Др.1),
изготовленный в виде двух однослойных катушек, намотанных многожильным
изолированным проводом на пластмассовые каркасы и соединенных последовательно
между собой. Суммарная величина индуктивности дросселя рассчитана по методике,
изложенной в работе [109]
, (2.1)
где – число катушек, – магнитная постоянная, – число витков на катушке, –
диаметр катушки, – величина, значения которой зависят от отношения , – длина
(высота) катушки. Для коротких катушек рассчитывается по формуле [109]
(2.2)
В нашем случае индуктивность дросселя составляла 0,197 мГн. Для снятия
вольт-амперных характеристик исследуемого плазмотрона в схеме предусмотрен
жидкостной реостат (ЖР) с изменением активного сопротивления в пределах
0,2…0,6 Ом и резисторы типа НФ-1АУЗ с суммарным сопротивлением 0,73 Ом,
разделенные на три секции: 0,365; 0,1825 и 0,1825 Ом, шунтирование которых
осуществляется с помощью контактов 1У…3У однополюсных контакторов типа КП-604,
управляемых командо-аппаратом (КА).
На рис. 2.2 приведена принципиальная схема блока электропитания для
исследования плазмотронов, установленного на опытно-промышленном стенде
металлургического комбината. Схема включает следующие элементы: автоматические
воздушные выключатели АВ-1 и АВ-2 типа АВ-25, однополюсные контакторы К1 и К2
типа КПВ-605, разъединитель IP типа РВ-6/400, тиристорный преобразователь,
защитные высокочастотные фильтры с дросселями Др1 и Др2 и конденсаторами С7 и
С8, пусковое балластное сопротивление Rб и поджигающее устройство
(осциллятор).
Схема предусматривает возможность переключения напряжения питания тиристорного
преобразователя с 800 В на 380 В.
Рис. 2.1. Принципиальная схема блоков электропитания экспериментальных
установок ВНУ и ДонГТУ.
Рис. 2.2. Принципиальная схема блока электропитания опытно-промышленного стенда
2.1.1. Тиристорный источник питания
Тиристорный преобразователь (рис. 2.2) разработан на базе выпрямительного
агрегата ВАКЛ-1000. Представляет собой несимметричный 3-фазный мост, собранный
на кремниевых диодах Д1…Д3 (ВЛ-2008Б) и тиристорах Т1…Т3
(ТЛ-150-9), включающий блоки управления. Блоки управления состоят из
фазосдвигающих устройств (ФСУ) и блоков обратной связи (БОС). ФСУ предназначены
для регулирования угла отпирания тиристоров и состоит из трех идентичных ячеек.
Работа ФСУ основана на сравнении мгновенного значения пилообразного напряжения
с напряжением управления . БОС служат для формирования внешних статических
характеристик преобразователя и включают токовую отсечку и токовую динамическую
обратную связь. Сигналы, пропорциональные току плазмотрона, снимаются с
трансформаторов 1ТТ…3ТТ, соединенных в звезду, и поступают на вход усилителя.
При достижении силы тока дуги 400 или 800 А сдвигаются управляющие импульсы.
Токовая динамическая обратная связь используется для сглаживания бросков тока в
момент запуска плазмотрона. Тиристорный преобразователь имеет следующие
основные технические данные:
Напряжение питающей сети, В
800/380
Номинальное выпрямленное напряжение, В
1135/525
Длительно допустимый выпрямленный ток, А
1000
Коэффициент перегрузки по току
1,2
Коэффициент полезного действия
0,99
Время снятия управляющего импульса, С
0,001
Пределы регулирования выпрямленного напряжения, В
0-1135/525
Основным критерием при выборе схемы и расчете параметров источника являлась
устойчивость дуги в интенсивном потоке газа [110]. На рис. 2.3 изображены его
внешние характеристики 1 и 2, полученные при различных значениях тока отсечки,
характеристики плазменных генераторов с фиксированной дугой 3 и 4 и
самоустанавливающееся дугой 5. Кривая 5 пересекает характеристику 1 в
Рис. 2.3. Внешние характеристики источника питания и его работа под
нагрузкой
точках А и В. В точке А наклон кривой 1 больше, чем кривой 5, т.е. что
характеризует устойчивость режима работы. Предположим, что ток дуги ()
изменился в сторону уменьшения, тогда напряжение источника () становится больше
потребного, т.е. и ток дуги снова возрастает до первоначальной величины. Если
ток дуги изменится в сторону увеличения, , источник питания оказывается не в
состоянии поддерживать такой ток и уменьшается до величины, соответствующей
точке А. В точке В при увеличении тока дуги , поэтому растет до тех пор, пока
реализуется условие устойчивости работы, соответствующее точке А. При случайном