СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОМ РАБОТЫ ПЛАЗМОТРОНА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OF PLASMATRON OPERATION MODE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Взаимосвязанная группа изобретений относится к электротехнике, в частности к преобразованию электрической энергии в тепловую с помощью плазмотрона, способу его управления и устройству для его осуществления, которые могут быть использованы в плазменной металлургии, плазмохимии.
Известен способ электропитания плазмотронов постоянного тока с пористым вдувом плазмообразующего газа с использованием тиристорных выпрямителей, работающих в режиме стабилизации тока. Источник питания плазмотронов является стабилизатором с повышенными требованиями к динамическим характеристикам. Питание плазмотрона осуществлялось от двух управляемых выпрямителей, подключенных к сети 6,3 кВт, через автотрансформатор АТМНУ-10000/14 и разделительный трансформатор ТМРУ-16000/10. На стороне постоянного тока выпрямители соединялись последовательно. Управление обоих выпрямителей было общим.
Данный способ не эффективен, поскольку регулирование постоянным током обладает узким динамическим диапазоном, особенно при изменении расходов плазмообразующих газов через плазмотрон. Вследствие неполной управляемости и дискретности тиристорного преобразователя, а также нелинейности и инерционности электрической дуги при увеличении расхода газа до 1,5 кг/с и вольт-амперного отношения свыше 2,5 в системе возникают автоколебания тока на низших субгармониках с частотой 15-120 Гц и амплитудой до 30-50% номинального тока (Генераторы низкотемпературной плазмы. Тезисы докладов XI Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Новосибирск 20-23 июня 1983 г.) часть 1. - А.А.Дурасов, О.Д.Зарайский, А.С.Красовский и др. Система электропитания мощных плазмотронов постоянного тока, стр.16-17).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принят способ стабилизации и регулирования электропитания плазмотронов, в котором ток каждого плазмотрона в отдельности задают с помощью широтно-импульсных модуляторов. В цепь тока последовательно включен регулирующий элемент - ключ, с помощью которого источник постоянного напряжения периодически подключается к нагрузке. Среднее значение напряжения в цепи и тока в нагрузке регулируют путем изменения скважности импульсов, т.е. времени включенного состояния при неизменном периоде. Для избежания прекращения тока в нагрузке при выключенном ключе в цепь включены дроссель и обратный диод. В интервале проводимости ключа дроссель запасает энергию, которая во время паузы передается нагрузке через диод. В результате в нагрузке течет постоянный ток с пульсациями, величина которых зависит от индуктивности дросселя и сопротивления нагрузки. Для развязки отдельных источников питания может потребоваться развязывающий фильтр. Обратная связь по току позволяет получить крутопадающие внешние характеристики с высокой стабильностью заданного тока.
Из недостатков следует отметить генерацию различного рода помех, связанную с импульсным характером работы, и трудности реализации при повышенных мощностях, обусловленные отсутствием мощных высокочастотных полупроводниковых приборов (Многодуговые системы. Новиков О.Я., Тамкиви П.И., Тимошевский А.Н. и др. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. - с.90-92).
Известно устройство для управления режимом работы электродуговой установки, содержащее плазмотрон косвенного действия, выпрямитель, подключенный к катоду и аноду плазмотрона, источник плазмообразующего газа, блок управления пусковым режимом и возбуждения дугового разряда, вход которого подключен к общей цепи выпрямителя, отличающееся тем, что блок управления пусковым режимом и возбуждения дугового разряда снабжен катушками автоматических выключателей с линиями задержки, которые посредством управляющих контактов подключены к цепи возбуждения дугового разряда плазмотрона через тепловые реле, выпрямитель выполнен в виде полууправляемого трехфазного диодно-тиристорного выпрямителя, в каждую фазу которого введен дополнительный диод, а параллельно тиристору подключен резистор (Патент Украины №21208, кл. 6 Н05В 7/18, заявл. 11.05.1994, опубл. 16.10.2000, бюл. №5).
Однако предлагаемая установка не обеспечивает стабильной работы плазмотрона и регулирования режимов работы по следующим причинам:
- в процессе работы из-за высоких пульсаций тока происходит пробой тиристоров;
- ключ возбуждения не обеспечивает надежного и устойчивого запуска плазмотрона;
- не обеспечивается контроль надежности электрической прочности межэлектродных зазоров плазмотрона, что приводит к их преждевременному выгоранию;
- не обеспечивается контроль за температурой и перегревом электродов плазмотрона.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принято устройство для управления электродуговой установкой, содержащее плазмотрон, источник плазмообразующего газа, блок управления пусковым режимом и возбуждения дугового разряда, включающий высокочастотный повышающий трансформатор, полууправляемый трехфазный диодно-тиристорный выпрямитель, подключенный к катоду и аноду плазмотрона, в каждую фазу которого введен дополнительный диод, резистор, подключенный параллельно тиристору размыкатель цепи тока, согласно изобретению, в полууправляемом трехфазном диодно-тиристорном выпрямителе последовательно с тиристором, со стороны анода, подсоединен резистор, а высокочастотный трансформатор выполнен на нескольких отдельных замкнутых магнитопроводах, первичные обмотки которых соединены последовательно, а вторичная обмотка охватывает все магнитопроводы и последовательно включена в катодную цепь, а в блок управления пусковым режимом и возбуждения дугового разряда введены устройства контроля температуры охлаждающей воды в электродах плазмотрона, например термопары, с блоками сравнения, устройства контроля электрической прочности межэлектродных промежутков плазмотрона, каждый из которых включает высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с электродами через конденсатор, а вторичная соединена с блоками сравнения, устройство контроля износа электродов, в виде трубчатого электрода, установленного в полости катода плазмотрона с возможностью продольного перемещения, изолированного относительно торцевого завихрителя катода и подключенного с дополнительным регулируемым источником напряжения отрицательной или положительной полярности, связанным с блоком сравнения, а также - через регулятор расхода подключен к источнику плазмообразующего газа, при этом обмотка управления размыкателя цепи тока запитана через последовательно включенные контакты блоков сравнения (Патент Украины №74047, кл. 7 Н05В 7/18, заявл. 26.08.2003, опубл. бюл. №10, 2005).
Однако данное устройство не позволяет быстро реагировать на изменение тока дуги. Частота, на которой работает тиристорный полууправляемый регулятор, определяет условия, при которых индуктивность дросселя должна быть достаточно большой. Работа дополнительного резистора, включенного последовательно с тиристором, приводит к большим потерям мощности и снижает в целом КПД устройства.
В основу первого из группы изобретений поставлена задача усовершенствования способа автоматического регулирования режимом работы плазмотрона путем обеспечения снижения амплитуды пульсации тока и напряжения, расширения диапазона регулирования рабочего режима плазмотрона, что позволит изменять энергетические характеристики плазмотрона, обеспечивающих надежную и экономичную его работу.
В основу второго из группы изобретений поставлена задача усовершенствовать установку автоматического регулирования режимом работы плазмотрона, в которой за счет введения в схему управления новых элементов и узлов создать простую в обслуживании и надежную в работе установку, которая оптимизирует и расширяет возможности управления работой плазмотрона и расширяет область применения установки.
Первая поставленная задача решается тем, что в способе автоматического регулирования режимом работы плазмотрона, при котором источник постоянного напряжения периодически подключают к плазмотрону с помощью транзисторного ключа, причем среднее значение напряжения и тока в плазмотроне регулируют путем изменения скважности импульсов, а поддержку непрерывного тока в плазмотроне осуществляют за счет установки в цепь дросселя, который в интервале проводимости ключа запасает энергию, а во время паузы передает энергию через обратный диод на плазмотрон, согласно изобретению, задают верхние и нижние пределы величин рабочего тока плазмотрона, напряжения дуги и напряжения каждого нейтрода с пульта управления установки и дополнительно задают верхние и нижние пределы величин расходов, давлений и температур газов и воды по каждому каналу пульта газоводяного, при этом, если сигналы датчиков находятся в заданных пределах, блок управления газоводяного пульта выдает сигнал на замыкание реле блокировки и разрешает работу плазмотрона, если сигналы по любому каналу выходят за заданные пределы, то с пульта управления установки подается сигнал на отключение плазмотрона, а стабилизацию тока осуществляют программным методом в блоке управления регулятора тока, сравнением величин заданного рабочего тока с сигналом аналогового датчика тока, причем во время запуска, при быстро изменяющихся значениях тока дуги от нуля до заданного значения, используют максимально допустимую частоту, а после окончания переходных процессов, при достижении заданного значения тока дуги, частота снижается до минимально возможного значения, при этом расширяют зону привязки дуги путем периодического изменения расхода плазмообразующего газа в одном из каналов подачи газа с помощью пневматического модулятора газового пульта, при этом сигнал, поступающий с аналогового датчика тока на блок управления регулятора тока, непрерывно анализируется в автоматическом режиме и, при появлении неустойчивого горения дуги, устанавливают максимально допустимую частоту коммутации транзисторного ключа, а после окончания переходных процессов, когда ток дуги достигает заданного значения, частота снижается до минимально возможного значения.
Способ автоматического регулирования режимом работы плазмотрона - управляющий комплекс, в котором обеспечено сочетание систем управления, их универсальная совместимость, что позволяет оптимизировать и расширить возможности управления.
Вторая поставленная задача решается тем, что установка автоматического регулирования режимом работы плазмотрона, содержащая трехфазный выпрямитель, блок возбуждения дуги с высоковольтным трансформатором, подключенный к катоду и аноду плазмотрона, согласно изобретению дополнительно содержит регулятор тока дуги, пульт газоводяной, оснащенный регуляторами расхода плазмообразующего газа с задающим устройством верхнего и нижнего пределов расхода газа, регуляторы расхода и датчики давления воды с устройствами, задающими верхний и нижний пределы расходов, а также пульт управления установкой, при этом выходные клеммы регулятора тока дуги подключены к выходным клеммам блока возбуждения дуги, выходные клеммы блока возбуждения подключаются к соответствующим электродам плазмотрона, а пульт управления установкой связан информационными шинами с регулятором тока, блоком возбуждения дуги и пультом газоводяным, причем высоковольтный трансформатор блока возбуждения дуги соединен с блоком высокого напряжения, управляющий вход которого связан с выходом блока управления возбуждения дуги, в плюсовой шине блока возбуждения дуги установлен датчик тока дуги, выход которого подключен к входу блока управления возбуждения дуги, а выход данного блока управления соединен с обмоткой контактора, который через проволочный резистор соединяет положительную шину с высоковольтным конденсатором и выходной клеммой нейтрода плазмотрона, а пусковые конденсаторы соединены с положительной шиной, а также с шиной отрицательной полярности через зарядный резистор и последовательно соединенные разрядный резистор и диод, причем выход блока управления возбуждения дуги также подключен к управляющей обмотке реле блокировки возбуждения дуги, которое подключено к пульту управления установкой, при этом регулятор тока дуги состоит из вводного блока защиты с клеммами для подключения питающей сети, трехфазного выпрямителя, сглаживающего конденсатора, транзисторного ключа, на выходе которого подключены обратный диод и дроссель, последовательно с которым включены датчик предельного тока и датчик тока аналоговый, а выход аналогового датчика тока подключен к блоку управления регулятором тока, причем управляющий вход транзисторного ключа подключен к выходу двухвходового формирователя, один из входов которого подключен к выходу блока управления регулятором тока, а второй подключен к выходу датчика предельного тока. Пульт газоводяной включает систему подачи плазмообразующего газа, которая состоит из входного коллектора, к которому подсоединены датчик давления и регуляторы расхода, каждый из которых содержит регулирующий клапан с электроприводом, датчик расхода, датчик давления, датчик температуры и вычислительное устройство, причем в одном из клапанов подачи газа установлен пневматический модулятор, а система подвода-отвода охлаждающей жидкости состоит из напорного коллектора, к которому подсоединены датчик температуры, датчик давления и сливной коллектор, к которому подсоединены измерители расхода воды, датчики температуры, пульт газоводяной снабжен информационной системой, состоящей из блока управления газоводяным пультом с вычислительными устройствами каждого из регуляторов расхода газа, измерителями расхода воды, датчиками температуры воды и датчиками давления, при этом блок управления газоводяным пультом содержит связной интерфейс, дисплей и клавиатуру, а его выход подключен к управляющей обмотке реле блокировки газоводяного пульта, которое соединено с пультом управления установкой.
Безопасный пуск плазмотрона и постоянный контроль его работы после пуска обеспечиваются блоком возбуждения дуги. Блок управления в составе блока возбуждения дуги отслеживает наличие напряжения на минусовой шине. Появление напряжения с источника питания служит командой для блока управления возбуждения дуги о начале запуска. Кроме того, по линии связи на пульт управления установкой постоянно передаются данные о текущем состоянии плазмотрона, о напряжениях на катоде и нейтроде.
При пуске, когда происходит пробой промежутка катод-нейтрод, сопротивление этого промежутка резко снижается и заряженная батарея пусковых конденсаторов разряжается, при этом по мере разряда батареи конденсаторов напряжение на минусовой шине снижается, что приводит к появлению тока через источник питания и дроссель на его выходе. Емкость батареи пусковых конденсаторов подбирают таким образом, чтобы максимальной энергии хватило на поддержание дуги на то время, пока ток в дросселе достигнет достаточного значения. Сопротивление разрядного резистора выбирают таким, чтобы разрядный ток не превышал допустимых пределов.
Пульт газоводяной предназначен для подачи плазмообразующих газов в плазмотрон с заданными значениями массового расхода по каждому каналу, а также подвода-отвода охлаждающей воды к теплонагруженным деталям плазмотрона. Блок управления газоводяным пультом по линии связи получает от пульта управления установкой заданные значения массового расхода плазмообразующего газа. Полученные задания блок управления газоводяным пультом передает на блок регуляторов расхода, который обеспечивает регулировку и поддержание заданных значений расхода при изменении входного давления газа, противодавления в канале, температуры газа и других дестабилизирующих факторов. В одном из каналов подачи газа установлен пневматический модулятор, который необходим для уменьшения износа поверхности катода, расширяя зону привязки дуги путем периодического изменения расхода газа (модуляции) по одному из каналов. При этом оптимальные значения параметров модуляции - частота, глубина, форма - обеспечиваются программно в блоке управления газоводяным пультом.
Подвод воды осуществляют через блок подачи воды, который обеспечивает отключение и подключение подачи воды в каждом канале. Кроме того, в блоке подачи контролируется температура и давление охлаждающей воды на входе в блок. Блок управления газоводяным пультом обеспечивает работу составных частей пульта газоводяного, оперативный контроль их состояния, получает задания с пульта управления установкой и посылает на пульт управления текущие параметры - массовый расход и давление в каждом канале подачи газа, входное давление в коллекторе подачи газа, расход и температуру воды на сливе каждого канала, давление и температуру воды в напорном коллекторе, кроме того, блок управления газоводяным пультом при возникновении аварийной ситуации размыкает контакты реле блокировки газоводяного пульта, что может быть использовано для аварийного отключения источника питания плазмотрона.
С помощью установки предлагаемый способ реализуют следующим образом.
Задают верхние и нижние пределы величин рабочего тока плазмотрона, напряжения дуги и напряжения каждого нейтрода с пульта управления установки и дополнительно задают верхние и нижние пределы величин расходов, давлений и температур газов и воды по каждому каналу пульта газоводяного. Если сигналы датчиков находятся в заданных пределах, блок управления газоводяным пультом выдает сигнал на замыкание реле блокировки газоводяного пульта и разрешает работу плазмотрона, а если сигналы по любому каналу выходят за заданные пределы, то на пульт управления установкой подается сигнал на отключение плазмотрона. Стабилизацию тока осуществляют программным методом в блоке управления регулятора тока путем сравнения величин заданного рабочего тока с сигналом аналогового датчика тока. Во время запуска, при быстро изменяющихся значениях тока дуги от нуля до заданного значения, используют максимально допустимую частоту, а после окончания переходных процессов, при достижении заданного значения тока дуги, частота снижается до минимально возможного значения, при этом расширяют зону привязки дуги путем периодического изменения расхода плазмообразующего газа в одном из каналов подачи газа с помощью пневматического модулятора газового пульта. Сигнал, поступающий с аналогового датчика тока на блок управления регулятором тока, непрерывно анализируется в автоматическом режиме, и при появлении режима неустойчивого горения дуги устанавливают максимально допустимую частоту коммутации транзисторного ключа, а после окончания переходных процессов, когда ток дуги достигает заданного значения, частота снижается до минимально возможного значения.
На чертеже приведена функциональная схема заявляемой установки.
Установка энергопитания плазмотрона состоит из регулятора тока дуги 1, блока возбуждения дуги 2, пульта 3 газоводяного и пульта 4 управления установкой.
Регулятор тока дуги 1 состоит из вводного блока защиты 5, на вход которого подается питающее трехфазное напряжение. Далее питающее напряжение подается на трехфазный выпрямитель 6, затем выпрямленное постоянное напряжение сглаживается при помощи батареи сглаживающих конденсаторов 7 и подается на транзисторный ключ 8, на выходе которого подключены обратный диод 9 и дроссель 10. Последовательно с дросселем 10 включены датчик предельного тока 11 и датчик тока аналоговый 12. Выход датчика тока 12 подключен к блоку управления регулятором тока 13. Управляющий вход транзисторного ключа 8 подключен к выходу двухвходового формирователя 14, один из входов которого подключен к выходу блока управления регулятором тока 13, а второй вход подключен к выходу датчика предельного тока 11.
Блок возбуждения дуги 2 состоит из высоковольтного трансформатора 15, соединенного с блоком высокого напряжения 16, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления возбуждения дуги 17. В плюсовой шине блока возбуждения установлен датчик тока дуги 18, выход которого подключен ко входу блока управления возбуждения дуги 17. Выход блока управления 17 соединен с контактором 19, который соединяет проволочный резистор 20 с плюсовой шиной. Проволочный резистор 20 соединен с высоковольтным конденсатором 21 и клеммой нейтрода. Батарея пусковых конденсаторов 22 соединена с плюсовой шиной, а также через зарядный резистор 23 и через последовательно соединенные разрядный резистор 24 и диод 25 с минусовой шиной. Выход блока управления 17 подключен к управляющей обмотке реле блокировки 26, которое подключено к блоку управления пульта управления установкой.
Пульт газоводяной состоит из системы подачи плазмообразующих газов, системы подвода-отвода охлаждающей жидкости и информационной системы. Система подачи плазмообразующих газов состоит из входного коллектора 27, к которому подсоединены датчик давления 28 и регуляторы расхода 29, каждый из которых содержит регулирующий клапан с электроприводом 30, датчик расхода 31, датчик давления 32, датчик температуры 33 и вычислительное устройство 34. В одном из каналов подачи газа установлен пневматический модулятор 35. Система подвода-отвода охлаждающей жидкости состоит из напорного коллектора 36, к которому подсоединены датчик температуры 37, датчик давления 38, а также запорные краны 39, и сливного коллектора 40, к которому подсоединены измерители расхода воды 41 и датчики температуры воды 42. Информационная система состоит из блока управления газоводяным пультом 43, к которому подсоединены вычислительные устройства 34 каждого из регуляторов расхода газа 29, а также измерители расхода воды 41, датчики температуры воды 37 и 42, и датчики давления 28 и 38. Кроме того, блок управления газоводяным пультом содержит связной интерфейс с пультом управления установкой 44, дисплей 45 и клавиатуру 46. Выход блока управления газоводяным пультом 43 подключен к управляющей обмотке реле блокировки 47, подключенного к блоку управления пульта управления установкой.
Пульт 4 управления установкой состоит из блока управления 48, к которому подключены дисплей 49, клавиатура 50 и связной интерфейс 51.
На входные клеммы регулятора тока дуги 1 подается трехфазное питающее напряжение. Выходные клеммы регулятора тока дуги 1 подключены к входным клеммам блока возбуждения дуги 2. Выходные клеммы блока возбуждения дуги 2 подключены к электродам плазмотрона. Пульт 4 управления установкой связан информационными шинами с регулятором тока дуги 1, блоком возбуждения дуги 2 и пультом 3 газоводяным. Кроме того, контакты реле блокировок 26 и 47 соединены последовательно и подключены к блоку управления 48 пульта управления установкой.
Установка работает следующим образом.
Пульт управления установкой 4 содержит дисплей 49 и клавиатуру 50, что позволяет управлять установкой в ручном режиме и контролировать состояние ее составных частей. Кроме того, в состав пульта управления 4 входит связной интерфейс 51, позволяющий включать установку в состав АСУ ТП, и управлять ею дистанционно.
Пульт управления установкой 4 связан с блоком управления регулятора тока 13, блоком управления возбуждения дуги 17 и блоком управления газоводяным пультом 43 при помощи встроенных связных интерфейсов, по которым пульт управления установкой передает команды, и получает ответную информацию от блоков.
Переменное трехфазное напряжение подается на вводной блок защиты 5, затем - на трехфазный выпрямитель 6. Выпрямленное трехфазным выпрямителем 6 постоянное напряжение дополнительно сглаживается при помощи батареи сглаживающих конденсаторов 7 и подается на транзисторный ключ 8. В управляющей цепи транзисторного ключа 8 установлен формирователь 14, который обеспечивает подачу на вход транзисторного ключа 8 необходимых уровней напряжения для его полного отпирания и запирания. Особенностью формирователя 14 является наличие второго (запирающего) входа, который обеспечивает быстрое запирание транзистора 8 при превышении разрешенного тока, независимо от сигнала на основном входе. Транзисторный ключ 8 работает в импульсном режиме, с чередованием полностью открытого и полностью запертого состояний, что обеспечивает минимальные потери мощности при регулировании тока дуги. Регулирование тока достигается изменением скважности импульсов - соотношения времени открытого и запертого состояния ключа. Обратный диод 9 и дроссель 10 обеспечивают непрерывность протекания тока в нагрузке (дуге), при импульсном характере работы транзисторного ключа 8. При открытом состоянии ключа 8 обратный диод 9 заперт, ток дуги проходит через дроссель 10, накапливая в нем энергию магнитного поля. При запирании транзисторного ключа 8 в дросселе 10 возникает эдс самоиндукции, и накопленная магнитная энергия передается в нагрузку. При этом обратный диод 9 отпирается, и через него проходит ток дуги. Последовательно с нагрузкой в минусовой шине включен датчик предельного тока 11, который обеспечивает безопасную работу транзистора, быстро запирая формирователь 14 при превышении тока выше предельно допустимого. Таким образом, обеспечивается дополнительная безинерционная защита транзисторного ключа 8, которая необходима при переходных процессах при пуске плазмотрона, или при неустойчивом характере горения дуги. Датчик тока аналоговый 12 выдает сигнал, пропорциональный текущему значению тока, который сравнивается в блоке управления регулятора тока 13 с заданным значением тока, полученным с пульта управления установкой 4. Разность между заданным и текущим значениями является управляющим параметром для широтно-импульсного модулятора, входящего в состав блока управления регулятора тока 13. При этом скважность импульсов на выходе широтно-импульсного модулятора изменяется таким образом, чтобы текущее значение тока стало равным заданному. Таким образом обеспечивается регулировка и стабилизация заданного значения тока.
Частота работы широтно-импульсного модулятора не постоянная. Для обеспечения максимальной устойчивости цепи обратной связи регулятора тока необходимо частоту переключения транзисторного ключа повышать. Но при увеличении частоты возрастают динамические потери в транзисторном ключе, что приводит к его повышенному нагреву, снижению надежности регулятора тока, и снижению кпд установки в целом. Поэтому частота выбирается блоком управления регулятора тока адаптивно, в зависимости от условий работы регулятора тока. При запуске, когда значение тока дуги быстро изменяется от нуля до заданного значения, для более точной отработки тока используется максимально допустимая частота. После окончания переходных процессов, когда ток дуги достигает заданного значения, частота, с целью снижения динамических потерь в транзисторе, снижается до минимально возможного значения. Минимальное значение частоты определяется допустимой амплитудой пульсаций тока и индуктивностью дросселя. Кроме того, блок управления регулятора тока 13 постоянно анализирует сигнал с выхода датчика тока аналогового 12, и при возникновении неустойчивого режима горения дуги кратковременно повышает частоту. Выходные клеммы регулятора тока 1 соединяются кабелями с блоком возбуждения дуги 2. Первичная обмотка повышающего высоковольтного трансформатора 15 подключена к блоку высокого напряжения 16. Вторичная (повышающая) обмотка трансформатора 15 включена последовательно в минусовой шине. Для того чтобы высоковольтный пробой возник в зазоре между катодом и нейтродом плазмотрона, в схеме установлен блокировочный высоковольтный конденсатор 21.
Блок управления возбуждения дуги 17 отслеживает наличие напряжения на минусовой шине. Появление напряжения с источника питания служит командой для блока управления возбуждения дуги 17 о начале запуска. Для этого вначале блок управления 17 замыкает контакты контактора 19, и затем подает команду на блок высокого напряжения 16. При этом блок высокого напряжения 16 подает импульс на первичную обмотку трансформатора 15, на вторичной обмотке возникает высоковольтный импульс, который прикладывается к катоду, и через высоковольтный конденсатор 21 - к нейтроду, и происходит пробой межэлектродного промежутка катод-нейтрод. Создаются условия для возникновения дуги, и ток дуги проходит по цепи: шина (+), контактор 19, резистор 20, нейтрод, дуга между нейтродом и катодом, катод, вторичная обмотка трансформатора 15, шина (-).
Через некоторое время дуга перемещается с нейтрода на анод. При этом в цепи анода появляется ток, который регистрируется датчиком тока 18. Блок управления возбуждения дуги 17 постоянно отслеживает сигнал с выхода датчика тока 18, и как только ток анода появляется, размыкаются контакты контактора 19. На этом режим пуска завершается.
Дуга при запуске должна перейти с нейтрода на анод достаточно быстро. Это время контролируется блоком управления возбуждения дуги 17. Если оно превышает допустимое значение, и дуга за это время не достигла анода - нейтрод может разрушиться, пуск считается неудавшимся, блок управления возбуждения дуги принудительно размыкает контактор 19. После этого происходит переход на режим повторного запуска.
Количество следующих подряд повторных запусков контролируется блоком управления возбуждения дуги. Если оно превышает допустимое значение, то это означает или неисправность самого плазмотрона, или неправильно установленный режим подачи плазмообразующего газа. При этом блок управления возбуждения дуги прекращает дальнейшие попытки запуска, и переходит в режим аварийного останова.
После того, как запуск прошел удачно, блок управления возбуждения дуги контролирует наличие тока дуги в цепи анода при помощи датчика тока 18 и напряжение на катоде и нейтроде. Если сигнал на выходе датчика тока 18 отсутствует, а напряжение на катоде есть, значит произошел срыв дуги, и требуется переход на режим повторного запуска. Если тока дуги нет, и напряжения на катоде тоже нет - значит источник питания отключен, и блок возбуждения дуги переходит в режим ожидания.
Во время нормальной работы плазмотрона дуга должна гореть только между катодом и анодом, не касаясь нейтрода. Напряжение на нейтроде зависит от типа плазмотрона и режима его работы. Сопротивление промежутков катод-нейтрод и нейтрод-анод велико, поэтому напряжение на нейтроде принимает значение, близкое к половине напряжения между анодом и катодом. Если по каким-либо причинам дуга начинает гореть в промежутке между нейтродом и соседним электродом, сопротивление этого промежутка резко уменьшается, и напряжение на нейтроде становится близким к напряжению этого электрода. Поэтому важное значение имеет разность напряжений между соседними электродами, например катод-нейтрод, или нейтрод-анод. Если эта разность уменьшается до некоторой величины, это означает, что произошел пробой этого промежутка. Блок управления возбуждения дуги 17 отслеживает длительность и частоту возникновения такой ситуации. Если длительность превышает допустимое значение, происходит переход в режим аварийного останова.
Аварийный останов производится размыканием контактов реле блокировки возбуждения дуги 26, по команде с блока управления возбуждения дуги. Размыкание контактов реле 26 отслеживается пультом управления установкой 4, и может быть использовано для аварийного отключения источника питания плазмотрона. Кроме того, блок управления возбуждения дуги 17 по линии связи передает на пульт управления установкой 4 текстовую информацию о причине аварийного останова, что облегчает быстрое устранение аварийной ситуации.
Схема позволяет запускать плазмотрон, не требуя дополнительной пусковой коммутации в цепях дросселя. Дроссель на выходе источника питания необходим для сглаживания пульсаций тока и для повышения устойчивости горения дуги. При увеличении индуктивности дросселя качество питания дуги улучшается. Но при этом возрастают проблемы при запуске. Дроссель с большой индуктивностью препятствует быстрому нарастанию тока дуги. А длительность искры при поджиге очень мала, поэтому ток в дросселе за такое короткое время не успевает достичь значений, достаточных для устойчивого горения, и дуга гаснет.
В предложенной схеме блока возбуждения дуги установлена батарея пусковых конденсаторов 22, в которой накапливается энергия, достаточная для развития и поддержания дуги на время пуска. При подаче питающего напряжения на входные клеммы батарея пусковых конденсаторов заряжается через зарядный резистор 23 до напряжения питания. При пуске, когда происходит пробой промежутка катод-нейтрод, сопротивление этого промежутка резко снижается, и заряженная батарея пусковых конденсаторов разряжается по цепи: обкладка (+), контактор 19, резистор 20, нейтрод, промежуток нейтрод-катод, катод, вторичная обмотка трансформатора 15, диод 25, разрядный резистор 24, обкладка (-). При этом, по мере разряда батареи пусковых конденсаторов 22, напряжение на минусовой шине снижается, что приводит к появлению тока через источник питания и дроссель на его выходе. Емкость батареи пусковых конденсаторов 22 зависит от индуктивности дросселя и подбирается таким образом, чтобы накопленной энергии хватило на поддержание дуги на то время, пока ток в дросселе достигнет достаточного значения. Сопротивление разрядного резистора 24 выбирается таким, чтобы разрядный ток не превышал допустимых пределов. Диод 25 нужен для того, чтобы после запуска напряжение дуги не шунтировалось батареей пусковых конденсаторов 22 через низкоомный проволочный резистор 24. Такая схема обеспечивает надежный запуск и не требует дополнительной настройки цепей управления.
Блок управления газоводяного пульта 43 при помощи связного интерфейса 44 получает с пульта управления установкой 4 заданные значения расхода плазмообразующего газа, а также заданные верхние и нижние пределы величин расходов, давлений и температур газов и воды по каждому каналу пульта газоводяного. Полученные задания блок управления газоводяного пульта передает на соответствующие регуляторы расхода 29 с вычислительными устройствами 34. Вычислительное устройство 34 регулятора расхода управляет регулирующим клапаном 30, изменяя текущее значение расхода в большую или меньшую сторону. При этом поток газа проходит через датчик расхода 31, выходной сигнал которого поступает на вычислительное устройство 34. Кроме того, на вычислительное устройство 34 поступают сигналы от датчика температуры 33 и датчика давления 32. По значениям температуры и давления газа вычислительное устройство 34 корректирует показания датчика расхода 31, получая в результате текущее значение массового расхода. Далее вычисленное текущее значение расхода сравнивается с заданным и, если разность превышает допустимую погрешность, вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего клапана, который закрывается или открывается на величину, достаточную для обеспечения заданного расхода. Текущее значение массового расхода и давления в каждом канале передается на блок управления газоводяным пультом 43. Блок управления газоводяным пультом сравнивает текущие значения расходов и температур по каждому каналу с заданными предельными значениями и, если сигналы датчиков находятся в заданных пределах, блок управления газоводяным пультом выдает сигнал на замыкание реле блокировки и разрешает работу плазмотрона.
Особенностью схемы является то, что в одном из каналов подачи газа установлен пневматический модулятор 35, который управляется блоком управления газоводяным пультом 43. Модулятор 35 необходим для уменьшения износа поверхности катода, расширяя зону привязки дуги путем периодического изменения расхода газа (модуляции) по одному из каналов. При этом оптимальные значения параметров модуляции - частота, глубина, форма - обеспечиваются программно в блоке управления газоводяным пультом 43.
Подвод воды осуществлен через напорный коллектор 36, на выходе из которого установлены запорные краны 39, которые обеспечивают отключение и подключение подачи воды в каждом канале. Далее охлаждающая вода, пройдя через рубашку охлаждения плазмотрона, попадает в сливной коллектор 40, предварительно проходя через измерители расхода воды 41. Кроме того, датчики 42 контролируют температуру воды на выходе каждого канала. Выходные сигналы с измерителей расхода воды 41 и датчиков температуры сливной воды 42 поступают на блок управления газоводяным пультом 43. Кроме того, на напорном коллекторе установлены датчик температуры входной воды 37 и датчик давления входной воды 38, выходные сигналы которых также поступают на блок управления газоводяным пультом.
Блок управления газоводяным пультом обеспечивает работу составных частей пульта газоводяного, оперативный контроль их состояния, при помощи связного интерфейса 44 получает задания с внешнего пульта управления установкой и посылает на пульт управления установкой текущие параметры - массовый расход и давление в каждом канале подачи газа, входное давление в коллекторе подачи газа 27, расход и температуру воды на сливе каждого канала, давление и температуру воды в напорном коллекторе. Кроме того, блок управления газоводяным пультом при помощи размыкания контакторов реле блокировки газоводяного пульта 47 может осуществлять аварийный останов плазмотрона или блокировку запуска, если возникает аварийная ситуация. К числу аварийных ситуаций относятся, например, - отсутствие или недостаточное значение расхода воды, температура воды на входе превышает допустимое значение, расход газа отличается от заданного более допустимого значения и т.п. Кроме того, блок управления газоводяного пульта 43 передает на пульт управления 4 установки текстовую информацию о причине срабатывания блокировки, что облегчает быстрое устранение аварийной ситуации.
Наличие дисплея 45 и клавиатуры 46 позволяет управлять пультом газоводяным и контролировать его состояние в автоматическом и ручном режиме. Это позволяет предотвратить аварийную ситуацию в случаях повреждения линии связи с пультом управления установкой, что повышает надежность всей системы питания плазмотрона в целом.
В состав установки входит регулятор тока дуги, блок возбуждения дуги, пульт газоводяной, пульт управления установкой и плазмотрон.
ПЛ
ДУГИ
ДУГИ
Из карты рабочих режимов плазмотрона выбираем его вольтамперную характеристику, соответствующую заданной мощности, например W=350 кВт. Исходя из этого U=1000 В±25%, I=350 А±25%.
Таким параметрам дуги по вольтамперным характеристикам соответствуют следующие расходы газов через каналы плазмотрона:
воздух, г/с: катод - 7, катод-нейтрод - 25, нейтрод-анод - 6;
природный газ, г/с: нейтрод - 6;
расход воды, л/мин: катод - 20, нейтрод-анод - 20.
С пульта управления установки задаем верхние и нижние пределы величин тока разряда:
ВEPX
НИЖН
ВEPX
НИЖН
I=437 А; I=262 A; U=1250 В; U=750 В.
Расход газов, г/с: катод - 7-5; катод-нейтрод - 20-30;
нейтрод-анод - 5-8; нейтрод - 6-16.
Расход воды, л/мин: катод - 18-25; нейтрод-анод - 15-22.
Напряжение на нейтроде для устойчивой работы плазмотрона должно
BEPX
НИЖН
составлять: U=600 В; U=500 В.
ВЕРХ
НИЖН
Давления, МПа: входное давление воздуха P=0,75; Р=0,45;
ГАЗА ВЕРХ
ГАЗА НИЖН
давление газа Р=0,25; Р=0,15;
ВОДЫ ВЕРХ
ВОДЫ НИЖН
входное давление воды Р=1,0; Р=0,6.
АТМ
АТМ
Вводим значения наружных параметров атмосферы, например Р=0,09 МПа; температура Т=25°С=298 К.
Вводим предельные значения давлений и температур в каналах пульта газоводяного:
ВЕРХ КАТ
НИЖН КАТ
давления, МПа: катод - Р=3,5; Р=2;
ВЕРХ КАТ НЕЙТР
НИЖН КАТ НЕЙТР
катод-нейтрод - Р=4; Р=3;
ВЕРХ НЕЙТР АНОД
НИЖН НЕЙТР АНОД
нейтрод-анод - Р=3; Р=2.
ВЕРХ КАТОД
температура, °С: катод - Т=45;
ВЕРХ КАТ НЕЙТР
катод-нейтрод - Т=40;
ВЕРХ НЕЙТР АНОД
нейтрод-анод - Т=40.
ПЛ
При вводе всех параметров предыдущие величины не обнуляются. Запуск плазмотрона осуществляется нажатием кнопки «ПУСК». В случае успешной настройки плазмотрон выходит на нормальный режим работы с мощностью: W=350±87 кВт.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - способ автоматического регулирования режимом работы плазмотрона предназначен для использования в другом заявленном объекте группы - установке, при этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата и могут быть использованы лишь совместно.