ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПЛАЗМОТРОНА ПОСТОЯННОГО ТОКА
POWER SUPPLY OF DIRECT-CURRENT ELECTRIC ARC PLASMATRON

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в схемах силового электропитания мощных электродуговых нагревателей газа (плазмотронов), предназначенных для работы на постоянном токе.
Плазмотроны постоянного тока являются наиболее распространенными источниками высокотемпературных газовых сред. В литературе им посвящено много исследований, достигнутые характеристики плазмотронов, в том числе ресурс их работы, позволяют использовать их для широкого круга не только исследовательских, но и промышленных задач. Использование постоянного тока позволяет без проблем использовать магнитные катушки для монотонного перемещения дуги по поверхности электродов, что необходимо для снижения эрозии электродов и увеличения времени их жизни.
ист
дуги
Известно, что в дуговых плазмотронах вольт-амперная характеристика дугового разряда чаще всего является падающей, то есть напряжение на дуге уменьшается с ростом дугового тока. Для устойчивой работы данных изделий источник их силового электропитания должен обладать свойствами стабилизации тока в цепи дугового разряда, что может быть обеспечено в случае его круто падающей вольт-амперной характеристики. Условие устойчивой работы плазмотрона может быть выражено соотношением:  где  характеризует зависимость напряжения источника питания (U) от тока (I), а  характеризует зависимость напряжения на дуговом разряде (U) от тока (I). В случае использования наиболее распространенных источников питания с жесткой внешней характеристикой (когда напряжение мало зависит от тока), для устойчивой работы необходимо в электрическую цепь последовательно с дуговым разрядом вводить балластное сопротивление, что подробно описано в литературе, например [Ф.Б Юревич, B.C. Куликов. Электродуговой нагрев газа. «Наука и техника», Минск, 1973, 192 с.; А.С. Коротеев. Электродуговые плазмотроны. Москва, «Машиностроение», 1980, 174 с.; М.Ф. Жуков, В.Я. Смоляков, Б.А. Урюков. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). Москва, «Наука», 1973, 232 с.]. Введение активного балласта в цепь дугового разряда приводит к ряду отрицательных свойств плазмотронной установки. Во-первых, снижается эффективность использования энергии питающей сети для нагрева газа (мощность, выделяемая на балласте, бесполезно теряется). Во-вторых, сужается диапазон возможных режимов работы плазмотрона, так как балласт ограничивает напряжение на дуговом разряде. Наконец, само балластное сопротивление при больших мощностях требует организации отвода тепла от него, что усложняет инфраструктуру плазмотронной установки.
В источнике CN 107006087 А, 01.08.2017 вместо активного балласта в цепи дугового разряда используется балластный индуктор, причем для стабилизации дугового тока используется обратная связь по току для управления периодическими отключениями силового выпрямителя. На больших мощностях такая схема представляется ненадежной, так как в ней будут возникать большие скачки напряжения на переходных режимах.
Существует достаточно много изобретений, в которых задача получения источника питания с круто падающей характеристикой решается за счет различных схем специального управления силовыми выпрямительными устройствами. Например, в описании к патенту RU 2389055 С2, 10.05.2010 представлена довольно сложная схема автоматического регулирования режима работы плазмотрона с использованием управляемых тиристорных выпрямителей, обеспечивающих режим стабилизации тока. В патенте RU 2523066 С1, 20.07.2014 для аналогичных целей предложен регулирующий коммутатор, который производит последовательное или параллельное включение тиристорных выпрямителей. Необходимо отметить, что в случае больших токов использование схем с переключениями в процессе работы всегда снижает надежность источника питания, так как вызывает нежелательные переходные процессы и броски напряжения.
В авторском свидетельстве SU 598274, 21.02.1978 представлено устройство для запуска и питания плазменно-дуговой установки постоянного тока, в котором необходимые параметры источника питания обеспечиваются за счет индуктивных дросселей и емкостей, которые установлены до выпрямителя и образуют резонансную цепь на частоте питающей сети, причем в эту цепь включена также обмотка трансформатора цепи зажигания дуги, сопротивление которой зависит от тока в цепи дугового разряда. Таким образом, режим работы плазмотрона в данном изобретении определяется параметрами цепи переменного тока до выпрямительного устройства. Но так как плазмотроны в принципе являются многорежимными устройствами, то недостатком упомянутого изобретения, помимо сложной конструкции устройства, является невозможность регулировки тока плазмотрона в пределах его рабочего диапазона.
Регулировку тока плазмотрона за счет реактивных элементов (балластной нагрузки в виде конденсаторов), установленных до выпрямителя можно осуществлять в соответствии с техническим решением, представленным в авторском свидетельстве SU 1712089 А1, 15.02.1992, которое служит прототипом предлагаемого изобретения. В изобретении, известном из SU 1712089 А1, 15.02.1992, обратная связь по дуговому току использована для коммутации параллельно установленных управляемых секций выпрямителя, к которым со стороны питающей сети подключены емкости различных номиналов. Суммарный ток через плазмотрон, который складывается из токов отдельных выпрямителей, будет определяться величиной подключенных к ним емкостей. Однако для мощных плазмотронов, работающих на токах в сотни ампер, техническое решение по SU 1712089 А1, 15.02.1992 представляется довольно сложным, дорогим и громоздким устройством, в первую очередь из-за необходимых параметров емкостных балластов, подключаемых к выпрямителям.
Целью предлагаемого технического решения является создание простого и надежного источника питания для мощных плазмотронов постоянного тока, который обеспечивает эффективное использование электрической мощности питающей сети.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении конструкции источника питания электродугового плазмотрона постоянного тока, обеспечивающего минимизацию потерь активной электрической мощности.
Для достижения цели и обеспечения технического результата предлагается источник питания электродугового плазмотрона постоянного тока, подключаемый к промышленной сети переменного тока, содержащий выпрямитель и балластную нагрузку, стабилизирующую ток дугового разряда. В качестве балластной нагрузки использованы катушки индуктивности, установленные между фазами промышленной сети переменного тока и выпрямителем, при этом катушки индуктивности имеют ряд контактов с различными номиналами индуктивного сопротивления для выбора рабочего тока плазмотрона.
Между промышленной сетью переменного тока и катушками индуктивности могут быть дополнительно установлены емкостные устройства компенсации реактивной мощности и/или преобразователь частоты, повышающий частоту питающей сети.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании индуктивных балластов (катушек индуктивности) с переключаемым номиналом индуктивностей в источниках питания мощных плазмотронов постоянного тока. Для этого каждая катушка индуктивности подключается к своей фазе промышленной сети переменного тока, при этом катушки расположены между фазами сети и выпрямителем. Балластные нагрузки между выпрямителем и дуговым плазмотроном не требуются, между ними может устанавливаться фильтр для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Для уменьшения требующихся номиналов катушек индуктивности и соответствующего снижения их весов и габаритов, между катушками индуктивности и питающей сетью может быть установлен преобразователь частоты (инвертор), позволяющий поднять частоту тока, протекающего через катушки индуктивности, при этом максимальная частота выбирается из условия сохранения работоспособности выпрямительного устройства, к которому подключены катушки индуктивности.
Изобретение поясняется схемами, показанными на фиг. 1 и фиг. 2.
Фиг. 1 - схематично показан источник питания плазмотрона постоянного тока согласно изобретению.
Фиг. 2 - схематично изображен источник питания плазмотрона постоянного тока с дополнительно установленным преобразователем частоты.
Источник питания электродугового плазмотрона 1 постоянного тока, подключаемый к промышленной сети переменного тока с фазами А, В, С, содержит катушки индуктивности 2 и выпрямитель 3 (Фиг. 1 и 2). Катушки индуктивности 2 установлены между фазами А, В, С промышленной сети переменного тока и выпрямителем 3 (Фиг. 1), при этом катушки индуктивности имеют ряд контактов с различными номиналами индуктивного сопротивления для выбора рабочего тока плазмотрона. Схема источника питания плазмотрона 1 постоянного тока может быть дополнена установленными между промышленной сетью переменного тока и катушками индуктивности 2 преобразователем частоты 4 (Фиг. 2) и/или емкостными устройствами компенсации реактивной мощности (стандартные серийно выпускаемые устройства, на чертежах не показаны).
Предлагаемое изобретение работает следующим образом. До включения силового выключателя питающей сети, к выходным фазам выключателя подключены концы обмоток катушек индуктивности 2. Один из контактов промежуточных отпаек катушек или вся катушка целиком (в зависимости от выбираемого рабочего тока) подключаются в каждой фазе к входным клеммам выпрямителя 3, к которому по постоянному току подключен плазмотрон 1. Далее, после подачи расхода рабочего газа и воды охлаждения в плазмотрон 1, включается силовой выключатель питающей сети, и электроды плазмотрона 1 оказываются под рабочим напряжением холостого хода (дуга не горит). Затем включается блок зажигания дугового разряда (стандартное устройство, которое не является предметом предлагаемого изобретения, на фигурах не показано), и плазмотрон 1 начинает работать. Стабилизация переменного тока до выпрямителя 3 за счет использования катушек индуктивности 2 вызывает стабилизацию дугового тока плазмотрона 1 в цепи постоянного тока, причем активная мощность выделяется только на дуговом разряде, ее бесполезные потери практически отсутствуют. Для окончания работы выключается напряжение внешней питающей сети.
Предлагаемое изобретение было проверено в работе плазмотрона постоянного тока, работающего на мощностях дугового разряда 30-40 кВт. Дуговой ток - 140-160 А. Зажигание дугового разряда производилось от высоковольтной катушки зажигания с независимым электропитанием. В качестве рабочего тела плазмотрона использовался воздух, а также азот. Плазмотрон устойчиво работал, активная мощность выделялась только на дуговом разряде. При этом диапазон рабочих режимов плазмотрона по расходу газа оказался существенно шире, чем при использовании схемы электропитания с активной балластной нагрузкой в цепи постоянного тока, что говорит об увеличении напряжения, которое обеспечивает предлагаемый источник питания на дуговом разряде плазмотрона.