Высоковольтный источник для плазменного запального устройства

Техническое решение относится к области электротехники, а именно к высоковольтному источнику устройства инициирования горения.
Из уровня техники известен преобразователь напряжения постоянного тока, соединенный с источником напряжения, включенный за преобразователем напряжения постоянного тока накопительный конденсатор, соединенный с электромагнитом для приведения в действие клапана системы безопасного розжига, и конденсатор зажигания, который соединен через запальный трансформатор с запальным электродом. Патент РФ № 2334915, МПК: F23N 5/10, опубликован 27.09.2008.
Известно техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой запальное устройство для газовых горелок, содержащее высоковольтный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с коммутатором, а вторичная обмотка соединена с электродом пружиной, являющейся электрическим проводником. При этом, высоковольтный трансформатор расположен в металлическом корпусе, электрод выполнен в виде стержня с изолятором, прикрепленным к металлическому корпусу, первичная обмотка высоковольтного трансформатора соединена с коммутатором кабелем. Патент РФ № 191392, МПК F23Q 21/00, опубликован 05.08.2019.
Отличительными признаками заявляемого решения являются наличие последовательно соединенных ограничителя пусковых токов, переключателя режимов работы выпрямителя, выполненного с возможностью переключения режимов работы от однофазной и от трехфазной цепей питания, мостового двухполупериодного выпрямителя, широтно-импульсный преобразователя, повышающего трансформатора, при этом широтно-импульсный преобразователь подключен к цепи обратной связи и к цепям защит от короткого замыкания, входных перенапряжений и от перегрева.
Известные источники высокого напряжения не универсальны, возможность их применения зависит от типа электрических сетей первичного питания. Этот недостаток ограничивает сферы применения источника напряжения, так как, зачастую, на многих объектах (в частности, полевых) отсутствует трехфазное питание, что не позволяет подключить источник к сети.
Технической задачей заявляемого технического решения является создание источника напряжения, способного оперативно подключаться как к трехфазной, так и к однофазной цепям питания с допустимыми изменениями основных эксплуатационных характеристик без ухудшения своих функциональных показателей.
Технический результат заявляемого технического решения проявляется в расширении функциональных возможностей высоковольтного источника, достижении его универсальности.
Универсальность высоковольтного источника достигается, в том числе, возможностью его эксплуатации как от однофазной, так и от трехфазной сети.
Технический результат достигается тем, что высоковольтный источник для плазменного запального устройства, включающий повышающий трансформатор, выходы которого выполнены с возможностью подключения к запальной штанге запальника, включает последовательно соединенные ограничитель пусковых токов, переключатель режимов работы выпрямителя, выполненный с возможностью переключения режимов работы от однофазной и от трехфазной цепей питания, мостовой двухполупериодный выпрямитель, широтно-импульсный преобразователь, повышающий трансформатор, при этом, широтно-импульсный преобразователь подключен к цепи обратной связи и к цепям защит от короткого замыкания, входных перенапряжений и от перегрева.
За счет того, что к выходам ограничителя пусковых токов подключен переключатель режимов работы выпрямителя, к выходам которого подключен мостовой двухполупериодный выпрямитель, осуществляется возможность подключения высоковольтного источника и его полноценной работы как от трехфазной, так и от однофазной цепей питания. Это позволяет эксплуатировать источник в условиях различных электрических сетей, а также позволяет осуществлять два режима работы горелки: непосредственно розжиг горелки и поддержание горения факела (режим «подсвет»).
Широтно-импульсный преобразователь необходим для превращения постоянного тока с выхода выпрямителя в переменный с регулируемой скважностью. С помощью регулирования скважности достигается изменение действующего значения тока, необходимое для отслеживания параметров нагрузки. Повышающий трансформатор необходим для повышения напряжения переменного тока, поступающего от широтно-импульсного преобразователя, для последующей передачи его в нагрузку.
Подключение широтно-импульсного преобразователя к цепи обратной связи позволяет регулировать скважность переменного тока в преобразователе и тем самым отслеживать изменения параметров нагрузки, а его подключение к цепям защит от короткого замыкания, входных перенапряжений и от перегрева, обеспечивает бесперебойную работу высоковольтного источника в любых нестандартных ситуациях.
Заявляемое техническое решение далее поясняется с помощью фигуры, на которой условно представлен один из возможных вариантов исполнения высоковольтного источника.
На фиг. 1 представлена структурная схема высоковольтного источника, включающего:
ограничитель (1) пусковых токов;
переключатель (2) режимов работы выпрямителя;
мостовой двухполупериодный выпрямитель (3);
широтно-импульсный преобразователь (4);
повышающий трансформатор (5);
цепь (6) защит от короткого замыкания, входных перенапряжений и от перегрева;
цепь (7) обратной связи.
Далее со ссылками на фигуру представлен один из возможных вариантов осуществления высоковольтного источника.
Высоковольтный источник для плазменного розжига паромазутной горелки включает ограничитель (1) пусковых токов, например, содержащий последовательно включенные в каждую фазу балластные резисторы.
К выходам ограничителя (1) пусковых токов подключен переключатель (2) режимов работы выпрямителя, выполненный с возможностью переключения режимов работы от однофазной или от трехфазной цепи питания. Переключатель (2) может быть выполнен в виде коммутатора, изменяющего количество подключенных плеч выпрямителя.
К выходам переключателя (2) режимов работы выпрямителя подключен мостовой двухполупериодный выпрямитель (3), выполненный на полупроводниковых диодах.
К выходам двухполупериодного выпрямителя (3) подключен широтно-импульсный преобразователь (4).
К выходам широтно-импульсного преобразователя (4) подключен повышающий трансформатор (5), вторичной обмоткой подключающийся к запальной штанге запальника, на конце которой образуется плазменный факел, являющийся нагрузкой.
Широтно-импульсный преобразователь (4) также подключен к цепям (7) защит от короткого замыкания, входных перенапряжений и от перегрева, и к цепи (6) обратной связи.
Высоковольтный источник работает следующим образом.
При наличии в эксплуатации трехфазной цепи питания, шины этой цепи подключаются к мостовому двухполупериодному выпрямителю (3) через ограничитель (1) пусковых токов и переключатель (2) режимов работы выпрямителя. Ограничитель (1) пусковых токов, с помощью последовательно включенных балластных резисторов, снижает пиковые значения пусковых токов, обусловленных первичным зарядом сглаживающих конденсаторов в выпрямителе (3). Переключатель (2) режимов работы выпрямителя своими выходами коммутирует мостовой двухполупериодный выпрямитель (3) в режим трехфазного выпрямления по схеме «звезда Ларионова». С выхода выпрямителя (3) снимается выпрямленный (пульсирующий) ток с эффективным (действующим) напряжением Uд, равным 2,34 Uд.ф., где Uд.ф. - эффективное (действующее) фазное напряжение, и подается на широтно-импульсный преобразователь (5), который с помощью широтно-импульсной модуляции превращает постоянный ток в переменный (импульсный) с регулируемой скважностью, частотой Fшим, равной 350-400 Fс, где Fс. -  частота входного переменного тока (частота сетевого напряжения).
Далее напряжение переменного тока повышается с помощью повышающего трансформатора (5) с коэффициентом трансформации Ктр.=20-25. С повышающей (вторичной) обмотки трансформатора (5) напряжение подается на нагрузку. Параметры нагрузки, которой является плазменный факел на конце запальной штанги запальника, зависят от многих факторов и изменяются во времени в широких пределах. Для стабилизации работы высоковольтного источника осуществляется отслеживание изменений параметров с помощью цепи (6) обратной связи, которая регулирует скважность переменного (импульсного) тока в широтно-импульсном преобразователе (4). Регулирование осуществляется таким образом, чтобы широтно-импульсный преобразователь (4) работал в режиме стабилизатора выходного тока, что обеспечивает наличие плазменного факела на конце запальной штанги с требуемыми параметрами и надежный розжиг паромазутной или нефтегазовой горелки. При этом цепи (7) защит от короткого замыкания, входных перенапряжений и от перегрева обеспечивают надежную работу источника в нестандартных ситуациях.
При отсутствии в эксплуатации трехфазного питания высоковольтный источник подключается к однофазной цепи питания и работает следующим образом.
На входы ограничителя (1) пусковых токов подается фазное напряжение («фаза» и «нейтраль»). Ограничитель (1) пусковых токов понижает пиковые значения пусковых токов. Переключатель (2) режимов работы выпрямителя коммутирует выпрямитель (3) в режим однофазного двухполупериодного мостового выпрямления. С выхода выпрямителя (3) снимается постоянный (пульсирующий) ток с напряжением, равным 0,9 Uд.ф., который подается на вход широтно-импульсного преобразователя (4). Далее источник работает аналогично режиму трехфазного питания. При этом параметры выходного тока высоковольтного источника (действующее напряжение и сила тока), поступающего в нагрузку, имеют пониженные, по сравнению трехфазным питанием, значения. Однако такое снижение является допустимым, поскольку источник изначально спроектирован таким образом, чтобы иметь запас по этим параметрам.
Таким образом, включение в состав высоковольтного источника переключателя (2) режимов работы выпрямителя позволяет источнику работать как от трехфазной, так и от однофазной цепи питания, что существенно расширяет сферы его применения. Кроме этого, при наличии в эксплуатации трехфазного питания, расширяются функциональные возможности источника, так как с помощью переключателя режимов работы выпрямителя он (источник) может быть запитан как в трехфазном, так и однофазном режимах. При этом при трехфазном режиме питании, источник отдает в нагрузку (на запальную штангу) максимальную мощность Рмакс, а при однофазном - пониженную, значение которой составляет, приблизительно, 0,5-0,7 Рмакс.  Такая возможность позволяет реализовать два режима работы запальника: режим непосредственно розжига горелки, когда источник в течение относительно короткого времени отдает в нагрузку максимальную мощность (режим трехфазного питания) и режим «подсвета» (режим однофазного питания), когда в течение длительного времени источник поддерживает плазменный факел пониженной мощности. Такая функциональная возможность особенно актуальна в тепловой энергетике по двум причинам. Во-первых, на электрических станциях (ТЭЦ, ГРЭС) всегда есть возможность запитки от трехфазной сети. И, во-вторых, зачастую на станциях по коммерческим соображениям для розжига угольных котлов используются низкосортные сорта мазутов. Такие сорта мазутов на начальных стадиях розжига (при холодном котле) горят неустойчиво, и требуют неоднократных повторных розжигов, что существенно увеличивает расход мазута и, соответственно, увеличивает стоимость процесса розжига. Для исключения повторных розжигов, высоковольтный источник запальника, после воспламенения паромазутного факела, переводится с помощью переключателя (2) режимов работы выпрямителя в режим однофазного питания (режим «подсвета») и в течение длительного времени поддерживает («подсвечивает») режим горения мазута до достижения устойчивого горения паромазутной горелки. Переключение режимов работы источника может осуществляться с помощью переключателя (2) как вручную, так и автоматически, например, с помощью таймера или датчика наличия факела паромазутной горелки.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет расширить сферы применения плазменных запальников, в частности применять их на объектах, где отсутствует трехфазное питание, повысить функциональные возможности плазменных запальников путем применения их в двух режимах: розжига и подсветки.
Представленные фигуры, описание структуры и использования не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы.