УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ И АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО ТОКА СИСТЕМЫ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
DEVICE FOR POWER AND AUTOMATIC CONTROL OF OUTPUT CURRENT SYSTEM OF CATHODIC PROTECTION SYSTEM FROM CORROSION OF METAL CONSTRUCTIONS

Изобретение относится к области защиты от коррозии металлоконструкций, постоянно или периодически эксплуатирующихся в природных сферах, преимущественно корпуса судна, находящегося в морской воде.
Для защиты от коррозии подводной части корпусов морских судов в отечественном судостроении широко используются автоматические системы катодной защиты, в которых в зависимости от изменения условий эксплуатации судна (скорости хода, солености и температуры морской воды, сохранности лакокрасочного покрытия и др.) осуществляется автоматическое регулирование тока для поддержания заданного защитного потенциала корпуса. Известна, например, автоматическая система катодной защиты «Луга-1» (см. ежемесячный научно-технический и производственный журнал «Судостроение» №3 за 1973 г., стр. 16-18, статья с аналогичным названием, авторы: Ю.Я. Кузьмин, Н.Н. Бибиков, В.Г. Зимин, Л.В. Поворова). Система «Луга-1» состоит из источников питания, анодов и электродов сравнения - датчиков потенциала. В качестве источника питания используется полупроводниковый автоматический преобразователь серии ПАК, состоящий из силового трансформатора с выпрямителем и блока управления. Электроды сравнения служат датчиком потенциала для автоматического регулирования выходного тока катодной защиты. В качестве электродов сравнения применяются пористые хлорсеребряные электроды, которые подключены ко входу блока управления и создают потенциал положительной полярности относительно корпуса судна.
Основной недостаток ПАК заключается в том, что пульсация выходного тока катодной защиты более 10%, что на несколько порядков превышает допустимую.
При повышенной пульсации корабль становится источником переменного электрического поля, которое нарушает скрытность корабля и влияет на нормальную работу смежных корабельных систем.
Известна также система катодной защиты, использующая в качестве источника питания преобразователь типа ТПС 200-24, описанный в производственно-техническом сборнике «Технология судостроения» №3 за 1990 г. на стр. 67. Информацию об этом преобразователе можно получить также на сайте ОАО «Электровыпрямитель», г. Саранск. Коэффициент пульсации выходного тока ТПС 200-24 составляет 8%.
Известны также системы катодной защиты, выпускаемые ОАО «РИМР», г. Санкт-Петербург и использующие преобразователи ТПЦЗ. Описанные выше системы катодной защиты принципиально не отличаются от системы «Луга-1» и используют тиристорные преобразователи. Лучший из них, принятый за ближайший аналог, на основе ТПЦЗ ОАО «РИМР» имеет коэффициент пульсации выходного тока 3%, в то время как для современных судов требуется не более 0,03%. Преобразователь содержит управляемый источник постоянного тока и блок управления. При этом отрицательный выход управляемого источника постоянного тока соединен с корпусом судна, положительный выход соединен с анодами, а вход подключен к выходу блока управления, вход которого имеет положительную полярность и соединен с хлорсеребряным электродом сравнения (датчиком потенциала), обуславливающим на входе потенциал положительной полярности.
Изобретение решает задачу повышения скрытности корабля за счет снижения уровня пульсаций выходного тока и одновременно уменьшает в разы габариты и вес аппаратуры.
Технический результат достигается тем, что регулируемый источник постоянного тока выполнен с использованием фазосдвигающего ШИМ-конвертора, который преобразует входной сигнал серию высокочастотных импульсов, модулированных по ширине. За счет обработки сигнала на высокой частоте резко снижаются габариты и вес трансформатора и выпрямителя, а условия фильтрации пульсаций улучшаются.
Описание чертежей
Фиг. 1 - структурная схема устройства для питания и автоматического регулирования выходного тока системы защиты от коррозии металлоконструкций.
Фиг. 2 - принципиальная схема мостового коммутатора.
Примечание. Далее в тексте ОУ - операционный усилитель.
Осуществление изобретения
Предлагаемое на фиг. 1 устройство содержит источник эталонного напряжения 1, отрицательный выход которого соединен с корпусом корабля 2, электрод сравнения 3 и аноды 4, отличается тем, что источник эталонного напряжения соединен с одним входом дифференциального ОУ5, второй вход которого соединен с электродом сравнения 3, а выход соединен первым входом измерительного ОУ6, второй вход которого соединен с выходом опорного напряжения фазосдвигающего ШИМ-конвертора 7, выходы которого через последовательно включенный разделительный конденсатор 8 соединены с первичной обмоткой в.ч. трансформатора 9, вторичная обмотка которого через последовательно соединенные выпрямитель 10, фильтр 11 соединена положительным выводом с анодами, а отрицательным выводом с корпусом корабля.
Работа устройства
Работает устройство следующим образом.
Потенциал корпуса корабля 2 измеряется как напряжение между корпусом 2 и электродом сравнения 3. Для хлорсеребряного электрода, применяемого на российских судах, этот потенциал положителен, как показано на фиг. 1. Этот потенциал поступает на вход дифференциального ОУ5, где он сравнивается с напряжением эталонного источника 1, которое устанавливается несколько выше стационарного потенциала корпуса судна. Принцип действия катодной защиты основан на способности металла, погруженного в морскую воду, переходить в пассивное состояние при смещении его потенциала в отрицательную сторону от стационарного значения. Потенциал, при котором прекращается коррозия металла, называется защитным. Для стали, из которой изготовлен корпус судна, защитный потенциал равен 0,85±0,015 В относительно хлорсеребряного электрода. Таким образом, разность потенциалов электрода сравнения 3 и источника эталонного напряжения 1, которую вырабатывает дифференциальный усилитель 5, является сигналом управления для следящей системы, задача которой свести эту разность к нулю. Сигнал управления вместе с сигналом опорного напряжения ШИМ-конвертора 7 поступают на входы измерительного ОУ6. Выход ОУ6 является входом конвертора, который усиливает только положительные сигналы от опорного напряжения и ниже.
Вариант исполнения управляемого мостового каскада фазосдвигающего ШИМ-конвертора представлен на фиг. 2.
Фазосдвигающий ШИМ-конвертор 7 представлен мостовой схемой из четырех мощных полевых транзисторов, затворы которых через драйверы соединены с выходами А, В, С, D фазосдвигающего резонансного контроллера, в качестве которого может быть использована микросхема 1308ЕУ2Т (импортный аналог UC3875 фирмы UNITRODE). В качестве драйвера могут быть использованы драйверы ДР280П-Б(1) (импортный аналог SKHI фирмы Semikron).
На управляющий вход конвертора 7 поступает сигнал с ОУ6. Частота переключения задается контроллером. Оптимальная частота лежит в пределах 25-35 кГц. Фаза переключения транзисторов зависит от величины входного сигнала.
Питание конвертора 7 осуществляется выпрямленным напряжением сети переменного тока. Выходное напряжение конвертора 7 поступает через разделительный конденсатор 8 на первичную обмотку в.ч. трансформатора 9.
Промодулированный ток с вторичной обмотки трансформатора 9 через выпрямитель 10 и фильтр 11 поступает на аноды 4 и является выходным током устройства.
В связи с тем, что фильтрация выходного тока осуществляется на высокой частоте, это позволяет уменьшить габариты фильтра и улучшить качество фильтрации, т.е. получить меньший коэффициент пульсации выходного тока.
Источники информации
1. Справочник «Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. М.: Издательский дом «Додека XXI», 2001 г., стр. 248.
2. Патент на изобретение 2110616, МПК: C23F от 10.05.1998 г.
3. Сайт ОАО «РИМР» - http://www.rimr.ru/cat_sub-id1-14-id2-47.html.