Электротехническое обеспечение электроимпульсного способа разрушения материалов: проблема и пути решения

© А.Ф. Усов, В.В. Бородулин, 2008

УДК 622.026.01

А.Ф. Усов, В.В. Бородулин

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО СПОСОБА РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ: ПРОБЛЕМА И ПУТИ РЕШЕНИЯ

Семинар № 4

Российскими учеными предложены и всесторонне исследованы научные основы новых технологий на основе электроимпульсного способа разрушения материалов (ЭИ) [1-3]. Выполненными работами созданы научно-технические основы для создания технологически эффективных процессов для горного дела, инженерного строительства, переработки минерального сырья. На основе электроимпульсного принципа разрушения материалов созданы технические средства бурения, дробления и резания горных пород, разработаны эффективные технологии для добычи и обогащения руд, горно-строительных работ, обработки камня и другие, апробированные в опытно-промышленном масштабе. Технологическая эффективность способа обусловлена его высокой энергетической эффективностью, малой зависимостью элек-троимпульсной разрушаемости от крепости пород, высокой селективностью дезинтеграции полиминеральных сред, отсутствием влияния крепости и абразивности разрушаемого материала на стойкость и износ электроим-пульсных породоразрушающих устройств.

Однако, при свойственной элек-троимпульсным технологиям высокой технологической эффективности их масштабному применению препятст-

вуют ряд объективных техникоэкономических факторов. Важнейшей технической проблемой является создание специализированного электротехнического оборудования. Использование очень высоких напряжений (сотни киловольт) обуславливает большие габариты электротехнического оборудования, и это становится серьезным ограничением для создания установок большой производительности.

Экономические проблемы обусловлены ограниченным ресурсом работы отдельных элементов электротехнического оборудования и изоляционных элементов устройств. В электроимпульсных технологиях ресурс работы конденсаторов определяет экономическую эффективность процесса, так как стоимость конденсаторов составляет значительную, а в некоторых случаях и основную часть эксплуатационных затрат. Экономически обоснованный ресурс зависит от вида технологического процесса и достигаемого технологического эффекта за счет применения электроимпульсного разрушения. Требуемый ресурс может достигать значений десятков, сотен и даже тысяч миллионов циклов «заряд-разряд» конденсатора [4].

Электротехническое обеспечение технологий электроимпульсного разрушения материалов предусматривает

Рис. 1. Блок схема и принципиальная электрическая схема электроимпульсной установки: 1 - пульт управления, 2 - регулирующий дроссель, 3 - повысительно-выпрямительное устройство, 4 - генератор импульсов, 5 - технологическое устройство с системой передачи импульса

оптимальный выбор схемных решений и элементной базы технических средств формирования и передачи к забою разрушения импульсов высокого напряжения с параметрами, обеспечивающими эффективный пробой и энергетически эффективное нагружение и разрушение материала, и с характеристиками, обеспечивающими экономическую эффективность процесса, определяемую производительностью установки, ее стоимостью, ресурсом работы и массогабаритными параметрами оборудования.

Принципиальная электрическая блок-схема электроимпульсных установок, вне зависимости от технологического назначения, включает в себя

два относительно самостоятельных блока: зарядное повысительно-выпря-мительное устройство с элементами, позволяющим управлять процессом заряда (частотой следования импульсов), и генератор импульсов высокого напряжения на основе емкостных накопителей энергии с элементами коррекции фронта импульса.

Схемы и оборудование зарядных устройств

Оборудование зарядных устройств (ЗУ) для электроимпульсной технологии имеет много общего с подобными устройствами для технологий и различных радиоэлектронных устройств, использующих выпрямленное высокое напряжение - электрофильтры, рент-

геновские аппараты, радиолокационные станции и др.

Для установок ЭИ-технологий принципиально подходит большинство типов зарядных устройств, работающих на заряд конденсаторной батарей. Зарядные устройства технологий электрогидроимпульсного воздействия и электроимпульсного разрушения имеют одинаковую задачу - обеспечить высокий к.п.д. и 008 р заряда емкостного накопителя с возможностью регулирования скорости заряда и плавного регулирования частоты срабатывания емкостного накопителя. Отличие лишь в уровне напряжения -для электроимпульсных устройств оно значительно выше (50-100 кВ). Максимальная мощность ЗУ в большинстве случаев может быть ограничена величиной 100-250 кВт.

В исследовательской практике ЭИ-технологий используется весь спектр установок одно- и трехфазного выпрямления с токоограничивающими и регулирующими скорость заряда элементами как по высокой, так и по низкой стороне. В промышленных установках предпочтение отдается зарядным устройствам с дросселем насыщения по низкой стороне. Достоинствами такой схемы по сравнению с другими являются более полное использование по мощности трансформатора, малые пульсации выходного напряжения, сравнительно низкие обратные напряжения вентилей. При регулировании напряжения и скорости заряда на низкой стороне трансформатора габариты и вес ЗУ получаются минимальными по сравнению с вариантами регулирования на стороне выпрямленного тока.

Задачи совершенствования зарядных устройств для электроимпульсных установок стимулировали развитие отечественной высоковольтной выпрямительной техники - по заданиям

Кольского филиала АН СССР были разработаны мощные зарядные устройства серии КВТМ на кремниевых выпрямителях и дроссели насыщения с подмагничиванием по низкой стороне серии РНТМ (Московский электрозавод), комбинированная схема токоограничения и регулирования скорости заряда по низкой стороне (Тольяттинский филиал ВЭИ) /5/. Однако, эти специальные разработки и другие серийные устройства выпрямления, обладая достаточной надежностью и сроком службы, имеют существенный недостаток - значительный вес, определяемый весом магнитопроводов.

Революционный прорыв в выпрямительной технике, произошедший в последние два десятилетия, был связан с совершенствованием полупроводниковой техники, ферромагнитных материалов и переходом к схеме высокочастотного преобразования напряжения. Последние достижения в технологии изготовления источников питания обеспечили уменьшение их габаритных размеров, массы и рост КПД энергопреобразования по сравнению с их аналогами, которые выпускались всего несколько лет назад. Приборы этого нового класса обычно работают на высоких частотах в диапазоне от 20 до 100 кГц и практически вытеснили все прежние модели источников питания в промышленности, которые работали от сети переменного тока, в том числе даже модели с высоким уровнем выходной мощности.

Разработанные и выпускаемые в настоящее время зарядные устройства на основе схемы высокочастотного преобразователя в полной мере отвечают требованиям электроимпульсных установок мощностью до 10 кВт. При такой мощности могут быть реализованы многие специфичные производ-

ственные технологии ограниченной производительности, в том числе де-зинтеграционные установки для научных и научно-производственных организаций минерально-сырьевого и химико-технологического профиля, связанных с изучением и технологическим опробованием минерального сырья, для измельчения абразивных и особо чистых материалов, для обработки промпродукта и утилизации отходов в производстве материалов электронной техники, для выделения мономинеральных фракций в производстве многоцветной каменной крошки для художественных работ и др. Дальнейшее совершенствование установок в сторону повышения их мощности последовательно вовлечет в производственное использование другие технологические направления способа, требующие более высокую мощность установки. Именно данная стратегия положена в основу инновационных проектов, которые реальны для современного уровня и своей реализацией открывают путь для более сложных проектов [6].

Генерирование высоковольтных импульсов

Электроимпульсные технологии реализуются на импульсном высоком напряжении с амплитудой импульса не ниже 200-250 кВ. Энергетическая эффективность процесса растет с повышением амплитуды напряжения за счет возможности увеличить разрядные промежутки (их величина которых определяет потенциально возможный объем разрушения единичным импульсом), кпд передачи энергии в канал разряда, полноту использования энергии канала разряда на формирование поля механических напряжений и соответственно на производительный процесс трещино-образования. Например, при бурении скважин большого диаметра, дезинте-

грации крупных фрагментов горных пород, руд, искусственных материалов разрядные промежутки могут достигать величины 0.1-0.3 м, а уровни напряжения 600-800 кВ.

Необходимость формирования импульсного напряжения с указанными выше параметрами вынуждает в целях оптимизации габаритов оборудования использовать высокий уровень зарядного напряжения, независимо от способа последующей трансформации напряжения.

В стадии научных исследований электроимпульсной технологии в целях обеспечения простоты настройки и управления, чаще всего, ограничиваются простейшим источником напряжения. Наиболее применимым типом генератора импульсов стал генератор по схеме умножения Аркадьева-Маркса (ГИН). При создании опытных технологических установок при отсутствии конденсаторов, имеющих требуемый экономически оправданный ресурс, идут по известному пути повышения срока службы установки за счет эксплуатации конденсаторов при напряжениях, существенно ниже номинального (в отдельных случаях до 0,25 в [7]). Это резко снижает КПД установки, так как при многоступенчатом исполнении генератора и значительном числе последовательно соединенных конденсаторов суммарное сопротивление потерь в диэлектрике и обкладках конденсатора, в искровых коммутаторах становится сопоставимым с сопротивлением канала разряда в твердом теле; КПД разряда в большинстве случаев не превышает 0.3-0.35. Это значительно увеличивает габариты установок, ухудшает массогабаритные характеристики. Лучший предшествующий опыт [8] и новейшие достижения в импульсном конденсаторостроении свидетельствуют, что уже возможно создание для

электроимпульсных технологий более компактных и энергетически эффективных источников импульсов, в значительной мере отвечающих экономическим критериям.

При использовании в установках ЭИ-технологий ГИН приходится мириться со следующим существенным недостатком. Параметры ГИН, выбираемые, прежде всего, из условий реализации процесса пробоя в разрядном промежутке, ограничивают возможность вариации режима энерговклада в канал разряда с целью энергетической оптимизации процесса электроимпульсного разрушения. Требуемая часто необходимость затягивания во времени энерговклада, проще всего реализуемая увеличением индуктивности контура жестко ограничена из-за нежелательного вместе с этим роста длительности фронта импульса.

Рис. 2. Внешний вид и электрическая схема каскадного ИТ погружного типа для установки бурения скважин:

ЗУ - зарядное устройство, НБ -емкостный накопитель энергии, ДЁ - линия подключения накопителя энергии, ИТ - импульсный трансформатор, ДМ - магнитный дроссель, Сн и Ян - эквивалентные параметры сопротивления и емкости нагрузки, Р1

- коммутатор первичной контура ИТ

Вдвое и более повысить КПД разряда способно использование комбинированных схем с двумя источниками энергии [8, 9]. Параметры

энерговыделения в канале разряда от источника, ответственного за формирование в твердом теле разрушающих факторов, могут регулироваться в широких пределах, обеспечивая их оптимальное соответствие условиям разрушения. Вопросы синхронизации работы двух источников импульсов на одну нагрузку достаточно хорошо разработаны и используются в различных электрофизических установках для исследований с использованием комбинированных воздействий напряжения. В применении к установкам электроимпульсного разрушения пока еще не получено значимых практических результатов, в том числе и потому, что обеспечение надежной и стабильной работы схем в непрерывном режиме с частотой 20-25 импульсов в секунду представляет определенные трудности.

Однако, когда проблема снижения энергозатрат станет определяющей для перспективы широкого использования способа, использование комби-

нированных схем станет актуальным и к решению проблемы будет привлечен весь арсенал имеющихся наработок в смежных технических направлениях. При этом в целях значительного улучшения массогабаритных характеристик электротехнического блока необходимо также радикально идти на исключение многокаскадных ГИН и применение для генерирования импульсов импульсных трансформаторов (ИТ), представляя накопитель энергии единичным элементом.

В практике исследований ЭИ опробованы два вида ИТ, отличающиеся типом материала магнитопровода. Тольяттинским филиалом ВЭИ по заданию Кольского филиала АН СССР разработан 4-каскадный ИТ погружного типа с магнитопроводом на трансформаторной стали, предназначенный для установки бурения скважин с промывкой водой с буровым наконечником диаметром 400 мм. Однако подобная схема генератора обладают тем недостатком, что при доразряде накопительной емкости С в нагрузку после ее пробоя через ИТ предельная мощность импульса невелика вследствие высокого волнового сопротивления цепи доразряда. По той же причине сечение железа сердечника ИТ имеет значительные размеры (см. [5]). Более перспективной представляется разработка НИИ ВН (г. Томск) импульсного трансформатора на ферритовой основе. В установке бурения скважин диаметром

Рис. 3. Схема генерирования импульсов с импульсным трансформатором на ферритовой основе: и=-Я0 -зарядное устройство, С - емкостный накопитель, Р - коммутатор первичной контура ИТ, Ъ

- линия подключения ИТ, Тр-Ё

- импульсный трансформа-тор, РП - разрядный промежуток

200 мм импульсный трансформатор размешался на забое скважины, при этом ферритовый сердечник создавал линию с нелинейным элементом в первичной цепи и служил также сердечником трансформатора [10]. Такая схема трансформатора дает возможность как преобразования амплитуды импульса, так и увеличения крутизну его фронта. В установках электроим-пульсного бурения размещение импульсного трансформатора в скважине решает многие проблемы, связанные с деформацией высоковольтного импульса, - параметры импульса формируются непосредственно на забое скважины. Снимается вопрос с обеспечением электрической прочности передающей системы, так как в схеме с импульсным трансформатором амплитуда канализируемого к забою импульса напряжения снижается с 300-400 кВ до 40-50 кВ. (Особые сложности с электрической прочностью передающей системы обусловлены тем, что ее конструкция одновременно должна удовлетворять требованиям как элемента технологической схемы, задающего направление буровому инструменту и используемого для промывки скважины с удалением с забоя продуктов разрушения).

Высоковольтное электроаппарато-строение для электроразрядных технологий сравнительно молодая отрасль электротехники. Имеющийся багаж технических идей по совершенствованию оборудования значи-

телен, но реализован далеко не в технологического прорыва в этой от-полной мере. Поэтому возможность расли вполне вероятна.

1. Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. М.: Высшая школа, 1966. -224 с.

2. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов.- Апатиты: КНЦ, 1995, -276с.

3. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. - Апатиты: КНЦ РАН, 2002, 324 с.

4. Усов А.Ф. Перспективы технологий электроимпульсного разрушения горных пород и руд - Известия РАН, Энергетика, №1, 2001, с.54-62

5. Усов А. Ф. Электроимпульсное разрушение материалов: электротехническое

обеспечение. Апатиты: изд. КНЦ РАН, 1999, 28с. (препринт доклада: Проблемы электротехнического обеспечения электроимпульсного способа разрушения материалов - Материалы международной конференции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов, Москва, 30 ноября - 2 декабря 1999 г., с. 126).

6. Процессы и технологии на основе электроимпульсного способа разрушения

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

материалов. / Усов А.Ф., Ефимов Б.В., Цукерман В.А. и др. // Инновационный потенциал Кольской науки. - Апатиты: КНЦ ПРАН, 2005, с. 306-312

7. Электроимпульсный дробильно-измельчительный комплекс ДИК-1М: Проспект ВДНХ СССР, М., 1986.

8. Усов А.Ф., Гладков В. С. Вопросы электротехнического обеспечения технологий электроимпульсного разрушения материалов источниками высоковольтных импульсов /Вестник НТУ "ХПИ", г.Харьков, -

в. 35, 2004, -С.143-154

9. Схема параллельной работы двух импульсных источников с различным уровнем напряжения. / Пельцман С.С., Семкин Б.В., Шубин Б.Г., Чешков Ф.П. // Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция. М.: Энергия, 1970. С. 71-75.

10. Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии. - Ё.: Наука ЁО, 1987, - 189 с.

11. Кривоносенко А.В., Семкин Б.В. Генератор высоковольтных импульсов. // ПТЭ. 1982. №6. С. 73-75.ЕШЗ

— Коротко об авторах---------------------------------------------------------------

Усов А. Ф. - начальник научно-организационного отдела Кольского научного центра РАН, кандидат технических наук.

Бородулин В.В. - аспирант Кольского научного центра РАН.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.