Многозонная система газодинамического предупреждения процесса двойного дугообразования в низкотемпературном электродуговом плазмотроне

УДК 62-50

Цытович Л.И., Брылина О.Г.

Многозонная система газодинамического предупреждения процесса

двойного дугообразования в низкотемпературном электродуговом плазмотроне

В статье предложен многозонный метод управления потоком аргона в низкотемпературном электродуговом плазмотроне. В основе метода лежит принцип, когда скорость истечения плазмообразующего газа дискретно изменяется по мере роста проводимости перехода «катод-сопло», достигая максимального уровня лишь в критической ситуации, при которой образуется шунтирующая дуга.

Дана структурная схема установки и изложен принцип действия электродугового плазмотрона с многозонной системой газодинамического предупреждения процесса двойного дугообразования.

Режим многозонного регулирования потока аргона реализуется с помощью многозонного интегрирующего развертывающего преобразователя с частотно-широтно-импульсной модуляцией. Приведены временные диаграммы многозонного интегрирующего развертывающего преобразователя, показаны особенности перехода системы из одной модуляционной зоны в другую.

Рассмотрена функциональная схема датчика проводимости перехода «катод - сопло» и на примере временных диаграмм сигналов пояснен принцип его работы.

Приведены результаты экспериментальных исследований.

Статья предназначена для специалистов в области плазменно-дуговых технологий и автоматизации технологических процессов.

Ключевые слова: электродуговой плазмотрон, шунтирующая дуга, многозонный интегрирующий развертывающий преобразователь, датчик проводимости.

Введение

Эффективным средством борьбы с процессом двойного дугоообразования, возникающим в электродуговых плазмотронах (ЭДП) [1-9] на переходах «катод-сопло» или «сопло-анод» и приводящим к преждевременному выходу из строя технологической установки, является газодинамический метод [10, 11], основанный на дискретном увеличении потока плазмо-образующего газа в функции проводимости контролируемых переходов ЭДП. Однако однозонные системы борьбы с шунтирующими дугами в основном рассчитаны на их подавление, а не на предупреждение непосредственно процесса двойного дугообразования, вследствие чего эффективность газодинамического метода используется не в полной мере. Дискретное же изменение потока плазмообразующего газа на ранней стадии зарождения шунтирующих дуг приводит к резкому увеличению его расхода.

Одним из средств достижения компромисса между надежностью работы ЭДП и снижением результирующего расхода плазмообразующего газа является многозонный метод управления потоком аргона [1215], когда скорость истечения плазмообразующего газа дискретно возрастает при переходе из одной зоны в другую по мере роста проводимости перехода «катод-сопло», достигая максимального уровня лишь в критической ситуации, при которой образуется шунтирующая дуга.

Структура системы управления

и принцип ее действия

ЭДП (рис. 1) содержит катод, анод, сопло, регулируемый источник электропитания ИП, источник плазмообразующего газа (аргона) Аг, систему управления СУ на основе газоредуктора и электроклапана Кл.1, осуществляющую поддержание потока аргона на заданном (номинальном) уровне и группу электроклапанов Кл.2 - Кл.п, включение которых приводит к дискретному увеличению на заранее заданную величину потока аргона в выходной газомагистрали и скорости

его истечения на переходе «катод - сопло» плазмотрона. Сопротивление ЯКС последнего контролируется с помощью датчика проводимости ДП [5, 6], выходной аналоговый сигнал ГкС(/) которого возрастает по мере роста проводимости перехода «катод - сопло». ДП имеет высокое входное сопротивление по постоянному току, что исключает его влияние на процессы, протекающие на контролируемом переходе плазмотрона.

Режим многозонного регулирования потока аргона реализуется с помощью многозонного интегрирующего развертывающего преобразователя МРП [7-9] (см. рис. 1).

В него входят сумматоры £1, £2, интегратор И с постоянной времени Ги и группа релейных элементов РЭ1 - РЭп, где п > 3 - нечетное число, причем для получения требуемого числа «к » модуляционных зон необходимо п = 2к -1. Релейные элементы имеют симметричную относительно нулевого уровня неин-вертирующую петлю гистерезиса и пороги переключения, удовлетворяющие условию |+ ь| <|+ ь2| <...< |+ ьп|, где индекс при «Ъ» соответствует порядковому номеру РЭ.

Выходной сигнал всех релейных элементов меняется дискретно в пределах ±Л / п. В дальнейшем ограничимся случаем п = 3.

При включении МРП и нулевом входном сигнале Хвх релейные элементы устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (рис. 2, в-д). Под действием сигнала развертки Уи (?) с выхода И

(рис. 2, б) происходит последовательное переключение в положение -А/3 РЭ1, РЭ2 (см. рис. 2, в, г, моменты времени /01, /02), после чего меняется направление развертывающего преобразования, и сигнал 7И (?) нарастает в положительном направлении. Начиная с момента времени выполнения условия 7И (?) = Ъх МРП входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки 7И (?) ограничена зоной

газодинамического предупреждения процесса двойного дугообразования

Рис. 2. Временные диаграммы сигналов многозонного интегрирующего развертывающего преобразователя

неоднозначности РЭ1, а РЭ2, РЭ3 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов УР2 (О, Урз (/) состояниях (см. рис. 2, г, д). Выходная координата Уа1Х (?) МРП формируется за счет переключений РЭ1 (см. рис. 2, в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±А/3 (рис. 2, е). При отсутствии хвх (рис. 2, а, t < ^) среднее значение У0 импульсов Уак (?) равно нулю. Наличие входной координаты < (А/3) (см. рис. 2, а, < t < ) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов 7а1Х (?), т.к. в интервале ^ (см. рис. 2, в) развертка уи (/) (см. рис. 2, б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор £1 (см. рис. 2, а, е), а в интервале - (?)/ Л зависит от суммы этих воздействий. В результате У0 = Хвх (см. рис. 2, е).

Предположим, что в момент времени сигнал хвх увеличился дискретно до величины (А/3)<Хвх <А (рис. 2, а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и МРП переходит на этап переориентации состояний РЭ2, РЭ3, который заканчивается в момент времени /03, когда РЭ3 переключается в положение -А/3 (рис. 2, д). Координата 7ВЫХ (?) достигает уровня -А (рис. 2, е), и МРП переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах ^, (рис. 2, в) скорость формирования развертывающей функции уи (?) (рис. 2, б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор £1. При этом сигнал У0 включает постоянную составляющую -А/3 и среднее значение импульсного потока Уа1Х (?) второй модуляционной зоны МРП.

В схеме ЭДП (см. рис. 1) контур регулирования на основе МРП функционирует следующим образом. При отсутствии шунтирующей дуги на переходе «катод - сопло» выходной сигнал ДП Укс(?)« 0, т.к. сопротивление Лкс достаточно велико. Сигналом задания Хвх положительной полярности МРП переводится в старшую модуляционную зону, где РЭ2 - РЭп находятся в идентичных состояниях -А/п, и клапаны Кл.2 - Кл.п закрыты.

По мере уменьшения сопротивления Лкс, когда вероятность образования шунтирующей дуги возрастает, сигнал Укс(?) отрицательной полярности на выходе ДП увеличивается, и МРП последовательно переходит из старшей модуляционной зоны четвертого квадранта статической характеристики У0 = /(Хш ,УКС) в старшую модуляционную зону второго квадранта этой характеристики. Подобный переход сопровождается переориентацией РЭ2 - РЭп в состояние А/п, что вызывает включение соответствующего числа клапанов Кл.2 -Кл.п и пропорциональное увеличение потока аргона на выходе газомагистрали. После восстановления сопротивления Лкс МРП возвращается в исходное состояние, и клапаны закрываются выходными сигналами -А/п РЭ2, РЭп. Учитывая, что МРП является замкнутой

интегрирующей системой, его применение в условиях высокого уровня электромагнитных помех, сопровождающих работу ЭДП, позволяет существенно повысить помехоустойчивость процесса регулирования потока плазмообразующего газа и газодинамического предупреждения эффекта двойного дугообразования в ЭДП.

Датчик проводимости перехода «катод - сопло»

Датчик проводимости ДП (рис. 3, а) содержит разделительный трансформатор Тр. с конденсатором С. Операционный усилитель А представляет собой компаратор с инвертирующей петлей гистерезиса и порогами переключения ± Ь. Сигнал у (?) на токоо-граничивающем резисторе Я имеет экспоненциальный характер и ограничен по амплитуде на уровне порогов переключения РЭ (рис. 3, б). При большом значении сопротивления перехода «катод - сопло» постоянная времени трансформатора Тр. максимальна, что определяет нижнее значение частоты сигнала У (?) на выходе компаратора А. Преобразование частоты импульсов У (?) в аналоговый сигнал производится преобразователем «частота - напряжение» ПЧН.

В случае уменьшения сопротивления перехода «катод - сопло» состояние трансформатора Тр. близко к режиму короткого замыкания. Постоянная времени Тр. уменьшается, а частота выходных импульсов компаратора А возрастает (рис. 3, б). При этом растет напряжение и на выходе ПЧН. Сопротивление конденсатора С во всем диапазоне изменения частоты сигнала У (?) пренебрежимо мало.

л

/г Г)

/

1 ] V

б

Рис. 3. Функциональная схема (а) и временные диаграммы сигналов (б) датчика проводимости перехода «катод-сопло»

Экспериментальные результаты

Как показали результаты экспериментальных исследований, проведенных на ЭДП постоянного тока мощностью 300 кВт при рабочем токе 350 А, принцип многозонного регулирования потока аргона (п = 3) сокращает расход плазмообразующего газа на 30-40% по сравнению с однозонными системами аналогичного функционального назначения, а также увеличивает

а

срок безотказной работы технологической установки в 5-7 раз. Дискретное приращение потока плазмообразующего газа при включении одного из клапанов Кл.2, Кл.3 составляет 40-50% от номинального значения, обеспечиваемого СУ (см. рис. 1).

Список литературы

1. Аньшаков A.C., Домаров П.В. Исследование энергетических характеристик в электродуговом плазматроне с выходным ступенчатым электродом // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2013. № 4. C. 139-143.

2. Chemets I., Nirenberg G., Rabinovich A., Fridman A. Characteristics of high-power gliding arc plasma reformer for industrial applications. Plasma Science (ICOPS). Abstracts IEEE International Conference. 2012, pp. 1P-154. doi: 10.1109/PLASMA.2012.6383482.

3. Кубышкин В.А., Финягина В.И. Оптимизация температурных режимов электродов плазмотронов методами подвижного управления // Проблемы управления. 2009. №5. C. 53-60.

4. Schweigert I.V. Effect of gas discharge and magnetic field on plasma layer at the surface in gas flow. Plasma Science (ICOPS). Abstracts IEEE International Conference. 2013 , pp. 1. doi: 10.1109/PLASMA.2013.6634914.

5. Боровской A.M. Моделирование течения плазмообразующего газа с учетом его взаимодействия с электрической дугой в каналах высоковольтных плазмотронов переменного тока // Успехи прикладной физики. 2014. Т.2. №2. C. 105-111.

6. Корсунов К.А. Расчет параметров электродуговой плазмы в канале плазмотрона // Успехи прикладной физики. 2013. Т.1. №6. C. 724-732

7. Исакаев Э.Х., Синкевич О.А. Шунтирование тока и вызванные им изменения напряжения в канале плазмотронов с самоустанавливающейся длиной электрической дуги // Теплофизика высоких температур. 2003. Т.41. №3. С. 334-341.

8. Nakajo T., Ohyama R. An experimental study on plasma characteristics of a capillary atmospheric pressure plasma device using argon/air mixture gas stream. Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP). Annual Report Conference. 2012, pp. 149 - 152. DOI: 10.1109/CEIDP.2012.6378743.

9. Brinkis K., Staltmanis A. The automated control of a power system. Baltic electrical engineering revier. 1997. №2(6). pp. 39-44.

10. Ахлюстин В.А., Тепляков Ю.Н., Цытович Л.И. Теплотехнические вопросы применения низкотемпературной плазмы в металлургии: тематич. сб. науч. трудов. Магнитогорск: МГМИ, 1989. C.136-139.

11. Темников Ф.Е., Славинский В.Е. Математические развертывающие системы. М.: Энергия, 1970. 120с.

12. Цытович Л.И., Брылина О.Г. О динамике многозонного интегрирующего регулятора с частотно-нулевым сопряжением модуляционных зон. // Электротехника. 2014. №7. С.17-25.

13. Брылина О.Г. Многозонные регуляторы с различными законами широтно- и частотно-широтно-импульсной модуляции // Практическая силовая электроника. 2014. №2(54). С. 36-40.

14. Tsytovich L.I., Dudkin M.M., Lokhov S.P., Brylina O.G. About the dynamics of some methods of integrating conversion of analog signal into digital code // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2013. Вып. 13. № 1. С. 80-91.

15. Tsytovich L.I., Maurer V.G., Tsytovich P.L. Pulse-Width-Modulated Integrating Sweep Converter with Amplitude Dynamic Characteristics // Electronics and Radio Engineering, Instruments and Experimental Techniques. 1997, vol.40, no.3, USA, pp. 374-377.

Information in English

Multizone System of Gas-Dynamic Double Arcing Process Prevention in Low-Temperature Electric Arc Plasma Jet

Tsitovich L.I., Brylina O.G.

The article reviews the multizone method of argon stream control in low-temperature electric arc plasma jet. The method is based on the principle when exhaust plasma-supporting gas velocity is changing discretely in the wake of "cathode-muzzle" junction conduction rising reaching a maximum level only in a critical situation when the bypassing arc appears.

schematic diagram of the installation was represented and the operating principle of electric arc plasma jet with multizone system of gas-dynamic double arcing process prevention was stated.

The multizone regime of argon stream control is implemented using the multizone integrated sweep converter with frequency, width and pulse-type modulations. The timing diagrams of the multizone integrated sweep converter and the features of system transition from one modulation zone to another were shown.

A functional diagram of "cathode-nozzle" transition conductivity sensor was observed and it's operating principle was explained by the example of the timing signals diagrams.

The results of experimental researches were given.

This article could be interesting for specialists in plasm-arc technologies and technological processes automation.

Keywords: electric arc plasma jet, bypassing arc, multizone integrated sweep converter, conductivity sensor gram.

References

1. Anshakov A.C., Domarov P.V. Issledovanie energeticheskih harakteristik v elektrodugovom plazmatrone s vyihodnyim stupenchatyim elektrodom [The research of energy characteristics in electric arc plasma jet with step functional electrode]. Nauchnyiy vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Science vestnik of Novosibirsk State Technical University]. 2013, no. 4, pp. 139-143.

2. Chernets I., Nirenberg G., Rabinovich A., Fridman A. Characteristics of high-power gliding arc plasma reformer for industrial applications. Plasma Science (ICOPS). Abstracts IEEE International Conference. 2012, pp. 1P-154. doi: 10.1109/PLASMA.2012.6383482.

3. Kubyishkin V.A., Finyagina V.I. Optimizatsiya temperaturnyih rejimov elektrodov plazmotronov metodami podvijnogo upravleniya [Optimization of temperature modes of plasma jet electrodes using the methods of mobile control]. Problemyi upravleniya [Problems of control]. 2009. no. 5. pp. 5360.

4. Schweigert I.V. Effect of gas discharge and magnetic field on plasma layer at the surface in gas flow. Plasma Science (ICOPS). Abstracts IEEE International Conference. 2013 , pp. 1. doi: 10.1109/PLASMA.2013.6634914.

5. Borovskoy A.M. Modelirovanie techeniya plazmoobrazuyuschego gaza s uchetom ego vzaimodeystviya s elektricheskoy dugoy v kanalah vyisokovoltnyih plazmotronov

peremennogo toka [Simulation of the plasma-gas flow considering it's interaction with electric arc in the channels of highvoltage AC current plasma jets]. Uspehi prikladnoy fiziki [Achievements of applied physics]. 2014. vol. 2, no. 2, pp. 105111.

6. Korsunov K.A. Raschet parametrov elektrodugovoy plazmyi v kanale plazmotrona [Calculation of the parameters of electric arc plasma in the channel of plasma jet]. Uspehi prikladnoy fiziki [Achievements of applied physics]. 2013, vol. 1, no. 6, pp. 724-732.

7. Isakaev E.X., Sinkevich O.A. Shuntirovanie toka i vyizvannyie im izmeneniya napryajeniya v kanale plazmotronov s samoustanavlivayuscheysya dlinoy elektricheskoy dugi [Bypassing of current and changes of the voltage in plasma jet channel with self-aligning length of electric arc, which has been caused because of them]. Teplofizika vyisokih temperatur [High Temperature]. 2003, vol. 41, no. 3, pp. 334-341.

8. Nakajo T., Ohyama R. An experimental study on plasma characteristics of a capillary atmospheric pressure plasma device using argon/air mixture gas stream. Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP). Annual Report Conference. 2012, pp. 149 - 152. DOI: 10.1109/CEIDP.2012.6378743.

9. Brinkis K., Staltmanis A. The automated control of a power system [Baltic electrical engineering revier]. 1997, no.2(6), pp. 39-44.

10. Ahlyustin V.A., Teplyakov Yu.N., Tsyitovich L.I. Teplotehnicheskie voprosyi primeneniya nizkotemperaturnoy plazmyi v metallurgii [Thermotechnical questions of using the

low-temperature plasma in metallurgy]. Tematicheskiy sbornik nauchnikh trudov [Subject collection of scientific papers]. Magnitogorsk: MGMI, 1989, pp.136-139.

11. Temnikov F.E., Slavinskiy V.E. Matematicheskie razvertyivayuschie sistemyi [Mathematical deploy sistems]. Energiya [Energy], 1970, 120 p.

12. Tsytovich L.I. O dinamike mnogozonnogo integrirujushhego reguljatora s chastotno-nulevym soprjazheniem moduljacionnyh zon [Dynamics of a multizone integrating regulator with frequency-zero junction of modulation zones]. Jelektrotehnika [Russian Electrical Engineering], vol. 85, Issue 7, July 2014, pp. 434-442.

13. Brylina O.G. Mnogozonnye reguljatory s razlichnymi zakonami shirotno- i chastotno-shirotno-impul'snoj moduljacii [Multi-zone regulators with different types of width-pulse and frequency-pulse-width modulation]. Prakticheskaja silovaja jelektronika [Applied power electronics], 2014, no. 2 (54), pp. 36-40.

14. Tsytovich L.I., Dudkin M.M., Lokhov S.P., Brylina

0.G. About the dynamics of some methods of integrating conversion of analog signal into digital code. Bulletin of the South Ural State University. Series "Power Engineering", 2013, vol. 13, no.

1, pp. 80-91.

15. Tsytovich L.I, Maurer V.G., Tsytovich P.L. Pulse-Width-Modulated Integrating Sweep Converter with Amplitude Dynamic Characteristics. Electronics and Radio Engineering, Instruments and Experimental Techniques, 1997, vol. 40, no.3, USA, pp. 374-377.

Информация о других журналах издательства

Журнал «Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах»

основан в 2011 году на базе сборников, которые издавались в период работы кафедры вычислительной техники и прикладной математики (с 2013 кафедры вычислительной техники и программирования): 2003 и 2004 годах -сборник трудов «Новые программные средства для предприятий Урала», в 2005 и 2007 годах - «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской Федерации»; в 2006 - «Разработка новых программных средств для предприятий Урала».

Журнал публикует научные работы по следующим рубрикам: технические средства обеспечения информационных процессов; обыкновенные дифференциальные уравнения и дифференциальные уравнения с частными производными; математические модели естественных и технических наук; уравнения математической физики; теория систем автоматического управления; теория моделирования; теория информации; искусственный интеллект; системный анализ; общие вопросы автоматики и вычислительной техники; теория автоматического управления; теоретические основы программирования; вычислительные сети; программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и сетей; системы автоматического управления, регулирования и контроля; автоматизированные системы управления технологическими процессами; автоматизация проектирования; автоматизация научных исследований; педагогика и методика подготовки кадров высшей квалификации в области математики, программирования, разработки автоматизированных систем и информационных технологий.

Электронная версия журнала доступна:

• на информационном портале ФГБОУ ВПО «МГТУ» www.magtu.ru (раздел «Журнал «Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах»);

• на платформе еLIBRARY._