№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2012
УДК 533. 915
© 2012 г. ГОНЧАРЕНКО Р.Б., КИСЕЛЕВ А.А., РУТБЕРГ А.Ф., САФРОНОВ А.А.
ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Показано, что характеристики системы электропитания плазмотрона переменного тока должны обеспечивать статическую устойчивость рабочей точки на вольт-амперной характеристике плазмотрона и способствовать его работе в режиме диффузного разряда, а для обеспечения динамической устойчивости дуги плазмотрона его система электропитания должна обладать фильтрующими свойствами относительно высших гармонических тока плазмотрона. Указанным требованиям удовлетворяют разработанные в ИЭЭ РАН системы питания трехфазных плазмотронов с рельсовыми электродами, изготавливаемые на номинальные токи 180, 500, 1000, 1200, 1500 и 1800 А. Перспективным является широтно-импульсное регулирования тока плазмотрона с помощью полупроводникового преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока, включающего неуправляемый диодный выпрямитель и инвертор на ЮВТ или ЮСТ.
В последние годы наряду с плазмотронами постоянного тока в различного рода плаз-мохимических технологиях широко используются трехфазные плазмотроны переменного тока [1]. Первоначально появление плазмотронов переменного тока было вызвано отсутствием надежных и дешевых выпрямительных устройств, как правило используемых в системах питания плазмотронов постоянного тока. Отсутствие выпрямительных устройств в системах электропитания на первом этапе появления плазмотронов переменного тока — их преимущество перед плазмотронами постоянного тока. Выяснилось, поскольку в электродуговых плазмотронах переменного тока электроды периодически меняют свою полярность — поочередно работают анодом и катодом — за счет выбора материала электродов и их режима работ удается существенно снизить износ электродов по сравнению с износом электродов в плазмотронах постоянного тока.
При относительно простой структуре систем электропитания трехфазных плазмотронов переменного тока к ним предъявляются специфические требования, определяемые достаточно сложными физическими процессами, происходящими в питаемых плазмотронах. Эти требования рассматривались в работах [1—3].
В данной статье авторы на основе проведенных исследований и разработок уточняют, анализируют и обобщают результаты исследования систем электропитания трехфазных плазмотронов переменного тока [1].
Неустойчивости электрической дуги трехфазного плазмотрона оказывают влияние на его работу [3]. В значительной мере характер этих неустойчивостей и возможности воздействия на них определяются системой электропитания плазмотрона.
Классической неустойчивостью, на которую в первую очередь влияет система электропитания, является неустойчивость рабочей точки на вольт-амперной характеристике плазмотрона. Дуга постоянного тока в большинстве случаев имеет падающую вольт-амперную характеристику и в идеальном случае при питании дуги от источника напряжения в ней устанавливается бесконечно большой ток.
и
I
Рис. 1. Вольтамперная характеристика дуги 1 и внешняя характеристика источника питания 2
При постоянном напряжении для стабилизации тока дуги последовательно с дугой обычно включают балластное активное сопротивление, при этом внешняя характеристика питающего дугу источника напряжения приближается к характеристике источника тока, и ток дуги стабилизируется в некоторой рабочей точке. Для дуги постоянного тока условия статической устойчивости рабочей точки на внешней характеристике известны, см., например, [4].
При переменном напряжении для стабилизации тока дуги обычно последовательно с дугой включают индуктивное сопротивление, что позволяет повысить КПД установки за счет исключения потерь в балластном активном сопротивлении. В случае использования индуктивного сопротивления внешняя характеристика источника питания представляет собой параболу, определяемую как
где Е, и — действующие значения ЭДС источника питания и напряжения электрической дуги; I — действующее значение тока электрической дуги; х — реактивное сопротивление источника питания. На рис. 1 показана вольт-амперная характеристика электрической дуги 1 и внешняя характеристика источника питания 2. Введение дополнительного реактивного сопротивления в цепь источника питания приближает внешнюю характеристику питающего дугу источника к характеристике источника тока, и ток дуги стабилизируется в некоторой рабочей точке 3. При этом электрическая энергия потребляется от источника Е с коэффициентом мощности
В современных плазмотронах переменного тока удается обеспечить их устойчивую работу на участке как падающей, так и возрастающей вольт-амперной характеристики.
В большинстве случаев в технологических установках плазмотроны используются для получения нагретого газа со среднемассовой температурой 1500—2500 К. При давлениях газа близких к атмосферному наиболее вероятно возникновение контрагиро-ванного режима протекания тока через газ. В этом режиме площадь шнура разряда близка к площади эмитирующей поверхности электрода и при разряде в азоте и токе 4—5 кА может равняться ~1 см2 [5]. При этом температура в контрагированном разряде может превышать 15000 К. При контрагированном разряде теплоотдача от дуги определяется в основном излучением и конвекцией, причем доля энергии излучения, достигающей стенки плазмотрона оказывается значительной. Как показано в [4], в плазмотронах возможно и целесообразно реализовать режим диффузного разряда. В диффузном режиме проводящие свойства плазмы определяются ионизацией паров материала электродов. При выборе специальной конструкции камеры плазмотрона за счет создания высокой турбулентности газа в камере удается существенно увеличить концентрацию паров металла материала электродов в значительном объеме камеры плазмотрона и обеспечить электропроводность плазмы в большем объеме камеры. В диффузном режиме в условиях
V + х212 = Е2,
(1)
ео8 ф = и/Е.
(2)
плазмотрона по [5] и токе 3—5 кА площадь разряда может равняться примерно ~50 см2. При этом температура в диффузном разряде не превышает 4000—7000 К, теплоотдача от зоны разряда определяется в основном турбулентной теплопроводностью и конвекцией, доля энергии, достигающей стенки плазмотрона оказывается незначительной и КПД нагрева газа в плазмотроне повышается. Испытания показали, что КПД плазмотрона с диффузным разрядом типа ЭДП мощностью до 10 МВт достигает 90% [5].
В [1, 2] было показано, что в плазмотроне переменного тока для увеличения его КПД целесообразно создать высокочастотные неустойчивости электрической дуги, что приводит к горению дуги в диффузно-турбулентном режиме и соответствующему снижению ее температуры, а значит, к уменьшению потерь на излучение дуги. Такой режим работы плазмотрона достигается за счет выбора специальной конструкции плазмотрона и соответствующих характеристик его системы электропитания. В современных трехфазных плазмотронах переменного тока организован вихревой обдув дуги рабочим газом, а дуга перемещается по электродам под действием электродинамических сил или внешних специально созданных магнитных полей. В некоторых конструкциях плазмотронов дуга в процессе ее перемещения по электродам одновременно растягивается за счет выбора специальной конфигурации электродов плазмотрона. При этом средняя скорость перемещения дуги по электродам плазмотрона составляет ~10 м/сек. В процессе развития аэродинамических неустойчивостей дуги, вызванных ее вихревым обдувом рабочим газом, дуга, поскольку она имеет весьма незначительную массу, ускоряется до скоростей, превышающих на порядок и более ее среднюю скорость. Кроме аэродинамических неустойчивостей, возникают магнитогидродина-мические неустойчивости дуги, вызванные воздействием на нее ее собственного магнитного поля. Эти неустойчивости вызываются тем, что по мере удаления от электрической дуги ее собственное магнитное поле уменьшается и уменьшается магнитное давление этого поля, воздействующее на электрическую дугу. Эксперимент показывает, что в разработанных в ИПЭФ РАН плазмотронах переменного тока в напряжении на зажимах плазмотрона существуют как относительно низкочастотные гармонические (3-я, 5-я и т.д.), вызванные нелинейностью вольт-амперной характеристики дуги, так и сильно выраженные высокочастотные гармонические [1].
При работе на азоте или воздухе в напряжении плазмотрона появляются гармонические с частотами 1,4—2 и 8—12 кГц, при работе плазмотрона на водороде появляются гармонические напряжения с частотами 6—7 и 25—30 кГц. Эти колебания напряжения на дуге плазмотрона являются следствием колебаний столба разряда, которые наряду с другими факторами способствуют диффузно-турбулентному режиму горения дуги и улучшению теплообмена между дугой и рабочим газом. Полезные для работы плазмотрона колебания напряжения на дуге не должны вызывать существенных колебаний тока дуги, поскольку высокочастотные колебания тока плазмотрона могут вызвать лавинное нарастание неустойчивостей газового разряда в плазмотроне и привести к потере динамической устойчивости дуги. Известно, что скорость нарастания тока в электрической дуге может достигать 108—109 А/сек и более [1]. Эксперимент показывает, что в плазмотронах переменного тока мощностью до 1 МВт скорость нарастания тока не должна превышать 105—106 А/сек. Система электропитания плазмотрона переменного тока должна иметь такие характеристики, чтобы обеспечивалось снижение скорости нарастания тока плазмотрона до необходимой величины и соответствующее подавление высших гармонических в токе плазмотрона. В простейшем случае такими характеристиками обладает балластное индуктивное сопротивление — реактор.
Параметры реактора должны быть выбраны такими, чтобы были обеспечены статическая и динамическая устойчивости дуги плазмотрона. Для работы в системе питания плазмотрона реактор должен иметь достаточно высокое сопротивление как на частоте первой гармонической сети, так и при указанных выше, обусловленных колебаниями столба разряда частотах. Если не принять соответствующих мер при проектировании реакторов системы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.