Система автоматической стабилизации плазменной струи на малых токах

• Автор: Воронов, АнтонЮрьевич
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Комсомольск-на-Амуре
• Количество страниц: 124 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
1.1. Устойчивость горения электрической дуги
1.2. Обзор источников питания электрической дуги
1.3. Структура САР
1.4. Устройства поджига сжатой дуги
1.5. Плазматроны
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
2.1. Экспериментальное исследование сжатой электрической дуги
в канале плазматрона
2.2. Математическая модель сжатой электрической дуги в канале
плазматрона
2.3. Моделирование сжатой электрической дуги в канале плазматрона
ГЛАВА 3. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
3.1. Синтез регулятора САР
3.2. Математическая модель САР
3.3. Оптимизация регулятора САР
3.4. Частота коммутации ШИМ и индуктивность сглаживающего
реактора
3.5. Аналоговая реализация регулятора САР
3.6. Цифровая реализация регулятора САР
ГЛАВА 4. УСТАНОВКА ПЛАЗМЕННОГО РОЗЖИГА
4.1. Состав и алгоритм работы установки плазменного розжига
4.2. Импульсно-зажигающее устройство
4.3. Источник питания сжатой дуги
4.4. Практическая реализация установки плазменного розжига
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение А
Приложение Б
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Экономия природных ресурсов и рост цен на традиционные энергоносители требуют повышения эффективности энергетических установок, сокращения расхода топлива, а также использования дешевых сортов жидкого или твердого горючего. Это, в свою очередь, определяет необходимость комплексных исследований энергетических установок и их элементов в направлении повышения КПД за счет улучшения качества сжигания топлива [1].
Опыт эксплуатации теплоэнергетических установок, в которых используются традиционные методы поджига (искровые разряды, вспомогательный факел, трансформаторы зажигания), показывает их невысокую надежность и узкие границы устойчивого поджига, сильно зависящие от свойств топлива. Нарушение устойчивого поджига может приводить к полному выходу энергетической установки из рабочего режима и, как следствие, к аварийным ситуациям в сетях теплоснабжения.
Вместе с тем, описанные методы не всегда обеспечивают стабильный поджиг смесей, содержащих такие трудновоспламеняемые виды топлива, как отработанное масло и обводненный мазут. Даже если поджиг прошел успешно, наблюдаются частые срывы факела и неполное сжигание топлива, что приводит к его перерасходу [2].
Анализ возможных методов физико-химического воздействия на горючие смеси показывает, что весьма перспективным методом является использование электродугового разряда в виде струи низкотемпературной плазмы. Объясняется этот факт тем, что плазма обладает рядом важных для процесса воспламенения свойств. Факел низкотемпературной плазмы оказывает тепловое и химическое воздействие на топливовоздушную смесь. Частицы топлива, попадая в плазменную струю, испытывают тепловой удар. Происходит их дробление, в результате чего резко возрастает поверхность взаимодействия топлива с окислителем. Наряду с наличием в плазме таких активных центров, как ионы, радикалы и атомы, это приводит к интенсификации химических реакций горения. Результатом описанно-

го процесса является расширение границ устойчивого розжига горючих смесей различных концентраций и физико-химических свойств [2].
В связи с указанными преимуществами плазменный розжиг является перспективным направлением, однако, его применение в теплоэнергетических установках ограничено областями средних и высоких мощностей, что обусловлено особенностями горения сжатой дуги на малых токах.
Для внедрения систем плазменного розжига в установки малой мощности (около 1 кВт) необходима разработка системы, сочетающей источник питания с заданными характеристиками и устройство автоматического инициирования плазменной струи при возможном ее обрыве под влиянием газодинамических возмущений. Особенности работы подобной системы определяются конкретными условиями ее эксплуатации и сводятся к требованиям генерирования плазменной струи на малых токах порядка 4...6 А и обеспечения максимального быстродействия для противодействия влиянию газодинамических возмущений и при запуске плазмы.
Цель диссертационной работы - разработка системы плазменного розжига, сочетающей источник питания с заданными характеристиками и устройство автоматического пробоя дугового промежутка при возможном обрыве дуги под влиянием газодинамических возмущений.
Достижение поставленной цели требует решения следующих научно-технических задач-.
- создание источника питания, обеспечивающего стабильное горение сжатой дуги;
- исследование характеристик сжатой дуги в канале плазматрона как объекта регулирования системы;
- синтез регулятора тока системы автоматического регулирования, включая его параметрическую оптимизацию;
- исследование работы системы стабилизации тока сжатой дуги с учетом особенностей ее горения на математической модели;
- разработка устройства первоначального пробоя дугового промежутка;

Также эти мелкомасштабные пульсации могут возникать в процессе развития и движения сжатой дуги в направлении потока плазмообразующего газа. В результате взаимодействия дуги с набегающим потоком газа и собственным магнитным полем дуга приобретает сложную форму пространственной петли. Из-за такой конфигурации разность потенциалов между отдельными участками сжатой дуги может превышать напряжение пробоя. В результате чего происходит пробой вида «дуга-дуга», что также приводит к «отмиранию» участка дуги и уменьшению напряжения. Этот процесс называется мелкомасштабным шунтированием. К мелкомасштабному шунтированию также можно отнести пробой вида «электрод-дуга», если он происходит в пристеночном слое газа, где уменьшение длины дуги вследствие такого пробоя носит незначительный характер. Амплитуда и частота пульсаций, вызванных мелкомасштабным шунтированием, примерно на порядок отличаются от амплитуды и частоты пульсаций, обусловленных процессами крупномасштабного шунтирования [3].
Очевидно, что амплитуда пульсаций обоих видов зависит от потока продуваемого воздуха. Это подтверждается осциллограммами, приведенными на рисунке 2.2. Амплитуда и частота пульсаций тока и напряжения на дуге при уменьшенном расходе воздуха значительно ниже, чем при полном расходе воздуха.
При выборе потока плазмообразующего газа необходимо учитывать некоторые особенности горения сжатой дуги. С одной стороны, поток плазмообразующего газа позволяет удерживать дугу в осевой зоне канала плазматрона, обеспечивая ее устойчивое положение в пространстве. Чем больше поток этого газа, тем достигается более качественное обжатие. С другой стороны, усиление этого потока приводит к ухудшению динамических характеристик дуги, т. е., на концах дуги возникают другие формы неустойчивости, вызванные усиленными процессами шунтирования. Учитывая нестабильность горения дуги на малых токах, чрезмерное увеличение потока может привести к ее обрыву [3].
Анализ приведенных осциллограмм показывает, что при уменьшенном расходе воздуха достигается качественное обжатие сжатой дуги вихревыми потоками (рисунок 2.2 б). Однако в этом случае мощность плазменной струи на выходе