§ 8.2. Плазмотрондардың энергетикалық сипаттамасы және қорек көздері

Плазмотрондардың энергетикалық сипаттамасына доға параметрлерінің жұмыс шарттарына– плазма түзуші газ тегі, қысымы, электродтардың геометриялық өлшемдері, басқарушы магнит өрісінің кернеулігі, электрод материалы, олардың температуралары және эмиссиялық қабілеттілігі, бұзылу жылдамдығына тәуелділігі жатады. Қазіргі таңда бұл барлық факторларды ескері мүмкін емес, сондықтан ВАС-ны есептеу және электродтардың кейбір өлшемдерін анықтау үшін көптеген тәжірибелік мәліметтерді критерийлі жалпылау нәтижесінде алынатын эмпирикалық формулаларды қолданады.

Қазіргі таңда ВАС мен ПӘК теңдеулері белгілі бір плазмотрондар сызбалары үшін құрастырылған және геометриялық ұқсастықтың, бір компонентті немесе стандартты плазма түзуші газдарға арналған ток өзгерісі диапазоныны, сонымен қатар камералыішілік қысым, магнит өрісі кернеулігінің қатаң шектерінде орындалады.

Цилиндрлі анодтағы бір камералы ауамен құйынды стабилизациясы бар тұрақты ток плазмотрон үшін ВАС теңдеуі мына түрде болады:

(1)

Сутегімен жұмыс істеу кезінде ол мына түрге келеді:

(2)

Мұндағы I – доға тогы; G – плазма түзуші газ шығыны; d – шығыс электродының ішкі диаметрі; p – разрядты камерадағы қысым. Осындай сызбадағы плазмотрондардың ПӘК-ін анықтау үшін келесі тәуелділіктер алынған:

Ауада жұмыс істеу үшін

(3)

Сутегімен жұмыс істеу үшін

(4)

Мұндағы l – электродтың сипаттамалық ұзындығы.

Коаксиалды плазмотрондардың жалпыланған сипаттамаларында магнит өрісінің бар болуын және доғалық разрядпен байланысын анықтайтын параметрлер қосылған.Плазмотрондардың энергетикалық сипаттамалары 8.10 – суретте көрсетілген.

Плазмотронның ПӘК-і мен плазма температурасының плазма қысымына, газ шығынына, магнит индукциясына тәуелділігі 8.11-суретте көрсетілген.

Ж алпыланған критерийлер кезінде доғадағы кернеудің төмендеуінің қысымға, ток күшіне, магнит индукциясына, плазма түзкші газдың секндтық шығынына тәуелділігінің тәжірибелік тәуелділіктерін қолданады. Плазмотронның ПӘК-і мен плазма температурасының плазма қысымына, газ шығынына, магнит индукциясына тәуелділігі 8.11-суретте көрсетілген. Осы тәуелділіктердің орындалу реті плазмотрондарды технологиялық процессте реттеу кезінде бағыттаушы қызметін атқаруы мүмкін.

Плазмотрондардың қуаты доға тогы мен кернеуі бұл өз кезегінде қатынасы арқылы анықталады: P = IU = Iel, кернеу өз кезегіндедоға ұзындығы мен Е электр өрісі кернеулігі арқылы анықталады. Электродтардан бөлінетін қуат доға тогы мен электрод материалына тәуелді. Плазмотрон электродтары ұзақ жұмыс мерзіміне ие болу керек, ал олардың бұзылу жылдамдығы доға тогына тура пропорционал болғандықтан, разряд параметрлерін анықтау барысында белгілі температура мен электродтардың берілген габаритті өлшемдерде керекті доға қуатын қамтамасыз ететін минимал ток пен максимал кернеуге бағдарлану керек.

Осы көрсетілгендей, электр өрісінің кернеулігі Е газ тегіне, қысымға және үрлеу жылдамдығына тәуелді. Осы тәуелділіктегі плазмотрондар үшін қосымша фактор пайда болады – қоршаған газдың температурасы. Бойлық үрлеудегі плазмотрондар үшін доға өрісінің кернеулігі газ жіберілетін зона маңайында максимал мәнеге ие және плазманың ағу бағытына қарай азая береді. 100-300 А ток және 0,25-1,23 г/с шығында аргонның осьті үрлеуіндегі доға үшін Е мәні 4,5-14 В-ті құрайды, бұл мән ток өскен және газ шығынының төмендеуі кезінде азаяды. Осыдан керекті қуат алу үшін шығыс электрод керекті ұзындық пен ұзындығы l электрлік доғаны сонда орналастыру үшін керекті канал диаметріне ие болу керек. Ереже бойынша, электрод босағасынан басқарылмайтын зонаға шығып кетуін болдырмау үшін электрод ұзындығын доға ұзындығынан біршама үлкен етіп алады. Плазмалы технологиялық аппатарттарды құрастыру кезінде электр өрісінің кернеулігі жұмыс қысымынң жоғарылауымен артатынын ескеру қадет.

Плазмотрондардың қорек көзінің сызбасын таңдау сыртқы магнит өрісі бар кезіндегі қарқынды газды ағыс күйіндегі доғаның тұрақтылығына негізделген. «Аз ауытқу» теориясы бойынша доғаның тұрақтылық шарты мына түрде болады:

dU_ист/dI<dU_д/dI, (5)

мұндағы U_ист – қорек көзінің статикалық кернеуі; U_д – доғаның статикалық кернеуі.

Төмендейтін ВАС-лы плазмотронның тұрақты жұмыс істеуі үшін сыртқы сипаттамалы қорек көзі бар болуы керек. Бұл талап технологиялық процесте берілген қуаттың болу қажеттілігімен күшейе түседі және де ол ток стабилизациясының қатаңдығын талап етеді.Сондықтан плазмотрондарды қоректендіру үшін мынадай тік төмендейтін сипаттамалы қоректендіру көздері қолданады: 1) токты автоматты стабилизациялауы бар басқарылатын түзеткіш базасындағы көздер; 2) қанықтыру дроссельдері мен магнитті басқаратын трансформаторлы қондарғылар; 3) үш фазалы электр тізбегіндегі кернеу резонансы принципінде жұмыс істейтін токтың параметрлік көздері.

Бірінші типтегі көзді жоғары вольтті плазмотрондары бар әрбір плазмалы технологиялық қондырғыға жеке дайындайды; олар автоматты басқару жалпы сызбаға технологиялық процесс бойынша қосылады.

Екінші және үшінші типтегі көздер стандартты және металлды плазмалы тозаңдандыру, балқыту, кесу, дәнекерлеу, қайта балқыту және басқа технологиялық процесстерде пайдаланылатын төмен вольтті плазмотрондарды қоректендіру үшін қолданылады. Доғаның ВАС-ның сызықтық емес болуы қоректендіру желісіне еніп, басқа тұтынушылардың жұмысына кері әсерін тигізетін жоғары жиілікті тербелістердің пайда болуына алып келеді. Сондықтан бірінші типтегі қоректендіру көзін дайындау үшін доға тізбегіндегі тегістегіш дрюссельді сызба қолданылады (8.12 – сурет).Тоқты автоматты стабилизациялау көзінің сұлбасы 8.12 – суретте көрсетілген.

8.12 – сурет.Тоқты автоматты стабилизациялау көзінің сұлбасы

Доға тізбегіндегі тегістегіш дрюссель белгілі бір дәрежеде электрлік жүйеге әсер ететін ауытқу спекртін тарылтады. Бұл жүйе үшін мына параметрлер сипаттаушы болап табылады:

Токты автоматты стабилизациялау уақытының тұрақтысы:

τ_рег ≤3∙10^-3 c; (6)

доға-жүктеме тізбегінің уақыт тұрақтысы:

τ_нагр ≤25∙10^-3 c; (7)

көздің кернеу қоры

α = U_{д ном}/ U₀=1,1;

токтың номиналдыдан статикалық ауытқуы – 3%-дан көп емес;

ауытқу ұзақтығы – 15 мс-дан көп емес.

Плазмотронда доғаның жануы осциллятормен электрод аралық қашықтықты бұзу арқылы жүзеге асады.

Секцияланған шығыс электродты плазмотрондарда қосылу кезінде анодты тізбек қорегін катодқа жақын бірінші секцияға қосады, содан кейін доғаның даму шамасы бойынша плазма ағысы бойынша төмен бағытта қайта қосады және соңғы анодқа орнатады. 1,76 МГц жиілікте жұмыс істейтін ЖЖИ-қондырғының принциптік сызбасы 8.13 – суретте көрсетілген.

1)анодты трансформатор; 2) анодты түзеткіш

8.13 – сурет.1,76 МГц жиілікте жұмыс істейтін ЖЖИ-қондырғының принциптік сызбасы