3. Исследование устойчивости системы источник питания-плазмотрон

3.1. Система источник питания-плазмотрон.

Систему ИП-Плазмотрон рассмотрим на примере установки, состоящей из тиристорного преобразователя на основе управляемого выпрямителя и электродуговой плазмотрон постоянного тока.

В качестве ИП приименялся источник питания ТЕ-4.

Для обеспечения безбаластной работы плазмотрона необходимо сформировать у источника крутопадающие характеристики. С этой целью обратная связь по напряжению в преобразователе отключена, а обратная связь по току включена на вход регулятора скорости (рис. 3.1.). Система импульсно фазового управления и узел защиты по току предотвращающий аварийный режим в плазмотроне оставлены неизменными. Изменением величины коэффициента обратной связи по току можно влиять на наклон характеристики источника в рабочей точке.

Рисунок 3.1 Функциональная схема источника питания

Лабораторные исследования показали, что он обеспечивает устойчивую и надежную работу плазмотронов с мощностью до 150 кВт, плавную регулировку тока при нагрузке и хорошую стабилизацию на заданном уровне. Основные характеристики источника питания следующие:

напряжение холостого хода, В 520

пределы регулировки тока , А 70-400

коэффициент полезного действия 0.86

коэффициент мощности 0.96

Источник питания (рис. 3.2.) питается от трехфазной сети переменного тока с напряжением 380В через вводный автоматический выключатель QF (А 3722 ФУЗ) и разделительный трансформатор TV (ТС3В-160/0.5).

Рисунок 3.2 Принципиальная схема экспериментальной установки

Цепь, состоящая из балластного сопротивления R (НФ-1АУ2) сопротивлением 0.73 Ом и силового контакта контактора KM (КПВ 604-У3), служит для ограничения силы тока в момент запуска плазмотрона через вспомогательный электрод (МЕВ), после этого контактор отключается. Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в схеме предусмотрен дроссель L₁ индуктивностью 1.3∙10^-3 Гн. Катушка L₂ намотана многожильным силовым изолированным проводом на пластмассовый каркас диаметром 0.43м и длинной 0.34м, имеет индуктивность 0.1∙10^-3 Гн и совместно с конденсаторами C₁ и C₂ ( МБГЧ-1, 1∙10^-3 Ф, 1000В) создает защитный фильтр от высокой частоты зажигательного устройства (осцилятора). Для контроля напряжения и силы тока при работе плазмотрона используются установленные на источнике питания вольтметры PV (М42100, 600В) и амперметр PA (М42100, 500А) с шунтом RS (75ШСММ3-500-,05).

2. . Определение режимов устойчивой работы системы

Теоретические исследования, приведенные в разделе 2 показывают, что для устойчивой работы системы ИП-плазмотрон внешняя характеристика источника должна быть круто падающей и пересекать ВАХ плазмотрона в одной точке. С это целью нами применяется ИП на базе УВ с отрицательной обратной связью по току. Путем подбора коэффициента обратной связи получены практически вертикальные внешние характеристики преобразователя. При изменении тока дуги от 100 до 400А и расхода воздуха через плазмотрон от 0.9∙10^-3 до 2∙10^-3 кг/с зафиксирована устойчивая работа плазмотрона на всех режимах. В указанном диапазоне расходов система обеспечивала удовлетворительное поддержание тока на заданных уровнях. Таким образом, результаты предварительных экспериментов подтвердили правильность предложенной математической модели для расчета устойчивости электрической дуги в исследуемой системе.

По разработанной математической модели выполнен расчет возможных режимов устойчивой работы системы ИП-плазмотрон на примере плазмотрона ПЛ-6 мощностью до 120кВт. При расчете принято d=d₂ =0,006м- диаметр разрядного канала плазмотрона до уступа; d₃ = 0.01м- диаметр канала после уступа; l₂ = 0.032м – длина канала до уступа; l₃ = 0.014м – длина канала после уступа; l = l₂ + l₃ =0.046м – длина разрядного канала; I=100-400А; G=0.0015- 0.003 кг/с; U₀ = 520В – напряжение холостого хода ИП. Внешняя характеристика ИП с целью упрощения расчетов идеализирована. В качестве расчетных формул использованы следующие выражения:

-для напряжения

,

,

;

-для теплового КПД

,

,

.

Наличие трех вариантов формул позволяет оценить режимы устойчивой работы системы при различном выполнении разрядного канала плазмотрона.

Результаты расчетов приведены в таблицах и на рисунках. Режимы устойчивой работы системы соответствуют точкам пересечения внешних характеристик ИП с ВАХ плазмотрона. Падающий ВАХ плазмотрона объясняется отсутствием уступа в его разрядном канале. Плазмотроны с таким ВАХ менее эффективны, чем плазмотроны с восходящими ВАХ. Выбор оптимальных режимов устойчивой работы произведен по максимальным значениям теплового КПД.

Полученные результаты позволяют в первом приближении оценить область устойчивости системы ИП-плазмотрон. Их можно использовать в качестве исходных данных при отработке реальных технологических режимов для плазмотронов с одной дугой.

Определение режимов устойчивости для 1 плазмотрона по формулам:

-для напряжения

- для теплового КПД

.

Таблица 3.2.1.

Определение режимов устойчивой работы системы для 1 плазмотрона

Расход газа кг/с	G=0.0015		G=0.002		G=0.0025		G=0.003
I(A)	U(B)	η	U1(B)	η1	U2(B)	η2	U3(B)	η2
100	185	0.717	211	0.747	233	0.768	253	0.785
120	175	0.697	200	0.728	221	0.751	240	0.768
140	167	0.679	191	0.712	211	0.735	229	0.754
160	160	0.664	183	0.697	202	0.721	220	0.74
180	155	0.65	177	0.683	195	0.708	212	0.728
200	150	0.637	171	0.671	189	0.697	205	0.717
220	146	0.625	166	0.66	184	0.686	200	0.706
240	142	0.614	162	0.65	179	0.676	195	0.697
260	139	0.604	158	0.64	175	0.667	190	0.688
280	135	0.595	155	0.631	171	0.658	186	0.679
300	133	0.586	152	0.622	168	0.65	182	0.671
320	130	0.577	149	0.614	164	0.642	178	0.664
340	128	0.57	146	0.607	161	0.634	175	0.656
360	126	0.562	144	0.599	159	0.627	172	0.65
380	124	0.555	141	0.592	156	0.621	170	0.643
400	122	0.548	139	0.586	154	0.614	167	0.637

Рисунок 3.2. ВАХ плазмотрона, 1- G=0.0015, 2-G=0.002, 3-G=0.0025, 4-G=0.003

Рисунок 3.3. КПД плазмотрона, 1- G=0.0015, 2-G=0.002, 3-G=0.0025, 4-G=0.003

Рисунок 3.4. Режимы устойчивой работы системы ИП-плазмотрон для 1 плазмотрона

Определение режимов устойчивости для 2 плазмотрона по формулам:

-для напряжения

-для теплового КПД

.

Таблица 3.2.2.

Определение режимов устойчивой работы системы для 2 плазмотрона

Расход газа кг/с	G=0.0015		G=0.002		G=0.0025			G=0.003
I(A)	U(B)	Η	U1(B)	η1		U2(B)	η2		U3(B)	η2
100	127	0.707	135	0.738		142	0.761		147	0.779
120	138	0.687	147	0.719		154	0.743		160	0.761
140	149	0.668	158	0.702		166	0.726		173	0.746
160	160	0.652	170	0.687		179	0.712		186	0.732
180	171	0.638	182	0.673		191	0.699		199	0.719
200	181	0.624	193	0.66		203	0.687		211	0.707
220	192	0.612	205	0.648		215	0.675		224	0.697
240	203	0.601	217	0.638		228	0.665		237	0.687
260	214	0.591	228	0.628		240	0.655		250	0.677
280	225	0.581	240	0.618		252	0.646		263	0.668
300	236	0.572	252	0.609		265	0.638		275	0.66
320	247	0.563	264	0.601		277	0.63		288	0.652
340	258	0.555	275	0.593		289	0.622		301	0.645
360	269	0.548	287	0.586		301	0.615		314	0.638
380	280	0.54	299	0.579		314	0.608		327	0.631
400	291	0.533	310	0.572		326	0.601		339	0.624

Рисунок 3.5. ВАХ плазмотрона, 1- G=0.0015, 2-G=0.002, 3-G=0.0025, 4-G=0.003

Рисунок 3.5. ВАХ плазмотрона, 1- G=0.0015, 2-G=0.002, 3-G=0.0025, 4-G=0.003

Рисунок 3.7. Режимы устойчивой работы системы ИП-плазмотрон для 2 плазмотрона

Определение режимов устойчивости для 3 плазмотрона по формулам:

-для напряжения

;

-для теплового КПД

.

Таблица 3.2.3

Определение режимов устойчивой работы системы для 3 плазмотрона

Расход газа кг/с	G=0.0015		G=0.002		G=0.0025			G=0.003
I(A)	U(B)	Η	U1(B)	η1		U2(B)	η2		U3(B)	η2
100	116	0.024	124	0.027		130	0.031		135	0.034
120	121	0.021	129	0.025		136	0.028		141	0.031
140	127	0.02	135	0.023		142	0.026		147	0.028
160	132	0.018	140	0.021		147	0.024		154	0.027
180	137	0.017	146	0.02		153	0.023		160	0.025
200	142	0.016	151	0.019		159	0.021		166	0.024
220	147	0.016	157	0.018		165	0.02		172	0.022
240	153	0.015	163	0.017		171	0.019		178	0.021
260	158	0.014	168	0.017		177	0.019		184	0.021
280	163	0.014	174	0.016		182	0.018		190	0.02
300	168	0.013	179	0.015		188	0.017		196	0.019
320	173	0.013	185	0.015		194	0.017		202	0.018
340	179	0.012	190	0.014		200	0.016		208	0.018
360	184	0.012	196	0.014		206	0.016		214	0.017
380	189	0.012	201	0.014		211	0.015		220	0.017
400	194	0.011	207	0.013		217	0.015		226	0.016

Рисунок 3.8. ВАХ плазмотрона, 1- G=0.0015, 2-G=0.002, 3-G=0.0025, 4-G=0.003

Рисунок 3.9. КПД плазмотрона, 1- G=0.0015, 2-G=0.002, 3-G=0.0025, 4-G=0.003

Рисунок 3.10. Режимы устойчивой работы системы ИП-плазмотрон для 3 плазмотрона