Исследование режимов систем энергопитания и генераторов плазмы переменного тока в диапазоне мощностей от 5 до 500 кВт тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ
|
Попов, Сергей Дмитриевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Санкт-Петербург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.13
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Попов Сергей Дмитриевич
Исследование режимов систем энергопитания и генераторов плазмы переменного тока в диапазоне мощностей от 5 до 500 кВт.
01.04.13 - Электрофизика, электрофизические установки
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ш6-Ч
На правах рукописи
Попов Сергей Дмитриевич
Исследование режимов систем энергопитания и генераторов плазмы переменного тока в диапазоне мощностей от 5 до 500 кВт.
01.04.13 - Электрофизика, электрофизические установки
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Инспиуте -электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук
Научный руководитель - кандидат технических наук Сафронов Алексей
Анатольевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор - Кашарский Энгмар Григориевич; кандидат технических наук - Кривошеее Сергей Иванович.
Ведущая организация: «Санкт-Петербургский государственный Политехнический университет »
Защита состоится 2005 I, в ^^часов на заседании
диссертационного совета Д 002.131.01 Института электрофизики и электроэнергетики РАН по адресу: Санкт-Петербург, Дворцовая наб., д. 18, ИЭЭ РАН.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЭЭ РАН. Автореферат разослан
Ш>ифь.т г. Ученый секретарь диссертационного совета
к.т.н. Киселёв А.А.
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ| БИБЛИОТЕКА , \
1. Общая характеристика работы 1.1 Акпгуальность.
Диссертационная работа посвящена решению задачи разработки электродуговых плазмотронов переменного тока с источниками питания (и тгткцрйшрм чпрьтппгтугппяа пгсазмгнная система^ имеющей большое значение для развития плазменных технологий.
К настоящему времени накоплен большой опыт по созданию, как электродуговых плазмотронов постоянного и переменного тока, так и плазменных технологий на основе электродуговых плазмотронов.
Используемые в настоящее время электродуговые плазменные системы относятся главным образом к системам постоянного тока. Бурное развитие плазменных технологий, в том числе технологий плазменной деструкции различного рода отходов: бытовых, промышленных, медицинских, а также особо опасных и боевых отравляющих веществ, потребовало создание плазменных систем переменного тока работающих на окислительных средах, способных работать в широком диапазоне изменения мощности и расходов газа, в зависимости от конкретных условий работы плазмотрона на плазмохимический реактор и обладающих высоким КПД преобразования энергии. Различные плазмохимические технологии потребовали разработки и создания плазмотронов переменного тока с источниками питания, работающих на окислительных средах в диапазоне мощностей от 5 до 500 кВт с расходом плазмообразуюшего 1-аза от 2 до 60 г/с.
1.2 Предмет исследования
Предметом проведённых исследования стало изучение изменения электрических параметров электродуговой плазменной системы при изменении внешних условий, таких как изменение расхода плазмообразующего газа и изменение геометрических размеров электроразрядной камеры.
1.3.Цель работы и задачи исследования.
Для разработки и совершенствования электродуговых плазменных систем переменного тока на основании экспериментальных и теоретических исследований необходимо изучить электрические процессы в электродуговых генераторах плазмы переменного тока и их источниках электропитания. Работы проводились с электродуговыми системами, содержащими в своём составе плазмотроны с торцевыми электродами мощностью до 50 кВт и электродуговыми плазменными системами, включающими в себя электродуговые плазмотроны с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 500 кВт.
Для достижения поставленной цели для электродуговых плазменных систем на основе плазмотроном с торцевыми электродами необходимо определить влияние геометрических размеров электродуговой камеры и изменение расхода плазмообразующего газа на электрофизические процессы, протекающие внутри системы, и определить области устойчивой работы плазмотронов с учётом характеристик источника электропитания. Для электродуговых плазменных систем на основе плазмотронов с электродами рельсового типа необходимо определить влияние изменения расхода плазмообразующего газа на электрические процессы.
Данная работа проводилась в рамках создания и изучения серии плазмотронов и их систем электропитания, предназначенных для опытных плазмохимических установок.
1.4 Методы исследования
Для решения поставленных задач были проведены экспериментальные исследования на различных электродуговых плазменных системах переменного тока. В процессе экспериментов производилось осциллографирование электрических параметров при различных расходах газа и геометрических размерах разрядной камеры. По полученным осциллограммам рассчитывались действующие значения токов и падений напряжений на дугах, а также мощность и КПД плазмотрона. Для анализа колебаний токов и напряжений проводилась обработка полученных осциллограмм на компьютере методами гармонического анализа. Для определения физических параметров в разрядной камере проводилась высокоскоростная видеосъемка. Для определения оптимальных режимов работы плазмотронов использовался метод экспертных оценок.
1.5 Научная новизна
На большом фактическом материале получены зависимости, описывающие электрические процессы, протекающие в электродуговых плазменных системах переменного тока работающих в диапазоне мощности от 5 до 500 кВт. Для электродуговых плазмотронов с торцевыми электродами работающих в диапазоне мощности от 5 до 50 кВт проведён гармонический анализ осциллограмм тока и напряжения диффузных и контрагированных дуг, на основании результатов которого предложен метод диагностики режимов горения дуг, при работе плазмотрона на технологическую установку.
Для электродуговых плазмотронов с торцевыми электродами и электродуговых плазмотронов с элекгродами рельсового типа, представлен анализ колебаний напряжения на дуге в зависимости от
изменения расхода плазмообразующего газа и изменения геометрических размеров электродуговой камеры.
1.6. Практическая ценность.
Результаты анализа изменения электрических параметров в зависимости от геометрических размеров электролуговой камеры и изменения расхода плазмообразующего газа на электрические процессы, протекающие в системе, позволили оптимизировать разработку электродуговых плазменных систем переменного тока для определённых условий эксплуатации в составе плазмохимических установок.
Практическая ценность и новизна подтверждаются тем, что на основе предложенных результатов разработаны и исследованы электродуговые плазменные системы переменного тока мощностью до 50 кВт работающие на воздухе в качестве плазмообразующего газа с диапазоном расходов от 1,5 до 30 г/с, предназначенные для плазмохимического реактора по деструкции медицинских отходов и плазмохимического реактора для деструкции жидких токсичных отходов, и усовершенствованы системы питания для электродуговых плазмотронов с электродами рельсового типа мощностью 100 - 500 кВт. А также создана автоматизированная система управления источником питания, позволяющая в реальном времени, по результатам гармонического анализа осциллограмм электрических параметров электродуговой плазменной системы, определять режимы горения дуг (диффузный или контрагированный).
1.7. Вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в создании и исследовании источника питания мощностью до 50 кВт для многофазных высоковольтных плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами, и создания источника питания мощностью до 10 кВт для однофазных высоковольтных плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами
На созданных системах питания проводил эксперименты с разными типами электродуговых плазмотронов переменного тока в качестве нагрузки.
Автором выполнен анализ полученных зависимостей изменения электрических процессов в электродуговой системе от изменения расхода газа и геометрических размеров электродуговой камеры плазмотрона.
Автором проведены эксперименты на экспериментальном источнике питания для многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы.
Также автор принимал непосредственное участие в разработке программного обеспечение и создания автоматической системы управления источником питания для электродугового плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью до 500 кВт.
1.8. Апробация работы
По материалам диссертации сделаны доклады на следующих конференциях:
• ISPC-14, 14th International Symposium on Plasma Chemistry, Plasma Equipment Exhibition, August 2-6,1999, Prague, Czech Republic;
• IV Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 2-10 декабря 1999 г.;
• E-MRS IUMRS ICEM 2000, International conference on electronic materials & European materials research society spring meeting. May 30 - June 2, 2000, Strasbourg, France
• ElectroMed 2001, Second International Symposium on Nonthermal Medical/Biological Treatments Using Electromagnetic Fields Gases, May 20-23, 2001, Portsmouth, Virginia, USA;
• Pulsed Power Plasma Science 2001. The 28th IEEE International Conference on Plasma Scicnce. The 13th IEEE International Conference. June 17-22 2001, Las Vegas, Nevada, USA;
• ICPP 2004, 12th International Congress on Plasma Physics, Nice, France, 28-29 October 2004;
1.9. Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой из них, заключения, списка литературы и приложений. Изложена на страницах машинописного текста, включает-*^ рисунков, g таблиц и списка литературы из /^Наименований.
1.10. Основные положения выносимые на защиту.
1. Результаты исследований зависимости изменения электрических параметров электродугового плазмотрона переменного тока с системой электропитания от изменения расхода плазмообразующего газа и изменения геометрических размеров электродуговой камеры плазмотрона для однофазных и многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами, работающих в диапазоне мощностей от 5 до 50 кВт.
2. Результаты исследований зависимости изменения пульсаций электрических параметров от изменения расхода плазмообразующего газа. Для многофазных электродуговых плазмотронов переменного
тока с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы работающих в диапазоне мощностей 100 - 500 кВт 3. Анализ схем замещения систем электропитания плазмотронов с учётом дуги, как нелинейной нагрузки.
2. Содержание ггассррггапии
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, производится постановка задачи, дана оценка новизны достоверности и практической ценности полученных результатов, сформулированы защищаемые положения.
Первая глава диссертации посвящена обзору плазмохимических технологий и элементам электродуговых плазменных систем. В обзоре представлены различные типы электродуговых плазмотронов постоянного и переменного тока и источники питания. Определены преимущества использования плазменных систем переменного тока. Показано, что для получения требуемых параметров конструкций электродуговых систем в соответствии с требованиями конкретной плазменной технологической установки необходимо проведение большого количества экспериментов, направленных на определение оптимальных значений параметров электродуговой плазменной системы и уточнение граничных условий для теоретических расчётов Для оптимизации систем питания многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с рельсовыми электродами и разработки систем питания для многофазных и однофазных электродуговых плазмотронов с торцевыми электродами необходимо исследовать электрические процессы, протекающие в электродуговой плазменной системе для условий, определяемых конкретным технологическим процессом и определить требования к системам питания. На основании проведённого анализа была поставлена задача: изучить процессы, происходящие в электродуговой плазменной системе при различных условиях работы; выявить влияние изменения расхода плазмообразующего газа и геометрических размеров электродуговой камеры на электрические процессы и дать описание работы плазмотрона, как элемента электрической цепи.
Вторая глава посвящена электроду1 овым плазмотронам переменного тока и системам питания, с которыми проводятся исследования в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН (ИЭЭ РАН).
В настоящее время в ИЭЭ РАН разрабатываются плазменные технологии с использованием двух типов электродуговых плазменных нагрузок, работающих ча переменном токе промышленной частоты 50 Гц-
- электродуговыс многофазные плазмотроны переменного тока с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы, предназначенные для работы на окислительных и инертных средах. Расход рабочего газа варьируется в диапазоне от 10 до 60 г/с. Диапазон мощностей от 100 до 500кВт. КПД представленных мопепей бпттее 70%
- электродуговые многофазные и однофазные высоковольтные плазменные системы переменного тока с торцевыми электродами и дугой горящей в длинном цилиндрическом канале. Эти плазмотроны способных работать на инертных, восстановительных и окислительных средах с диапазоном мощностей от 5 до 50 кВт и диапазоном изменения расхода плазмообразующего газа от 0,5 до 30 г/с., эти плазмотроны имеют ресурс электродов более 200 часов, и отличающиеся устойчивой работой с высоким КПД (до 90%) энерговклада в газ.
Многофазные электродуговые плазмотроны переменного тока с электродами рельсового типа представлены целой серией различных конструкций, имеющих конструктивные отличия и предназначенные для работы с различными диапазонами мощности, но имеющих одинаковый принцип действия. Схема многофазного электродугового плазмотрона переменного тока с трубчатыми электродами и дополнительной инжекцией плазмы представлена на рис.1.
Рис.1 .Схема трехфазного плазмотрона переменного тока.
1 - инжектор; 2 - корпус плазмотрона, 3 - сопло; 4 - электрод.
В основу работы плазмотрона положен принцип электродинамического движения дуг в поле собственного тока (рельсотронный эффект). В камере плазмотронов данного типа одновременно горят две дуги, один электрод является общим катодом либо общим анодом, к этому электроду привязываются дуги с двух других электродов. Инжектор создает в минимальном межэлектродном промежутке поток плазмы с концентрацией элекгронов пс ~ (1013' 1014) - достаточной для плавного зажшания
* -да г • мъ**?-*,^
основных дуг. Общим элекгродом (анодом или катодом) является электрод той фазы, ток через которую равен по модулю сумме токов остальных фаз. Электрическая дуга зажигается в области минимальною межэлектродного промежутка и движется под действием газодинамических и электродинамических сил к торцам электродов, увеличивая свою ллину. Падение напряжения на луге в зависимости от длины дуги может отличаться в 2 - 3 раза для разных периодов осциллограммы напряжения.
Электродуговые многофазные и однофазные высоковольтные плазмотроны переменного тока с торцевыми электродами и дугой горящей в длинном цилиндрическом канале разработаны для технологий, где по сравнению с плазмотронами имеющими электроды рельсового типа расходы, габариты и мощности источников питания требуются меньшие, но необходим сравнимый, с описанными выше плазмотронами, удельный энерговклад в газ. Также однофазные плазмотроны разрабатывались для использования в качестве дополнительного инжектора плазмы для создания концентрации электронов достаточной для плавного зажигания основных дуг в электродуговых плазмотронах с электродами рельсового типа. Схемы однофазного и многофазного высоковольтных электродуговых плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами представлены на рис.2.
Рис.2, а - однофазный высоковольтный плазмотрон переменного тока со стержневыми электродами. Ь - трёхфазный высоковольтный плазмотрон переменного тока со стержневыми электродами. 1- дуговой канал, 2 - электрод.
В основе работы плазмотронов данного типа лежит горение дуги, стабилизированной стенками канала и тангенциальным потоком газа. Метод инициализации дуги - самостоятельный пробой под воздействием приложенного между электродами напряжения. В работе представлены несколько моделей однофазных плазмотронов и две модели трёхфазных плазмотронов.
Для обеспечения устойчивой и надежной работы представленных электродуговых плазмотронов, их источники питания должны обеспечивать надёжное зажигание и устойчивое
а
б
юрение дуг в плазмотроне. 'Гак же система питания не должна вносить искажения в питающую сеть, быть простой в обслуживании и изготовлении, иметь низкую себестоимость. Для исследования электрических процессов для каждого типа плазмотрона был разработан экспериментальный источник питания.
I Гриннипиальная электрическая схема экспериментального источника питания для электродуговых плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы, работающих в диапазоне мощностей от 100 до 500 кВт, представлена на рис.3.
сг
480У 50-60Нг А »---—
и!
1.2
1_3
ъ--ъ-
-V ~
Д-
С1
т 6000У
Рис.3. Схема источника питания трехфазного плазмотрона Слева клеммы подключения к питающей сети (А, В и С), справа - к токовводам электродов плазматрона (сверху) и инжектора (снизу); 1Л - ЬЗ -токоограничивающие реактора; Т - трансформатор питания инжектора; С1 и С2 -компенсатор реактивной мощности инжектора и основных дуг соответственно.
Система питания состоит из токоограничивающих индуктивностсй, источника питания для высоковольтного однофазного плазмотрона переменного гока с торцевыми электродами, сильноточной коммутационной аппаратуры, схемы компенсации реактивной мощности и автоматики системы управления. Технические характеристики системы питания: напряжение питающей сети 480520 В; напряжение холостого хода источника питания 480 - 520 В; коэффициент мощности системы 0.3...0.7; номинальный рабочий ток при падении напряжения на реакторе 190 В: 500, 700, 1000, 1500 А в зависимости от коммутации перемычек. Напряжете первичной обмотки трансформатора инжектора 480 В, напряжение вторичной обмотки трансформатора инжектора (холостой ход) 6000 В, Ток первичной обмотки 110 А, ток вторичной обмотки 7 А. Для электропитания однофазных высоковольтных плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами, работающих в диапазоне мощностей до 10 кВт разрабоганы и проводятся исследования двух типов источников питания. Первый тип источника построен на базе повышающего трансформатора с большой собственной индуктивностью обмоток (трансформатор сварочного типа), электрическая принципиальная схема которого предс!авлена на рис.4.
о
С
К п/юзмотрону 6000В
о
Г с ] 1
—о
Рис. 4. Электрическая принципиальная схема системы питания однофазного высоковольтного плазмотрона переменного тока с торцевыми электродами. Т -повышающий трансформатор, С - конденсаторная батарея для компенсации реактивной мощности.
Второй тип источника построен на основе повышающего трансформатора в цепь обмотки низкого напряжения, которого включён токоограничиваюгций реактор. Параметры источников питания, используемых в настоящее время: напряжение холостого хода 6000В; ток короткого замыкания может изменятся от 3 доЮ А; питающее напряжения первичной обмотки 480В; ток первичной обмотки до 160 А; не скомпенсированного источника питания изменяется от 0,2 до 0,5.
Для исследования трёхфазных высоковольтных плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами, как электродуговой нагрузки разработан экспериментальный вариант источника питания. Принципиальная электрическая схема представлена на рис.5.
380V 50-60Нг
В представленном источнике питания используется промышленный трансформатор ТМ250: напряжение первичной обмотки 380В; напряжение вторичной обмотки 6000В. Для обеспечения падающей ВАХ и номинального тока обмоток трансформатора, в цепь
Плазмотрон
-11-41-С
Рис.5. Схема источника питания трехфазного плазмотрона. А, В и С клеммы подключения к питающей сети, 1Л - О -токоограничивающие реактора; Т - повышающий трансформатор; С-компенсатор реактивной мощности.
первичной обмотки трансформатора включены токоограничивающие реактора. Для обеспечения сомр 1, параллельно системе питания подключен компенсатор реактивной мощности.
Характеристики источника питания: ток короткого замыкания первичной обмотки 22 или 35 Л, может регулироваться путём и -I \< ! |_ч 111и ичдх/ктивности токоог^аничиввющих ре?.кторов; ток вторичной обмотки 300, 400 А; напряжение холостого хода вторичной обмотки 6000В при напряжении первичной обмотки 380 В; соъ<р не скомпенсированного источника питания 0,3. Третья глава диссертационной работы посвящена анализу электрических процессов, происходящих в системе «Источник питания - электродуговой плазмотрон переменного тока». Для анализа были проведены эксперименты, в результате которых получены осциллограммы токов и падений напряжений на дугах. Эксперименты проводились на следующих системах:
1 — Однофазный высоковольтный плазмотрон переменного тока с торцевыми электродами и его источник питания. Проведены эксперименты на двух моделях плазмотронов с длинами дуговых каналов 130 мм и 230 мм. Характеристики экспериментального источника питания: ток короткого замыкания 7 А; напряжение холостого хода 6000 В; частота питающей сети 50 Гц. Рабочий диапазон расходов газа определённый экспериментальным путём из условия стабильной работы плазмотрона для модели с длинной канала 130 мм составляет от 1 до 3,5 грамм в секунду, а для модели с каналом длинной 230 мм от 1 до 6 грамм в секунду.
2 - Трёхфазный высоковольтный плазмотрон переменного тока с торцевыми электродами и его источник питания. Проведены эксперименты на двух моделях плазмотронов с длинами дуговых каналов 175 мм и 280 мм соответственно. Характеристики экспериментального источника питания: ток короткого замыкания 22 А; напряжение холостого хода 6000 В; частота питающей сети 50 Гц. Расход газа для плазмотрона с длиной канала 280 мм изменялся от 2 до 24 грамм в секунду. Расход газа для плазмотрона с длиной канала 175мм изменялся от 2 до 10 грамм в секунду
3-Эле ктродуговой трёхфазный плазмотрон переменного тока с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы и его источник питания.
Характеристики экспериментального источника питания: ток короткого замыкания 500А; напряжение холостого хода 480В; частота питающей сети 50 Гц. Расход газа варьировался в диапазоне от 10 до 45 г/с.
В результате анализа проведённых экспериментов для вышеописанных плазменных систем были сделаны следующие выводы.
Однофазные и многофазные электродуговые высоковолы ные плазмотроны имеют схожий принцип работы, поэтому выводы справедливы для обоих типов плазмотронов.
Изменение расхода газа оказывает следующее влияние на изменение электрических параметров. С увеличением расхода газа в рабочем диапазоне расходов паление напряжения на луге увеличивается рис.6., ток дуги уменьшается.
Рис.6. Зависимости падения напряжения на дуге от изменения расхода плазмообразующего газа для многофазного высоковольтного плазмотрона с торцевыми электродами. График 1 - длинна дугового канала 175 мм , график 2-длинна дугового канала 280 мм
При одинаковых расходах плазмообразующего газа, в рассматриваемом диапазоне, падение напряжения и соответственно мощность у плазмотрона с длинными каналами выше, чем у плазмотрона с короткими каналами. Форма осциллограмм напряжения отличается от синусоиды, причём с увеличением расхода газа искажения формы кривых возрастают, колебания падения напряжения на дуге увеличиваются. Форма кривой осциллограммы тока от изменения расхода газа зависит мало, хотя с увеличением расхода газа появляются колебания с частотой ниже частоты питающей сети. Из анализа осциллограмм плазмотронов обеих серий видно, что с увеличением расхода газа у плазмотронов с короткими каналами искажения формы кривой напряжения возрастают гораздо быстрее, чем у плазмотронов с длинными каналами, чему соответствует вид графика изменения коэффициента искажений от расхода газа рис.7. Коэффициент искажений отражает отклонение исследуемой кривой от её 1-й гармонической составляющей, вычисляется по следующей формуле
---------Л —(1)
где Ао, А], А 2 амплитуды соответствующих гармонических составляющих.
0 996-,
0,990 -
0.985 -
>5
К X 0,980 -
<и
X 0,975 -
Ы!
и 0,970 -
Е 0,965-
а> 0,960-
3"
■е- 0 955-
& 03 0,950-
о
ы 0 945-
0,940-
Рис.7. Зависимости коэффициента искажений формы осциллограммы падения напряжения на дуге для многофазного высоковольтного плазмотрона с торцевыми электродами от изменения расхода плазмообразующего газа. График 1 - длинна дугового канала 175 мм, график 2- длинна дугового канала 280 мм
Анализ осциллотрамм плазмотрона с электродами рельсового типа показал, что в осциллограммах тока и напряжения присутствуют колебания с частотой отличной от частоты питающей сети, амплитуды и частоты которых зависят от расхода плазмообразующего газа. В осциллограммах тока наблюдались колебания с частотами лежащими в диапазоне от 0 (постоянная составляющая) до 3-й гармонической. Изменение расхода газа от минимального 10 г/с до максимального 45 г/с приводит к увеличению постоянной составляющей, также увеличиваются амплитуды колебаний лежащих в диапазоне от 0 до 50 Гц. В осциллограммах напряжения присутствуют колебания широкого спектра лежащие в диапазоне частот от 0 до 450 Гц . При увеличении расхода газа от минимального к максимальному происходит увеличение амплитуд этих колебаний, также при увеличении расхода газа наблюдается появление колебаний с частотой 100 Гц.
В главе поведён анализ причин возникновения колебаний, и сделаны выводы о том, что за колебания электрической дуга отвечают газодинамические процессы внутри электродуговой камеры и процессы движения дуг по поверхности электродов.
Четвёртая глава посвящена описанию электрических процессов в электродуговых плазменных системах, разработке электрических схем замещения, анализу возможных моделей электрической дуги с точки зрения дуги как нагрузки, расчету элементов систем питания.
Для электродуговых плазменных сисием на основе элекгродуговых плазмотронов с электродами рельсового типа с учётом возможных упрощений и того, что в каждый момент времени внутри плазмотрона горят только две дуги, причём общим анодом или общим катодом двух дуг в любой момент времени является электрод той фазы, ток в которой по абсолютной величине превышает токи двух других фаз, мгновенная схема замещения электродуговой системы может быгь представлена в виде рис.8, где электродуговой плазмотрон описывается нагрузкой соединённой по схеме несиммегричная звезда.
Рис.8 Схема замещения электродугового плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа и системой электропитания с учетом всех упрощений. Общим электродом является электрод фазы Ь.
Уравнения электрической цепи в каждый момент времени имеют вид:
"abf«> = (W) + rl) 'а'*' 1 L >(«> - L ^b(') - r1 Ъ«>
dt dt (2)
"bcfW = 'b(t) • L ^b(t) L lc(t) (rbc(t) + r,) Ic(t)
dt dt (3)
'a + 'b + 'с = " (4)
где Uabf, ubcf, iw - напряжения источников питания (напряжение сети), Гаь, гЬс, гса - сопротивления дуг, п-сопротивления участков цепи питания (подводящих проводов, обмоток реакторов), L -индуктивности токоограничивающих реакторов, ia, ih, ic - линейные токи. Мгновенная мощность, выделяющаяся в плазмотроне вычисляется с учётом специфики горения дуг.
Омегам ~ ^ + Р> ^
где Р] и Р2 мощности, выделяющиеся в дугах.
В многофазном высоковольтном плазмотроне переменного тока с торцевыми электродами и источником питания, представленным на рис.5 Также как и в электродуговых плазмотронах с электродами рельсовою типа в каждый момент времени существует либо 2 катода
и анод, либо 2 анода и катод, и поэтому справедливы все выводы и предположения, сделанные для электродугового плазмотрона с электродами рельсового типа. Определено, что многофазный высоковольтный плазмотрон переменного тока с торцевыми электродами в рассматриваемом рабочем диапазоне расхода плазмообразутотпего газа может рассматриваться как симметричная соединённая звездой нагрузка. Если пренебречь собственной индуктивностью дуг, токами утечки, емкостью в подводящих проводах и в обмотках реакторов и трансформатора, то для анализа электрических процессов можно рассматривать однофазную схему аналогичную схеме замещения однофазного высоковольтного плазмотрона переменного тока.
Мощность трёхфазного электродугового плазмотрона переменного тока с торцевыми электродами в общем случае может быть вычислена по формуле.
я = „/„««<-/> , (6)
где им и 1Л действующие значения линейных токов и напряжений Если пренебречь индуктивностью дуги и считать плазмотрон чисто активной нагрузкой то активная мощность
р=4зим1м (7)
Мгновенная мощность вычисляется по следующей формуле:
Р = »*Ь+"ьсЧ/ (8)
1де токи и напряжения соответствующие измеренные мгновенные значения токов и напряжений.
Схема замещения системы электропитания однофазной дуги переменного тока представлена на рис.9.
П L
Рис.9. Здесь Uf - напряжение источника питания (напряжение вторичной обмотки трансформатора), i - ток в цепи дуги, U - напряжение на дуге, г -сопротивление дуги, rj - сопротивление цепи питания (подводящих проводов, обмотки трансформа! opa), L - индуктивность цепи питания.
Уравнение электрической цепи, которой соответствует приведенная на рис.9, схема замещения, имеет вид:
и^^ + г^ + ь*, (9)
ш
где сопротивление пуги г - переменное
Мощность однофазного высоковольтного плазмотрона переменного тока с торцевыми электродами
Р - иЛ1Л соэ^ (10)
где и л и 1Л действующие значения линейных токов и напряжений. Если считать плазмотрон активной нагрузкой то активная мощность равна
Р-ил1м (И)
Значение мгновенной мощности
Р = ид'д> (12)
где ид - падение напряжения на дуге ¡д - ток дуги. После проведения анализа распространённых моделей электрических дуг были сделаны следующие выводы:
Моделирование дуги трёхфазного электродугового плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа затруднено, так как невозможно определить в каждый момент времени геометрические размеры дуг, положение дуг в пространстве, влияттие дуг друг на друга. Для высоковольтных электродуговых плазмотронов с электродами торцевого типа ситуация упрощается, поскольку можно сделать предположение, что при работе с постоянным расходом газа и постоянных других внешних условиях, плазмотрон является симметричной нагрузкой. И можно использовать модели дуги, основанные на уравнении теплового баланса.
Ю-^-Р, (13)
Л
где О — теплосодержание, ¥иР — мощности тепловыделения и теплоотвода. Для анализа электрических процессов внутри электродуговых систем и разработки источников питания электрическая дуга рассматривается как единое целое (включающее столб дуги и приэлектродные области), и параметром дуги как элемента электрической цепи является ее сопротивление "от электрода до электрода". Сопротивление электрической дуги является нелинейной функцией переменных состояния. Ряд авторов указывает на возможность представления сопротивления дуги, длина которой постоянна, однозначной и монотонной функцией ее теплосодержания,
-ПО)- (13)
Одним из возможных способов аппроксимации этой функции является использование экспоненциальной зависимости:
£
^(0 - V % (14)
гдеИ0и(30- константы.
Для разработки систем питания при известных условиях эксплуатации плазменной системы достаточно знать зависимость нч1ш*ирниу электрических п?р?метров дуги от изменения интересующих параметров, в данном случае сопротивления от изменения расхода плазмообразующего газа и геометрических размеров электродуговой камеры. На основании проведённых экспериментов построены зависимости изменения сопротивления дуги от расхода газа для различных электродуговых плазмотронов рис.10.
Я Он
Рис. 10 . Изменение сопротивления дуги в зависимости от расхода газа для однофазного электродугового плазмотрона перемешюго тока с торцевыми электродами. Кривая 1 соответствует длине канала 320 мм, кривая 2 соответствует длине канала 130 мм.
При расчёте основных элементов системы питания основными параметрами, которые надо рассчитать и выбрать, являются напряжение холостого хода вторичной обмотки трансформатора, мощность трансформатора, номинальный ток дросселя, индуктивное сопротивление дросселя, мощность и количество ступеней компенсатора реактивной мощности.
Для многофазных плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами напряжения холостого хода выбирается исходя из следующих условий:
-напряжение холостого хода должно быть достаточным для самостоятельного пробоя минимального межэлектродного расстояния во всём рабочем диапазоне плазмообразующего газа.
-напряжение холостого хода источника питания для электродугового плазмотрона с определённой геометрией электроразрядной камеры должно выбираться таким, чтобы во всём рабочем диапазоне расходов плазмообразующего газа для падения
напряжения на дуге выполнялось условие непрерывного(без токовых пауз) горения дуги ^ 0,53.
^источника
Для многофазных плазмотронов переменного тока с расходящимися рельсовыми электродами и инжектором,
обйСПС'КйиЮлДИМ К0НЦ£1ГГр21"?Ю НОСИТ0 тли о ил*/
межэлектродном зазоре достаточную, для зажигания дуги и плавным (без пауз) переходом тока через 0. Максимальное значение падения напряжения на дуге определяется напряжением холостого хода источника питания и падением напряжения на токоограничивающей индуктивности. Напряжение холостого хода трансформатора выбирается исходя из условия устойчивой работы плазмотрона без токовых пауз (стабильная инициализация дуги в минимальном межэлектродном промежутке) при работающем инжекторе.
Пятая глава работы посвящена применению электродуговых плазменных систем мощностью от 5 до 500 кВт.
Основными характеристиками, которые влияют на возможность применения плазмотрона в той или иной области являются: удельный энерговклад в плазмообразующий газ; диапазон расходов газа; пульсации плазменной струи, также для технологий где необходим максимальный энерговклад при минимальном расходе газа важнейшей характеристикой является минимально возможный рабочий расход газа. Исследованные плазмотроны работают в широком диапазоне энерговклада в газ рис.11. который составляет
рис 11. Удельный энерговклад в газ в зависимости от расхода газа. 1-однофазный высоковольтный плазмотрон длина канала 130мм, 2- однофазный высоковольтный плазмотрон длина канала 230мм, 3- многофазный высоковольтный плазмотрон длина канала 175мм ,4 - многофазный высоковольтный плазмогрон длина канала 280мм , 5-многафазный злектродуговой плазмотрон с электродами рельсового типа, ток источника 700А, 6-многофазный электродуговой плазмотрон с электродами рельсовою шла, юк источника 1000А.
от 11 МДж/кг при расходе 2 г/с у многофазных электродуговых
плазмотронов с торцевыми электродами, до 12 МДж/кг при расходе
20 г/с у многофазных плазмотронов с электродами рельсового типа,
что позяопяет ппи необхоттмогга т,тбпять ппязмптпптт ттптт ' 1 ' » 1 "
конкретное применение.
Плазмотроны данного типа применялись на разработанной в ИЭЭ РАН установке для уничтожения жидких юксичных отходов и в составе установки для переработки бытовых и медицинских отходов.
3. Заключение
В результате проведённых исследований для однофазных и многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами, работающих в диапазоне мощностей от 5 до 50 кВт и диапазоном расхода газа от 1 до 30 г/с, и многофазными элсктродуговыми плазмотронами переменного тока с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы, работающих в диапазоне мощностей от 100 до 500 кВт и диапазоном расхода газа от 10 до 60 г/с, установлены зависимости изменения электрических параметров от изменения расхода плазмообразующего газа.
1. В зависимости от расхода газа в описанных плазмотронах возможны два режима горения дуга: диффузный и контрагированный. Диффузный режим работы наблюдается при расходах газа близких к минимальному 1 г/с для однофазных и 2 г/с ,для многофазных
высоковольтных плазмотронов с торцевыми электродами, и 10 -12 г/с для электродуговых плазмотронов с электродами рельсового типа.
2. Для высоковольтных плазмотронов с торцевыми электродами увеличение расхода газа от минимального к максимальному приводит: к увеличению падения напряжения на дуге; к контракции дуги; к усилению пульсации плазменной струи на выходе плазмотрона, что приводит к пульсациям тока и напряжения внутри электродуговой плазменной системы с час готами, как выше основной гармонической, так и ниже. Низкочастотные колебания тока возникают при работе плазмотрона с расходом плазмообразующего газа близком к максимальному (6 г/с для однофазных и 30 г/с для многофазных плазмотронов) и являются не желательными, так как влияют на питающую сеть, и для устранения влияния низкочастотных колебаний требуется установка дополнительных фильтров.
3. Для высоковольтных электро дуговых плазмотронов с торцевыми электродами определены зависимости электрических параметров от геометрических размеров электродуговой камеры. Выявлено, что электродуговые плазмотроны с более длинными разрядными
камерами при работе от одинаковых источников питания, устойчиво работают в большем диапазоне расходов газа, и с большей мощностью, чем аналогичные плазмотроны с меньшей длинной разрядной камеры.
4. Для многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа работающих в диапазоне мощностей 100 - 500 кВт определено, что с увеличением расхода газа от минимального к максимальному, в осциллограммах тока и напряжения возникают пульсации с частотами, как выше основной гармонической (от 50 до 450 Гц), так и ниже (от 0 до 15 Гц). Возникноветгие пульсаций с частотой ниже частоты питающей сети обусловлено процессами коммутации и изменения геометрических размеров дуги вследствие движения дуг по расходящимся электродам. За возникновение пульсаций с частотами выше частоты питающей сети отвечают в основном процессы, связанные с колебаниями дугового столба под воздействием газодинамических сил. За возникновение колебаний с частотой 100 Гц отвечает работа однофазного плазмотрона инжектора.
5. Низкочастотные колебания тока негативно влияют на качество напряжения питающей сети, что требует подключение дополнительных фильтров к схеме источника питания.
6. На основании результатов анализа процессов внуфи электродуговых камер исследованы схемы замещения систем питания с учётом дуги, как нелинейной нагрузки.
7. На основании результатов проведённых исследований для разработанных плазменных технологий с учётом конкретных условий эксплуатации (выбрап электродуговой плазмотрон и определен диапазон расходов газа) созданы и исследованы следующие источники питания: трёхфазный мощностью 50 кВт, для трехфазного высоковольтного плазмотрона с торцевыми электродами, однофазный мощностью 10 кВт для однофазного высоковольтного плазмотрона с торцевыми электродами. Для источника питания многофазного электродугового плазмотрона с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 500 кВт, разработана и создана автоматизированная система управления. Разработано программное обеспечение, позволяющее в реальном времени оценивать электрические параметры электродуговой плазменной системы.
4. Публикации
1. Попов С.Д., Степанов И.В., Суров А.В., Система сбора информации и управления плазмотронами, III Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов. 4-11 декабря 1998 года. Доклады и тезисы участпиков ассамблеи.
2. Попов С.Д., Степанов И.В., Суров А.В., Автоматическая система управления плазмотронами, IV Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 2-10 декабря 1999 года. Тезисы докладов.
3. Попов С.Д., Степанов И.В., Суров А.В., Комплексная автоматизированная система управления испытательным стендом мощных генераторов низкотемпературной плазмы, IV Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 2-10 декабря 1999 года. Тезисы докладов.
4. "Plasma Furnace for Treatment of Solid Toxic Wastes", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bratsev, V.E.Popov, S.D.Popov, A.V.Surov, MCaplan, The European Materials Conference. Book of Abstract E-MRS. ICEM-2000 Strasbourg (May 30 - June 2, 2000) Symposium A.TPP-6 Thermal Plasma Processes, стр.А-18, A-5, (2000)
5. "Multi phase AC Plasma Generators", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, V.N.Shiryaev, V.E.Kuznetsov, A.V.Surov, S.D.Popov, IEEE Conference Record Abstract 01.CH37255, PPPS-2001, PULSED POWER PLASMA SCIENCE 2001. The 28lh IEEE International Conference on Plasma Science. The 13ш IEEE International Conference. June 17-22, 2001, Las Vegas, Nevada, USA, P1A03 p. 164. (2001)
6. "Plasma Technologies Of Solid And Liquid Toxic Waste Desinfection", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bratsev, V.N.Shiryaev, V.E.Popov, S.D.Popov, A.V.Surov, IEEE Conference Record Abstract 01.CH37255, PPPS-2001, PULSED POWER PLASMA SCIENCE 2001. The 28th IEEE International Conference on Plasma Science. The 13th IEEE International Conference. June 17-22, 2001, Las Vegas, Nevada, USA, P2H37 p.324 (2001).
7. "Research of Erosion of Water Cooling Electrodes of Powerful AC Plasma Generation", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, V.E.Kuznetsov, S.D.Popov, A.V.Surov, Progress in Plasma Processingof Materials 2001. Editor Pierre Fauchais. Libraiy of Congress Cataloging in Publication Data 2001 by Begell House Inc. ISBN 1-56700-165-3 Printed in the USA 1234567890, pp. 229-234, (2001)
8. "Plasma Furnace for Treatment of Solid Toxic Wastes", Ph G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N Bratsev, V E Popov, S D.Popov, A.V.Surov, V.V.Shegolev, M.Caplart, Progress in Plasma
I 23
Processing of Materials 2001. Editor Pierre Fauchais. Library of Congress Cataloging in Publication Data 2001 by Begcll House Inc. ISBN 1-56700-165-3 Printed in the USA 1234567890, pp. 745-750, (2001)
9. "Сравнительные характеристики материалов для изготовления электродов для однофазного плазмотгч?на петлемен11г*т"г* T/wa " В.Е. Кузнецов, Г.В. Наконечный, А.В. Никонов, С.Д. Попов, г А.В. Суров. Материалы всероссийской научной конференции
по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001. Т2. с. 190193. Петрозаводск. Петрозаводский государственный университет 2001г. ISBN 5-8021-0016-8
Ю."Плазмохимическое обезвреживание твёрдых и жидких токсичных отходов". В.Е. Кузнецов, Р.В. Овчинников, В.Е. Попов, С.Д. Попов, А.В. Суров. Материалы всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001. Т2. с.214-217. Петрозаводск. Петрозаводский государственный университет 2001г. ISBN 5-8021-0016-8
П.Кузнецов B.L., Дашкевич В.А., Попов В.Е., Попов С.Д., Метод плазменного уничтожения опасных медицинских отходов., Российская академия наук. "Региональная экология". №3-4(17) 2001. С.60-64.
12."Investigation of Voltage and Current Variations in a Multiphase AC Electric Arc System", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, S.D.Popov, A.V.Surov, G.V.Nakonechny, 12th International Congress on Plasma Physics, Book of Abstracts, ICPP 2004 Nice France, 28-29 October 2004. p. 106 (2004)
13."Multiphase Stationary Plasma Generators Working on Oxidizing Media", Ph. G. Rutberg, A. A. Safronov, S. D. Popov, A.V. Surov, Gh. V. Nakonechny, Plasma Physics and Controlled Fusion, v.47, p. 1681-1696,2005,(2005)
I»
t
Подписано в печать «___»_2005
Формат 60x90 1/16. Тираж 100 экз Заказ №_
Отпечатано в типографии СПГУТД. Санкт-Петербург, ул. Моховая, 26
РНБ Русский фонд
2006-4 22583
Введение
Оглавление
1. Обзор электродуговых плазменных систем 10 1.1. Общая характеристика состояния применения электродуговых плазменных систем
1.2.0бзор электродуговых плазменных систем.
1.2.1. Однофазные плазмотроны переменного тока
1.2.2. Однодуговые плазмотроны постоянного тока.
1.2.3. Обзор многодуговых плазмотронов.
1.2.3.1. Многокамерные плазмотроны переменного тока.
1.2.3.2. Однокамерные плазмотроны переменного тока.
1.2.3.3. Многодуговые плазмотроны постоянного тока.
1.3.Источники питания электродуговых плазменных систем.
1.3.1. Источники питания для плазмотронов постоянного тока.
1.3.2. Источники питания электродуговых плазмотронов переменного тока.
1.4. Выводы
2. Описание электродуговых систем как электрической нагрузки
2.1. Описание электродуговых плазмотронов переменного тока.
2.2.Разработка и исследование систем питания.
2.3. Выводы
3. Анализ процессов, происходящих в системе «Источник питания — электродуговой плазмотрон переменного тока».
3.1. Исследование электродуговой системы, включающей в себя в качестве нагрузки однофазный высоковольтный плазмотрон переменного тока с торцевыми электродами. 50 3.1.1 Обсуждение экспериментов. "
3.2. Исследование электродуговой системы, включающей в себя в качестве нагрузки трёхфазный высоковольтный плазмотрон переменного тока с торцевыми электродами.
3.2.1 .Обсуждение результатов.
3.2.2. Анализ полученных результатов с точки зрения плазмотрона как нагрузки для системы питания.
3.3. Исследование электродуговой системы, включающей в себя как нагрузку многофазный электродуговой плазмотрон с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы.
3.3.1.Анализ полученных результатов при рассмотрении плазмотрона как нагрузки.
3.4. Выводы
4. Анализ электрических процессов в электродуговой плазменной системе. Расчёт элементов системы питания.
4.1. Описание электрических процессов, происходящих в системе "Электродуговой плазмотрон переменного тока - источник питания"
4.2.Модели электрической дуги как электрической нагрузки.
4.3.Рассчёт элементов системы питания для многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока.
4.4. Выводы
5. Применение 99 5.1 .Внешние характеристики электродуговых плазмотронов переменного тока.
5.2,Область применения
5.3. Выводы
Актуальность. Диссертационная работа посвящена решению задачи разработки электродуговых плазмотронов переменного тока с источниками питания (в дальнейшем электродуговая плазменная система), имеющей большое значение для развития плазменных технологий.
К настоящему времени накоплен большой опыт по созданию как электродуговых плазмотронов постоянного и переменного тока, так и плазменных технологий на основе электродуговых плазмотронов. Как показывает практика, в теоретических расчётах нельзя учесть все процессы, происходящие в электродуговой системе, состоящей из плазмотрона и его источника электропитания, а это электрические, химические, газодинамические, тепловые, приэлектродные процессы и процессы, протекающие в столбе дуги. Поэтому для получения оптимальных параметров, создаваемых под конкретную плазменную технологическую установку электродуговых систем, необходимо проводить большое количество экспериментов.
Объектом исследования в рамках данной работы являлась электродуговая плазменная система, состоящая из электродугового плазмотрона переменного тока и его источника электропитания.
Предметом проведённых исследований стало изучение изменения электрических параметров электродуговой плазменной системы при изменении внешних условий, таких как расход плазмообразующего газа и геометрические размеры электроразрядной камеры.
Данная работа проводилась в рамках создания и изучения электродуговых плазмотронов и систем электропитания для серии опытных плазмохимических установок.
Цель работы — изучение электрических процессов в электродутовых плазмотронах переменного тока и их источниках питания для разработки и совершенствования электродуговых плазменных систем переменного тока.
Работы проводились с электродуговыми системами, содержащими в своём составе плазмотроны с торцевыми электродами мощностью до 50 кВт, и с электродуговыми плазменными системами, включающими в себя электродуговые плазмотроны с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 500 кВт.
Для достижения поставленной цели для электродуговых плазменных систем на основе плазмотронов с торцевыми электродами необходимо определить влияние геометрических размеров электродуговой камеры и изменения расхода плазмообразующего газа на электрические процессы, протекающие внутри системы, и определить области устойчивой работы плазмотронов с учётом характеристик источника энергопитания. Для электродуговых плазменных систем на основе плазмотронов с электродами рельсового типа необходимо определить влияние изменения расхода плазмообразующего газа на электрические процессы.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были разработаны источники питания, на которых проведены экспериментальные исследования с различными электродуговыми плазмотронами переменного тока. В процессе экспериментов производилось осциллографирование электрических параметров при различных расходах газа и геометрических размерах разрядной камеры. По полученным осциллограммам рассчитывались действующие значения токов и падения напряжений на дугах, а также мощность и КПД плазмотрона. Для анализа колебаний токов и напряжений проводилась обработка полученных осциллограмм на компьютере методами гармонического анализа. Для определения физических параметров в разрядной камере проводилась высокоскоростная видеосъемка. Для определения оптимальных режимов работы плазмотронов использовался метод экспертных оценок.
Научная новизна. В результате проделанной работы для однофазных и многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами и систем их электропитания, работающих в диапазоне щ мощностей от 5 до 50 кВт и расходом плазмообразующего газа от 1 до 30 г/с, определены:
- зависимости изменения электрических параметров от изменения расхода плазмообразующего газа;
- зависимость электрических параметров от геометрических размеров электродуговой камеры.
Для многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, работающих в диапазоне мощностей 100 — 500 кВт, определены зависимости изменения колебаний кривых тока и напряжения от расхода плазмообразующего газа.
Для обоих типов плазменных систем проведён анализ электрических процессов, даны объяснения параметров пульсаций токов и напряжений с частотами выше и ниже, чем частота питающей сети. * По результатам анализа электрических процессов представлены схемы замещения плазмотронов и систем питания с учётом дуги как нелинейной нагрузки.
Для электродуговых плазмотронов с торцевыми электродами предложен метод определения режима горения дуги в плазмотроне (контрагированный или диффузный) на основании результатов гармонического анализа осциллограмм тока и напряжения.
Достоверность полученных результатов подтверждается повторяемостью многократных экспериментов и расчётами.
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты анализа изменения электрических параметров электродуговой системы в зависимости от геометрических размеров электродуговой камеры и расхода плазмообразующего газа позволяют оптимизировать разработку электродуговых плазменных систем переменного тока для определённых условий эксплуатации. А метод определения режимов работы электродуговой « плазменной системы на основании результатов гармонического анализа позволяет упростить диагностику работы плазмотрона при использовании его в составе плазмохимического реактора.
Практическая ценность и новизна подтверждаются тем, что на основе предложенных результатов разработаны и созданы источники питания переменного тока мощностью до 50 кВт, предназначенные для электродуговых плазмотронов, работающих на воздухе в качестве плазмообразующего газа, с диапазоном расходов от 1,5 до 30 г/с и предназначенных для плазмохимических реакторов по деструкции медицинских отходов и деструкции жидких токсичных отходов. Результаты анализа электрических процессов в электродуговой плазменной системе и представленные схемы замещения систем питания с учётом дуги как нелинейной нагрузки были использованы для разработки программного обеспечения автоматической системы управления источником питания электродуговой плазменной системы мощностью до 500 кВт.
Вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в создании и исследовании источника питания мощностью до 50 кВт для многофазных высоковольтных плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами и создании источника питания мощностью до 10 кВт для однофазных высоковольтных плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами На созданных системах питания проводил эксперименты с разными типами электродуговых плазмотронов переменного тока в качестве нагрузки.
Автором выполнен анализ полученных зависимостей изменения электрических процессов в электродуговой системе от изменения расхода газа и геометрических размеров электродуговой камеры плазмотрона.
Автором проведены эксперименты на экспериментальном источнике питания для многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы.
Также автор принимал непосредственное участие в разработке программного обеспечение и создания автоматической системы управления источником питания для электродугового плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью до 500 кВт.
Апробация работы По материалам диссертации сделаны доклады на следующих конференциях:
• III Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 4-14 декабря 1998 г.;
• IV Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 2-10 декабря 1999 г.;
• E-MRS IUMRS ICEM 2000, International conference on electronic materials & European materials research society spring meeting, May 30 - June 2, 2000, Strasbourg, France.
• Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001, Петрозаводск, 1-7 июля 2001 г.
• Pulsed Power Plasma Science 2001. The 28th IEEE International Conference on Plasma Science. The 13th IEEE International Conference. June 17-22 2001, Las Vegas, Nevada, USA.
• ICPP 2004, 12th International Congress on Plasma Physics, Nice, France, 28-29 October 2004.
Основные положения выносимые на защиту.
1. Результаты исследований зависимости изменения электрических параметров электродугового плазмотрона переменного тока с системой электропитания от изменения расхода плазмообразующего газа и изменения геометрических размеров электродуговой камеры плазмотрона для однофазных и многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами, работающих в диапазоне мощностей от 5 до 50 кВт.
2. Результаты исследований зависимости изменения пульсаций электрических параметров от изменения расхода плазмообразующего газа, для многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы, работающих в диапазоне мощностей 100 - 500 кВт
3. Анализ схем замещения систем электропитания плазмотронов с учётом дуги как нелинейной нагрузки.
5.3. Выводы
1. Описанные системы могут работать в широком диапазоне мощностей и расходов газа. Теплосодержание газа может изменяться от 2 до 11 МДж/кг.
2. Мгновенная мощность представленных плазмотронов содержит пульсации которые могут иметь как положительное, так и отрицательное влияние.
3. Плазмотроны переменного тока целесообразно использовать в таких технологических процессах, где требуется создание равномерных температурных полей во всем объеме реактора и где требуется обеспечить заданное время пребывания компонентов в зоне реакции.
4. Исследуемые ИЭЭ РАН плазмотроны переменного тока с широким диапазоном мощностей от 5 кВт до 500 кВт, работающие на воздухе и окислительных средах, с возможностью изменения расходов плазмообразующего газа, предпочтительны для использования в технологических процессах плазмохимической переработки отходов. Они легко вписываются в различные технологические схемы переработки отходов, устойчиво работают в длительных режимах на заданных параметрах.
Описанные в работе плазменные системы применяются в разрабатываемых в ИЭЭ РАН плазмохимических технологиях уничтожения медицинских отходов и установке для плазменной переработки жидких токсичных отходов. Также описанные многофазные электродуговые плазмотроны переменного тока с трубчатыми электродами используются в настоящее время в составе плазмохимических установок компании PIT inc США. на Тайване.
Заключение
Основными устройствами всех плазменных технологий переработки отходов являются генераторы плазмы (плазмотроны). В настоящее время успешно развиваются и конкурируют между собой два типа плазмотронов: постоянного и переменного тока.
Плазмотроны переменного тока целесообразно использовать в таких технологических процессах, в которых требуется создание равномерных температурных полей во всем объеме реактора и где требуется обеспечить заданное время пребывания компонентов в зоне реакции. Разработанные в ИЭЭ РАН плазмотроны переменного тока с широким диапазоном мощностей от 5 кВт до 500 кВт, работающие на воздухе и окислительных средах, с возможностью изменения расходов плазмообразующего газа в широком диапазоне, предпочтительны для использования в технологических процессах. Они легко вписываются в различные технологические схемы переработки отходов, устойчиво работают в длительных режимах на заданных параметрах.
В результате проведённых исследований для однофазных и многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами, работающих в диапазоне мощностей от 5 до 50 кВт и диапазоном расхода газа от 1 до 30 г/с, и многофазными электродуговыми плазмотронами переменного тока с электродами рельсового типа и дополнительной инжекцией плазмы, работающих в диапазоне мощностей от 100 до 500 кВт и диапазоном расхода газа от 10 до 60 г/с, сделано следующее:
1.Показано, что в зависимости от расхода газа в описанных плазмотронах возможны два режима горения дуги: диффузный и контрагированный. Диффузный режим работы наблюдается при минимальных расходах газа из рассматриваемого рабочего диапазона, который составляет для однофазных плазмотронов с торцевыми электродами мощностью до 10 кВт 1 г/с, и 2 г/с для многофазных высоковольтных плазмотронов с торцевыми электродами мощностью до 50 кВт.
2. Определено, что для высоковольтных плазмотронов с торцевыми электродами увеличение расхода газа от минимального к максимальному приводит: к увеличению падения напряжения на дуге; к контракции дуги; к усилению пульсации плазменной струи на выходе плазмотрона, что приводит к пульсациям тока и напряжения внутри электродуговой плазменной системы с частотами как выше основной гармонической, так и ниже. Низкочастотные колебания тока (до 50 Гц) возникают при работе плазмотрона с расходом плазмообразующего газа близком к максимальному (6 г/с для однофазных и 30 г/с для многофазных плазмотронов) и являются нежелательными, так как влияют на питающую сеть, и для устранения влияния низкочастотных колебаний требуется установка дополнительных фильтров.
3. Для высоковольтных электродуговых плазмотронов с торцевыми электродами определены зависимости электрических параметров от геометрических размеров электродуговой камеры. Выявлено, что электродуговые плазмотроны с более длинными разрядными камерами при работе от одинаковых источников питания устойчиво работают в большем диапазоне расходов газа и с большей мощностью, чем аналогичные плазмотроны с меньшей длинной разрядной камеры.
4. Для многофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, работающих в диапазоне мощностей 100 — 500 кВт определено, что с увеличением расхода газа от минимального к максимальному, в осциллограммах тока и напряжения возникают пульсации с частотами, как выше основной гармонической (от 50 до 450 Гц), так и ниже (от 0 до 15 Гц). Возникновение пульсаций с частотой ниже частоты питающей сети обусловлено процессами коммутации и изменения геометрических размеров дуги вследствие движения дуг по расходящимся электродам. За возникновение пульсаций с частотами выше частоты питающей сети отвечают в основном процессы, связанные с колебаниями дугового столба под воздействием газодинамических сил. Возникновение колебаний с частотой 100 Гц связано с работой однофазного плазмотрона инжектора. Низкочастотные колебания тока негативно влияют на качество напряжения питающей сети, что требует подключение дополнительных фильтров к схеме источника питания.
5. На основании результатов анализа процессов в электродуговых плазмотронах мощностью от 5 до 500 кВт и их системах электропитания исследованы схемы замещения систем питания с учётом дуги как нелинейной нагрузки. По результатам проведённых исследований для разработанных плазменных технологий с учётом конкретных условий эксплуатации (выбран электродуговой плазмотрон и определен диапазон расходов газа) созданы и исследованы следующие источники питания: трёхфазный мощностью 50 кВт для трёхфазного высоковольтного плазмотрона с торцевыми электродами, однофазный мощностью 10 кВт для однофазного высоковольтного плазмотрона с торцевыми электродами. Для источника питания многофазного электродугового плазмотрона с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 500 кВт, разработана и создана автоматизированная система управления. Разработано программное обеспечение, позволяющее в реальном времени оценивать электрические параметры электродуговой плазменной системы.
1. А.Н.Братцев «Разработка, создание, и исследование плазменных технологий и электрофизических установок для уничтожения опасных отходов». Дис. канд. техн. наук: 01.04.13/ ИПЭФ РАН - СПб., 2003.- 144с.
2. Пархоменко В.Д., Цыбулев П.Н., Краснокутский Ю.И. «Технология плазмохимических производств», Киев 1991г, стр. 156-164.
3. Bock F. "Klepzig Fachber", 1965,73,№11,510-518 (РЖЭ , 1966, 5Н101; ЭИ серия АЭЭ, 1966 вып.7 реф. 24).
4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда: Учеб. руководство для вузов. М.: Наука 1992.- 536 е.- ISBN 5-02-014615-3.
5. Рыкалин Н.А. Термическая плазма в металлургии и технологии. Всемирный электротехнический конгресс, 21-25 июня 1977, Москва, секция 0, доклад 06, 71с .
6. Быховский Д.Г. Тенденции развития оборудования для плазменной обработки металлов. Всемирный электротехнический конгресс, 21-25 июня 1977, Москва, секция 4, доклад 4Б.21 .
7. Messeger С. (Франция) . Последние достижения в области плазменной сварки и резки . Всемирный электротехнический конгресс, 21-25 июня 1977, Москва, секция 4, доклад 4Б.79 .
8. Ширшов И.Г., Котиков В.Н. «Плазменная резка»,М: Машиностроение,1987.С. 3, 32, 119.
9. Прогрессивные материалы и технологии// Научно-технический сборник.4. 2001.С. 117-121.
10. D.Neuschutz «Plasma Application in Process Metallurgy», High Temp. Chem.
11. Processes, 1,1992, p. 511-535.
12. M.K. Mihovsky «Plasma metallurgy-states of the art, problems andfuture»,Progress in Plasma Processing of Materials 2001, ISBN 1-56700165-3 2001 by Begell House, inc. p 679-697.
13. Цветков Ю.В., Панфилов Ю.В. Низкотемпературная плазма в процессахвосстановления.-М.: Наука, 1980. С. 4-10.
14. Рыкалин Н.Н., Сорокин JI.M. Металлургические ВЧ-плазмотроны. Электро и газодинамика. М.: Наука, 1987.С. 140-149.
15. Крапивина С.А. Плазмохимические технологические процессы. JT.: 1981.1. С. 168-193.
16. Сакипов З.Б., Рябинин В.П., Сейтимов Т.И., Иманкулов Э.Р. Исследование плазменного воспламенения бурых углей на укрупненной установке // Плазменная газификация и пиролиз низкосортных углей. Сб.науч.тр. М.: ЭНИН. 1987. С.90-101.
17. Жуков М.Ф., Калиненко Р. А., Левицкий А. А., Полак JI.C. Плазмохимическая переработка угля—М.: Наука, 1990.С .87-111.
18. Полак Л.С., Калиненко Р. А. Физико-химические основы плазмохимической переработки твердых топлив/ЯТлазменная газификация и пиролиз низкосортных углей. Сборник научных трудов,— М.: ЭНИН, 1987.С. 21-38.
19. Кузнецов В.Е., Дашкевич В.А., Попов В.Е., Попов С.Д., Метод плазменного уничтожения опасных медицинских отходов.// Российская академия наук. Региональная экология.2001. №3-4(17). С.60-64.
20. Waste Treatment by Arc Process", Ph.Rutberg, Progress in Plasma Processing of materials, 2003, Progress in Plasma Processing of materials, 2003, Proceedings of the Seventh European Conference on Thermal Plasma Processes, Strasbourg,
21. Ph. G. Rutberg. Thermal Methods of Waste Treatment. Environmental technologies handbook// editing by Nicolas P. Cheremisinoff. Toronto. Oxford. 2005. pp. 161-192.
22. Рутберг Ф.Г. Мощные генераторы плазмы (плазмотроны)// Энциклопедия низкотемпературной плазмы/T.IV под. ред. В.Е.Фортова, Москва. Наука2000.С. 219-230, (2000)
23. Глебов И.А., Рутберг Ф.Г. Мощные генераторы плазмы. — М: Энерго-атомиздат, 1985.— 153 с.
24. Электродуговые генераторы термической плазмы / Жуков М. Ф., Засыпкин И. М., Тимошевский А. Н. и др. Низкотемпературная плазма. Т. 17 — Новосибирск: Наука. Сиб. Предпр. РАН, 1999.-712 c.-ISBN 5-02-031247-9
25. Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. Плазмотроны. Конструкции, характеристики и расчет,— М.: Машиностроение, 1993.
26. Rutberg PhG, Safronov A A and Goryachev VL 1998 Strong-current arc discharge of alternating current IEEE Trans. Plasma Sci. 26 ITPSBD, ISSN 0093-3813, 1297-306
27. Сафронов A.A. Исследование и создание трехфазных генераторов азотнойи воздушной плазмы с электродами стержневого и рельсового типа. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 1995 г.
28. Новиков О. Я., Тамкиви П. И., Тимошевский А. Н. и др. Многодуговые системы. Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1988. - 133 с. ISBN 5 -02-028563-3.
29. Electric Arc Heater Develops Very High Temperatures.-Iron and Steel Eng., I960, 37, N11, p. 149-150.
30. Maniero D.A, , Kienast P.F., Hirayama C. Electric Arc Heaters for High-Temperature Chemical Processing. — Weatinghouse Engr., 1966, 26, N 3, p. 6672.
31. Harry J.E. A Power Frequency Plasma Torch for Industrial Process Heating. -IEEE Trans. Ind. General Appl., 1980, 6, N I. p. 36-42.
32. Roots W.K., Kadhim M.A. Measuring the Electrothermal Efficiency of a 50Hz Plasma Torch. IEEE Trans. Instrum. and Measurement, 1969, 18, N 3, p. 150-156.
33. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. Прикладная динамикатермической плазмы. — Новосибирск, Наука. Сиб. Отделение, 1975г.—298с.
34. Жуков М.Ф., Смоляков В.Я., Урюков Б. А. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны).- М. Наука 1973, 232 с.
35. Ebara Corporation 1-6-27, Konan, Minato-ku, Tokyo 108-8480 Japan TEL +81-3-5461-5423 FAX +81-3-5461-5780 http://www.ebara.co.ip
36. Department of Nuclear Engineering, Seoul National University. http://fusma.snu.ac.kr
37. Chin-Ching Tzeng, Tsung-Min Hung and Li-Fu Lin, Plasma destructor, Nuclear Engineering International, July 2004.
38. Патент США, № 4,009, 413. U.S. C1.219/121 P.
39. Hrabovsky, M. Konrad, M. - Kopecky, V. - Sember, V. Properties of Water • Stabilized Plasma Torches. (Ed. Solonenko, O.P.). - Cambridge, Cambridge1.ter.Science Publishing 1998. 16 s.
40. Jenista, J. The Effect of Different Regimes of Operation on Parameters of a Water-Vortex Stabilized Electric Arc. Journal of High Temperature Material Processes, 7 1. 11-16 ( 2003).
41. Hrabovsky, M. Kopecky, V. - Sember, V. - Chumak, O. - Kavka, T. Properties of Hybrid Water/Argon DC Arc Torch under Reduced Pressure. In: IEEE Conference Record-Abstracts. - (Ed. Gitomer, S.J.). - Piscataway, IEEE Operations Center 2003. - S. 446.
42. Андерсон Дж. Газодинамические лазеры: введение.-М:. Мир, 1979, С.75-95.
43. Рутберг Ф.Г. Трехфазный плазмотрон // Некоторые вопросыисследования газоразрядной плазмы и создания сильных магнитных полей. — JI.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1970. — С. 8—19.
44. Киселев А.А., Рутберг Ф.Г. Трехфазная плазмотронная установка // Генераторы плазменных струй и сильноточные дуги. — Л.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1973. — С. 31-39.
45. Киселев А.А., Рутберг Ф.Г. Трехфазный плазмотрон большой мощности // ТВТ. — 1974. — Т. 12, № 4. С. 827-834
46. Рутберг Ф.Г., Сафронов А.А., Ширяев В.Н., Кузнецов В.Е. Мощный плазмотрон переменного тока // Физика низкотемпературной плазмы. ФНТП-95: Материалы конф. (Петрозаводск, 20—26 июня 1995 г.). — Петрозаводск, 1995. Т. 3. — С. 422-424.
47. Патент США № 4,013,867, U.S. С1.219/121.54
48. Патент США No.3.705.975, U.S. Cl.219/121.36
49. Papers, 1995 IEEE Nuclear and Plasma Sciences Society IEEE Catalog N95CH35833 Libraiy of Congress Number 95-78039 vol.2, pp. 1313-1316. (1995)
50. Рутберг Ф.Г., Кашарский Э.Г. О регулировании режима питания трехфазного плазмотрона от сети.// Известия высших учебных заведений. Энергетика Минск №5. С. 55-58. (1984^
51. Патент США №2052796 U.S. CL219/121.54
52. Рутберг Ф.Г., Левченко Б.П., Тарабанов В.Н. Вопросы изоляции токовводов мощных генераторов плазмы//Генераторы плазмы и методы их диагностики, Сб.науч. тр. —Л.: ВНИИэлектромаш .С. 38-43, (1984)
53. Патент США №3989512 U.S. CI. 219/121
54. A. c. 527843 СССР, электрод много электродного плазматрона/ Б.С. Гаврющенко, А. В. Пустогаров. — Опубл. в Б. И., 1976. №33.
55. Патент США № 4352044 U.S. CI. 219/12171. Заявка №55-3800 (Япония).
56. А.С. 599732 СССР. Электродуговой нагреватель газа постоянного тока/ Жуков М.Ф., Лыткин А. Я., Худяков Г. Н., Аньшаков А. С. Опубл. в Б. И., 1982, №33;
57. Harry J. Е., Hobson L. A multiple-arc system // J. Phys. E: Sci. Instrum.-1979.-Vol.l2.-P.357-358.
58. Harry J. E., Hobson L, Production of a large volume discharge using a multi arc system// IEEE Trans. Plasma Sci.- 1979.-Vol.-7,N3.-P. 157-162.
59. Harry J. E., Knight R. Simultaneous operation of electric arcs from the same supply// IEEE Trans. Plasma Sci.-1981.-Vol. 9, N 4.-P.248-254.76. http://www.westinghouse-plasma.com
60. Bayliss R. K., Bryant J.W., Sayce J. G. Plasma dissociation of zircon sands// 3-eme Symp. Intern. De Chimie des Plasmas.-Limoges: IUPAC, 1977.-T.3.-P.52.
61. Патент США №4013867 U.S. Cl.219/121
62. Глебов И. А., Кошарский Э. Г., Рутберг Ф.Г., Синхронные генераторы кратковременного и ударного действия- Л.: Наука. 1985
63. Рутберг Ф.Г., Сафронов А.А., Гончаренко Р.Б., Кузнецов В.Е. К вопросу о влиянии неустойчивости электрической дуги трёхфазного плазмотрона переменного тока на его работу// Изв. РАН. Энергетика. 1996 г. № 4. С. 114-120.
64. Рутберг Ф.Г., Гончаренко Р.Б., Сафронов А.А., Ширяев В.Н., Кузнецов В.Е. специфические особенности систем электропитания промышленных трёхфазных плазмотронов переменного тока// Изв. РАН. Энергетика. 1998 г. № 1.С. 93-99.
65. Рюденберг Р. Эксплуатационные режимы электроэнергетических систем и установок-Л.: Энергия. 1981.
66. Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах — М.: Иностранная литература. 1955.
67. Ю. Е. Ефроймович. Инженерные методы расчёта дуговых печей с учётом нелинейности, вносимой дуговым разрядом.//Электричество — 1948 —№12.
68. Попов С.Д., Степанов И.В., Суров А.В., Система сбора информации и управления плазмотронами// III Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 4-11 декабря 1998 года. Доклады и тезисы участников ассамблеи.
69. Попов С.Д., Степанов И.В., Суров А.В., Автоматическая система управления плазмотронами// IV Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 2-10 декабря 1999 года. Тезисы докладов.
70. Нейман JI. P., Демирчан K.C. Теоретические основы электротехники. В 2-х томах . Л.: Энергия, 1981.
71. Новиков О .Я. Устойчивость электрической дуги. Л.: Энергия, 1978. 155 с.
72. Устойчивость горения электрической дуги / Низкотемпературная плазма Т.5. Новосибирск."Наука", - 1992. - с. 197. - ISBN 5-02-029694-5.
73. Материалы диссертации изложены в следующих работах:
74. Попов С.Д., Степанов И.В., Суров А.В., Система сбора информации и управления плазмотронами, III Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 4-11 декабря 1998 года. Доклады и тезисы участников ассамблеи.
75. Попов С.Д., Степанов И.В., Суров А.В., Автоматическая система управления плазмотронами, IV Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 2-10 декабря 1999 года. Тезисы докладов.
