Пристрій збудження дуги в плазмовій установці

1. Пристрій збудження дуги в плазмовій установці, що містить ланцюг формування високовольтного пускового імпульсу з послідовно підключених між двома електродами підвищувальної обмотки імпульсного C2 2 (19) 1 3 82271 4 Підвищити ресурс роботи вузла збудження забезпечувати пробій розрядного проміжку у можна використовуючи безконтактний спосіб відсутності тонкої металевої плівки. Проте, як збудження дуги за допомогою плазмового показує практичний досвід експлуатації таких інжектора, описаного у [Аксенов И.И., Белоус В.А. устроїв в установках типу "Булат" і аналогічних, Возбуждение вакуумной дуги в источниках навіть наявність високовольтного імпульсу, який металлической плазми. ТВТ, 1979, т.17, вип.1, сприяє спрацьовуванню пускового устрою, у стор.1-4]. Надійність збудження дуги таким відсутності провідної плівки, забезпечує устроєм визначається рядом факторів, одним із збудження дугового розряду з імовірністю не яких є наявність у розрядному проміжку інжектора більш 30-50)%. Це відзначено й в описі прототипу тонкої провідної плівки. Її відсутність приводить до (стор.54). різкого падіння надійності. Ресурс таких устроїв Відзначена обставина, а саме - низька при використанні діелектричної вставки з кераміки надійність збудження дуги, викликана наступними 22ХС, звичайно, не перевищує 105 спрацьовувань причинами. Пробій розрядного проміжку при через руйнування керамічної вставки інжектора під подачі на нього високовольтного імпульсу впливом теплових ударів, що супроводжують як відноситься до іскрового розряду зі швидкістю поверхневий пробій, так і взриву тонкої металевої наростання струму di/dt порядку 108 а×сек-1 і вище плівки, що формується на поверхні ізолятора [див. Кесаев И.Г. Катодные процессы пускового інжектора. электрической дуги. М.: Наука. 1968. стор.7]. Як Відомо також устрій для збудження дуги у відомо, у ланцюгу, що містить індуктивність, а нею вакуумній установці [патент США №3876855 в даному випадку є підвищувальна обмотка кл.219-131, 1975], утримуючий підключений між імпульсного трансформатора з величиною двома електродами підвищувальний імпульсний індуктивності L, буде виникати э.д.с. самоіндукції, трансформатор із послідовно включеними рівна E=-L×di/dt і спрямована відповідно до первинною і вторинною обмотками і ланцюжок із правила Ленца проти зміни струму в ланцюзі. послідовно з'єднаних пускового конденсатора і Величина цієї э.д.с. самоіндукції, прикладеної до комутуючого елемента. Недоліком такого устрою є індуктивності, при характерних значеннях низька надійність збудження дуги. індуктивності підвищувальної обмотки Найбільш близьким до того, що заявляється трансформатора порядку одиниць - десятків мкГн, по технічній сутності є пусковий устрій буде досягати величин у декілька кіловольт. Тому електродугового плазмового прискорювача струм у ланцюзі розрядного проміжку при пробої [Аксенов И.И. та ін. Пусковое устройство буде змінюватися не стрибкоподібно, а по деякому вакуумного электродугового плазменного експонентному законі від нуля до І0:i=I0(l-exp(-(r/L)t) ускорителя. У кн.: Источники и ускорители плазми. і тим повільніше, чим більше постійна часу (L/r), де Харьков, 1981, вип.5, стор.50-55, мал.2а], обране r - опір ланцюга, по якому протікає струм і який при як прототип, що складається з ланцюга пробої різко зменшується. На характер зміни формування високовольтного пускового імпульсу, струму буде впливати також нелінійність що містить послідовно підключені між двома індуктивності, що залежить від струму і електродами підвищувальну обмотку імпульсного перемінного опору ланцюга розряду протікання трансформатора і пусковий конденсатор, ланцюг струму. До несприятливих факторів, що запуску, що включає ланцюжок з послідовно перешкоджають збудженню дугового розряду, з'єднаних додаткового конденсатора і комутуючого варто віднести і малі середньостатистичні часи елемента, приєднаний до пускової обмотки існування катодних плям дугового розряду при імпульсного трансформатора. Даний устрій малих струмах дуги, що мають значення 10-3сек. і достатньо надійно працює при наявності на менше [див. Кесаев И.Г. Катодные процессы поверхні керамічної втулки, що заповнює электрической дуги. М.: Наука. 1968. стор.82, розрядний проміжок пускового інжектора, тонкої мал.20]. Відмирання катодних плям приводить до металевої плівки, що формується за рахунок ерозії обриву стр уму пускового розряду, а отже, і до не катода в процесі роботи плазмового збудження основного дугового розряду. Відзначені прискорювача. Однак у випадку роботи в режимах вище причини не дозволяють в устрої-прототипі із малим струмом дуги чи використання як забезпечити високу надійність запуску дугового матеріалів катода тугоплавких металів із середнім розряду. струмом, що приходиться на катодну пляму Таким чином, до основних істотних недоліків порядку 150А-300А [див. Л. Харрис. Катодные устрою-прототипу відноситься низька надійність процессы. У кн.: Вакуумные дуги. Μ.: На ука. 1982, збудження дуги й використання високовольтної стор.170, табл.4.1], відбуваються часті загасання імпульсної напруги, що викликає підвищену дуги, а це приводить до того, що металева плівка небезпеку поразки електричним струмом в розрядному проміжку пускового інжектора між обслуговуючого персоналу. його спрацьовуваннями відновитися не встигає, Технічною задачею запропонованого устрою що, у результаті, приводить до зниження для збудження дуги в плазмовій установці є надійності запуску плазменного устрою. Це підвищення надійності запалювання дугового підтверджують і приведені в прототипі залежності розряду в плазмовому устрої й зниження (мал. 2, б) для випадку, коли геометрія розрядного небезпеки поразки електричним струмом проміжку пускового інжектора перешкоджає обслуговуючого персоналу. утворенню такої плівки. Створювана в устроїПоставлений технічний результат досягається прототипі високовольтна імпульсна напруга тим, що в устрій для збудження дуги в плазмовій порядку 15кв., за задумом авторів, повинна установці, що містить ланцюг формування 5 82271 6 високовольтного пускового імпульсу з послідовно із підвищенням надійності збудження дуги в підключеними між двома електродами плазмовій установці, досягти і технічний підвищувальної обмотки імпульсного результат, що полягає в зниженні небезпеки трансформатора і пускового конденсатора, а поразки електричним струмом обслуговуючого також ланцюг запуску з ланцюжка послідовно персоналу. з'єднаних додаткового конденсатора і комутуючого Розглянемо причини, що дозволяють досягти елемента, приєднаного своїми виводами до згаданий технічний результат докладніше. При пускової обмотки згаданого трансформатора, введенні в ланцюг запуску діода, підключеного відповідно до винаходу, додатково введений вищеописаним способом, динаміка процесу ланцюг формування пускового потужнострумового формування високовольтного пускового імпульсу імпульсу з комутуючого елемента, з'єднаного істотно міняється. Так, спочатку, при подачі першим своїм виводом із електродом, до якого пускового імпульсу на керуючий електрод підключений перший вивід підвищувальної комутуючого елемента ланцюга запуску, обмотки імпульсного трансформатора, а другим відбувається, як і в прототипі, розряд попередньо виводом з виводом пускового конденсатора, зарядженого додаткового конденсатора через з'єднаного з другим виводом згаданої обмотки і пускову обмотку імпульсного трансформатора, що датчика струму, що реєструє струм у ланцюзі приводить до формування високовольтного електродів, вихід якого з'єднаний з керуючим сплеску на підвищувальній обмотці згаданого входом комутуючого елемента ланцюга трансформатора. І якщо в прототипі на цьому формування пускового потужнострумового процес формування високовольтного імпульсу імпульсу. Поставлена технічна задача вирішується закінчується, тому що додатковий конденсатор, що також тим, що в ланцюг запуску додатково перезарядився, не може знову розряджатися на введений діод, анод якого з'єднаний з катодом пускову обмотку трансформатора унаслідок комутуючого елементу ланцюга запуску, а катод з відсічення струму комутуючим елементом ланцюга анодом згаданого комутуючого елемента. запуску, то в устрої, що заявляється, процес Розглянемо детально причинно-наслідковий зарядки - розрядки додаткового конденсатора зв'язок між істотними відмінними ознаками через пускову обмотку завдяки наявності пропонованого устрою і технічним результатом, введеного діода, підключеного паралельно і що досягається. зустрічно комутуючому елементу ланцюга запуску, 1. Уведення в устрій збудження дуги ланцюга продовжується, поступово загасаючи, тим самим формування пускового потужнострумового забезпечуючи формування на підвищувальній імпульсу, що включає в себе комутуючий елемент, обмотці імпульсного трансформатора підключений згаданим вище способом, забезпечує високочастотних високовольтних імпульсів. при відкритті в початковий момент пробою Пробій розрядного проміжку напругою високої комутуючого елемента практично миттєвий ріст частоти істотно відрізняється від пробою того ж струму в розрядному проміжку до максимальних розрядного проміжку напругою постійного струму значень, обумовлених в основному опором г уже чи низькою частотою. Зокрема, при низьких тисках провідного розрядного проміжку, величина якого напруга високочастотного пробою значно нижча, лежить у межах одиниць ом - декількох десятих ніж напруга пробою постійним струмом [див. ома. Відзначене відбувається тому, що за Таблицы физических величин. Справочник. Під допомогою комутуючого елемента створюється ред. акад. И.К. Кикоина. Μ., Атомиздат, 1976, практично коротке замикання пускового стор.443, мал.23.49.]. Аналогічна залежність конденсатора на розрядний проміжок, при цьому напруги запалювання від частоти в діапазоні 1струм у ланцюзі стрибкоподібно збільшується до 160Мгц існує і при атмосферному тиску [див. значення U/r, де U - напруга зарядки пускового Електроніка. Н.А. Капцов. Гос. изд-во техн.-теорет. конденсатора. При величині U=500В і лит-ры. Μ. 1953, стор.386, мал.160]. Отже, дана відзначеному значенні r струм досягає кількох обставина, забезпечена розглянутою істотною сотень амперів уже в перші миттєвості пускового відмінністю, дозволяє досягти наступних технічних розряду, тим самим забезпечуючи стабільне результатів: по-перше, знизити амплітудне існування катодних плям пускового розряду, а значення високочастотного пускового імпульсу, отже і високу надійність збудження основного при якому гарантовано відбувається запалювання дугового розряду плазмової установки. розряду, а, по-друге, тому що при одноразовому 2. Наявність у ланцюзі формування пускового спрацюванні комутуючого елемента ланцюга потужнострумового датчика струму, що реєструє запуску фактично створюється серія послідовних струм у пусковому ланцюзі між електродами і високовольтних імпульсів, поданих на електроди з'єднаного по виходу з керуючим входом розрядного проміжку, істотно підвищує надійність комутуючого елемента забезпечує відкривання збудження дуги. комутуючого елемента саме в початковий момент З іншого боку, струм високої частоти і високої розвитку пробою. Тим самим досягається істотне напруги безпечний для людини [див. Справочник стрибкоподібне збільшення струму в первісній сварщика. Під ред. В.В. Степанова. М., стадії розвитку пускового розряду, а отже, і висока Машиностроение. 1974, стор.62-63]. Тим самим надійність запуску плазмової установки. даною істотною відмінністю забезпечується також 3. Додаткове введення в ланцюг запуску діода, досягнення технічного результату, що полягає в анод якого з'єднаний з катодом комутуючого зниженні небезпеки поразки електричним струмом елемента ланцюга запуску, а катод з анодом обслуговуючого персоналу. згаданого комутуючого елемента, дозволяє поряд 7 82271 8 Таким чином, розглянуті істотні відмінні ознаки конденсатора 15 ємністю 0,1мкф через пускову даного технічного рішення дозволяють підвищити обмотку 13. Конденсатор 15, що перезарядився, надійність збудження дуги в плазмовій установці знову починає розряджатися через пускову за рахунок різкого збільшення струму в обмотку і включений паралельно тиристору 14 розрядному проміжку в початковий момент часу діод 16 (діодне зібрання КДС627А). Такий існування пускового розряду, поліпшення умов коливальний процес із частотою, обумовленою виникнення пробою шляхом створення ємністю конденсатора 15 і індуктивністю пускової високочастотного високовольтного пускового обмотки 13 (при використовуваних значеннях імпульсу, а також одночасно зменшити небезпеку ємності й індуктивності частота дорівнювала поразки електричним струмом обслуговуючого 1,5Мгц) приводить до появи на підвищувальній персоналу. обмотці 8 імпульсного трансформатора 9 На Фіг.1 зображена схема устрою збудження імпульсів високої напруги тієї ж частоти. Амплітуда дуги в плазмовій установці. На Фіг.2 зображений високочастотних імпульсів визначається варіант схеми устрою збудження дуги в плазмовій коефіцієнтом трансформації k імпульсного установці. трансформатора 9. У даному випадку k=20, і, Плазмова установка містить коаксіально отже, початкова амплітуда формуючих розташовані стрижневий плазмоутворюючий катод високовольтних імпульсів має значення порядку 8 1 і циліндричний анод 2. Для виводу катодної кв. Ця напруга, складаючись із напругою на плями дугового розряду з місця ініціації на робочу конденсаторі 10, попередньо зарядженого від поверхню катода 1 і його стабілізації на ній випрямляча 19 (напруга зарядки 500В), використовується магнітне поле, створене прикладається до пускового розрядного проміжку соленоїдом 3. Резистор 4 підключений до анода 2 і між електродами 5 і 6. При величині зазору в до додаткового електроду 5 і забезпечує стабільне розрядному проміжку ~1,5мм, по поверхні горіння дугового розряду в процесі руху катодної діелектричної вставки 5 відбувається іскровий плями дуги на робочу поверхню катода 1. пробій. Виникаючий при цьому струм реєструється Пусковий розрядний проміжок, розміщений швидкодіючим датчиком струму 12 (для цього поблизу неробочого торця катода 1, і утворений використовувався трансформатор струму з електродом 6, що підпалює, і додатковим підсилювачем постійного струму), ви хідний сигнал електродом 5, між якими може бути розташована якого відкриває комутуючий елемент 11 (п'ять діелектрична вставка 7. До електродів 5 і 6 послідовно з'єднаних тиристорів ТЧИ-100). У свою пускового розрядного проміжку підключений чергу, спрацьовування комутуючого елемента 11 ланцюг формування високовольтного пускового приводить до практично короткого замикання імпульсу, що складає з послідовно з'єднаних пускового конденсатора 10 ємністю 40,0мкф, підвищувальної обмотки 8 імпульсного минаючи підвищувальну обмотку 8, на розрядний трансформатора 9 і пускового конденсатора 10. проміжок, при цьому струм у ланцюзі При цьому до електрода 6, що підпалює, стрибкоподібно збільшується до значення U/r, де приєднана підвищувальна обмотка 8, а до U - напруга зарядки пускового конденсатора. При додаткового електрода 5 - вивід пускового величині U=500В і значенні r у районі одного ома, конденсатора 10 зазначеного ланцюга. Ланцюг струм досягає кількох сотень амперів уже у перші формування пускового потужнострумового миті після пробою розрядного проміжку, чим імпульсу складається з комутуючого елемента 11, забезпечується стабільне існування виниклих приєднаного одним виводом до електрода 6, що катодних плям. Під впливом магнітного поля, підпалює, а другим до крапки, що з'єднує пусковий створюваного соленоїдом 3, катодні плями конденсатор 10 і підвищувальну обмотку 8 починають переміщатися до робочого торця імпульсного трансформатора 9, і датчика струму катода 1 плазмової установки. Стабільне горіння 12, що реєстр ує струм у п усковому ланцюзі між дугового розряду в процесі переміщення катодних електродами 5 і 6 і з'єднаного по виходу з плям на робочу поверхню катода 1 забезпечується керуючим входом комутуючого елемента 11. струмом, що протікає через резистор 4 Ланцюг запуску утворений пусковою обмоткою 13 (ніхромовий дріт опором 1Ом). При наближенні імпульсного трансформатора 9 разом з катодних плям до робочої поверхні катода, підключеним до її виводів ланцюжком із плазма, що генерує ними, заповнює проміжок послідовно з'єднаних комутуючого елемента 14 і катод 1 - анод 2, що приводить до запалювання додаткового конденсатора 15. Паралельно основного дугового розряду в плазмовій установці, комутуючому елементу 14 включений у зворотній який живиться джерелом живлення дуги 17 полярності діод 16. Живлення плазмової (зварювальний випрямляч ВД-306). установки виробляється від джерела живлення Випробування описаного вище устрою дуги 17. Зарядка пускового 10 і додаткового 15 збудження дуги показали, що запалювання з його конденсаторів здійснюється від випрямлячів 18 і допомогою дуги в плазмовій установці 19 відповідно. відбувається з імовірністю практично рівній 100% Устрій працює таким чином. (що в 2-3 рази вище в порівнянні з устроємПри подачі імпульсу, що запускає, на прототипом) незалежно від умов на поверхні керуючий електрод комутуючого елемента 14 діелектричної вставки 7, при напрузі, поданій на (тиристор КУ109А) останній відкривається, що електроди пускового розрядного проміжку вдвічі приводить до розрядки з наступним меншому, ніж в устрої-прототипі. перезарядженням попередньо зарядженого до На Фіг.2 зображений варіант устрою напруги 400В від випрямляча 18 додаткового збудження дуги в плазмовій установці з 9 82271 автотрансформаторним підключенням обмоток імпульсного трансформатора 9. У цьому випадку при відкриванні комутуючого елемента 14 коливальний процес виникає при перезарядженні пускового конденсатора 10, у початковий момент зарядженого, і додаткового конденсатора 15, у початковий момент розрядженого, через пускову обмотку 13. Виникаюча на підвищувальній обмотці 8 високочастотна високовольтна напруга прикладається, як і раніше, до електродів пускового розрядного проміжку, якими в цій плазмовій установці є катод 1 і додатковий електрод 6, виконаний у формі усіченого конуса. Надалі процес ініціювання розвивається аналогічно вищеописаному. Виниклий плазмовий згусток 20 за рахунок сил електродинамічного прискорення рухається убік анода і при досягненні фронтом плазмового згустку анода запалюється дуга між катодом 1 і анодом 2 плазмової установки. Резистор витоку 21 (декілька кілоом) призначений для підготовки ланцюга запуску устрою до наступних спрацьовувань. Таким чином, пропоноване технічне рішення дозволяє досягти поставлених технічних результатів, а саме: підвищити надійність збудження дуги в плазмовій установці до максимальних значень (~100%) за рахунок різкого збільшення струму в розрядному проміжку в початковий момент часу існування пускового розряду, поліпшення умов виникнення пробою шляхом створення високочастотного високовольтного пускового імпульсу, а також одночасно зменшити небезпеку поразки електричним струмом обслуговуючого персоналу. 10