Спосіб автоматичного регулювання режиму роботи плазмотрона і установка для його здійснення

1. Спосіб автоматичного регулювання режиму роботи плазмотрона, за яким джерело постійної напруги періодично підключають до плазмотрона за допомогою транзисторного ключа, причому середнє значення напруги та струму в плазмотроні регулюють шляхом зміни шпаруватості імпульсів, а підтримку безперервного струму в плазмотроні здійснюють за рахунок установки в ланцюг дроселя, що в інтервалі стану провідності транзисторного ключа запасає енергію, а у його закритому стані передає енергію через діод на плазмотрон, який відрізняє ться тим, що задають верхні та нижні межі величин робочого струму плазмотрона, напруги дуги та напруги кожного нейтрода з пульта керування установки та додатково задають верхні та нижні межі величин витрати, тисків і температур газів і води по кожному каналу пульта газоводяного, при цьому, якщо сигнали датчиків перебувають у заданих межах, блок керування видає сигнал на замикання реле блокування та дозволяє роботу плазмотрона, якщо сигнали по будь-якому каналу виходять за задані межі, при цьому з пульта керування установки подається сигнал на відключення плазмотрона, а стабілізацію струму здійснюють програмним методом у блоці керування, порівнянням величин заданого робочого струму із сигналом аналогового датчика струму, причому під час запуску, при швидкозмінних значеннях струму дуги від н уля до заданого значення, використовують максимально допустиму частоту, а після закінчення перехідних процесів, 2 (19) 1 3 84654 4 транзисторного ключа, на виході якого підключені діод і дросель, послідовно з яким включені датчик граничного струму та датчик струм у аналоговий, а вихід датчика струм у підключений до блока керування регулятором струму, причому керуючий вхід транзисторного ключа підключений до виходу двовходового формувача, один із входів якого підключений до виходу блока керування, а другий підключений до виходу датчика граничного струму. 4. Установка за п. 2, яка відрізняється тим, що пульт газоводяний включає систему подачі плазмоутворюючого газу, що складається із вхідного колектора, до якого приєднані датчик тиску та регулятори витрати, кожний з яких містить регулювальний клапан з електроприводом, датчик витрати, датчик тиску, датчик температури та обчислювальний пристрій, причому в одному із клапанів подачі газу встановлений пневматичний модулятор, а система підведення-відводу охолоджувальної рідини складається з напірного колектора, до якого приєднані датчик температури, датчик тиску та зливальний колектор, до якого приєднані вимірники витрати води, датчики температури, пульт газоводяний обладнаний інформаційною системою, що складається із блока керування з обчислювальними пристроями кожного з регуляторів витрати газу, вимірниками витрати води, датчиками температури води та датчиками тиску, при цьому блок керування містить з'єднувальний інтерфейс, дисплей і клавіатуру, а ви хід блока керування підключений до керуючої обмотки реле блокування. Взаємозв'язана група винаходів належить до електротехніки, зокрема до перетворення електричної енергії в теплову за допомогою плазмотрона, способу його керування й пристрою для його здійснення, які можуть бути використані в плазмовій металургії, плазмохімії. Відомий спосіб електроживлення плазмотронів постійного струму з пористим вдуванням плазмоутворюючого газу з використанням тиристорних випрямлячів, що працюють у режимі стабілізації струму. Джерело живлення плазмотронів є стабілізатором з підвищеними вимогами до динамічних характеристик. Живлення плазмотрона здійснювалося від двох керованих випрямлячів, підключених до мережі 6,3кВт, через автотрансформатор АТМНУ-10000/14 і роздільний трансформатор ТМРУ-16000/10. На стороні постійного струму випрямлячі з'єднувалися послідовно. Керування обох випрямлячів було загальним. Даний спосіб не ефективний, оскільки регулювання постійним струмом має вузький динамічний діапазон, особливо при зміні витрат плазмоутворюючих газів через плазмотрон. Внаслідок неповної керованості й дискретності тиристорного перетворювача, а також нелінійності й інерційності електричної дуги при збільшенні витрати газу до 1,5кг/с і вольт-амперного відношення понад 2,5 у системі виникають автоколивання струму на нижчих субгармоніках із частотою 15-120Гц і амплітудою до 30-50% номінального струму [Генератори низькотемпературної плазми. Тези доповідей XI Всесоюзної конференції по генераторах низькотемпературної плазми (Новосибірськ 20-23 червня 1983р.) частина 1. - А.А. Дурасов, О.Д.Зарайський, А.С. Красовский і ін. Система електроживлення потужних плазмотронів постійного струму, стр.16-17]. Найбільш близьким по технічній сутності й результату, що досягається (прототип), прийнятий спосіб стабілізації й регулювання електроживлення плазмотронів, у якому стр ум кожного плазмотрона окремо задають за допомогою широтноімпульсних модуляторів. У ланцюг струму послідовно включений регулюючий елемент - ключ, за допомогою якого джерело постійної напруги періодично підключається до навантаження. Середнє значення напруги в ланцюзі й струму в навантаженні регулюють шляхом зміни шпаруватості імпульсів, тобто часу включеного стану при незмінному періоді. Для запобігання припинення струму в навантаженні при виключеному ключі в ланцюг включені дросель і діод. В інтервалі провідності ключа дросель запасає енергію, що під час паузи передається навантаженню через діод. У результаті в навантаженні тече постійний струм з пульсаціями, величина яких залежить від індуктивності дроселя й опору навантаження. Для розв'язки окремих джерел живлення може знадобитися фільтр. Зворотний зв'язок по струму дозволяє одержати крутопадаючі зовнішні характеристики з високою стабільністю заданого струму. З недоліків слід зазначити генерацію різного роду перешкод, пов'язану з імпульсним характером роботи, і труднощі реалізації при підвищених потужностях, обумовлені відсутністю потужних високочастотних напівпровідникових приладів [Многодуговые системи. Новиков О.Я., Тамкиви П.И., Тимошевский А.Н. и др. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. - с.90-92]. Відомий пристрій для керування режимом роботи електродугової установки, що містить плазмотрон непрямої дії, випрямляч, підключений до катода й анода плазмотрона, джерело плазмоутворюючого газу, блок керування пусковим режимом і порушення дугового розряду, вхід якого підключений до загального ланцюга випрямляча, який відрізняється тим, що блок керування пусковим режимом і збудження дугового розряду постачений котушками автоматичних вимикачів з лініями затримки, які за допомогою керуючих контактів підключені до ланцюга збудження дугового розряду плазмотрона через теплові реле, випрямляч виконаний у ви гляді напівкерованого трифазного діодно-тиристорного випрямляча, у кожну фазу якого уведений додатковий діод, а паралельно тиристору підключений резистор [Патент України №21208, кл. 6 Н05В7/18, заявл. 11.05.1994, опубл. 16.10.2000, бюл. №5]. 5 84654 Однак запропонована установка не забезпечує стабільної роботи плазмотрона й регулювання режимів роботи з наступних причин: - у процесі роботи через високі пульсації струму відбувається пробій тиристорів; - ключ збудження не забезпечує надійного й стійкого запуску плазмотрона; - не забезпечується контроль надійності електричної міцності міжелектродних зазорів плазмотрона, що приводить до їхнього передчасного вигоряння; - не забезпечується контроль за температурою й перегрівом електродів плазмотрона. Найбільш близьким по технічній сутності й результату, що досягається (прототип), прийнято пристрій для керування електродуговою установкою, що містить плазмотрон, джерело плазмоутворювального газу, блок керування пусковим режимом і збудження дугового розряду, що включає високочастотний підвищувальний трансформатор, напівкерований трифазний діодно-тиристорний випрямляч, підключений до катода й анода плазмотрона, у кожну фазу якого уведений додатковий діод, резистор, підключений паралельно тиристору розмикач ланцюга струму, відповідно до винаходу, у напівкерованому трифазному діоднотиристорному випрямлячі послідовно з тиристором, з боку анода, приєднаний резистор, а високочастотний трансформатор виконаний на декількох окремих замкнутих магнітопроводах, первинні обмотки яких з'єднані послідовно, а вторинна обмотка охоплює всі магнітопроводи й послідовно включена в катодний ланцюг, а в блок керування пусковим режимом і збудження дугового розряду уведені пристрої контролю температури охолоджувальної води в електродах плазмотрона, наприклад термопари, із блоками порівняння, пристрою контролю електричної міцності міжелектродних проміжків плазмотрона, кожний з яких включає високочастотний трансформатор, первинна обмотка якого з'єднана з електродами через конденсатор, а вторинна з'єднана із блоками порівняння, пристрій контролю зношування електродів, у вигляді трубчастого електрода, установленого в порожнині катода плазмотрона з можливістю поздовжнього переміщення, ізольованого щодо торцевого завихрювача катода й підключеного з додатковим регульованим джерелом напруги негативної або позитивної полярності, пов'язаним із блоком порівняння, а також - через регулятор витрати підключений до джерела плазмоутворюючого газу, при цьому обмотка управління розмикача ланцюга струму живиться через послідовно включені контакти блоків порівняння [Патент України №74047, кл. 7 Н 05 В 7/18, заявл. 26.08.2003, опубл. бюл. №10, 2005]. Однак даний пристрій не дозволяє швидко реагува ти на зміну струму дуги. Частота, на якій працює тиристорний напівкерований регулятор, визначає умови, при яких індуктивність дроселя повинна бути досить великою. Робота додаткового резистора, включеного послідовно з тиристором, приводить до більших втрат потужності й знижує в цілому ККД пристрою. 6 В основу першого із групи винаходів поставлене завдання вдосконалення способу автоматичного регулювання режимом роботи плазмотрона шляхом забезпечення зниження амплітуди пульсації струму й напруги, розширення діапазону регулювання робочого режиму плазмотрона, що дозволить змінювати енергетичні характеристики плазмотрона, що забезпечують надійну й економічну його роботу. В основу другого із групи винаходів поставлене завдання вдосконалення установки автоматичного регулювання режимом роботи плазмотрона, у якій за рахунок введення в схему керування нових елементів і вузлів, створити просту в обслуговуванні й надійну в роботі установку, що оптимізує і розширює можливості керування роботою плазмотрона й розширює область застосування установки. Перше поставлене завдання вирішується тим, що в способі автоматичного регулювання режимом роботи плазмотрона, згідно з яким джерело постійної напруги періодично підключають до плазмотрона за допомогою транзисторного ключа, причому середнє значення напруги й струму в плазмотроні регулюють шляхом зміни шпаруватості імпульсів, а підтримку безперервного струму в плазмотроні здійснюють за рахунок установки в ланцюг дроселя, що в інтервалі провідності ключа запасає енергію, а під час паузи передає енергію через діод на плазмотрон, відповідно до винаходу, задають верхні й нижні межі величин робочого струму плазмотрона, напруги дуги й напруги кожного нейтрода з пульта керування установки й додатково задають верхні й нижні межі величин витрат, тисків і температур газів і води по кожному каналу пульта газоводяного, при цьому, якщо сигнали датчиків перебувають у заданих межах, блок керування видає сигнал на замикання реле блокування й дозволяє роботу плазмотрона, якщо сигнали по будь-якому каналі виходять за задані межі, то з пульта керування установки подається сигнал на відключення плазмотрона, а стабілізацію струму здійснюють програмним методом у блоці керування, порівнянням величин заданого робочого струму із сигналом аналогового датчика струму, причому під час запуску, при швидкозмінних значеннях струму дуги від нуля до заданого значення, використовують максимально припустиму частоту, а після закінчення перехідних процесів, при досягненні заданого значення струму дуги, частота знижується до мінімально можливого значення, при цьому розширюють зону прив'язки дуги шля хом періодичної зміни витрати плазмоутворюючого газу в одному з каналів подачі газу за допомогою пневматичного модулятора газового пульта, при цьому сигнал, що надходить із аналогового датчика струму на блок керування, безупинно аналізується в автоматичному режимі й, з появою нестійкого горіння дуги, установлюють максимально припустиму частоту комутації транзисторного ключа, а після закінчення перехідних процесів, коли струм дуги досягає заданого значення, частота знижується до мінімально можливого значення. 7 84654 Спосіб автоматичного регулювання режимом роботи плазмотрона - керуючий комплекс, у якому забезпечене сполучення систем керування, їхня універсальна сумісність, що дозволяє оптимізувати і розширити можливості керування. Друге поставлене завдання вирішується тим, що установка автоматичного регулювання режимом роботи плазмотрона, що містить трифазний випрямляч, блок збудження дуги з високовольтним трансформатором, підключений до катода й анода плазмотрона, відповідно до винаходу, установка додатково містить регулятор струму дуги, п ульт газоводяний і пульт керування установкою, при цьому вихідні клеми регулятора струму дуги підключені до вихідних клем блоку збудження дуги, вихідні клеми блоку збудження підключаються до відповідних електродів плазмотрона, а пульт керування установкою зв'язаний інформаційними шинами з регулятором струму, блоком збудження дуги й п ультом газоводяним, причому високовольтний трансформатор блоку збудження дуги з'єднаний із блоком високої напруги, керуючий вхід якого пов'язаний з виходом блоку керування збудження дуги, у плюсовій шині якого встановлений датчик струму дуги, вихід якого підключений до входу блоку керування, а вихід блоку керування з'єднаний з обмоткою контактора, зв'язаного через резистор з конденсатором і вихідною клемою нейтрода плазмотрона, а додаткові конденсатори з'єднані із шиною негативної полярності через зарядний резистор і послідовно з'єднані розрядний резистор і діод, причому вихід блоку керування підключений до керуючої обмотки реле блокування, при цьому регулятор струму дуги складається із ввідного блоку захисту із клемами для підключення мережі живлення, трифазного випрямляча, конденсатора, транзисторного ключа, на виході якого підключений діод і дросель, послідовно з яким включені датчик граничного струму й датчик струму аналоговий, а вихід датчика струму підключений до блоку керування регулятором струму, причому керуючий вхід транзисторного ключа підключений до виходу двовходового формувача, один із входів якого підключений до виходу блоку керування, а другий підключений до виходу датчика граничного струму. Пульт газоводяний включає систему подачі плазмоутворюючого газу, що складається із вхідного колектора, до якого приєднані датчик тиску й регулятори витрати, кожний з яких містить регулювальний клапан з електроприводом, датчик витрати, датчик тиску, датчик температури й обчислювальний пристрій, причому в одному із клапанів подачі газу встановлений пневматичний модулятор, а система підведення-відводу охолоджувальної рідини складається з напірного колектора, до якого приєднані датчик температури, датчик тиску й зливальний колектор, до якого приєднані вимірники витрати води, датчики температури, пульт газоводяний постачений інформаційною системою, що складається із блоку керування з обчислювальними пристроями кожного з регуляторів витрати газу, вимірниками витрати води, датчиками температури води й датчиками тиску, при цьому блок керування містить зв'язувальний інтерфейс, дисплей і клавіатуру, а ви хід 8 блоку керування підключений до керуючої обмотки реле блокування. Безпечний пуск плазмотрона й постійний контроль його роботи після пуску забезпечуються блоком збудження дуги. Блок керування в складі блоку збудження дуги відслідковує наявність напруги на мінусовій шині. Поява напруги із джерела живлення служить командою для блоку керування про початок запуску. Крім того, по лінії зв'язку на пульт керування постійно передаються дані про поточний стан плазмотрона, про напруги на катоді й нейтроді. При пуску, коли відбувається пробій проміжку катод-нейтрод, опір цього проміжку різко знижується й заряджена батарея конденсаторів розряджається, при цьому в міру розряду батареї конденсаторів, напруга на мінусовій шині знижується, що приводить до появи струму через джерело живлення й дросель на його виході. Ємність батареї конденсаторів підбирають таким чином, щоб максимальної енергії вистачило на підтримку дуги на той час, поки струм у дроселі досягне достатнього значення. Опір розрядного резистора вибирають таким, щоб розрядний струм не перевищував припустимих меж. Пульт газоводяний призначений для подачі плазмоутворюючих газів у плазмотрон із заданими значеннями масової витрати по кожному каналу, а також підведення-відводу охолоджувальної води до теплонавантажених деталей плазмотрона. Блок керування по лінії зв'язку одержує від пульта керування задані значення масової витрати плазмоутворюючого газу. Отримані завдання блок керування передає на блок регуляторів витрат, що забезпечує регулювання й підтримку заданих значень витрат при зміні вхідного тиску газу, протитиску у каналі, температури газу й інши х дестабілізуючих факторів. В одному з каналів подачі газу встановлений пневматичний модулятор, що необхідний для зменшення зношування поверхні катода, розширюючи зону прив'язки дуги шля хом періодичної зміни витрати газу (модуляції) по одному з каналів. При цьому оптимальні значення параметрів модуляції - частота, глибина, форма - забезпечуються програмно в блоці керування. Підведення води здійснюють через блок подачі води, що забезпечує відключення й підключення подачі води в кожному каналі. Крім того, у блоці подачі контролюється температура і тиск охолоджувальної води на вході в блок. Блок керування забезпечує роботу складових частин пульта газоводяного, оперативний контроль їхнього стану, одержує завдання з пульта керування й посилає на пульт керування поточні параметри - масова витрата й тиск у кожному каналі подачі газу, вхідний тиск у колекторі подачі газу, ви трата й температура води на зливі кожного каналу, тиск і температура води в напірному колекторі, крім того, блок керування, при виникненні аварійної ситуації розмикає контакти реле блокування, що може бути використане для аварійного відключення джерела живлення плазмотрона. За допомогою установки запропонований спосіб реалізують таким чином. 9 84654 Задають верхні й нижні межі величин робочого струму плазмотрона, напруги дуги й напруги кожного нейтрода з пульта керування установки й додатково задають верхні й нижні межі величин витрат, тиску і температур газів і води по кожному каналу пульта газоводяного. Якщо сигнали датчиків перебувають у заданих межах, блок керування видає сигнал на замикання реле блокування й дозволяє роботу плазмотрона, а якщо сигнали по будь-якому каналу виходять на задані межі, то з пульта керування подається сигнал на відключення плазмотрона. Стабілізацію струму здійснюють програмним методом у блоці керування шляхом порівняння величин заданого робочого струму із сигналом аналогового датчика струму. Під час запуску, при швидкозмінних значеннях струму дуги від нуля до заданого значення, використовують максимально припустиму частоту, а після закінчення перехідних процесів, при досягненні заданого значення струму дуги, частота знижується до мінімально можливого значення, при цьому розширюють зону прив'язки дуги шляхом періодичної зміни витрати плазмоутворюючого газу в одному з каналів подачі газу за допомогою пневматичного модулятора газового пульта. Сигнал, що надходить із аналогового датчика струму на блок керування безупинно аналізується в автоматичному режимі, і з появою нестійкого горіння дуги, установлюють максимально припустиму частоту комутації транзисторного ключа, а після закінчення перехідних процесів, коли струм дуги досягає заданого значення, частота знижується до мінімально можливого значення. На кресленні наведена функціональна схема установки. Установка енергоживлення плазмотрона складається з регулятора струму дуги 1, блоку збудження дуги 2, п ульта 3 газоводяного й пульта 4 керування установкою. Регулятор струму дуги 1 складається із ввідного блоку захисту 5, на вхід якого подається живильна трифазна напруга. Далі живляча напруга подається на трифазний випрямляч 6, потім випрямлена постійна напруга згладжується за допомогою батареї конденсаторів 7 і подається на транзисторний ключ 8, на виході якого підключені діод 9 і дросель 10. Послідовно із дроселем 10 включений датчик граничного струму 11 і датчик струму аналоговий 12. Вихід датчика струму 12 підключений до блоку керування регулятором струму 13. Керуючий вхід транзисторного ключа 8 підключений до виходу двовходового формувача 14, один із входів якого підключений до виходу блоку керування 13, а другий вхід підключений до виходу датчика граничного струму 11. Блок збудження дуги 2 складається з високовольтного трансформатора 15, з'єднаного із блоком високої напруги 16, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом блоку керування 17. У плюсовій шині встановлений датчик струму дуги 18, ви хід якого підключений до входу блоку керування 17. Вихід блоку керування 17 з'єднаний з контактором 19. Дротовий резистор 20 з'єднаний з конденсатором 21 і клемою нейтрода. Батарея конденсаторів 22 з'єднана з мінусовою шиною через зарядний 10 резистор 23 і через послідовно з'єднані розрядний резистор 24 і діод 25. Вихід блоку керування 17 підключений до керуючої обмотки реле блокування 26. Пульт газоводяний складається із системи подачі плазмоутворюючих газів, системи підведеннявідводу о холоджувальної рідини й інформаційної системи. Система подачі плазмоутворюючих газів складається із вхідного колектора 27, до якого приєднані датчик тиску 28 і регулятори витрат 29, кожний з яких містить регулювальний клапан з електроприводом 30, датчик витрати 31, датчик тиску 32, датчик температури 33 і обчислювальний пристрій 34. В одному з каналів подачі газу встановлений пневматичний модулятор 35. Система підведення-відводу охолоджувальної рідини складається з напірного колектора 36, до якого приєднані датчик температури 37, датчик тиску 38, а також запірні крани 39, і зливного колектора 40, до якого приєднані вимірники витрати води 41 і датчики температури води 42. Інформаційна система складається із блоку керування 43, до якого приєднані обчислювальні пристрої 34 кожного з регуляторів витрати газу 29, а також вимірники витрати води 41, датчики температури води 37 і 42, і датчики тиску 28 і 38. Крім того, блок керування містить зв'язувальний інтерфейс 44, дисплей 45 і клавіатуру 46. Вихід блоку керування 43 підключений до керуючої обмотки реле блокування 47. Пульт 4 керування установкою складається із блоку керування 48, до якого підключені дисплей 49, клавіатура 50 і зв'язувальний інтерфейс 51. На вхідні клеми регулятора струму дуги 1 подається трифазна живильна напруга. Вихідні клеми регулятора струму дуги 1 підключені до вхідних клем блоку збудження дуги 2. Вихідні клеми блоку збудження дуги 2 підключені до електродів плазмотрона. Пульт 4 керування установкою зв'язаний інформаційними шинами з регулятором струму дуги 1, блоком збудження дуги 2 і пультом 3 газоводяним. Крім того, контакти реле блокувань 26 і 47 з'єднані послідовно й підключені до блоку керування 48. Установка працює в такий спосіб. Пульт керування установкою 4 містить дисплей 49 і клавіатуру 50, що дозволяє управляти установкою в ручному режимі, і контролювати стан її складових частин. Крім того, до складу пульта керування 4 входить зв'язувальний інтерфейс 51, що дозволяє включати установку до складу АСУ ТП, і управляти нею дистанційно. Пульт керування 4 пов'язаний із блоками керування 13, 17 і 43 за допомогою вмонтованих зв'язувальних інтерфейсів, по яких пульт керування 4 передає команди, і одержує відповідну інформацію від блоків. Змінна трифазна напруга подається на ввідний блок захисту 5, потім - на трифазний випрямляч 6. Випрямлена трифазним випрямлячем 6 постійна напруга додатково згладжується за допомогою батареї конденсаторів 7, і подається на транзисторний ключ 8. У керуючому ланцюзі транзисторного ключа 8 установлений формувач 14, що забезпечує подачу на вхід транзисторного ключа 8 необхідні рівні напруги для його повного 11 84654 відмикання й запирання. Особливістю формувача 14 є наявність другого (замикаючого) входу, що забезпечує швидке запирання транзистора 8 при перевищенні дозволеного струму, незалежно від сигналу на основному вході. Транзисторний ключ 8 працює в імпульсному режимі, із чергуванням повністю відкритого й повністю замкненого станів, що забезпечує мінімальні втрати потужності при регулюванні струму дуги. Регулювання струму досягається зміною шпаруватості імпульсів - співвідношення часу відкритого й замкненого стану ключа. Діод 9 і дросель 10 забезпечують безперервність протікання струму в навантаженні (дузі), при імпульсному характері роботи транзисторного ключа 8. При відкритому стані ключа 8 діод 9 замкнений, струм дуги проходить через дросель 10, накопичуючи в ньому енергію магнітного поля. При запиранні транзисторного ключа 8 у дроселі 10 виникає е.р.с. самоіндукції, і накопичена магнітна енергія передається в навантаження. При цьому діод 9 відмикається, і через нього проходить струм дуги. Послідовно з навантаженням у мінусовій шині включений датчик граничного струму 11, що забезпечує безпечну роботу транзистора, швидко замикаючи формувач 14 при перевищенні струму вище гранично припустимого. Таким чином, забезпечується додатковий безінерційний захист транзисторного ключа 8, що необхідний при перехідних процесах при пуску плазмотрона, або при нестійкому характері горіння дуги. Датчик струму аналоговий 12 видає сигнал, пропорційний поточному значенню струму, що порівнюється в блоці керування 13 із заданим значенням струму, отриманим з пульта керування 4. Різниця між заданим і поточним значеннями є керуючим параметром для широтно-імпульсного модулятора, що входить до складу блоку керування 13. При цьому шпаруватість імпульсів на виході широтно-імпульсного модулятора змінюється таким чином, щоб поточне значення струму стало рівним заданому. У такий спосіб забезпечується регулювання й стабілізація заданого значення струму. Частота роботи широтно-імпульсного модулятора не постійна. Для забезпечення максимальної стійкості ланцюга зворотного зв'язку регулятора струму необхідно частоту перемикання транзисторного ключа підвищувати. Але при збільшенні частоти зростають динамічні втрати в транзисторному ключі, що приводить до його підвищеного нагрівання, зниженню надійності регулятора струму, і зниженню ККД установки в цілому. Тому частота вибирається блоком керування 13 адаптовано, залежно від умов роботи регулятора струму. При запуску, коли значення струму дуги швидко змінюється від нуля до заданого значення, для більш точного відпрацьовування струму використовується максимально припустима частота. Після закінчення перехідних процесів, коли струм дуги досягає заданого значення, частота, з метою зниження динамічних втрат у транзисторі, знижується до мінімально можливого значення. Мінімальне значення частоти визначається припустимою амплітудою пульсацій струму й індуктивністю дроселя. Крім того, блок керування 13 постійно аналізує сигнал з виходу датчика струму аналогового 12, і 12 при виникненні нестійкого режиму горіння дуги короткочасно підвищує часто ту. Вихідні клеми регулятора току 1 з'єднуються кабелями із блоком збудження дуги 2. Первинна обмотка підвищувального високовольтного трансформатора 15 підключена до блоку високої напруги 16. Вторинна (підвищувальна) обмотка трансформатора 15 включена послідовно в мінусовій шині. Для того, щоб високовольтний пробій виник у зазорі між катодом і нейтродом плазмотрона, у схемі встановлений блокувальний конденсатор 21. Блок керування 17 відслідковує наявність напруги на мінусовій шині. Поява напруги із джерела живлення служить командою для блоку керування 17 про початок запуску. Для цього спочатку блок керування 17 замикає контакти контактора 19, і потім подає команду на блок високої напруги 16. При цьому блок високої напруги 16 подає імпульс на первинну обмотку трансформатора 15, на вторинній обмотці виникає високовольтний імпульс, що прикладається до катода, і через конденсатор 21 - до нейтрода, і відбувається пробій міжелектродного проміжку катод-нейтрод. Створюються умови для виникнення дуги, і струм дуги проходить по ланцюзі: шина (+), контактор 19, резистор 20, нейтрод, дуга між нейтродом і катодом, катод, вторинна обмотка трансформатора 15, шина (-). Через якийсь час дуга переміщується з нейтрода на анод. При цьому в ланцюзі анода з'являється струм, що реєструється датчиком струму 18. Блок керування 17 постійно відслідковує сигнал з виходу датчика струму 18, і як тільки струм анода з'являється, розмикаються контакти контактора 19. На цьому режим пуску завершується. Дуга при запуску повинна перейти з нейтрода на анод досить швидко. Цей час контролюється блоком керування 17. Якщо він перевищує припустиме значення, і дуга за цей час не досягла анода - нейтрод може зруйнуватися, пуск вважається невдалим, блок керування 17 примусово розмикає контактор 19. Після цього відбувається перехід на режим повторного запуску. Кількість наступних підряд повторних запусків контролюється блоком керування 17. Якщо вона перевищує припустиме значення, то це означає або несправність самого плазмотрона, або неправильно встановлений режим подачі плазмоутворюючого газу. При цьому блок керування 17 припиняє подальші спроби запуску, і переходить у режим аварійного зупину. Після того, як запуск пройшов вдало, блок керування 17 контролює наявність струму дуги в ланцюзі анода за допомогою датчика струму 18 і напруги на катоді й нейтроді. Якщо сигнал на виході датчика струму 18 відсутній, а напруга на катоді є, значить відбувся зрив дуги, і потрібен перехід на режим повторного запуску. Якщо струму дуги немає, і напруги на катоді теж немає - значить джерело живлення відключене, і блок збудження дуги переходить у режим очікування. Під час нормальної роботи плазмотрона дуга повинна горіти тільки між катодом і анодом, не дотикаючись нейтрода. Напруга на нейтроді залежить від типу плазмотрона й режиму його роботи. Опір проміжків катод-нейтрод і нейтрод-анод ве 13 84654 ликий, тому напруга на нейтроді приймає значення, близьке до половини напруги між анодом і катодом. Якщо за якимись причинами дуга починає горіти в проміжку між нейтродом і сусіднім електродом, опір цього проміжку різко зменшується, і напруга на нейтроді стає близькою до напруги цього електрода. Тому важливе значення має різниця напруг між сусідніми електродами, наприклад катод-нейтрод, або нейтрод-анод. Якщо ця різниця зменшується до деякої величини, це означає, що відбувся пробій цього проміжку. Блок керування 17 відслідковує тривалість і частоту виникнення такої ситуації. Якщо тривалість перевищує припустиме значення, відбувається перехід у режим аварійного зупину. Аварійний зупин здійснюється розмиканням контактів реле блокування 26, по команді із блоку керування 17. Розмикання контактів реле 26 відслідковується пультом керування 4, і може бути використане для аварійного відключення джерела живлення плазмотрона. Крім того, блок керування 17 по лінії зв'язку передає на пульт керування 4 текстову ін формацію про причину аварійного зупину, що полегшує швидке усунення аварійної ситуації. Схема дозволяє запускати плазмотрон, не вимагаючи додаткової пускової комутації в ланцюгах дроселя. Дросель на виході джерела живлення необхідний для згладжування пульсацій струму й для підвищення стійкості горіння дуги. При збільшенні індуктивності дроселя якість живлення дуги поліпшується. Але при цьому зростають проблеми при запуску. Дросель із великою індуктивністю перешкоджає швидкому наростанню струму дуги. А тривалість іскри при підпалі дуже мала, тому струм у дроселі за такий короткий час не встигає досягти значень, достатніх для стійкого горіння, і дуга гасне. У запропонованій схемі блоку збудження дуги встановлена батарея конденсаторів 22, у якій накопичується енергія, достатня для розвитку й підтримки дуги на час пуску. При подачі живлячої напруги на вхідні клеми, батарея конденсаторів заряджається через зарядний резистор 23 до напруги живлення. При пуску, коли відбувається пробій проміжку катод-нейтрод, опір цього проміжку різко знижується, і заряджена батарея конденсаторів розряджається по ланцюзі: обкладка (+), контактор 19, резистор 20, нейтрод, проміжок нейтрод-катод, катод, вторинна обмотка трансформатора 15, діод 25, розрядний резистор 24, обкладка (-). При цьому, у міру розряду батареї конденсаторів 22, напруга на мінусовій шині знижується, що приводить до появи струму через джерело живлення й дросель на його виході. Ємність батареї конденсаторів 22 залежить від індуктивності дроселя, і підбирається таким чином, щоб накопиченої енергії вистачило на підтримку дуги на той час, поки струм у дроселі досягне достатнього значення. Опір розрядного резистора 24 вибирається таким, щоб розрядний струм не перевищував припустимих меж. Діод 25 потрібний для того, щоб після запуску напруга дуги не шунтувалась батареєю конденсаторів 22 через низькоомний резистор 24. Така схема забезпечує надійний запуск, і 14 не вимагає додаткового настроювання й ланцюгів керування. Блок керування 43 пульта 3 газоводяного за допомогою зв'язного інтерфейсу 44 одержує з пульта 4 керування установкою задані значення витрати плазмоутворюючого газу. Отримані завдання блок керування 43 передає на відповідні регулятори витрати 29. Обчислювальний пристрій 34 регулятора витрати управляє регулювальним клапаном 30, змінюючи поточне значення витрати в більшу або меншу сторону. При цьому потік газу проходить через датчик витрати 31, вихідний сигнал якого надходить на обчислювальний пристрій 34. Крім того, на обчислювальний пристрій 34 надходять сигнали від датчика температури 33 і датчика тиску 32. За значеннями температури й тиску газу обчислювальний пристрій 34 коректує показання датчика витрати 31, одержуючи в результаті поточне значення масової витрати. Далі обчислене поточне значення витрати рівняється із заданим, і якщо різниця перевищує припустиму погрішність, виробляється керуючий сигнал для регулювального клапана, що закривається або відкривається на величину, достатню для забезпечення заданої витрати. Поточне значення масової витрати й тиску в кожному каналі передається на блок керування 43. Особливістю схеми є те, що в одному з каналів подачі газу встановлений пневматичний модулятор 35, що управляється блоком керування 43. Модулятор 35 необхідний для зменшення зношування поверхні катода, розширюючи зону прив'язки дуги шляхом періодичної зміни витрати газу (модуляції) по одному з каналів. При цьому оптимальні значення параметрів модуляції - частота, глибина, форма - забезпечуються програмно в блоці керування 43. Підведення води здійснене через напірний колектор 36, на виході з якого встановлені запірні крани 39, які забезпечують відключення й підключення подачі води в кожному каналі. Далі охолоджувальна вода, пройшовши через оболонку охолодження плазмотрона, попадає в зливальний колектор 40, попередньо проходячи через вимірники витрати води 41. Крім того, датчики 42 контролюють температуру води на виході кожного каналу. Вихідні сигнали з вимірників витрати води 41 і датчиків температури 42 надходять на блок керування 43. Крім того, на напірному колекторі встановлений датчик температури 37 і датчик тиску 38, вихідні сигнали яких надходять на блок керування 43. Блок керування 43 забезпечує роботу складових частин пульта газоводяного, оперативний контроль їхнього стану, за допомогою зв'язувального інтерфейсу 44 одержує завдання із зовнішнього пульта керування установкою, і посилає на пульт керування установкою поточні параметри - масова витрата й тиск у кожному каналі подачі газу, вхідний тиск у колекторі подачі газу 27, витрату й температуру води на зливі кожного каналу, тиск і температуру води в напірному колекторі. Крім того, блок керування 43 за допомогою розмикання контакторів реле блокування 47 може здійснювати аварійний зупин плазмотрона або блокування за 15 84654 пуску, якщо виникає аварійна ситуація. До числа аварійних ситуацій відносяться, наприклад - відсутність або недостатнє значення витрати води, температура води на вході перевищує припустиме значення, витрата газу відрізняється від заданого більше припустимого значення й т.п. Крім того, блок керування 43 передає на пульт керування 4 установкою текстову інформацію про причину спрацьовування блокування, що полегшує швидке усунення аварійної ситуації. Наявність дисплея 45 і клавіатури 46 дозволяє управляти пультом газоводяним і контролювати його стан в автоматичному й ручному режимі. Це дозволяє запобігти аварійної ситуації у випадках ушкодження лінії зв'язку з пультом керування установкою, що підвищує надійність всієї системи живлення плазмотрона в цілому. До складу установки входить регулятор струм у дуги, блок збудження дуги, п ульт газоводяний, пульт керування установкою й плазмотрон. З карти робочих режимів плазмотрона вибираємо його вольт-амперну характеристику, що відповідає заданої потужності, наприклад WПЛ=350кВт. Виходячи із цього UДУГИ=1000В±25%, ІДУГИ=350А±25%. Таким параметрам дуги по вольт-амперним характеристиках відповідають наступні витрати газів через канали плазмотрона: повітря, г/с: катод - 7, катод-нейтрод - 25, нейтрод-анод - 6; природний газ, г/с: нейтрод - 6; витрата води, л/хв: катод - 20, нейтрод-анод 20. З пульта керування установки задаємо верхні й нижні межі величин струму розряду: IВЕРХ=437А; ІНИЖН=262A; UBEPX=1250В; UНИЖН=750В. Витрата газів, г/с: катод - 7-5; катод-нейтрод 20-30 нейтрод-анод - 5-8; нейтрод - 6-16. 16 Витрата води, л/хв: катод - 18-25; нейтроданод - 15-22. Напруга на нейтроді для стійкої роботи плазмотрона повинна становити: UBEPX=600В; UНИЖН=500В. Тиск, МПа: вхідний тиск повітря РВЕРХ=0,75; РНИЖН=0,45; тиск газу РГАЗ А ВЕРХ=0,25; Р ГАЗА НИЖН=0,15; вхідний тиск води РВОДИ ВЕРХ=1,0; РВО ДИ НИЖН =0,6. Уводимо значення зовнішніх параметрів атмосфери, наприклад РАТМ=0,09МПа; температура ТАТМ=25°С=298К. Уводимо граничні значення тисків і температур у каналах пульта газоводяного: тиск, МПа: катод - РВЕРХ. КАТ=3,5; РНИЖН. КАТ=2; катод-нейтрод - РВЕРХ. КАТ НЕЙТР=4; РНИЖН. КАТ НЕЙТР=3; нейтрод-анод - РВЕРХ. НЕЙТР АНОД=3; РНИЖН. НЕЙТР АНОД=2. температура, °С: катод - ТВЕРХ КАТ=45; катод-нейтрод - ТВЕРХ КАТ НЕЙТР=40; нейтрод-анод - ТВЕРХ Н ЕЙТР АНОД=40. При уведенні всіх параметрів попередні величини не обнулюються. Запуск плазмотрона здійснюється натисканням кнопки «ПУСК». У випадку успішного настроювання плазмотрон виходить на нормальний режим роботи з потужністю: WПЛ=350±87кВт. Заявлена група винаходів відповідає вимозі єдності винаходу, оскільки група утворює єдиний винахідницький задум, причому один із заявлених об'єктів групи - спосіб автоматичного регулювання режимом роботи плазмотрона призначений для використання в іншому заявленому об'єкті групи установці, при цьому обидва об'єкти спрямовані на рішення одного й того ж завдання з одержанням єдиного технічного результату й можуть бути використані лише спільно. 17 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 84654 Підписне 18 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601