Електричні схеми генераторів імпульсів струму електрогідравлічних пристроїв
Генератор імпульсів струму (ГІТ) призначений для формування імпульсів струму, що багаторазово повторюються, відтворюють електрогідравлічний ефект. Принципові схеми ГІТ були запропоновані ще в 1950-х роках [4, 7, 9] і за минулі роки не зазнали істотних змін, проте значно удосконалилися їхнє комплектувальне обладнання та рівень автоматизації. Сучасні ГІТ призначені для роботи в широкому діапазоні напруги (5-100 кВ), ємності конденсатора (0,1 -10000 мкФ), запасеної енергії накопичувача (10-106 Дж), частоти проходження імпульсів (0,1 -100 Гц).
Наведені параметри охоплюють більшість режимів, у яких працюють електрогідравлічні установки різного призначення.
Вибір схеми ГІТ визначається відповідно до призначення конкретних електрогідравлічних пристроїв. Кожна схема генератора включає такі основні блоки: блок живлення - трансформатор з випрямлячем; накопичувач енергії - конденсатор; комутуючий пристрій - формуючий (повітряний) проміжок; навантаження - робочий іскровий проміжок. Крім того, схеми ГІТ включають струмообмежуючий елемент (це може бути опір, ємність, індуктивність або їх комбіновані поєднання). У схемах ГІТ може бути кілька формуючих та робочих іскрових проміжків та накопичувачів енергії. Живлення ГІТ здійснюється, як правило, від мережі змінного струму промислової частоти та напруги.
ГІТ працює наступним чином. Електрична енергія через струмообмежуючий елемент і блок живлення надходить у накопичувач енергії - конденсатор. Запасена в конденсаторі енергія за допомогою пристрою, що комутує, — повітряного формуючого проміжку — імпульсно передається на робочий проміжок у рідині (або іншому середовищі), на якомувідбувається виділення електричної енергії накопичувача, у результаті виникає електрогідравлічний удар. При цьому форма і тривалість імпульсу струму, що проходить по розрядному ланцюзі ГІТ, залежать як від параметрів зарядного контуру, так і параметрів розрядного контуру, включаючи і робочий іскровий проміжок. Якщо для одиночних імпульсів спеціальних ГІТ параметри ланцюга зарядного контуру (блоку живлення) не істотно впливають на загальні енергетичні показники електрогідравлічних установок різного призначення, то в промислових ГІТ ККД зарядного контуру істотно впливає на ККД електрогідравлічної установки.
Використання у схемах ГІТ реактивних струмообмежувальних елементів обумовлено їх властивістю накопичувати і потім віддавати енергію в електричний ланцюг, що зрештою підвищує ККД.
Для збільшення загальної потужності при використанні найпростішої схеми ГІТ крім можливого застосування потужнішого трансформатора доцільно іноді використовувати ГІТ, що має три однофазних трансформатора, первинні ланцюги яких з'єднані «зіркою» або «трикутником» і живляться від трифазної мережі. Напруга з їх вторинних обмоток подається на окремі конденсатори, які працюють через формуючий, що обертається, -проміжок на один загальний робочий іскровий проміжок в рідині (рис. 3.1, б) [-] . .4
При проектуванні та розробці ГІТ електрогідравлічних установок значний інтерес є використання резонансного режиму заряду ємнісного накопичувача від джерела змінного струму без випрямляча. Общий електричний ККД резонансних схем дуже високий (до 95%), а при їх використанні відбувається автоматичне значне підвищення робочої напруги. Резонансні схеми доцільно використовувати під час роботи на великихчастотах (до 100 Гц), але для цього потрібні спеціальні конденсатори, призначені для роботи на змінному струмі. При використанні цих схем необхідно дотримуватися певної умови резонансу
Де спів-частота змушує ЕРС; Ь-індуктивність контуру; З-ємність контуру.
Мал. 3.1. Принципові електричні схеми ГІТ електрогідравлічних установок (Трі-ТрЗ - трансформатори; - опори в ланцюгу сеті
ного харчування; VI-У4 - випрямлячі; Ср - робочий конденсатор; Сф - фільтровий конденсатор; 11-£.3-індуктивність (дроселі); ФП, ФП1, ФП2 - формують проміжки; РП-робочий іскровий проміжок
Однофазний резонансний ГІТ (рис. 3.1 в) може мати загальний електричний ККД, що перевищує 90%. ГІТ дозволяє отримувати стабільну частоту чергування розрядів, оптимально рівну або одноразової, або двократної частоти струму живлення (тобто 50 і 100 Гц відповідно) при живленні струмом промислової частоти. Застосування схеми найбільш раціонально (. при потужності живильного трансформатора 15-30 кВт. У розрядний контур схеми вводиться синхронізатор - повітряний формуючий проміжок, між кулями якого розташований вра-
Диск, що щаситься, з контактом, що викликає спрацьовування формуючого проміжку при проході контакту між кулями. У цьому обертання диска синхронізується з моментами піків напруги [4].
Схема трифазного резонансного ГІТ (рис. 3.1,г) включає трифазний підвищує трансформатор, кожна обмотка на високій стороні якого працює як однофазна резонансна схема н^ один загальний для всіх або на три самостійних робочих іскрових проміжку при загальному синхронізаторі на три формують проміжок . Ця схема дозволяє отримувати частоту чергування розрядів, що дорівнює триразовій або шестиразовій частоті.струму живлення (тобто 150 або 300 Гц відповідно) при роботі на промисловій частоті. Схема рекомендується до роботи на потужностях ГІТ 50 кВт і більше. Трифазна схема ГІТ економічніша, тому що час зарядки ємнісного накопичувача (тої ж потужності) менше, ніж при використанні однофазної схеми ГІТ. Однак подальше збільшення потужності випрямляча буде доцільним лише до певної межі [4].
Підвищити економічність процесу заряду ємнісного накопичувача ГІТ можна шляхом використання різних схем із фільтровою ємністю. Схема ГІТ з фільтровою ємністю та індуктивним зарядним ланцюгом робочої ємності (рис. 3.1, (3) дозволяє отримувати практично будь-яку частоту чергування імпульсів при роботі на невеликих (до 0,1 мкФ) ємностях і має загальний електричний ККД — близько 85 %. Це досягається тим, що фільтрова ємність працює в режимі неповної розрядки (до 20%), а робоча ємність заряджається через індуктивний ланцюг - дросель з малим активним опором - протягом одного пів- періоду в коливальному режимі, що задається обертанням диска на першому формуючому . .При цьому фільтрова ємність перевищує робочу в 15-20 разів [4].
Диски, що обертаються, формують іскрових проміжків сидять на одному валу і тому частоту чергування розрядів можна варіювати в дуже широких межах, максимально обмежених лише потужністю живильного трансформатора. У цій схемі можуть бути використані трансформатори на 35-50 кВ, оскільки вона подвоює напругу. Схема може приєднуватися безпосередньо до високовольтної мережі.
У схемі ГІТ з фільтровою ємністю (рис. 3.1, е) почергове приєднання робочої та фільтрової ємностей до робочого іскрового проміжку в рідині здійснюється за допомогою одного розрядника, що обертається.формує проміжку [6]. Однак при роботі такого ГІТ спрацьовування розрядника, що обертається, починається при меншій напрузі (при зближенні куль) і закінчується при більшому (при видаленні. куль), ніж це задано мінімальною відстанню між кулями розрядників. Це призводить до нестабільності основного параметра
Розрядів-.напруги, а отже, до зниження надійності роботи генератора.
Для підвищення надійності роботи ГІТ шляхом забезпечення заданої стабільності параметрів розрядів у схему ГІТ з фільтровою ємністю включають комутуючий пристрій, що обертається — диск зі ковзними контактами для почергового попереднього безструмового включення і вимкнення зарядного і розрядного контурів.
При подачі напруги на зарядний контур генератора спочатку заряджається фільтрова ємність. Потім контактом, що обертається без струму (а значить, і без іскріння) замикається ланцюг, на кулях формуючого розрядника виникає різниця потенціалів, відбувається пробій і робочий конденсатор заряджається до напруги фільтрової ємності. Після цього струм у ланцюзі зникає і контакти обертанням диска розмикаються знову без іскріння. Далі диском, що обертається (також без струму і іскріння) замикаються контакти розрядного контуру і напруга робочого конденсатора подається на формуючий розрядний, відбувається його пробою, а також пробою робочого іскрового проміжку в рідині. При цьому робочий конденсатор розряджається, струм у розрядному контурі припиняється і, отже, контакти обертанням диска можуть бути розімкнені знову без іскріння, що їх руйнує. Далі цикл повторюється з частотою проходження розрядів, що задається частотою обертання диска пристрою, що комутує.
Використання ГІТ цього типу дозволяє отримувати стабільні параметри нерухомих кульових.розрядників і здійснювати замикання та розмикання ланцюгів зарядного та розрядного контурів у безструмовому режимі, тим самим покращуючи всі показники та надійність роботи генератора силової установки.
Була розроблена також схема живлення електрогідравлічних установок, що дозволяє найбільш раціонально використовувати електричну енергію (з мінімумом можливих втрат). У відомих електрогідравлічних пристроях робоча камера заземлена і тому частина енергії після пробою робочого іскрового проміжку рідини практично втрачається, розсіюючись на заземленні. Крім того, при кожному розряді робочого конденсатора на його обкладках зберігається невеликий (до 10% від початкового) заряд.
Досвід показав, що будь-який електрогідравлічний пристрій може ефективно працювати за схемою, в якій енергія, запасена одному конденсаторі С1, пройшовши через формує проміжок ФП, надходить на робочий іскровий проміжок РП, де в більшій своїй частині витрачається на здійснення корисної роботи електрогідравлічного удару. Енергія, що залишилася невитраченою, надходить на другий незаряджений конденсатор С2, де і зберігається для подальшого використання (рис. 3.2). Після цього енергія дозарядженого до необхідного значення потенціалу другого конденсатора С2, пройшовши через формує проміжок ФП, розряджається на робочий іскровий проміжок РП і знову невикористана частина її потрапляє тепер вже на перший конденсатор СУ і т. д.
Почергове приєднання кожного з конденсаторів то в зарядний, то розрядний ланцюг проводиться перемикачем /7, в якому струмопровідні пластини А і В, розділені діелектриком, по черзі приєднуються до контактів 1-4 зарядного і розрядного контурів.
Коливальний характер процесу сприяє тому,що перехід енергії при розряді одного конденсатора на інший відбувається з деяким надлишком (для конденсатора, що заряджається), що також позитивно позначається на роботі цієї схеми.
Для деяких окремих випадків зазначену схему можна побудувати таким чином, щоб після кожної підзарядки конденсатора (наприклад, С1) енергією, що «залишилася» від попереднього розряду на нього конденсатора С2, наступний розряд конденсатора СІ йшов через робочий проміжок на землю, не надходячи на підзарядку конденсатора С2. Така робота буде еквівалентна роботі відразу на двох режимах, що може бути ефективно використано на практиці (у технологічних процесах дроблення, руйнування, подрібнення та ін.).