СПОСОБ И ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ ОДНОФАЗНЫХ ДУГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2000 года по МПК H05B7/144 H01F38/08 B23K9/06 H05H1/36 

Изобретение относится к дуговой и плазменно-дуговой технике, в частности к электрическому питанию дуговых устройств, и может быть применено в металлургической, химической промышленности, а также в других отраслях техники, использующих дуговые межэлектродные разряды.

Известен способ электрического питания дуги, где в качестве источника электропитания используют обычный силовой трансформатор, а для создания условий стабильного горения и ограничения тока дуги в схему питания включают индуктивное балластное сопротивление (Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B. C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. В сб. Низкотемпературная плазма. Т. 16 - Новосибирск: Наука. СИФ РАН, 1995, с. 112).

Недостатком данного способа, обусловленным характеристиками используемого устройства, является необходимость введения в схему питания, кроме собственно источника питания (трансформатора), дополнительных элементов - индуктивного балластного сопротивления, а также емкостного компенсатора для повышения коэффициента мощности установки; сложность реализации и отсутствие особых преимуществ перед другими схемами питания не позволяют рассматривать данный способ как предпочтительный.

Известен способ питания однофазных электрических дуг, основанный на использовании специальных источников электрического питания - однофазных сварочных трансформаторов (Сварка в машиностроении. Справочник, Т.4. /Под ред. Зорина Ю.Н., М.: Машиностроение", 1979, с.52,53), принятый нами в качестве прототипа.

Специфической особенностью используемых при реализации упомянутого способа источников электрического питания является крутая внешняя вольтамперная характеристика, обеспечивающая надежную инициацию и устойчивое горение дуги. Достигают требуемой формы внешней характеристики, в частности, пространственным разнесением первичной и вторичной обмоток по длине замкнутого О-образного магнитопровода. В режиме холостого хода практически весь магнитный поток, создаваемый током первичной обмотки, замыкается по магнитопроводу и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу (ЭДС) - основу напряжения холостого хода на ее выводах, определяемого соотношением витков вторичной и первичной обмоток; при горении дуги ее ток, протекающий по вторичной обмотке, создает магнитный поток, встречный потоку первичной обмотки, чем существенно увеличивает индуктивное сопротивление своего участка магнитопровода и приводит к возникновению шунтирующего магнитного потока рассеяния через воздушный зазор между ветвями магнитопровода (на участке между первичной и вторичной обмотками), оказывающего стабилизирующее воздействие на процесс горения дуги, а также позволяющего сохранить близким к исходному магнитный поток на участке первичной обмотки и тем самым ограничить ток, потребляемый первичной обмоткой, и рабочий ток дуги.

Недостатком описанного способа, так же, как и у рассмотренного выше аналога, является то, что, при необходимости обеспечить электрическим питанием несколько дуг, требуется:
- или использовать соответствующее числу дуг количество источников,
- или, при организации питания всех дуг от одного источника, применить специальные методы или устройства для обеспечения инициации всех дуг, за исключением загоревшейся первой (сближение или перемыкание электродов, осцилляция межэлектродного промежутка и т.п.), поскольку напряжение на вторичной обмотке после инициации первой дуги оказывается ниже необходимого для инициации последующих дуг, снижаясь по мере увеличения числа горящих дуг; при этом практически нет возможности обеспечить стабильное горение всех дуг, поскольку любое увеличение тока одной из них ведет к автоматическому снижению тока в остальных вплоть до их погасания при коротком замыкании на любой паре электродов.

Целью изобретения является способ саморегулирующегося электрического питания любого количества однофазных электрических дуг переменного тока от одного источника питания (при сокращении - источника).

Указанную цель достигают тем, что в способе электрического питания однофазных дуг переменного тока от источника с крутой (формируемой организованным рассеянием части магнитного потока) внешней вольтамперной характеристикой, состоящего из замкнутого магнитопровода, связывающего первичную и вторичную обмотки, разнесенные по его длине, обеспечивающего надежную инициацию и устойчивое горение электрической дуги, новыми признаками согласно изобретению являются:
- магнитопровод источника, от которого осуществляется электропитание, выполняют замкнутым разветвленным с числом стержней N+1, на единицу больше количества N дуг, обеспечиваемых электрическим питанием от данного источника, при этом сечения N внешних стержней выполняют расчетными - fi (1≤i≤N), а один (центральный) стержень - сечением F, равным сумме сечений внешних стержней, при этом объединение стержней в единую замкнутую магнитную систему (с наименьшим магнитным сопротивлением) производят с помощью шихтованного присоединения 2N ярем; каждое ярмо в паре, объединяющей внешний стержень с центральным сечением, равно внешнему стержню;
- каждую из N дуг обеспечивают электрическим питанием от одной из N вторичных обмоток, которые размещают по одной на N внешних стержнях, а энергию питания источника подводят к общей первичной обмотке, которую размещают на центральном стержне; при самопроизвольной или принудительной инициации горения дуг и появлении тока в питающих их обмотках, напряжения на выводах остальных вторичных обмоток растут выше значения, определяемого формальным коэффициентом трансформации, увеличиваясь после инициации каждой последующей дуги, что обеспечивает прогрессирующую надежность инициации и стабильное горение всех N дуг.

Отличительный от прототипа признак описанного источника питания, магнитопровод которого "...выполняют...разветвленным...", известен (см., например, а. с. России N 2046423, МКИ 6 H 01 F 30/00). Но в известном трансформаторе, имеющем разветвленную магнитную систему с одним центральным и любым, более одного, количеством внешних стержней, связанных каждый с центральным стержнем парой ярем, разработанном в качестве внешним образом регулируемого трансформатора, для достижения его основных функций предусмотрено конструктивное размещение и соединение обмоток, включая и разнесение секций одной обмотки на разные стержни, исключающее возможность использования данного устройства в качестве источника питания для реализации предлагаемого способа.

Отличительный от прототипа признак используемого источника питания, когда каждого потребителя "...обеспечивают электрическим питанием от одной из.. . вторичных обмоток, которые размещают по одной на внешних стержнях..." и при этом "...первичную обмотку размещают на центральном стержне...", известен (см. , например, а.с. СССР N 1621091, МКИ H 01 F 29/08); но в известном трансформаторе, имеющем две вторичные обмотки, которые могут быть использованы порознь, размещенные на внешних стержнях Ш-образного магнитопровода, и общую первичную обмотку, размещенную на центральном стержне этого же магнитопровода, разработанном в качестве внешним образом регулируемого трансформатора, для выполнения его основной функции предусмотрена возможность перемещения не связанного механически с основным магнитопроводом верхнего ярма, что ведет к противонаправленному изменению степени магнитной связи центрального стержня с боковыми, т.е. к изменению индуктируемых в них ЭДС, вывод ярма в крайнее положение модифицирует магнитопровод в О-образный, практически исключая из работы дальнюю вторичную обмотку; при нейтральном (симметричном) положении подвижного ярма неполное сечение контакта его с крайними стержнями, а также наличие разрыва сплошности магнитопровода в местах скользящего контакта составляющих его частей, создают избыточное сопротивление магнитной системы по сравнению с шихтованным соединением ее элементов, что осложняет или делает невозможным достижение с его помощью целей, стоящих перед заявляемым способом.

Сравнение эксплуатационных возможностей, открываемых применением заявляемого способа, а также конструктивных характеристик предназначенного для его реализации источника питания с таковыми у прототипа и ближайших аналогов дает основание сделать заключение, что заявляемое техническое решение, позволяющее получить новые эффекты, достигаемые рациональным сочетанием известных элементов и условий, более нигде не применяемым, позволяет установить его соответствие критериям "новизна" и "существенные отличия".

Указанный способ позволяет организовать горение любого количества электрических однофазных дуг от одного источника электрического питания специальной конструкции, обеспечивающего электропитание каждой из дуг от своей вторичной обмотки, причем, до инициации горения дуг, на выводах этих обмоток генерируются стандартные напряжения холостого хода, после же инициации горения первой дуги, за счет саморегулирующегося перераспределения магнитного потока, напряжение на выводах обмотки, питающей горящую дугу, снижается, а напряжения на остальных обмотках растут, увеличиваясь после инициации каждой последующей дуги и снижения напряжения на выводах питающей ее обмотки, что обеспечивает прогрессирующую надежность инициации и стабильное горение всех дуг.

Описанное явление объясняется следующим образом:
- магнитный поток Ф, создаваемый в центральном стержне источника питания при прохождении первичного тока через первичную обмотку, размещенную на этом стержне, распределяется по N объединенным замкнутым контурам (центральный стержень - первое ярмо - боковой стержень - второе ярмо - центральный стержень) магнитной системы источника пропорционально сечениям ярем и боковых стержней, входящих в эти контуры;
- во всех N вторичных обмотках, размещенных на N боковых стержнях, индуцируются электродвижущие силы, пропорциональные пронизывающим их магнитным потокам и формальному коэффициенту трансформации, определяющие, до инициации какой-либо из дуг, напряжения холостого хода Vxxi на их выводах (на межэлектродных промежутках);
- при инициации горения нескольких (Nr) дуг, что может произойти самопроизвольно или быть вызванным искусственным воздействием на межэлектродные промежутки, по питающим эти дуги вторичным обмоткам текут токи дуг, которые создают в каждом из пронизывающих эти обмотки боковых стержней соответствующий противонаправленный магнитный поток -dФi;
- вытесненная из Nr стержней работающих вторичных обмоток часть основного магнитного потока, dФ = /SUM(-dФi)г/, распределяется между оставшимися N-Nr боковыми стержнями, увеличив магнитные потоки, протекающие в каждом из них, на величину dФk (1≤k≤(N-Nr));
- на незадействованных вторичных обмотках индуцируется дополнительная электродвижущая сила dEk; теперь текущие величины напряжения холостого хода на межэлектродных промежутках неинициировавшихся дуг Vxxтk, определяемые величиной Ek(Ei, dEk), будут выше первоначальной величины напряжения холостого хода Vxxi.

Анализ приведенных зависимостей позволяет утверждать, что:
- по мере увеличения количества горящих дуг текущая величина напряжения холостого хода растет, достигая максимума (индивидуального для каждого контура) на межэлектродном промежутке последней неинициированной дуги и тем выше, чем больше количество дуг, питаемых от одного источника; естественно, что это же напряжение Vxxп возникнет на межэлектродном промежутке, если при горении всех дуг, случайно погаснет любая из них;
- при горении всех дуг изменение режима любой из них ведет к аналогично направленному изменению режима всех других; так, увеличение тока одной из дуг (например, вследствие уменьшения сопротивления дуги в связи со снижением скорости газа в плазматроне и укорочением дуги) вызовет рост встречного магнитного потока в стержне питающей ее вторичной обмотки, что, соответственно, увеличит магнитные потоки в остальных боковых стержнях и ЭДС в соответствующих вторичных обмотках, а это, при неизменном сопротивлении нагрузок этих обмоток, повлечет за собой увеличение тока в них; наибольшую величину этот эффект имеет при минимальном количестве (два) боковых стержней и вторичных обмоток, уменьшаясь с увеличением их числа.

Способ может быть реализован также и с использованием унифицированного источника с симметричной системой N одинаковых внешних стержней и вторичных обмоток; возможно прямое или комбинационное питание n<N дуг:
- параллельное соединение вторичных обмоток с одинаковым числом витков эквивалентно объединению их магнитных контуров в единый с сечением, равным сумме сечений соответствующих боковых стержней, что позволяет увеличить ток (потребляемую мощность) питаемой дуги;
- последовательное соединение вторичных обмоток, также сводя магнитные контуры этих обмоток в единую систему, позволяет пропорционально увеличить напряжения холостого хода и рабочее напряжение дуги, увеличив потребляемую ею мощность без увеличения рабочего тока.

Изобретение поясняется фиг.1-4, на которых приведены схемы конструкции магнитопровода, распределения магнитных потоков, величины действующих напряжений, характер организации дуговых разрядов и устройства воздействия на них в варианте реализации заявляемого способа для случая одновременного электрического питания двух однофазных дуг от одного источника (N = 2). Обозначения элементов магнитной и электрических цепей на схемах одинаковы, обозначения действующих величин приведены в описании каждой из схем.

Магнитопровод источника питания имеет два боковых (1 - левый, 2 - правый) стержня и один центральный стержень 3 удвоенного сечения, соединенный с левым боковым стержнем 1 с помощью пришихтованных левого верхнего 4 и левого нижнего 5 полуярем, имеющих сечения, равные сечениям боковых стержней, а с правым боковым стержнем 2 - соответственно правым верхним 6 и правым нижним 7 полуярмами такого же сечения в два самостоятельных замкнутых контура. На центральном стержне 3 расположена первичная обмотка 8, а на боковых стержнях 1 и 2 расположены две одинаковые вторичные обмотки, соответственно левая 9 и правая 10. Выводы левой вторичной обмотки 9 присоединены к дуговым электродам 11 и 12 с межэлектродным промежутком 13, а выводы правой вторичной обмотки 10 присоединены к электродам 14 и 15 с межэлектродным промежутком 16. Сопла 17 и 18, направленные, соответственно, на межэлектродные промежутки 13 и 16, служат для формирования газовых струй, соответственно, 19 и 20, предназначенных для аэродинамического регулирования длины и параметров горения дуг между соответствующими парами электродов; с целью охлаждения материала сопел и электродов расход газа в любом режиме не снижается ниже определенной величины, условно представленной стрелкой малого размера (струи 19 и 20 на фиг. 1-3 и струя 20 на фиг. 4). Межэлектродные промежутки 13 и 16 имеют величину меньше пробивного расстояния для напряжения холостого хода Vxx, создаваемого на выводах вторичных обмоток 9 и 10 до инициации горения дуг, поэтому, при организации экспериментального осуществления заявляемого способа, для предотвращения самопроизвольной инициации дуг или для гашения уже горящей дуги использовались диэлектрические экраны 21 и 22, которые могли быть введены в межэлектродные промежутки 13 и 16 соответственно одновременно (фиг. 1) или порознь (фиг. 3).

Реализация способа с использованием описанного источника электрического питания осуществляется следующим образом.

1. Симметричные режимы
1.1. Вариант холостого хода.

При подаче первичного переменного напряжения Vп на первичную обмотку 8 протекающий по ней первичный ток создает в центральном стержне 3 магнитный поток Ф, который разветвляется по симметричному магнитопроводу в левый 1 и правый 2 боковые стержни, делясь, соответственно, на 2 потока интенсивностью Ф/2, которые наводят в одинаковых вторичных обмотках 9 и 10 равные электродвижущие силы, определяющие появление равных напряжений холостого хода Vxx на парах электродов 11, 12 и 14, 15; введенные в межэлектродные промежутки 13 и 16 диэлектрические экраны 21 и 22 (фиг. 1), увеличивая разрядный путь до размера, превышающего расстояние электрического пробоя для напряжения холостого хода Vxx, препятствуют самопроизвольной инициации дуг, обеспечив реализацию заявленного способа в режиме холостого хода для обеих вторичных обмоток. Зависимость величины напряжения холостого хода между парами электродов, соответственно, 11, 12 и 14, 15 Vxx от величины подаваемого на первичную обмотку 8 первичного напряжения Vп приведена на экспериментальном графике фиг.5.

1.2. Вариант горящих дуг.

Подача первичного напряжения на первичную обмотку 8 описанного источника питания при свободных межэлектродных промежутках 13 и 16 (фиг. 2) приводит к практически одновременной самопроизвольной инициации горения дуг в обоих промежутках; при этом протекающие в одинаковых вторичных обмотках 9 и 10 равные токи дуг приводят к возникновению в боковых стержнях 1 и 2 магнитных потоков -dФ, направленных встречно потокам Ф/2 в этих стержнях; результирующие уменьшенные потоки Ф/2-dФ наводят во вторичных обмотках 9 и 10 уменьшенные ЭДС, которые, с учетом потерь на сопротивлении обмотки, определяют вторичные напряжения Vвтс, действующие, соответственно, между парами электродов 11, 12 и 14, 15 (напряжения на горящих дугах), обеспечив реализацию заявленного способа в режиме симметричного электрического питания двух дуг; при этом встречные магнитные потоки -dФ из левого 1 и правого 2 боковых стержней замыкаются в основном через воздушные промежутки, соответственно, между парой полуярем 4, 5 и, соответственно, парой полуярем 6, 7 (потоки рассеяния), что обеспечивается заимствованными из описанных выше аналогов особенностями конструкции магнитопровода и взаиморасположения на нем первичной и вторичных обмоток. Экспериментальная зависимость вторичного напряжения Vвтс на симметрично горящих дугах от величины первичного напряжения Vп приведена на графике фиг. 5.

Сравнение описанных вариантов симметричного режима реализации заявляемого способа со случаем организации электрического питания двух дуг от двух источников (прототип) аналогичных характеристик показало полную идентичность действующих в обоих случаях режимных показателей - напряжений холостого хода или вторичных текущих напряжений на межэлектродных промежутках, коэффициента трансформации К, первичного и вторичных токов и т.п.; при этом преимущество заявляемого способа заключалось в меньшем количестве применяемых приборов электрического питания.

2. Несимметричные режимы
2.1. Вариант горения одной дуги.

Подача первичного напряжения Vп на первичную обмотку 8 при условии, что инициация дуги между электродами 11 и 12 исключена введением в межэлектродный промежуток 13 диэлектрического экрана 21 (или любым другим способом, например увеличением межэлектродного промежутка 13) при горящей между электродами 14 и 15 дуге (фиг. 3) приводит к тому, что встречный магнитный поток - dФп, вызванный в правом боковом стержне 2 током дуги, протекающим во вторичной обмотке 10, замыкается в основном по пути наименьшего магнитного сопротивления: последовательно, из правого стержня 2 через полуярма 6 и 4, левый боковой стержень 1, полуярма 5 и 7 и снова в правый боковой стержень 2. При этом суммарный магнитный поток в левом боковом стержне 1 становится существенно выше исходной величины Ф/2, что приводит к увеличению наводимой во вторичной обмотке 9 ЭДС и соответственно росту текущего (в данном случае - предельного) напряжения Vххпл холостого хода между электродами 11 и 12; из экспериментального графика фиг. 5 видно, что в описываемом эксперименте предельное напряжение холостого хода Vххпл между парой разобщенных электродов 11 и 12 примерно в полтора раза выше исходного напряжения Vxx холостого хода, что безусловно способствует надежной инициации второй дуги, как только препятствие будет устранено или его действие уменьшится; превышение вторичного напряжения Vвтп на дуге, горящей между электродами 14 и 15, над вторичным напряжением Vвтс на горящих симметрично дугах объясняется эффектами второго порядка, в частности уменьшением сопротивления магнитопровода по сравнению с вариантом симметричного горения двух дуг, и также способствует стабилизации организуемого процесса, снижая вероятность погасания горящей дуги.

2.2. Вариант горения дуг в неодинаковых условиях
Нарушение симметрии условий горения дуг иллюстрируется схемой на фиг. 4. В конкретном примере дуга, горящая между электродами 11 и 12, растягивается сильным потоком газа 19, направленным из сопла 17 в межэлектродный промежуток 13. Увеличенное электрическое сопротивление растянутой дуги приводит к снижению ее тока в левой вторичной обмотке 9 и, соответственно, снижению величины вызываемого им встречного магнитного потока -dФл в левом боковом стержне 1 по сравнению с аналогичным магнитным потоком -dФп в правом боковом стержне 2, зависящим от протекающего по правой вторичной обмотке 10 неизменного тока стационарной дуги, горящей между электродами 14 и 15. При этом, как видно на экспериментальном графике фиг. 6, рост вторичного напряжения Vвтр на растянутой дуге по мере увеличения скорости kW вдува газа сопровождается стабильным горением необдуваемой дуги, напряжение на которой Vвтс не только не снижается, но даже проявляет некоторую тенденцию к росту, что является следствием снижения общего сопротивления магнитной системы по сравнению с вариантом симметричного горения дуг и, как результат, уменьшения потерь.

Приведенные данные по описанным вариантам несимметричного режима свидетельствуют, что, наряду с уже отмеченными для вариантов 1.1. и 1.2. уменьшением потребности в аппаратурном обеспечении организации дугового процесса, в случае погасания (или задержки инициации) одной из дуг вероятность ее зажигания значительно превышает таковую для случая реализации традиционного раздельного электропитания, а любое воздействие на какую-либо из горящих дуг, обеспечиваемых электропитанием предлагаемым способом, не ухудшает условия горения остальных дуг, что гарантирует эксплуатационную стабильность дугового процесса в комплексе.

Изобретение относится к дуговой и плазменно-дуговой технике. Техническим результатом является возможность обеспечить электрическое питание любого количества дуг от одного источника питания и повышение надежности инициации этих дуг за счет повышения напряжения холостого хода между дуговыми электродами по мере увеличения числа инициировавших дуг и стабильности горения дуг. Осуществляют одновременное питание любого числа дуг от одного общего источника питания, повышают по мере увеличения числа инициировавшихся дуг напряжение холостого хода на дуговых промежутках неинициировавшихся дуг, достигая максимума для дугового промежутка дуги, инициирующейся последней, или дуги, погасшей при горении всех дуг, а также обеспечивают при изменении режима горения любой из дуг под влиянием внешних причин меньшие, но равнонаправленные изменения режима на остальных дугах. Источник электрического питания однофазных дуг переменного тока выполняют в виде трансформатора, имеющего разветвленный магнитопровод с боковыми стержнями расчетного сечения и размещенными на них индивидуальными вторичными обмотками, питающими каждая одну дугу. Количество вторичных обмоток равно числу нуждающихся в питании дуг. Центральный стержень имеет сечение, равное сумме сечений всех боковых стержней. На центральном стержне размещена общая первичная обмотка. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ электрического питания однофазных дуг переменного тока от источника питания с крутой вольтамперной характеристикой, отличающийся тем, что осуществляют одновременное питание любого числа дуг от общего источника питания, повышают по мере увеличения числа инициировавшихся дуг напряжение холостого хода на дуговых промежутках неинициировавшихся дуг, достигая максимума для дугового промежутка дуги, инициирующейся последней, или дуги, погасшей при горении всех дуг, а также обеспечивают при изменении режима горения любой из дуг под влиянием внешних причин меньшие, но равнонаправленные изменения режима на остальных дугах. 2. Источник электрического питания однофазных дуг переменного тока, обладающий крутой вольтамперной характеристикой, достигаемой разнесением первичной и вторичной обмоток по длине замкнутого магнитопровода, отличающийся тем, что его выполняют в виде трансформатора, имеющего разветвленный магнитопровод с боковыми стержнями расчетного сечения и размещенными на них индивидуальными вторичными обмотками, питающими каждая одну дугу, в количестве, равном числу нуждающихся в питании дуг, и одним центральным стержнем, имеющим сечение, равное сумме сечений всех боковых стержней, с размещенной на нем общей первичной обмоткой, образующий равное числу дуг количество замкнутых взаимосвязанных магнитных контуров за счет присоединения с наименьшим магнитным сопротивлением концов каждого из боковых стержней к обоим концам общего центрального стержня с помощью двух на контур ярем, каждое сечением, равным сечению бокового стержня, обеспечивая перераспределение магнитных потоков при инициации или нарушении режима горения дуг.