СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ МНОГОЭЛЕКТРОДНОЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК E21C37/18 B02C19/18 

Предложение относится к способам и устройствам управления системами электропитания оборудования, использующего электрогидравлический (ЭГ) эффект для дробления и измельчения полезных ископаемых и отходов, очистки литья и обеззараживания воды, точнее к способам и устройствам управления зарядно-разрядным циклом в установках, использующих ЭГ-эффект. Известен способ управления системой электропитания ЭГ-установки, содержащей источник питания, конденсатор, погруженный в воду рабочий электрод и неуправляемый двухэлектродный разрядник, включенный между конденсатором и рабочим электродом, заключающийся в том, что конденсатор заряжают от постоянно подключенного к нему источника до возникновения пробоя в заранее настроенном на заданное напряжение разряднике. После завершения разряда конденсатора через разрядник и рабочий электрод на водяной промежуток между неизолированным концом электрода и соединенным с источником корпусом установки, угасания искры между электродами разрядника и восстановления его непроводящего состояния цикл повторяется [1, стр. 88, рис. 3.1а]. Данный способ применяют в установках с одним разрядным контуром, имея в виду контур, по которому протекает разрядный ток, состоящий из соединенных в последовательную замкнутую цепь конденсатора, разрядника, рабочего электрода, водяного промежутка и корпуса установки, соединенного со вторым выводом конденсатора. Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает высокой производительности ЭГ-установок. Это обусловлено тремя причинами.

Производительность установки, реализующей указанный способ, определяется частотой повторения разрядных циклов и энергией единичного разряда. Но большая частота означает и большую потребляемую от источника мощность. Уже при сравнительно небольшой мощности в 30 кВт осуществить работу установки по описанному циклу не удается. Напряжение на конденсаторе, заряжаемом мощным источником, возрастает настолько быстро, что непроводящее состояние разрядника не успевает восстановиться, искровой разряд переходит в дуговой, и дуга в разряднике не гаснет, поддерживаемая постоянно протекающим от источника током через водяной промежуток. Сопротивление водяного промежутка сравнительно невелико, так как техническая вода обладает заметной проводимостью. Вся мощность источника устремляется через проводящий разрядник, и работа установки прекращается. Вторая причина состоит в ограничении частоты разрядов нагревом конденсатора из-за потерь в диэлектрике. Максимально допустимая частота разрядов конденсаторов для электрогидравлики обычно не превышает 2 Гц. Третья причина состоит в том, что увеличение энергии единичного разряда свыше нескольких килоджоулей резко сокращает срок службы изоляции погруженного в воду конца рабочего электрода.

Известен способ управления системой электропитания ЭГ установки, содержащей корпус с водой, n конденсаторов, n источников питания, n управляемых разрядников, и один погруженный в воду рабочий электрод, заключающийся в том, что каждый конденсатор заряжают от независимого источника до требуемого рабочего напряжения, после чего поочередно подают запускающее воздействие на разрядники, по завершении разрядки всех конденсаторов через разрядники и общий рабочий электрод на водяной промежуток и восстановления непроводящего состояния разрядников цикл повторяют [1, стр. 88, рис. 3.1б]. Способ позволяет увеличить частоту разрядов на электрод в n раз, не превышая допустимую рабочую частоту конденсаторов, но промежуток времени между двумя заменами изношенного электрода сократится во столько же раз и станет сравнимым со временем замены. То есть установка значительную часть времени будет находиться в простое. Поэтому известный способ не обеспечивает существенного повышения производительности ЭГ установок. Другой недостаток известного способа состоит в том, что для его реализации требуются значительные затраты, так как суммарная стоимость нескольких высоковольтных источников малой мощности существенно (в разы) выше стоимости эквивалентного им по мощности одного источника. Третий недостаток состоит в низком коэффициенте использования номинальной мощности трансформатора. В начале зарядки каждого из конденсаторов ток, потребляемый от подключенного к нему источника, максимален и соответствует максимальной мощности источника, но, по мере зарядки, он падает почти до нуля. Поэтому средняя мощность, потребляемая от источника, не превышает 30% от номинальной, на которую должны быть рассчитаны и сам источник, и связанные с ним первичные цепи. Поскольку производительность установки пропорциональна потребляемой ею мощности, известная установка, использующая описанный способ, имеет производительность на уровне 30% от той, какую могла бы иметь, если бы номинальная мощность источников использовалась бы полностью.

Известен способ управления системой электропитания ЭГ-установки с генератором импульсных напряжений, содержащем высоковольтный источник питания, несколько конденсаторов, разрядники, из которых, по меньшей мере, один выполнен управляемым, и несколько подключенных к генератору, соединенных параллельно, погруженных в воду рабочих электродов, заключающийся в том, что конденсаторы генератора одновременно заряжают от общего источника, по завершении зарядки до требуемого рабочего напряжения подают запускающее воздействие на управляемый разрядник и, по завершении разряда всех конденсаторов генератора через разрядники и один из электродов на один из водяных промежутков и восстановления их непроводящего состояния, цикл повторяют [2]. Недостаток известного способа состоит в низкой производительности реализующей его ЭГ-установки. Конденсаторы генератора высоковольтных импульсов полностью разряжают при каждом рабочем импульсе. Поэтому наибольшая допустимая рабочая частота разрядов конденсаторов ограничивает производительность установки, и она не может быть больше, чем у первого из описанных выше аналогов. По существу описанный аналог является способом управления системой электропитания не многоэлектродной установки, а, скорее, установки с одним разрядным контуром и одним расщепленным рабочим электродом.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ управления системой электропитания многоэлектродной ЭГ-установки, содержащей один высоковольтный источник питания, n конденсаторов, постоянно присоединенных к источнику через ограничивающие реакторы (“индуктивности”), n погруженных в воду рабочих электродов со взрывающимися тепловыми элементами и n разрядников, играющих роль ключей, первый из которых неуправляемый, включенных между конденсаторами и рабочими электродами, заключающийся в том, что процессы зарядки и разряда конденсаторов разделяют во времени, то есть сначала одновременно все конденсаторы заряжают от общего источника, а затем поочередно разряжают, причем для запуска процесса разряда используют самопроизвольный пробой неуправляемого первого разрядника, после пробоя первого разрядника импульс напряжения, появляющийся на соединенном с ним рабочем электроде, уменьшают до требуемой величины, задерживают на небольшой, по сравнению с продолжительностью времени зарядки, промежуток времени и подают на управляющий электрод второго разрядника, и так далее, импульс напряжения, появляющийся на рабочем электроде, соединенном с i-м разрядником, уменьшают до требуемой величины, задерживают на такой же или иной, но тоже небольшой промежуток времени и подают на управляющий электрод i+1-го разрядника, после разряда всех конденсаторов цикл повторяют [1, стр. 127, рис. 4.12]. Способ осуществим только при условии, что время задержки существенно (в сотни раз) меньше времени зарядки. В противном случае после открытия первого ключа еще заряженные конденсаторы начинают отдавать через ограничивающие реакторы свой заряд уже разряженным.

Известный способ применительно к ЭГ-установкам, осуществляющим непрерывный процесс в течение продолжительного времени, имеет два недостатка: низкую производительность и высокие эксплуатационные расходы, обусловленные малым сроком службы конденсаторов.

Известный способ не обеспечивает высокой производительности по четырем причинам. Первая из них обусловлена тем, что при малом времени задержки между пробоем разрядников ударные волны от каждого разряда в воде воздействуют на корпус устройства практически как единый слитный удар, разрушительно действующий на корпус установки. Известный способ применим только для ЭГ-штамповки, где деформируемая мощным ударом часть корпуса является штампуемой деталью, а производительность определяется временем смены детали, а не длительностью зарядно-разрядных циклов. Увеличение времени задержки потребует пропорционального увеличения индуктивности реакторов и, следовательно, времени зарядки.

Вторая причина состоит в том, что известный способ не обеспечивает высокого коэффициента использования номинальной мощности источника питания. При малом времени задержки между пробоем разрядников конденсаторы разряжаются почти одновременно, и зарядка их начинается также одновременно. Потребляемый в начале зарядки ток близок или превосходит номинальную мощность источника питания, но по мере зарядки быстро спадает почти до нуля. Поэтому известная установка, использующая описанный способ, имеет производительность на уровне 30% от той, какую она могла бы иметь, если бы номинальная мощность источника использовалась полностью.

Еще одна причина состоит в нестабильной работе установки, реализующей известный способ. Пробивное напряжение неуправляемого разрядника является статистическим параметром. Пробой первого разрядника возможен при напряжении существенно меньшем и при напряжении существенно большем, чем среднестатистическое напряжение пробоя. Если пробой происходит до того, как напряжение на конденсаторах достигнет рабочего, снижается энергия разрядов, а следовательно, производительность установки. Возможны также самопроизвольные, без внешнего запуска, пробои управляемых разрядников. Когда время от времени один из управляемых разрядников пробивается самопроизвольно, не в очередь, его пробой вызывает срабатывание следующих за ним разрядников и разряд соединенных с ними конденсаторов. Источник, нагруженный на разрядившиеся конденсаторы, перестает заряжать все конденсаторы, предшествующие разряженному, первый разрядник не может пробиться из-за недостатка напряжения и тогда эти конденсаторы останутся частично заряженными, то есть исключенными из работы, до тех пор, пока не зарядятся все конденсаторы установки, что также снижает производительность установки. Вероятность самопроизвольного пробоя растет с увеличением времени задержки.

Четвертая причина состоит в том, что при управлении по известному способу требуются частые отключения установки для восстановления непроводящего состояния разрядников. После завершения разряда конденсатора искра в разряднике часто переходит в дугу, поддерживаемую постоянно подключенным источником питания, так как для постоянного тока сопротивление ограничивающих реакторов очень невелико. Для прекращения дуги требуется отключить установку, что снижает ее производительность. При достаточно мощном источнике разрядник и рабочий электрод могут быть повреждены даже за время, близкое к времени отключения.

Вторым недостатком известного способа является увеличение эксплуатационных расходов из-за сокращения срока службы конденсаторов, суммарная стоимость которых в многоэлектродных установках сравнима со стоимостью остального энергетического оборудования. Он обусловлен тем, что первый разрядник в силу статистического характера пробоя может пробиться при напряжении, значительно превышающем максимально допустимое рабочее напряжение конденсаторов. Ресурс конденсаторов, работающих в характерном для ЭГ-установок режиме полного разряда, экспоненциально уменьшается с увеличением напряжения.

Известна многоэлектродная ЭГ-установка, использующая последний из описанных выше способов, содержащая один высоковольтный источник питания, состоящий из повышающего высоковольтного трансформатора и выпрямителя, n конденсаторов, постоянно присоединенных к положительному полюсу источника через ограничивающие реакторы, n погруженных в воду рабочих электродов со взрывающимися тепловыми элементами, n разрядников, играющих роль ключей, из которых первый неуправляемый, а остальные управляемые, включенных между конденсаторами и рабочими электродами, n-1 устройств запуска, каждое из которых содержит емкостный делитель напряжения, включенный между электродом и землей, и блок задержки, вход которого подключен к низковольтному плечу i-го делителя, а выход - к управляющему электроду i+1-го разрядника, где i=1, 2,...,n-1, причем отрицательный полюс источника и низковольтные выводы конденсаторов заземлены [1, стр. 127, рис. 4.12]. Индуктивность реакторов установлена такой, чтобы на временах порядка времени задержки они представляли большое сопротивление перетеканию тока от заряженных конденсаторов к уже разряженным, а на временах порядка времени зарядки - малое сопротивление для зарядного тока от источника.

Недостатком известного устройства является то, что оно по ряду причин не обеспечивает высокой производительности ЭГ-установок, осуществляющих непрерывный процесс в течение продолжительного времени.

Первая причина состоит в том, что устройство работоспособно только при времени задержки, существенно меньшем времени зарядки конденсаторов. Если же установить время задержки, достаточным для того, чтобы ударные волны от последовательных разрядов не складывались, а воспринимались корпусом установки как раздельные удары, то для предотвращения обмена зарядом между конденсаторами потребуется многократно (в сотни раз) увеличить индуктивность реакторов, а это также многократно увеличит время зарядки.

Если даже предположить, что корпус установки настолько прочен, что в состоянии выдержать суммарную ударную волну от практически одновременного разряда всех конденсаторов при малом времени задержки, то зарядка всех конденсаторов начнется также практически одновременно. В начале зарядки конденсаторов ток, потребляемый от источника, максимален и соответствует максимальной мощности источника, но по мере зарядки он падает до нуля. Поэтому средняя мощность, потребляемая от источника, не превышает 30% от максимальной, на которую должны быть рассчитаны и сам источник, и связанные с ним первичные цепи. Поскольку производительность установки пропорциональна потребляемой ею мощности, известная установка, использующая описанный способ, имеет производительность на уровне 30% от той, какую могла бы иметь, если бы номинальная мощность источника использовалась бы полностью. Таким образом, вторая причина состоит в низком коэффициенте использования номинальной мощности источника питания.

Третья причина состоит в том, что самопроизвольное преждевременное (ранее того, как напряжение на конденсаторах достигнет рабочего) срабатывание одного из разрядников запускает все последующие разрядники, соединенные с ними конденсаторы разряжаются и немедленно начинают заряжаться, понижая тем самым выходное напряжение источника. Поэтому напряжение на предшествующих конденсаторах не только не достигает рабочего, но и начинает понижаться из-за того, что заряд конденсаторов, хоть и медленно, но начинает перетекать в незаряженные конденсаторы. Поэтому первый разрядник, запускающий весь разрядный цикл, не может пробиться и запустить последующие до тех пор, пока не зарядятся все конденсаторы.

Вследствие этого уменьшается среднее число разрядов за единицу времени, а следовательно, производительность установки.

Четвертая причина обусловлена тем, что в известном устройстве конденсаторы постоянно подключены к источнику питания через ограничивающие реакторы, имеющие очень небольшое сопротивление на постоянном токе. Поэтому они не препятствуют переходу в разряднике мощного искрового разряда в дуговой, поддерживаемый постоянным током от источника. Для восстановления непроводящего состояния разрядника установку приходится отключать, причем на значительное время, чтобы электроды разрядника, нагретые дугой, успели остыть.

В известном способе управления системой электропитания многоэлектродной ЭГ-установки, содержащей высоковольтный источник питания, n конденсаторов, n погруженных в воду рабочих электродов и n разрядников, включенных между конденсаторами и рабочими электродами, состоящем в том, что конденсаторы заряжают от источника и запускают поочередно разрядники, первый из указанных недостатков устраняется тем, что конденсаторы циклически подключают к источнику питания так, чтобы в любой момент времени к источнику питания был подключен по крайней мере один конденсатор, заряжают до рабочего напряжения, отключают от источника питания, подают запускающее воздействие на i-й разрядник в момент, когда соединенный с ним i-й конденсатор отключен от источника питания, подключают i-й конденсатор к источнику питания после завершения разрядного процесса и восстановления непроводящего состояния i-го разрядника, причем i=1...n.

В известном способе управления системой электропитания многоэлектродной ЭГ установки, содержащей высоковольтный источник питания, n конденсаторов, n погруженных в воду рабочих электродов и n разрядников, включенных между конденсаторами и рабочими электродами, и состоящем в том, что конденсаторы заряжают от источника и запускают поочередно разрядники, второй из указанных недостатков устраняется тем, что конденсаторы циклически подключают к источнику питания так, чтобы в любой момент времени к источнику питания был подключен по крайней мере один конденсатор, отключают от источника питания, подают запускающее воздействие на i-й разрядник в момент, когда соединенный с ним i-й конденсатор отключен от источника питания, повторяют указанный процесс многократно за время зарядки конденсатора до рабочего напряжения, после пробоя i-го разрядника, завершения разрядного процесса и восстановления непроводящего состояния i-го разрядника подключают i-й конденсатор к источнику питания, причем i=1...n.

В предложенной многоэлектродной ЭГ-установке, содержащей заполненный водой корпус, высоковольтный источник питания, n конденсаторов, n погруженных в воду рабочих электродов и n разрядников, каждый из которых включен между конденсатором и рабочим электродом, указанные недостатки устраняются тем, что все разрядники выполнены управляемыми, в установку дополнительно введены коммутатор, n-канальное устройство запуска разрядников и диоды, причем коммутатор содержит n ключей коммутатора, управляемых циклически так, что в любой момент по крайней мере один из ключей непроводящий, каждый из ключей коммутатора одним выводом подключен к высоковольтному выводу источника питания, а другим через диод - к одному из конденсаторов, причем запуск i-го разрядника синхронизирован с непроводящим состоянием i-го ключа коммутатора, где i=1...n.

Дополнительно коммутатор содержит вращающийся электрод, соединенный с источником, и n соединенных через диод с конденсатором зарядных электродов, расположенных в, по меньшей мере, одной плоскости вокруг вращающегося электрода, причем вращающийся электрод выполнен так, что при любом угле поворота он не соединен, что при любом угле поворота он находится в электрическом взаимодействии не более чем с n-1 зарядных электродов, а синхронизация устройства управления разрядниками с состоянием коммутатора выполнена путем установки, по меньшей мере, части устройства управления, например, вращающегося переключателя, на одном валу с вращающимся электродом.

Кроме того, вращающийся электрод выполнен в виде установленного на валу диска с вырезом, имеющим, например, форму сектора.

Кроме того, угол сектора выреза во вращающемся электроде составляет не менее 720°/n.

Кроме того, вращающийся электрод взаимодействует с зарядными электродами через электрический контакт либо через электрический разряд.

Технический результат от осуществления предложенного способа управления системой электропитания состоит в обеспечении независимости разрядных контуров, питаемых от общего источника и, как следствие, в создании возможности увеличения производительности ЭГ-установки путем простого масштабирования, то есть увеличения числа контуров и мощности источника питания до тех пор, пока требуемая производительность не будет достигнута. Цена источника питания, определяемая ценой трансформатора, при этом будет увеличиваться пропорционально корню четвертой степени из мощности, то есть весьма незначительно. Независимость разрядных контуров обеспечивается тем, что согласно предложенному способу при разряде каждого из конденсаторов соединенный с ним разрядник запускают в момент, когда этот конденсатор отключен от источника питания. Пробой разрядника не зависит от состояния цепей, связанных с остальными конденсаторами. Поэтому часто встречающийся самопроизвольный пробой одного из разрядников не может вызвать пробой других разрядников. Поскольку в момент разряда конденсатор согласно предложенному способу отключают от источника и подключают к нему снова только после восстановления непроводящего состояния разрядника, постоянное протекание тока от источника через разрядник и водяной промежуток становится невозможным даже при очень высокой мощности источника питания.

Технический результат от того, что согласно предложенному способу к источнику одновременно подключают более одного конденсатора, находящихся в разных стадиях зарядки, состоит в более полном использовании номинальной мощности источника, то есть в увеличении производительности установки.

Технический результат от осуществления управления по второму предложенному способу, когда каждый из конденсаторов поочередно отключают от источника и подают запускающее воздействие на соединенный с ним разрядник многократно за время зарядки конденсатора до рабочего напряжения, состоит в исключении опасности выхода из строя конденсатора из-за превышения напряжения на нем при случайном отказе разрядника по запуску или при увеличении выходного напряжения источника питания.

Технический результат от выполнения всех разрядников установки управляемыми, введения в установку коммутатора, включенного между источником питания и конденсаторами, диодов, включенных в цепь зарядки каждого из конденсаторов, а также n-канального устройства запуска разрядников, также устройства коммутатора таким образом, что при любом его состоянии, по меньшей мере, один из конденсаторов отключен от источника, и от синхронизации момента запуска i-го разрядника с непроводящим состоянием i-го ключа коммутатора, при циклическом изменении i от 1 до n, состоит в том, что разряд каждого из конденсаторов не зависит от состояния остальных конденсаторов и разрядников, так как происходит в момент, когда он отключен от источника питания. Это исключает возможность перехода искрового разряда в разряднике в дуговой и, повышая стабильность работы установки, повышает тем самым ее производительность. Кроме того, настоящее предложение позволяет наращивать производительность ЭГ-установок путем увеличения числа независимых разрядных контуров. Выполнение коммутатора так, что в любом состоянии число k непроводящих (закрытых) ключей меньше n-1, то есть к источнику подключено более одного конденсатора, позволяет увеличить коэффициент использования номинальной мощности источника, а значит, повысить производительность установки без дополнительных затрат.

Технический результат от выполнения коммутатора в виде вращающегося электрода, взаимодействующего с частью зарядных электродов, соединенных через диоды с конденсаторами, и выполнения синхронизации устройства запуска разрядников с состоянием коммутатора путем установки части устройства управления на одном валу с вращающимся электродом состоит в упрощении и повышении надежности конкретного воплощения предложенного устройства.

Технический результат от выполнения вращающегося электрода в виде установленного на валу диска с вырезом состоит в упрощении решения задачи циклического отключения части конденсаторов от источника питания.

Технический результат от того, что угловая ширина выреза во вращающемся электроде должна превышать 720°/n, состоит в обеспечении достаточного для восстановления непроводящего состояния разрядников времени нахождения конденсаторов в отключенном состоянии, то есть в повышении стабильности работы установки.

Сущность предложения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема, иллюстрирующая последовательность действий при осуществлении первого предложенного способа.

На фиг.2 представлена зависимость напряжения на каждом из конденсаторов от времени при осуществлении первого предложенного способа.

На фиг.3 представлена схема, иллюстрирующая последовательность действий при осуществлении второго предложенного способа.

На фиг.4 представлена зависимость напряжения на каждом из конденсаторов от времени при осуществлении второго предложенного способа.

На фиг.5 представлен вариант выполнения устройства с коммутатором, осуществляющего предложенные способы.

Первый из предложенных способов управления многоэлектродной ЭГ-установкой предусматривает циклическое подключение (фиг.1) конденсаторов к источнику питания, их зарядку до рабочего напряжения, отключение от источника питания, запуск разрядников только после того, как соответствующий разрядный контур оказался полностью отключен от источника и других разрядных контуров. С целью повышения производительности установки, для экономии времени и равномерной нагрузки источника питания указанные действия осуществляются для каждого конденсатора независимо, со сдвигом во времени. Поэтому в любой момент часть конденсаторов подключена к источнику и заряжается, а часть отключена. Как минимум, отключен от источника питания в любой момент один конденсатор, как максимум - все, кроме одного. После разряда конденсатора через проводящий (пробитый) разрядник на водяной промежуток выдерживается некоторое время для восстановления непроводящего состояния разрядника, после чего конденсатор вновь подключают к источнику, и цикл повторяют. Время выдержки зависит от вида примененного разрядника: для вакуумных разрядников, имеющих малое время восстановления непроводящего состояния, оно имеет длительность порядка десятков микросекунд, для воздушных разрядников оно зависит от скорости продувки воздуха через разрядник и приблизительно в тысячу раз больше.

Способ может быть осуществлен в двух вариантах: когда в каждый момент времени к источнику подключают только один конденсатор, и когда в каждый момент времени к источнику подключают более одного конденсатора. Первый вариант предоставляет больше времени для восстановления непроводящего состояния разрядников и предпочтителен, если используют воздушные разрядники, а источник питания оснащен устройством для повышения коэффициента использования номинальной мощности, например, индуктивно-емкостным преобразователем. Работа по второму варианту увеличивает коэффициент использования установленной мощности при простейшем исполнении источника.

На фиг.1 высота прямоугольников, изображающих отдельные стадии рабочего цикла, лишь грубо соответствует их длительности, так как в действительности они отличаются в тысячи раз. Так, для десятиэлектродной установки мощностью 210 кВт с частотой разрядов каждого конденсатора 2 Гц, с воздушными разрядниками, при девяти одновременно подключенных к источнику конденсаторах, длительности каждой стадии по порядку величины составляют:

подключение - 1 мкс;

зарядка - 350 мс;

отключение - 50 мс;

запуск - 10 мкс;

разряд - 20 мкс;

восстановление непроводящего состояния - 100 мс.

Наиболее простыми, дешевыми и потому распространенными среди возможных видов сильноточных ключей являются воздушные разрядники. Для восстановления непроводящего состояния разрядника его продувают воздухом. Время восстановления зависит от скорости продувки. Указанного в примере времени вполне достаточно для того, чтобы сменить четыре-шесть объемов воздуха в разряднике при помощи небольшой воздуходувки. Если же конденсатор с воздушным разрядником от источника не отключать, то при указанной мощности для предотвращения зажигания стационарной дуги в разряднике потребуется сменять тот же объем воздуха не более чем за 1 мс. Мощность необходимой для этого воздуходувки сравнима с мощностью источника питания установки, что неприемлемо.

Пример зависимости напряжения на конденсаторе от времени представлен на фиг.2. При простейшем исполнении источника питания, в соответствии со свойствами зарядных схем, зарядка конденсатора идет по убывающей экспоненте. Напряжение на конденсаторе U возрастает тем медленнее, чем больше его абсолютная величина, то есть чем меньше разница между напряжением источника питания и напряжением на конденсаторе. Для ускорения процесса зарядки напряжение холостого хода U_xx источника питания всегда устанавливают на 10...20% большим рабочего напряжения конденсатора. Тогда зарядная кривая более круто устремляется к напряжению U_xx, а не к рабочему напряжению конденсатора U_paб. При осуществлении этого способа требуется точное согласование момента пробоя разрядников с моментом достижения напряжением на конденсаторах рабочего значения для того, чтобы избежать перезаряда конденсаторов.

Второй из предложенных способов управления многоэлектродной ЭГ-установкой не требует точного контроля напряжения на конденсаторах. Он основан на свойстве разрядника запускаться (пробиваться) при подаче запускающего воздействия только когда напряжение на нем достигнет определенного уровня, называемого порогом срабатывания разрядника. На фиг.3 схематически изображена последовательность действий для одного из конденсаторов (i-й конденсатор) при осуществлении этого способа. Каждый из конденсаторов циклически подключают к источнику питания, причем в любой момент времени к источнику питания подключают не более чем n-k конденсаторов, где 1 k<n заряжают, отключают от источника питания, подают запускающее воздействие на i-й разрядник в момент, когда соединенный с ним i-й конденсатор отключен от источника питания, повторяют указанный процесс многократно за время зарядки конденсатора до рабочего напряжения, после пробоя i-го разрядника, завершения разрядного процесса и восстановления непроводящего состояния i-го разрядника подключают i-й конденсатор к источнику питания, причем i=1...n.

Этот способ, также как и первый, может быть осуществлен в двух вариантах: когда в каждый момент времени к источнику подключают только один конденсатор, и когда в каждый момент времени к источнику подключают более одного конденсатора.

Другими словами, предложенный способ предусматривает ступенчатую зарядку конденсаторов с отключением от источника питания и подачей на разрядники запускающего воздействия на каждой ступени. Соответствующая этому режиму зависимость напряжения на конденсаторе от времени представлена на фиг.4. При этом разрядники настраивают так, чтобы они не пробивались от подачи запускающего воздействия при напряжении, меньшем, чем рабочее. Если в силу каких-либо причин увеличится выходное напряжение источника, или возрастет продолжительность рабочего цикла установки, или разрядник не запустится после подачи запускающего воздействия, то до момента следующего отключения и запуска напряжение на конденсаторе, как это видно из сравнения фиг.2 и 4, возрастет намного меньше, чем в случае непрерывной зарядки до рабочего напряжения.

Предложенные способы могут быть реализованы различными устройствами. Устройство, схематически изображенное на фиг.5, наиболее просто в эксплуатации и обладает высокой помехоустойчивостью.

Для того чтобы не загромождать чертеж, на фиг.5 позиционные обозначения проставлены только у одного элемента из каждой группы однородных элементов (конденсаторов, электродов и т. д.). Остальные элементы имеют проставленный вблизи них порядковый номер без выносной линии. Предложенная установка содержит корпус 1, заполненный водой 2. В нижней части корпуса 1 находится решетка-классификатор 3, на которую загружается подлежащее измельчению сырье 4. На крышке 5 корпуса 1 расположены погруженные в воду рабочие электроды 6. В качестве примера, на фиг.1 представлена установка, содержащая пять рабочих электродов, пять конденсаторов 7 и пять управляемых разрядников 8, образующих соответственно пять разрядных контуров. То есть для представленного примера n=5. Установка содержит высоковольтный источник питания 9, в качестве которого может использоваться обычный трансформатор-выпрямитель. Отрицательный вывод источника питания 9, один из выводов каждого из конденсаторов 7, корпус 1, крышка 5 и решетка 3 электрически соединены между собой и заземлены. Каждый из конденсаторов 7 соединен через соответствующий ему один из управляемых разрядников 8 с соответствующим ему одним из рабочих электродов 6. Высоковольтный вывод каждого из конденсаторов соединен с положительным выводом источника питания 9 через коммутатор 10.

В описываемом устройстве четыре разных элемента должны называться электродами. Для того чтобы их различать, в название каждого из этих элементов включено прилагательное:

рабочий электрод - электрод, погруженный в воду, заполняющую корпус установки;

вращающийся электрод - подвижная часть коммутатора соединенная с высоковольтным выводом источника питания;

зарядный электрод - часть коммутатора, взаимодействующая с вращающимся электродом и соединенная с конденсатором и разрядником;

управляющий электрод - часть разрядника, служащая для его запуска.

В предложенном устройстве роль ключей, упоминаемых в описании первого способа, играют управляемые разрядники 8. Признак “управляемые” означает, что они могут быть запущены, то есть переведены из непроводящего (ключ закрыт) состояния в проводящее (ключ открыт), посредством управляющего воздействия, вырабатываемого устройством запуска 11. Вместо термина “запуск” в технике иногда употребляется термин “поджиг”. Таким воздействием может быть, например, высоковольтный импульс, подаваемый на управляющий электрод разрядника, если использован разрядник с искажением поля или тригатрон, как в представленном примере, либо, например, вспышка лазерного излучения, сфокусированного на одном из электродов двухэлектродного разрядника. В предложенном устройстве применено n-канальное (на фиг.5 n=5) устройство запуска 11. Это означает, что оно имеет n выходов 12, соединенных с управляющими электродами 13 разрядников 8.

Коммутатор 10 служит для циклического подключения конденсаторов 7 к высоковольтному выводу источника питания 9. На фиг.5 в качестве примера представлен коммутатор с вращающимся электродом 14, соединенным с положительным выводом источника питания 9. Коммутатор 10 содержит также зарядные электроды 15, каждый из которых соединен с соответствующим конденсатором 7 через диоды 16. Они предназначены для передачи зарядного тока от источника питания 9 к конденсаторам и могут находиться в прямом электрическим контакте с вращающимся электродом 14, то есть скользить по нему как щетки электродвигателя. Поскольку коммутируемое напряжение достаточно велико - порядка 50 кВ, зарядный ток не превышает единиц ампер, а сопротивление искры в воздухе не превышает единицы ом, то зарядные электроды 15 могут быть отделены от вращающегося электрода 14 небольшим искровым зазором, как в автомобильном распределителе зажигания. Поэтому при характеристике связи между электродами 14 и 15 использовано более общее выражение “взаимодействуют”.

Привод коммутатора, то есть механизм, приводящий во вращение вал с закрепленным на нем вращающимся электродом, на чертеже не показан.

Вращающийся электрод 14 выполнен так, что при любом угловом положении он не находится во взаимодействии, по меньшей мере, с одним из зарядных электродов 15, например, как показано на фиг.1, с электродом 15.5. В представленном примере он выполнен в виде диска с секторным вырезом. Величина угла α сектора выреза приблизительно лежит в пределах от удвоенного углового расстояния β между двумя смежными зарядными электродами 15 до 360° - β, то есть 2β≤α≤360° - β. Если конденсаторы 7 имеют разную емкость, то зарядные электроды 15 могут располагаться по окружности коммутатора неравномерно, то есть в этом случае β≠const. При равномерном расположении зарядных электродов 15 угол Р будет равен 360°/n. В зависимости от угла сектора выреза α число одновременно подключенных к источнику 9 конденсаторов 7 находится в пределах от 1 до n-1.

Таким образом, вращающийся электрод 14 образует с каждым из зарядных электродов 15 ключ, который находится в открытом (проводящем) состоянии, если электроды находятся во взаимодействии, и в закрытом - если электроды не находятся во взаимодействии. Поскольку электрод 14 выполнен вращающимся, то взаимодействие носит циклический характер: на один его оборот приходится по одному замыканию и размыканию каждого из ключей.

В представленном на фиг.5 примере устройство запуска 11 содержит n независимых генераторов 17, которые вырабатывают запускающее воздействие для разрядников 8 при подаче на их входы сигнала, синхронизирующего запуск i-го разрядника с угловым положением вращающегося электрода 14. Для выработки такого сигнала применяется датчик углового положения. В устройстве на фиг.5 такими датчиками служат постоянный магнит 18, укрепленный на конце рычага 19, и герконы 20. При вращении рычага 19 магнит 18 проходит мимо герконов 20, вызывая их замыкание и запуск соединенных с ними генераторов 17. Синхронизация момента открытия ключей 8 с угловым положением вращающегося электрода 14 обеспечивается тем, что вращающийся рычаг 19 и вращающийся электрод 14 установлены на одном валу 21 и жестко связаны с ним. Рычаг 19 устанавливается напротив середины секторного выреза в электроде 14. Возможны и другие варианты исполнения устройства запуска. Например, оно может содержать генератор тактовых импульсов, поочередно запускающий генераторы 17 и синхронизированный с угловым положением электрода 14 единственным датчиком. Или, устройство запуска может иметь только один генератор 17 с n синхровходами, соединенными с датчиками углового положения, и включенный между ним и разрядниками механический распределитель запускающих импульсов, аналогичный автомобильному и установленный на общем валу с коммутатором.

Предложенный способ осуществляется в предложенном вышеописанном устройстве следующим образом.

При запуске установки включают привод коммутатора 10. Поскольку на один оборот вращающегося электрода 14 каждый конденсатор испытывает один зарядно-разрядный цикл, частота вращения привода устанавливается равной максимальной рабочей частоте конденсаторов, определяемой их изготовителем. После того, как установятся постоянные обороты вала 21, включают источник 9. Конденсаторы 7 заряжаются через коммутатор от источника. Благодаря наличию секторного выреза во вращающемся электроде 14, число подключенных к источнику конденсаторов 7 всегда меньше их общего числа n.

На фиг.1 изображено состояние, когда отключен от источника конденсатор 7.3.

В момент, когда середина секторного выреза во вращающемся электроде 14 оказывается напротив неподвижного контакта 15.3, магнит 18 оказывается напротив геркона 20.3 и вызывает его переключение. Переключение геркона запускает генератор 17.3, на выходе которого 12.3 появляется управляющее воздействие, передаваемое на управляющий электрод 13.3 разрядника 8.3 и запускающее разрядник. После пробоя разрядника напряжение заряженного конденсатора прикладывается через рабочий электрод 6.3 к водяному промежутку между концом рабочего электрода и решеткой 3. Водяной промежуток пробивается. Сопровождающие пробой явления используются в технологических целях в представленном примере для дробления сырья.

После завершения разряда конденсатора 7.3 электрод 15.3 все еще остается отключенным от вращающегося электрода 14 в течение, по меньшей мере, времени t=β/ω, где ω - угловая скорость вращения электрода 14. За это время разрядник 8.3 успевает восстановить непроводящее состояние и, когда край сектора электрода 14 в ходе его вращения подойдет к электроду 15.3, весь ток через этот электрод от источника 9 пойдет только на зарядку конденсатора 7.3. Диоды 16.1, 16.2 и 16.5 предотвращают разряд конденсаторов 7.1, 7.2 и 7.5 на незаряженный еще конденсатор 7.3. В отличие от примененных с этой же целью в прототипе ограничивающих реакторов диоды выполняют свою задачу независимо от длительности зарядного и разрядного циклов. В этот же момент неподвижный электрод 15.4 оказывается напротив середины секторного выреза, а магнит 18 - напротив геркона 20.4, происходят запуск разрядника 8.4 и пробой водяного промежутка с рабочего электрода 6.4. Далее процесс разряда-зарядки повторяется с остальными конденсаторами, а после завершения полного оборота электрода 14 и рычага 19 начинается новый цикл работы установки. Зависимость напряжения на конденсаторе от времени, или, что то же самое, от угла поворота вращающегося электрода 14, представлена на фиг.3.

Возможны и другие варианты исполнения устройства запуска 11. Например, он может содержать генератор тактовых импульсов, поочередно запускающий генераторы 17, и синхронизованный с угловым положением вращающегося электрода одним датчиком. Либо оно может содержать один синхронизованный генератор импульсов запуска и распределитель импульсов по управляющим электродам 13 разрядников 8.

Длительности процессов отключения зарядных электродов 15 от источника питания и восстановления непроводящего состояния разрядников различны. Обычно время отключения меньше времени восстановления непроводящего состояния разрядников, и тогда рычаг 19 может устанавливаться не точно напротив середины секторного выреза в электроде 14, как это показано на фиг.5, а повернутым на некоторый угол в направлении вращения электрода 14. Время нахождения разрядных контуров после разряда в отключенном состоянии увеличивается, и стабильность работы установки повышается.

Для предотвращения зарядки конденсаторов до более высокого напряжения согласно второму из предложенных способов частота вращения вала 21 может быть увеличена в несколько раз. Разрядники при этом настраиваются так, чтобы порог их срабатывания по запуску был равен или на несколько процентов меньше рабочего напряжения конденсаторов. Зависимость напряжения на конденсаторе от времени (угла поворота) вала 21 или вращающегося электрода 14 для этого случая представлена на фиг.4. В представленном на фиг.4 примере частота вращения вала 21 увеличена в 4 раза, рабочее напряжение конденсатора принято равным 50 кВ, а напряжение холостого хода источника питания 62 кВ. В соответствии со свойствами зарядной цепи конденсатор за время первого оборота зарядится до напряжения 27 кВ, подача запускающего воздействия на управляющий электрод разрядника не приведет к его запуску. За время второго оборота конденсатор зарядится до 39 кВ, но разрядник по-прежнему не запустится. За время третьего оборота конденсатор зарядится до 46 кВ, что на 10% меньше рабочего напряжения, и разрядник по-прежнему не запустится. По завершении четвертого оборота конденсатор зарядится до рабочего напряжения 50 кВ и подача запускающего воздействия на разрядник приведет к его пробою.

Если даже разрядник не запустится при 50 кВ, то за время пятого оборота напряжение на конденсаторе возрастет только до 55 кВ. Разрядник при повторном запуске на повышенном напряжении будет пробит с очень большой вероятностью. Если же зарядку проводить только однократно с вчетверо меньшей частотой вращения вала 21, то в случае отказа разрядника по запуску конденсатор будет заряжаться далее в течение всего следующего оборота вала до напряжения, как видно из фиг.3, практически равного напряжению холостого хода U_xx источника питания. Многократное повторение этого явления приведет к значительному сокращению срока службы конденсатора. Переход к работе установки с зарядкой ступенями не требует никаких переделок, кроме увеличения частоты вращения вала 21, и такое исполнение, осуществляющее второй из предложенных способов, целесообразно, если разрядники обладают малой чувствительностью к запускающему воздействию или если выходное напряжение источника питания подвержено сильным изменениям.

В описании предложенных способов и устройств в качестве коммутирующего элемента разрядного контура использовались разрядники. В действительности положительный эффект от использования предложенных способов и устройств будет достигаться, если в качестве таких элементов использовать электронные или газоразрядные коммутирующие приборы, поскольку и они могут самопроизвольно переходить в проводящее состояние или задерживаться с переходом в непроводящее состояние. По этой же причине при обозначении коммутирующих элементов не использовался термин “ключ”, так как он относится к абстрактному прибору с двумя состояниями и идеальной управляемостью, тогда как проблемы, решаемые настоящими предложениями, вызваны именно неидеальностью характеристик реальных приборов.

Достоинством предложенных способов и осуществляющего его устройства является устойчивость работы по отношению к самопроизвольному пробою разрядников либо затянутому по времени восстановлению их непроводящего состояния. В первом случае самопроизвольный пробой одного разрядника не приводит к преждевременному пробою других. Дуга в преждевременно пробитом разряднике гаснет, как только произойдет очередное отключение соответствующего конденсатора и разрядника от источника. Нормальная работа установки восстанавливается через два-три цикла, причем без выключения источника питания. Если же непроводящее состояние разрядника не успело восстановиться к моменту подключения его к источнику, то спустя очень небольшое время t к источнику подключается следующий только что разряженный конденсатор, напряжение на разряднике падает, и разряд в нем гаснет.

Кроме того, предложенные способы и устройства не требуют переключения или коммутации разрядного тока, обычно достигающего в ЭГ-установках 10-20 кА. Вся коммутация по предложенным способам происходит только в зарядной цепи, где токи обычно составляют единицы ампер, и ее реализация не вызывает затруднений.

Предложенные способы и устройство решают задачу создания надежно и стабильно работающих ЭГ-установок, производительность которых наращивается путем увеличения числа разрядных контуров, заряжаемых наиболее дешевым образом от одного общего высоковольтного источника питания. Уже создана и стабильно работает десятиэлектродная ЭГ-дробилка для производства щебня, питаемая от одного трансформатора-выпрямителя мощностью 210 кВт. Стоимость этого трансформатора втрое меньше суммарной стоимости десяти независимых трансформаторов-выпрямителей мощностью по 20 кВт. Коэффициент использования установленной мощности трансформатора составляет в этой установке 81% без применения дорогостоящего индуктивно-емкостного преобразователя на входе.

Источники информации

1. Л.А. Юткин. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Л.: ”Машиностроение”, 1986.

2. Л.А. Гельфонд, И.Т. Зиновьев, В.Д. Казанцев и др. Электроимпульсная установка ЭСУ-2Т/11 разрушения некондиционного железобетона. - "Электронная обработка материалов", 1990, № 6, с.74 -75.

Изобретение относится к способам и устройствам управления системами электропитания оборудования, использующего электрогидравлический (ЭГ) эффект для дробления и измельчения полезных ископаемых и отходов, очистки литья и обеззараживания воды, точнее к способам и устройствам управления зарядно-разрядным циклом в установках, использующих ЭГ эффект. Техническим результатом является обеспечение независимости разрядных контуров, питаемых от общего источника и, как следствие, создание возможности увеличения производительности ЭГ установки. Для этого способ управления системой электропитания многоэлектродной электрогидравлической установки, содержащей корпус с водой, источник питания, n конденсаторов, n погружённых в воду рабочих электродов и n разрядников, включённых между конденсаторами и рабочими электродами, заключающийся в том, что конденсаторы заряжают от источника питания, запускают поочерёдно разрядники. При этом конденсаторы циклически подключают к источнику питания. Причем в любой момент времени к источнику питания подключают по крайней мере один конденсатор, заряжают до рабочего напряжения и отключают от источника питания, запускают i-й разрядник в момент, когда соединённый с ним i-й конденсатор отключён от источника питания, подключают i-й конденсатор к источнику питания после завершения разрядного процесса и восстановления непроводящего состояния i-го разрядника, причём i = 1...n. Установка для осуществления указанного способа содержит заполненный водой корпус, высоковольтный источник питания, n конденсаторов, n погружённых в воду рабочих электродов и n разрядников, каждый из которых включён между конденсатором и рабочим электродом. Причем все разрядники выполнены управляемыми, в установку дополнительно введены коммутатор, n-канальное устройство запуска разрядников и диоды. При этом коммутатор содержит n ключей, управляемых циклически так, что в любой момент по крайней мере один из ключей непроводящий, каждый из ключей одним выводом подключён к высоковольтному выводу источника питания, а другим через диод - к одному из конденсаторов, причём канал запуска i-го разрядника синхронизирован с непроводящим состоянием i-го ключа коммутатора, где i = 1... n. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления системой электропитания многоэлектродной электрогидравлической установки, содержащей корпус с водой, источник питания, n конденсаторов, n погружённых в воду рабочих электродов и nразрядников, включённых между конденсаторами и рабочими электродами, заключающийся в том, что конденсаторы заряжают от источника питания, запускают поочерёдно разрядники, отличающийся тем, что конденсаторы циклически подключают к источнику питания, причем в любой момент времени к источнику питания подключают по крайней мере один конденсатор, заряжают до рабочего напряжения и отключают от источника питания, запускают i-й разрядник в момент, когда соединённый с ним i-й конденсатор отключён от источника питания, подключают i-й конденсатор к источнику питания после завершения разрядного процесса и восстановления непроводящего состояния i-го разрядника, причём i = 1... n.2. Способ управления системой электропитания многоэлектродной электрогидравлической установки, содержащей корпус с водой, источник питания, n конденсаторов, n погружённых в воду рабочих электродов и nразрядников, включённых между конденсаторами и рабочими электродами, заключающийся в том, что конденсаторы заряжают от источника питания, запускают поочерёдно разрядники, отличающийся тем, что конденсаторы циклически подключают к источнику питания, причем в любой момент времени к источнику питания подключают по крайней мере один конденсатор, отключают от источника питания, подают запускающее воздействие на i-й разрядник в момент, когда соединённый с ним i-й конденсатор отключён от источника питания, повторяют указанный процесс многократно за время зарядки конденсатора до рабочего напряжения, подключают i-й конденсатор к источнику питания после завершения разрядного процесса и восстановления непроводящего состояния i-го разрядника, причём i = 1... n.3. Многоэлектродная электрогидравлическая установка содержащая заполненный водой корпус, высоковольтный источник питания, nконденсаторов, n погружённых в воду рабочих электродов и n разрядников, каждый из которых включён между конденсатором и рабочим электродом, отличающаяся тем, что все разрядники выполнены управляемыми, в установку дополнительно введены коммутатор, n-канальное устройство запуска разрядников и диоды, причем коммутатор содержит n ключей, управляемых циклически так, что в любой момент по крайней мере один из ключей непроводящий, каждый из ключей одним выводом подключён к высоковольтному выводу источника питания, а другим через диод к одному из конденсаторов, причём канал запуска i-го разрядника синхронизирован с непроводящим состоянием i-го ключа коммутатора, где i = 1.. . n.4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что коммутатор содержит вращающийся электрод, соединённый с источником питания, и n соединённых через диод с конденсатором зарядных электродов, расположенных в, по меньшей мере, одной плоскости вокруг вращающегося электрода, который выполнен так, что при любом угле поворота он находится в электрическом взаимодействии с не более чем n-1 зарядными электродами, а синхронизация устройства управления ключами с состоянием коммутатора выполнена путём установки, по меньшей мере, части устройства управления, например, вращающегося переключателя на одном валу с вращающимся электродом.5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что вращающийся электрод выполнен в виде установленного на валу диска с вырезом, имеющим, например, форму сектора.6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что угол сектора выреза во вращающемся электроде составляет не менее 720°/n.7. Установка по любому из пп.4 - 6, отличающаяся тем, что вращающийся электрод состоит из более, чем одного диска с вырезом, все диски установлены на одном валу, а зарядные электроды разделены на группы, каждая из которых находится во взаимодействии с одним из дисков.