СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДУГОВОГО РАЗРЯДА Российский патент 2008 года по МПК H05H1/02 

Изобретение относится к способам управления работой плазмотронов и может быть использовано для формирования дугового разряда и его поддержания в процессе работы плазмотрона.

Известен способ формирования дугового разряда, включающий подачу напряжения от источника тока к электродам дугового промежутка, с предварительной ионизацией дугового промежутка с помощью изотопа радиоактивного вещества, испускающего α-излучение строго на дуговой промежуток. При этом в качестве источника ионизации используют Pt¹³⁰, Ро²¹⁰, Hf¹⁷⁴ (патент США №3958096, НКИ 219-75, 1976).

Недостаток этого решения - повышенная опасность использования приводит к тому, что на этом принципе невозможно реализовать малогабаритное устройство, пригодное для использования в быту.

Известен также способ формирования дугового разряда, включающий подачу напряжения от источника тока к электродам дугового промежутка, с предварительным формированием в нем стартового дугового канала посредством ввода в дуговой промежуток импульсного высоковольтного разряда (патент Франции №2275963, МКИ Н05Н 1/02, 1976).

Недостаток этого решения - невысокая экономичность способа (повышенный расход энергии), кроме того, этот способ не позволяет использовать низковольтные источники энергии; все это приводит к тому, что на базе этого способа трудно реализовать малогабаритное устройство, пригодное для использования в быту.

Задачей, на решение которой направлено заявленное решение, является обеспечение возможности реализации способа при использовании низковольтных источников энергии.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности реализации способа при использовании электрического тока напряжением 220 В. Кроме того, обеспечивается саморегулирование процесса поддержания и сохранения дугового разряда.

Поставленная задача решается тем, что в способе формирования дугового разряда, включающем подачу напряжения от источника тока к электродам дугового промежутка с предварительным формированием в нем стартового дугового канала посредством ввода в него импульсного высоковольтного разряда, для формирования импульсного высоковольтного разряда к отрицательному электроду дугового промежутка подключают повышающий автотрансформатор, через низковольтную секцию которого разряжают через разрядник стартовый конденсатор, при этом после формирования стартового дугового канала его мощность увеличивают до уровня, обеспечивающего замыкание источника тока через дуговой канал и поддержание дугового разряда, для чего через стартовый дуговой канал разряжают накопительный конденсатор, кроме того, дуговой разряд в дуговом промежутке используют для замыкания контура, шунтирующего стартовый конденсатор таким образом, чтобы уровень напряжения на его обкладках не превышал напряжения пробоя разрядника.

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки "для формирования импульсного высоковольтного разряда к отрицательному электроду дугового промежутка подключают повышающий автотрансформатор, через низковольтную секцию которого разряжают через разрядник стартовый конденсатор" обеспечивают возможность экономичного и эффективного с позиций энергопотребления процесса формирования стартового дугового канала, обеспечивающего возможность разряда через дуговой промежуток накопительного конденсатора (с повышением мощности дугового канала) и тем самым "включения в работу" источника тока. При этом наличие разрядника обеспечивает максимально "узкую форму" разряда (минимизирует его продолжительность), без чего пробой дугового промежутка в условиях использования низковольтного источника тока невозможен.

Признаки "после формирования стартового дугового канала его мощность увеличивают до уровня, обеспечивающего замыкание источника тока через дуговой канал и поддержание дугового разряда, для чего через стартовый дуговой канал разряжают накопительный конденсатор", обеспечивают "включение в работу" источника тока и выключение из работы узла, обеспечивающего формирование стартового дугового канала (стартового конденсатора, разрядника и выпрямителя).

Признаки "кроме того, дуговой разряд в дуговом промежутке используют для замыкания контура, шунтирующего стартовый конденсатор таким образом, чтобы уровень напряжения на его обкладках не превышал напряжения пробоя разрядника", обеспечивают автоматическое включение в работу стартового конденсатора при отсутствии дуги (например, из-за самопроизвольного погашения) и его выключение при работе источника тока в штатном режиме.

На чертеже показана схема устройства, обеспечивающего реализацию способа.

На чертеже показаны силовой трансформатор 1, включающий первичную 2, вторичные 3 и 4 обмотки, повышающий автотрансформатор 5, включающий низковольтную 6 и высоковольтную 7 секции, автотрансформатор 8, включающий низковольтную 9 и высоковольтную 10 секции, дуговой промежуток 11 между катодом 12 и анодом 13, силовой выпрямитель 14, источник питания 15, включающий фильтрующий конденсатор 16, широтно-импульсный регулятор 17, сумматор 18. Также показаны измеритель тока 19, обратный диод 20, дроссель 21, развязывающие диоды 22 и 23, балластный резистор 24, накопительный конденсатор 25, разрядник 26, стартовый конденсатор 27, выпрямитель 28, выполненный на диодах Д4...Д7, высоковольтный выпрямитель 29, задатчик 30 уставки заданного тока.

В качестве силового трансформатора 1, повышающего автотрансформатора 5 и автотрансформатора 8 использованы аппараты сходного назначения известной конструкции, рабочие характеристики которых соответствуют рабочим параметрам схемы, при этом первичная обмотка 2 силового трансформатора 1 подключена в сеть 220 В.

Силовой выпрямитель 14 выполнен по мостовой схеме и не отличается от известных устройств сходного назначения. Широтно-импульсный регулятор 17 обеспечивает регулирование среднего значения тока через дуговой промежуток и не отличается от известных устройств сходного назначения.

В качестве сумматора 18 используют операционный усилитель в инвертирующем включении с двумя входами, на первый из которых подают сигнал, пропорциональный заданному значению тока через дуговой промежуток, а на второй вход - сигнал, пропорциональный фактическому значению этого тока со знаком (-).

В качестве измерителя тока 19 используют шунт, включенный в цепь тока, проходящего через дуговой промежуток.

В качестве разрядника используют известный электронный прибор, обеспечивающий разряд за минимальный промежуток времени соответствующего конденсатора и тем самым увеличение удельной мощности разрядного импульса.

Выпрямитель 28 выполнен по мостовой схеме и не отличается от известных устройств сходного назначения.

Высоковольтный выпрямитель 29 выполнен по схеме удвоения напряжения на высоковольтных диодах и не отличается от известных устройств сходного назначения.

В качестве задатчика 30 уставки заданного тока используют известное устройство, например переменный резистор, включенный по схеме потенциометра (при этом в зависимости от конструкции и мощности плазмотрона диапазон уставок заданного тока, обеспечивающий устойчивую работу плазмотрона, будет заранее известен и находится в достаточно узком диапазоне).

Вторичная обмотка 3 силового трансформатора 1 подключена к входу силового выпрямителя 14, выходы которого являются входами источника питания 15 (отрицательный выход силового выпрямителя 14 подключен к соответствующей обкладке фильтрующего конденсатора 16 и к первому входу измерителя тока 19, положительный выход силового выпрямителя 14 подключен к соответствующей обкладке фильтрующего конденсатора 16 и к первому входу широтно-импульсного регулятора 17).

Контур регулирования тока дуги образован следующими элементами и связями: положительный вывод силового выпрямителя 14, соединенный с положительной обкладкой фильтрующего конденсатора 16, подключен к входу широтно-импульсного регулятора 17, выход которого через дроссель 21 и диод 22 подключен к аноду 13 дугового промежутка 11, а катод 12 дугового промежутка через повышающий автотрансформатор 5 и измеритель тока 19 соединен с отрицательным выводом силового выпрямителя 14, к которому подключена отрицательная обкладка фильтрующего конденсатора 16. Между выходом широтно-импульсного регулятора 17 и отрицательным выводом силового выпрямителя 14 включен обратный диод 20.

К дуговому промежутку 11 подключен также накопительный конденсатор 25, причем его положительная обкладка через диод 23 соединена с анодом 13, а отрицательная обкладка через повышающий автотрансформатор 5 - с катодом 12 дугового промежутка. Заряд накопительного конденсатора 25 осуществляется от вторичной обмотки 4 силового трансформатора 1 через выпрямитель 28 на диодах Д₄...Д₇ и балластный резистор 24.

Вторичная обмотка 4 силового трансформатора 1 подключена также через автотрансформатор 8 и высоковольтный выпрямитель 29 к накопительному конденсатору 27. Отрицательная обкладка накопительного конденсатора 27 соединена с отводом от обмотки повышающего автотрансформатора 5, а его положительная обкладка через разрядник 26 - с выводом низковольтной секции 6 обмотки повышающего автотрансформатора 5. Вывод высоковольтной секции 7 обмотки повышающего автотрансформатора 5 подключен к катоду 12 дугового промежутка 11.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

При включении питания и увеличении напряжения на стартовом конденсаторе 27 до определенной величины происходит пробой разрядника 26 и в низковольтной секции 6 повышающего автотрансформатора 5 формируется импульс тока i₁, который затем, трансформируясь в высоковольтной секции 7 повышающего автотрансформатора 5, создает импульс высокого напряжения, приложенный к дуговому промежутку 11. Возникающий в дуговом промежутке "тонкий токопроводящий канал" с током i₂ вызывает разряд через него (т.е. через "тонкий токопроводящий канал") накопительного конденсатора 25, что приводит к увеличению мощности токопроводящего канала и замыканию контура регулирования тока дуги. Ток дуги в этом контуре измеряется измерителем тока 19, и сигнал I* (с выхода измерителя тока 19) поступает на сумматор 18, где сравнивается с заданным значением тока I*_зад., поступающим от задатчика 30 уставки заданного тока. Рассогласование между заданным I*_зад. и фактическим I* значениями тока воздействует на широтно-импульсный регулятор 17, в котором соответствующим образом изменяется скважность выходных импульсов напряжения так, что выполняется равенство I*=I*_зад.

Дроссель 21 обеспечивает непрерывный ток дуги, который замыкается через обратный диод 20 при коммутации широтно-импульсного регулятора 17.

При горении дуги дуговой промежуток 11 замкнут и для стартового конденсатора 27 возникает шунтирующий контур: отрицательная обкладка этого конденсатора - высоковольтная секция 7 повышающего автотрансформатора 5 - дуговой промежуток 11 - открытый диод 23 - балластный резистор 24 - открытые диоды Д4 или Д5 (выпрямителя 28) - автотрансформатор 8 - высоковольтный выпрямитель 29 - положительная обкладка стартового конденсатора 27.

При обрыве дуги шунтирующее действие этого контура исчезает, стартовый конденсатор 27 заряжается, происходит пробой разрядника 26 и далее, как описано выше, повторяется поджог дуги.

Таким образом обеспечивается практически непрерывное горение дуги.

Способ предназначен для использования в плазмотронах. Способ формирования дугового разряда включает подачу напряжения от источника тока к электродам дугового промежутка с предварительным формированием в нем стартового дугового канала посредством ввода импульсного высоковольтного разряда; для указанного формирования к отрицательному электроду подключают повышающий автотрансформатор, через низковольтную секцию которого разряжают через разрядник стартовый конденсатор; после формирования дугового канала его мощность увеличивают до уровня, обеспечивающего замыкание источника тока через дуговой канал и поддержание дугового разряда, для чего через дуговой канал разряжают накопительный конденсатор, а дуговой разряд в дуговом промежутке используют для замыкания контура, шунтирующего стартовый конденсатор таким образом, чтобы уровень напряжения на его обкладках не превышал напряжения пробоя разрядника. Изобретение обеспечивает использование низковольтных источников энергии. 1 ил.

Способ формирования дугового разряда, включающий подачу напряжения от источника тока к электродам дугового промежутка, с предварительным формированием в нем стартового дугового канала, посредством ввода в него импульсного высоковольтного разряда, отличающийся тем, что для формирования импульсного высоковольтного разряда к отрицательному электроду дугового промежутка подключают повышающий автотрансформатор, через низковольтную секцию которого разряжают, через разрядник, стартовый конденсатор, при этом после формирования стартового дугового канала его мощность увеличивают до уровня, обеспечивающего замыкание источника тока через дуговой канал и поддержание дугового разряда, для чего через стартовый дуговой канал разряжают накопительный конденсатор, кроме того, дуговой разряд в дуговом промежутке используют для замыкания контура, шунтирующего стартовый конденсатор таким образом, чтобы уровень напряжения на его обкладках не превышал напряжения пробоя разрядника.