Источник постоянного тока дуговой нагрузки Российский патент 2025 года по МПК H02M3/22 

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к мощным полупроводниковым системам питания постоянного тока электродуговых нагрузок, таких как, например, плазмотроны [1, 2, 3]. Плазмотрон является высокодинамичной нелинейной нагрузкой для источника питания, параметры которой (мощность, падение напряжения, ток, пульсации токов и напряжений) зависят от многих факторов (изменения расхода газа, режима горения дуги, геометрических размеров электродуговой камеры и т.п.). При этом электрическая дуга имеет особую статическую вольтамперную характеристику (ВАХ), в которой напряжение на дуге снижается с ростом тока, что соответствует отрицательному динамическому активному сопротивлению дуги, что вместе с его динамическим характером его изменения определяет выбор ВАХ источника питания постоянного тока, который должен обеспечить как статическую, так и динамическую устойчивость дуги плазмотрона. С этой целью система электропитания плазмотрона постоянного тока должна иметь крутопадающую ВАХ, что обычно достигается введением балластного сопротивления (электрического реактора) последовательно с дугой (Ф.Б. Юревич, B.C. Куликов. Электродуговой нагрев газа. «Наука и техника», Минск, 1973, 192 с; А.С. Коротеев. Электродуговые плазмотроны. Москва, «Машиностроение», 1980, 174 с; М.Ф. Жуков, В.Я. Смоляков, Б.А. Урюков. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). Москва, «Наука», 1973, 232 с). Современные системы питания на базе статических полупроводниковых преобразователей позволяют получить идеальную ВАХ источника питания -характеристику источника тока, величина которого не зависит от напряжения на дуге и может регулироваться в широком диапазоне. Электрический реактор, включаемый последовательно с дугой, при этом сохраняется, но только для снижения быстрых флуктуаций тока дуги и фильтрации гармоник тока, создаваемых дугой.

Устойчивость и надежность работы дугового плазмотрона в немалой степени зависит и от устройства поджига дуги, которое, как правило, представляет собой внешний импульсный или высокочастотный генератор высокого напряжения, обеспечивающий создание электрического разряда между катодом и корпусом плазмотрона, который инициирует возникновение дуги между катодом и корпусом плазмотрона. Из-за инерционности нарастания тока дуги после поджига, обусловленной наличием электрического реактора, дуга имеет неустойчивый характер и необходимо обеспечить ее автоматический повторный поджиг в случае погасания, а также обеспечить режим поддержания дуги от дополнительного источника энергии (режим дежурной дуги). Практически все технические решения по источникам питания дуговых плазмотронов постоянного тока содержат следующие элементы: регулятор (источник) тока с крутопадающей («мягкой») ВАХ, электрический реактор, устройство поджига дуги и дополнительный источник, обеспечивающий создание дежурного тока дуги после ее поджига.

Известен источник питания электродугового плазмотрона, состоящий мостового выпрямителя, на стороне переменного тока которого включены реакторы с отпайками, позволяющими изменять индуктивное сопротивление реактора для выбора рабочего тока плазмотрона ([4], Голиков А.Н. Источник питания электродугового плазмотрона постоянного тока, Патент РФ №2698905 С1, 07.11.2018).

Развитие техники мощных широтно-модулированных (Pulse-WidthModulation -PWM) конвертеров напряжения (VoltageSourcedConverter - VSC) открыли новые возможности для построения систем питания плазмотронов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), обеспечивающих создание «идеальной» ВАХ в виде источника тока. Известен источник питания электродугового нагревателя газа, содержащий диодный выпрямитель, высокочастотный понижающий ШИМ-преобразователь постоянного напряжения в постоянное, обеспечивающий ВАХ источника тока ([5], J.Ostermeyer, J.Heulens. PowerSupplyforElectricArcGasHeater, Патент США US 2018/0235037 Al. 16.08.2018).

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является устройство, содержащее: регулятор (источник) тока на основе понижающего преобразователя с ШИМ; блок возбуждения (поджига) дуги, состоящий из импульсного трансформатора, обмотка, которого включена последовательно с регулятором тока и катодом плазмотрона; емкостной накопитель энергии, обеспечивающий поддержание тока дуги на время, необходимое для подхвата дуги за счет регулятора ([6], Неклеса А.Т., Шиман И.А., Макаренко А.И. Способ автоматического регулирования режимом работы плазмотрона и установка его осуществления, Патент РФ №2389055 С2, 10.05.2010).

Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение технико-экономических показателей, надежности и устойчивости работы системы «источник питания постоянного тока - плазмотрон».

С этой целью источник питания плазмотрона (Фиг. 1) содержит: источник постоянного тока на основе высокочастотного ШИМ-преобразователя, состоящего из неуправляемого выпрямителя UZ1 и высокочастотного инвертора UZ2; неуправляемый трансформаторно-выпрямительный блок UZ3 и сглаживающий реактор L1, отличающийся тем, что входящий в состав источника постоянного тока сглаживающий реактор используется как индуктивный накопитель энергии, обеспечивающий поджиг дуги и создание дежурного тока дуги. Для этого сглаживающий реактор L1 дополнительно содержит обмотку (W_HH) с малым числом витков, подключенную к маломощному низковольтному источнику постоянного тока Е1 через нормально замкнутый транзистор VT1 с последовательно включенным резистором R2. Параллельно транзистору подключена RCD-цепь R1-D1-C1, вход которой питается от выпрямителя UZ1.

Устройство работает следующим образом. При включении источника питания к промежутку «анод-катод» (А-К) плазмотрона ПТ прикладывается напряжение холостого хода источника питания, дополнительный источник Е1 через открытый транзистор VT1 создает в обмотке W_HH реактора L1 постоянный ток, ограничиваемый резистором R2. По сигналу от системы управления СУ транзистор VT1 размыкается и к обмотке W_HH прикладывается напряжение, равное сумме напряжений выпрямителя UZ1 и падений напряжений на резисторах R1 и R2, возникающих под действием тока реактора L1 через обмотку W_HH, протекающего по контуру D1-R1-E1-R2.

Это напряжение трансформируется на обмотку W_BH реактора пропорционально коэффициенту трансформации, равному отношению чисел витков W_BH/W_HH, в виде импульса высокого напряжения, что приводит к пробою промежутка А-К плазмотрона и возникновению дуги в нем. Особенностью предлагаемого решения является то, что, помимо импульса высокого напряжения, возникающего на обмотке W_BH, через эту обмотку за счет энергии, накопленной в реакторе, практически мгновенно создается «дежурный» ток дуги, равный току обмотки источника W_HH реактора, деленному на коэффициент трансформации, равный отношению W_BH/W_HH. Этот ток подхватывается основным током источника питания, предустановленным на уровне начального тока плазмотрона. Тем самым обеспечивается практически безынерционный подхват дуги и ее устойчивое горение.

Таким образом, заявляемое техническое решение решает задачу создания эффективного источника питания дуговой нагрузки, обеспечения надежного поджига и устойчивого безынерционного подхвата дуги с использованием для этой цели индуктивного накопителя на основе сглаживающего реактора источника постоянного тока, без использования специального осциллятора для поджига дуги и специального устройства для подхвата тока дуги. Работу заявляемого источника постоянного тока дуговой нагрузки иллюстрируют графики процессов в его выходной цепи, полученные на макетном образце источника постоянного тока (Фиг. 2) при работе на плазмотрон со следующими параметрами:

- номинальное напряжение - 80 В;

- напряжение холостого хода - 180 В;

- номинальный ток - 1600 А;

- напряжение поджига дуги - 10-12 кВ.

В первый момент после включения источника питания возникает спадающий апериодический импульс тока дуги, определяемый энергией, накопленной в реакторе, а затем ток дуги устанавливается в соответствии с уставкой, заданной в источнике питания. Ток дуги возникает мгновенно после включения источника питания, что обеспечивает надежную и устойчивую работу плазмотрона. Надежность и устойчивость работы системы «источник питания постоянного тока - плазмотрон» достигается еще и возможностью обеспечения практически непрерывной работы плазмотрона при погасании дуги в процессе его работы за счет реализации режима автоматического повторного поджига дуги.

Источники информации

1. Ф.Б. Юревич, B.C. Куликов. Электродуговой нагрев газа. «Наука и техника», Минск, 1973, 192 с.

2. А.С. Коротеев. Электродуговые плазмотроны. Москва, «Машиностроение», 1980, 174 с.

3. М.Ф. Жуков, В.Я. Смоляков, Б.А. Урюков. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). Москва, «Наука», 1973, 232 с.

4. Голиков А.Н. Источник питания электродугового плазмотрона постоянного тока. Патент РФ №2 698 905 С1, 07.11.2018.

5. J. Ostermeyer, J. Heulens. Power Supply for Electric Arc Gas Heater. Патент США US 2018/0235037 A1. 16.08.2018.

6. Неклеса A.T., Шиман И.А., Макаренко А.И. Способ автоматического регулирования режимом работы плазмотрона и установка его осуществления. Патент РФ №2389055 С2, 10.05.2010.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат - повышение надежности и устойчивости работы. Для этого предложен источник постоянного тока дуговой нагрузки, состоящий из высокочастотного ШИМ-преобразователя, трансформатора, выпрямителя и сглаживающего реактора, причем сглаживающий реактор дополнительно содержит обмотку низкого напряжения, подключенную через нормально замкнутый транзистор к маломощному низковольтному источнику постоянного тока, обеспечивающему возможность накопления в реакторе электромагнитной энергии; параллельно транзистору подключена RCD-цепь, вход которой подключен к выпрямителю транзисторного ШИМ-конвертера, в результате после размыкания цепи обмотки низкого напряжения с помощью упомянутого транзистора происходит формирование на рабочей обмотке реактора высоковольтного импульса, поджигающего дугу в плазмотроне, и создание дежурного тока дуги, обеспечивающего безынерционный подхват дуги. 2 ил.

Источник постоянного тока дуговой нагрузки, состоящий из высокочастотного ШИМ-конвертера, трансформатора, выпрямителя и сглаживающего реактора, отличающийся тем, что сглаживающий реактор дополнительно содержит обмотку низкого напряжения, подключенную через нормально замкнутый транзистор к маломощному низковольтному источнику постоянного тока, обеспечивающему возможность накопления в реакторе электромагнитной энергии; параллельно транзистору подключена RCD-цепь, вход которой подключен к выпрямителю транзисторного ШИМ-конвертора, в результате чего после размыкания цепи обмотки низкого напряжения путем запирания транзистора на рабочей обмотке реактора происходит формирование высоковольтного импульса, поджигающего дугу в плазмотроне, и создание дежурного тока дуги, обеспечивающего безынерционный подхват дуги источником питания.