Свирчук Ю.С., Голиков А.Н., Журавлев П.Д. Трёхфазные электродуговые плазмотроны типа Звезда

Подождите немного. Документ загружается.

УДК: 621.362:538.4

Трехфазные электродуговые плазмотроны типа «Звезда»

Ю.С. Свирчук, А.Н. Голиков, П.Д. Журавлев

Описаны принцип действия и характеристики трехфазных электродуговых

плазмотронов типа “Звезда”.

1. Электродуговой плазмотрон является эффективным устройством,

предназначенным для нагрева различных газов до высоких температур. Плазмотроны

позволяют реализовать новые идеи и технологии, связанные с применением горячего

газа, в различных областях науки и техники.

Источником нагрева газа в плазмотроне является электрическая дуга, которая

питается от источника постоянного или переменного тока. В настоящее время

подавляющее большинство плазмотронов работает на постоянном токе. Такая ситуация

обусловлена тем фактором, что дуга постоянного тока в принципе горит более

устойчиво по сравнению с дугой переменного тока. Действительно, протекающий через

дугу переменный электрический ток два раза за период проходит через нуль. Иными

словами, можно считать, что дуга периодически погасает и зажигается вновь. Поэтому

для устойчивого горения дуги переменного тока необходимо обеспечить условия для ее

повторного зажигания после перехода тока через нуль. Самым распространенным

способом обеспечения устойчивого горения дуги переменного тока является включение

последовательно с дугой катушки индуктивности (реактора). Однако в плазмотронах

всегда имеется дополнительный фактор, усугубляющий проблему устойчивого горения

дуги — это поток нагреваемого газа, который воздействует на дугу и затрудняет ее

устойчивое горение в плазмотронах как постоянного тока, так и, в еще большей

степени, в плазмотронах переменного тока.

С другой стороны, идея питания плазмотрона переменным током выглядит

весьма привлекательной по следующим причинам:

- Источниками постоянного тока являются, как правило, выпрямительные устройства,

снабженные специальными электронными регуляторами, которые обеспечивают

устойчивое горение дуги. Для плазмотронов мегаваттного и мультимегаваттного

уровней такие устройства превращаются в очень сложные, громоздкие и, главное,

дорогие сооружения, стоимость которых намного превышает стоимость самих

плазмотронов. Плазмотроны переменного тока не требуют для питания никаких

специальных устройств, они подключаются к промышленной трехфазной сети.

Коммутационная аппаратура этих сетей проста и надежна, а мощность практически не

ограничена. При необходимости реактивная мощность, обусловленная применением

реакторов, может быть скомпенсирована с помощью конденсаторов.

- Известно, что в плазмотронах постоянного тока ресурс катода обычно в несколько

раз ниже ресурса анода. В плазмотронах переменного тока катод и анод меняются

местами с частотой сети, поэтому при прочих равных условиях ресурс плазмотрона

переменного тока в два раза выше ресурса плазмотрона постоянного тока.

2. В принципе многие плазмотроны постоянного тока могут работать и на

переменном токе. Однако особенности питания мощных плазмотронов от трехфазной

сети, в частности, требование обеспечения симметричной нагрузки фаз, привели к

разработке принципиально новой схемы трехфазного плазмотрона, получившего

название “Звезда” (рис. 1). Он содержит три идентичные дуговые камеры, оси которых

лежат в одной плоскости под углом

3/2

друг к другу, и общую смесительную камеру

1. Дуговая камера содержит затыльник 2, камеру-электрод 3 и конфузор 4. К

электродам подведены три фазы питающей сети. Электрод отделен как от затыльника,

так и от конфузора электрическими изоляторами. Через эти изоляторы осуществляется

тангенциальная подача рабочего газа, т.е. используется принцип газовихревой

стабилизации дуги на оси дуговой камеры. Нагретый газ выходит из плазмотрона через

сопло смесительной камеры, ось которого перпендикулярна плоскости рисунка.

Каждый электрод снабжен двумя магнитными катушками 5, под действием

магнитного поля которых происходит быстрое вращение приэлектродных участков

дуги и, следовательно, уменьшение эрозии электрода. Электроды, конфузоры,

смесительная камера и выходное сопло охлаждаются водой.

Поджиг каждой дуги осуществляется с помощью вспомогательного

высокочастотного разряда, замыкающего промежуток электрод-конфузор. После

поджига один конец дуги располагается на электроде, а второй — на конфузоре.

Поскольку конфузоры электрически соединены между собой, то электрической схемой

соединения дуг на начальном этапе является «звезда» с «металлической» нулевой

точкой. Под действием потока газа нижние участки дуг смещаются к выходному

сечению конфузора, затем петлеобразно вытягиваются в смесительную камеру и

замыкаются между собой в центральной области камеры, т.е. схемой соединения дуг в

этом случае является «звезда» с нулевой точкой в плазме. Таким образом, в этом

плазмотроне каждая дуга имеет только одну привязку к электроду, что, естественно,

увеличивает надежность и ресурс.

Поскольку замыкание дуг в звезду с нулевой точкой в плазме является

принципиальным моментом, то оно было экспериментально проверено двумя

способами. Первый способ заключается в фотографировании центральной области

камеры. На фотографиях отчетливо видны ярко светящиеся образования,

соединяющиеся в центре камеры.

Однако этот эксперимент еще оставлял некоторые сомнения, так как светящиеся

образования могли быть просто струями горячего газа, а не дуговыми разрядами.

Поэтому использовали второй способ подтверждения замыкания дуг в звезду, который

заключается в следующем. Один конфузор был электрически изолирован от

смесительной камеры и соединен с ней наружным токопроводом, проходящим через

трансформатор тока 6. Во вторичную цепь трансформатора были включены амперметр

7 и осциллограф 8. Отсутствие тока в этой измерительной цепи явилось очевидным

доказательством замыкания дуг в звезду. Если же величина тока в измерительной цепи

равна или сравнима с током дуги, то это свидетельствует об аварийном или нештатном

режиме работы плазмотрона.

Чтобы повысить температуру нагреваемого дугой газа без увеличения силы тока,

надо увеличить температуру самой дуги. Для этого необходимо повысить плотность

тока в дуговом разряде. Достаточно распространенный способ достижения этой цели

путем заключения дуги в узкий секционированный канал в данном случае оказался

неприемлемым как из-за больших конструктивных трудностей, так и, главным образом,

из-за существенного усложнения поджига дуговых разрядов. Поэтому был использован

эффект повышения плотности тока в дуге, горящей в конфузоре. За счет радиальной

составляющей скорости газа в конфузоре происходит как бы вдув холодного газа в

дугу, ее сжатие и рост температуры, что подтверждается как результатами

экспериментов, так и решением соответствующей теоретической задачи.

Дальнейшим развитием плазмотронов типа “Звезда” послужила схема « шести

лучевая звезда». Такой плазмотрон содержит шесть дуговых камер, объединенных

общей смесительной камерой, внутри которой все шесть дуговых разрядов замыкаются

между собой в нулевой точке. Преимущество такой схемы заключается в том, что при

одинаковой мощности величина тока в каждой дуге шести лучевой звезды вдвое

меньше по сравнению с трех лучевой звездой.

Основными преимуществами плазмотрона “Звезда” являются:

- Симметричная загрузка трехфазной сети.

- Однородные распределения температур и давлений в горле выходного сопла

плазмотрона, что было проверено экспериментально. Это дает возможность, во-первых,

измерять температуру нагретого газа в смесительной камере плазмотрона с помощью

простого, удобного и достаточно точного (5%) газодинамического метода; во-вторых,

исключить влияние неоднородных полей температур и давлений на результаты

экспериментальных исследований в области высокотемпературной газодинамики.

3. Переходим к изложению характеристик плазмотронов типа “Звезда”.

Испытания проводились на различных плазмотронах, отличающихся по установленной

электрической мощности, подведенному напряжению, уровню давления, расходу

рабочего газа, и т.д. Некоторые экспериментальные данные для воздуха приведены в

Таблице 1.

Приведенные в таблице 1 данные выбраны таким образом, чтобы дать

представление о диапазонах величин, которые обеспечивают плазмотроны типа

“Звезда” Центра Келдыша.

Кроме воздуха, в качестве рабочего газа использовали также N

, Hе, Ar, смесь N

- CO

- Hе.

4. Рассмотрим подробнее вопрос о вращении приэлектродного участка

(«ножки») дуги под действием магнитного поля катушки. Если катушку питать

постоянным током, то электромагнитная сила, возникающая при взаимодействии

постоянного магнитного поля катушки с переменным током дуги, каждый полупериод

будет менять знак, соответственно будет меняться направление вращения ножки дуги.

В те полупериоды, когда ножка дуги и газовый вихрь вращаются в разные стороны,

действующая на ножку аэродинамическая сила возрастает и замедляет ее вращение,

возможно, вплоть до ее остановки. С другой стороны, такое встречное взаимодействие

может привести к ослаблению газового вихря и ухудшению стабилизации дуги на оси.

Применение переменного магнитного поля для вращения ножки дуги имеет

принципиальную особенность. При прохождении создаваемого катушкой переменного

магнитного поля через стенку электрода в его внутреннюю полость в стенке возникает

индуцированный ток, электромагнитное поле которого, во-первых, уменьшает

приложенное поле и, во-вторых, вызывает фазовый сдвиг между полями снаружи и

внутри электрода, следовательно, между магнитным полем внутри электрода и током

дуги. В количественном отношении ослабление поля и фазовый сдвиг зависят в

основном от материала электрода, его диаметра и толщины стенки. Уменьшение

величины поля внутри электрода снижает скорость вращения ножки дуги, однако этот

эффект можно легко устранить, соответственно увеличив число витков катушки на

единичной длине. Сложнее обстоит дело с фазовым сдвигом. Он приводит к тому, что в

некоторые промежутки времени ножка дуги будет вращаться в сторону,

противоположную вращения газового вихря, т.е. возникает тот же эффект, что и при

применении постоянного магнитного поля.

На рис. 2 показаны синусоиды тока дуги i и напряженности магнитного поля

Н, сдвинутые на фазовый угол

, а также кривая электромагнитной силы F ~ iH.

Видно, что эта сила периодически меняет знак, причем при достаточно большой

величине

нулевые значения силы почти совпадают по времени с амплитудными

значениями тока, что, естественно, усугубляет проблему эрозионной стойкости

электрода.

Таким образом, наличие значительного фазового сдвига в мощных

плазмотронах недопустимо, поэтому необходимо предусматривать соответствующие

системы фазовой компенсации. Отметим, что если основная и компенсирующая

магнитные катушки включены последовательно с дуговыми разрядами, то компенсация

происходит автоматически независимо от рабочего режима плазмотрона.

Методы устранения фазового сдвига в трехфазных плазмотронах основаны на

том, что на внешней поверхности электрода создается магнитное поле, опережающее

ток дуги на угол

. Тогда после прохождения этого поля через стенку электрода фаза

поля изменится на величину

и, в результате фазовый сдвиг между током и

магнитным полем окажется равным нулю. Этот принцип поясняет векторная диаграмма

рис. 3. Здесь

 векторы токов в фазах А, В, С;  вектор магнитного

поля на внешней поверхности электрода,  вектор поля в полости электрода,

сдвинутый по фазе относительно

на угол

и совпадающий с током дуги

CBA

I,I,I

Если магнитную катушку включить последовательно с дугой фазы А, то в

полости электрода магнитное поле окажется сдвинутым по фазе относительно дуги на

угол -

(вектор ).

Для компенсации фазового сдвига на электроде располагаются две катушки

(одна на другой), которые питаются токами разных фаз (метод наложения полей).

Выбирая соответствующим образом числа витков этих катушек, можно получить на

внешней поверхности электрода магнитное поле, опережающее ток на угол

Практически наиболее удобно комбинировать фазы так, как показано на векторной

диаграмме рис. 3, т.е., например, на электроде фазы А одна катушка включается

последовательно с дугой фазы А (ампервитки I

), вторая - последовательно с дугой

фазы С (ампервитки I

). Тогда поле определится векторной суммой (Iw)

ампервитков двух фаз. Таким способом всегда можно создать поле

, опережающее

ток дуги I

на требуемый угол

Подробное изложение проблемы магнитного вращения ножки дуги в

плазмотронах типа “Звезда” можно найти в [1].

5. Для успешного применения плазмотронов типа “Звезда” в различных

технологических процессах необходимо обеспечить ресурс непрерывной работы

электродов не менее 200 час. Произведем оценку ресурса электродов на основании

экспериментальных данных, приведенных в [2]. Согласно [2], для медного электрода

диаметром

= 50 мм (именно такие электроды используются в плазмотронах типа

“Звезда”) минимальная величина удельной эрозии составляет

q ≈ 10

-9

кг/кл. Для оценки

ресурса необходимо задать величину тока и допустимую массу унесенного материала.

Для технологических плазмотронов температура горячего газа обычно не

превышает 3000 К. Чтобы обеспечить такой относительно невысокий уровень

температуры, величину тока можно выбрать равной ~ 200 А.

Допустимую массу унесенного материала определяем из следующих

соображений. Обычно ножка дуги вращается под действием аэродинамической и

электромагнитной сил и одновременно немного перемещается в осевом направлении,

т.е. следы дуги на поверхности электрода образуют достаточно узкую кольцевую

дорожку. В то же время экспериментальное исследование влияния соотношения

расходов, подаваемых с двух сторон электрода, на ширину дорожки показало, что

периодическое изменение соотношения расходов с помощью специального устройства

позволяет значительно увеличить ширину дорожки следов (до

l ~ 120 мм).

Толщину стенки электрода принимаем равной ~ 6 мм, допустимую глубину

уноса равной

= 3 мм. Тогда допустимый унос электрода составит М =

γπ

= 0,5 кг

и ресурс электрода окажется равным

= М/(qI) ≈ 700 час.

Приведенная оценка справедлива для катода дуги постоянного тока. Учитывая,

что удельная эрозия анода в несколько раз меньше, чем катода, можно заключить, что

ресурс электродов плазмотрона типа “Звезда” при I = 200 А может достигать 1400 час.

Рис. 1. Схема плазмотрона типа “Звезда”

Рис. 2. Зависимости величин i, H и F от времени

Рис. 3. Векторная диаграмма токов и напряженностей магнитного поля

Таблица 1.

Характеристики плазмотронов типа “Звезда”

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С.. Плазмотроны: конструкции,

характеристики, расчет. М.: Машиностроение, 1993, 295 с.

2. Аньшаков А.С., Тимашевский А.Н., Урбах Э.К. Эрозия медного цилиндрического

катода в воздушной среде // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук., № 7, вып. 2, 1998,

с. 65-68.