Строительная компания » »

Управління индуктивностью розрядної ланцюга лінійного коронного факельного розряду

  1. УПРАВЛІННЯ індуктивності розрядних ЦЕПИ лінійного корону смолоскипна РАЗРЯДА ВІСНИК КРСУ / № 5,...
  2. УПРАВЛІННЯ індуктивності розрядних ЦЕПИ лінійного корону смолоскипна РАЗРЯДА

УПРАВЛІННЯ індуктивності розрядних ЦЕПИ лінійного корону смолоскипна РАЗРЯДА

ВІСНИК КРСУ / № 5, 2003 р

УДК 533.521 (575.2) (04)

The item presents a study on a control by inductance of a discharge chain of a linear crown torch discharge.



Вступ. Експериментально встановлено, що якщо катод розрядної контуру (коаксіальної або лінійної геометрії) позитивного коронного розряду з'єднати з джерелом живлення через коммутирующий елемент, а в розрядної ланцюга з боку анода включити індуктивність, то звичайна позитивна корона набуває особливих властивостей [1]. При рівних умовах максимальний струм, при якому існує стійкий лінійний коронний факельний розряд (ЛКФР), збільшується до 10 разів у порівнянні з позитивною класичної короною [2].

Технологічне використання ЛКФР вимагає збільшення вкладається потужності в плазму, так як це призводить до зниження енергетичних витрат на проведення плазмохимических реакцій і інтенсифікації всього технологічного процесу. Аналіз експериментальних результатів показує, що енергетичні характеристики розряду в основному визначаються величиною індуктивності в розрядної ланцюга і властивостями допоміжного розрядника [3]. Одним з етапів дослідження є визначення основних вимог до індуктивності, методу вимірювання її величини і способу управління її параметрами.

Основні вимоги до індуктивності. Попередні експериментальні дані показують, що найбільший енерговклад в плазму розряду відбувається при індуктивності в розрядної ланцюга 3000-3600 Гн [3]. Необхідна величина індуктивності залежить від багатьох параметрів розрядного контуру і не може бути обчислена з достатньою точністю. З урахуванням умов роботи індуктивності L як високовольтного елемента електричного кола можна сформулювати загальні вимоги до її характеристикам:

  1. величина індуктивності близько 4000 Гн;
  2. діапазон плавного регулювання величини індуктивності в межах 80% від номінальної величини;
  3. індуктивність повинна бути розрахована на тривалу роботу при імпульсних і статичних напружених до 30 кВ.

Відомо, що найменшими полями розсіювання має сердечник дроселя тороидальной форми. Його індуктивність обчислюється за відомою формулою [4]:

L = μ0 · μ · w2 · S / l, (1)

де L - індуктивність, Гн; μ0 - магнітна постійна (4 π 10-7 Гн / м); μ - магнітна проникність матеріалу сердечника; w - кількість витків; S - площа поперечного перерізу сердечника, м2; l - середня довжина магнітної лінії, м.

Якщо в якості матеріалу сердечника використовувати електротехнічну сталь, то величину магнітної проникності можна прийняти рівною 3500-4500 [5]. В цьому випадку при прийнятних розмірах дроселя для досягнення необхідної індуктивності обмотка повинна складатися з декількох десятків тисяч витків. Магнітна проникність всіх феромагнітних матеріалів складним чином залежить від напруженості магнітного поля, що створює певні труднощі при розрахунках. Сильна залежність магнітної проникності від напруженості магнітного поля накладає певні обмеження на вимірювання і зіставлення результатів.

Для того щоб задовольнити цим суперечливим вимогам, котушка дроселя повинна бути виконана по високовольтної технології і містити кілька десятків тисяч витків. Магнитопровод дроселя може бути виконаний з електротехнічної сталі. Для зменшення втрат на вихрові струми товщина пластин муздрамтеатру повинна бути мінімальною [6].

Регулювання величини індуктивності дроселя можна робити зміною кількості витків, зміною величини зазору в муздрамтеатрі дроселя і зміною струму підмагнічування. При першому способі необхідно проводити перемикання обмоток дроселя. Оскільки він знаходиться в високовольтної ланцюга, для цього необхідні високовольтні комутуючі пристрої. Цей спосіб виключає можливість плавної зміни індуктивності. При другому способі регулювання конструкція дроселя ускладнюється. Необхідний зазор в муздрамтеатрі і механічний пристрій для його зміни в процесі настройки розряду. Наявність зазору в муздрамтеатрі зменшить максимальну індуктивність дроселя. Для отримання необхідної індуктивності буде необхідно збільшити кількість витків. Оскільки дросель високовольтний, це призведе до значного збільшення розмірів.

Мал
Мал. 1. Схема розрядного контуру ЛКФР з
регульованим дроселем Д1.

Найбільш переважно регулювання індуктивності підмагнічуванням постійним струмом. З урахуванням високої напруги котушку підмагнічування можна розташувати окремо від високовольтної і на відстані, що виключає пробій. Таке виконання забезпечує безпечне управління і налаштування розряду на максимальну ефективність в процесі експерименту. Цей спосіб дозволяє плавно змінювати індуктивність в широких межах без перемикань і механічних вузлів. Принципова схема регульованого дроселя, встановленого в розрядний контур ЛКФР, наведена на рис. 1. Дросель Д1 з регульованою індуктивністю складається з високовольтної обмотки L1 і подмагничивающего L2, намотаних на тороидальний сердечник. Постійний струм підмагнічування регулюється і реєструється за допомогою змінного резистора R1 і миллиамперметра мА відповідно. Висока напруга позитивної полярності подається через L1 на розрядний вузол РУ, що представляє собою дріт (довжина 100 мм, діаметр 0,25 мм), розташований на відстані 25 мм паралельно плоскому електроду. Електрод підключається до негативного полюса джерела живлення через який ініціює розрядник ІР. Якщо харчування обмотки підмагнічування виробляти від джерела стабільного струму, то можна підвищити точність завдання струму за рахунок обліку зміни опору обмотки при зміні температури.

На підставі перерахованих рекомендацій був сконструйований дросель, що забезпечує плавну зміну індуктивності від декількох Гн до 4000 Гн. Магнитопровод дроселя має площу поперечного перерізу 8 см2 і середню довжину магнітної лінії 40 см. Матеріал муздрамтеатру - електротехнічна сталь марки Е330 з магнітною індукцією 1,65 Тл при напруженості магнітного поля 100 А / м, товщина пластин 0,2 мм. Робоча обмотка складається з двох частин по 20000 витків, обмотка управління - з двох частин по 500 витків. Дросель виконаний з урахуванням вимог високовольтної технології. Зміна струму в обмотці управління здійснювалося від зовнішнього низьковольтного джерела постійного струму (рис. 1). Межі зміни струму в обмотці 0 - 280 мА, стабілізація струму не здійснювалася.

Вимірювання індуктивності. У більшості пристроїв, що випускаються промисловістю для вимірювання індуктивностей, використовується бруківці метод вимірювання. Основою такого приладу є настроюється міст змінного струму. Згідно з довідковими даними, максимальне вимірюється значення індуктивності обмежена розміри 1000 Гн [7]. Оскільки величини індуктивностей, вимірюваних в роботі, перевищували можливості серійних приладів, виникла необхідність в створенні приладу з розширеним діапазоном вимірюваних індуктивностей.

Для вимірювання великих індуктивностей і дослідження залежності величини індуктивності від магнітної індукції в дроселі був використаний відомий резонансний метод, при якому вимірювана індуктивність включається послідовно з зразковим конденсатором, утворюючи послідовний резонансний контур. Величина визначається індуктивності при цьому буде дорівнює [7]:

де Lx - вимірювана індуктивність, Гн; f - частота резонансу, гц; C0 - ємність, Ф.

Мал
Мал. 2. Принципова схема резонансного
методу вимірювання індуктивності.

Схема пристрою для вимірювання індуктивності представлена ​​на рис. 2. Послідовний резонансний контур утворений вимірюваної індуктивністю Lx і зразковим конденсатором C0. Харчування контуру здійснюється від генератора з перебудовується частотою і регульованою амплітудою вихідного напруги.

Мал
Мал. 3. Принципова схема перетворювача
вхідної напруги в вихідний струм.

Вимірюваноївеличиною є частота, яку можна виміряти з великою точністю. Основна похибка при використанні цього методу пов'язана з встановленням частоти, при якій настає резонанс. Найбільш поширеним варіантом визначення моменту резонансу є спостереження максимуму напруги на зразковому конденсаторі. При вимірі індуктивностей в великих межах з метою зменшення похибок необхідно, щоб вольтметр, підключений паралельно зразковому конденсатору, мав мінімальну вхідну ємність і вхідний опір по постійному струму більше, ніж опір зразкового конденсатора. Особливістю проведених вимірювань є те, що для вимірювань в великому діапазоні індуктивностей вольтметр-індикатор повинен мати чутливість, змінну в великих межах. При цьому повинна зберігатися постійної величина повного вхідного опору вольтметра-індикатора при всіх режимах вимірювання. Цим вимогам задовольняє перетворювач вхідної напруги в вихідний струм на операційному підсилювачі [8]. Схема такого пристрою зображена на рис. 3. При включенні операційного підсилювача напруга на вході перетворюється у вихідний струм:

Iвих = Uвх. / Rоос,

де Iвих - вихідний струм операційного підсилювача; Uвх - вхідна напруга; Rоос - резистор зворотного зв'язку. Мікроамперметр магнітоелектричної системи, включений в ланцюг зворотного зв'язку через діодний міст, показує середньовипрямлене значення струму. Регулювання чутливості вольтметра в широких межах здійснюється зміною величини зворотнього зв'язку.

При використанні операційного підсилювача з польовими транзисторами на вході, вхідний опір по постійному струму визначається опором ізоляції між вводами мікросхеми і струмами витоку затворів транзисторів. Вхідна ємність визначається в основному ємністю затворів польових транзисторів і мало змінюється при зміні вхідної напруги. Завдяки цим якостям такий вольтметр найбільш підходить для визначення моменту настання резонансу.

Мал
Мал. 4. Залежність індуктивності
дроселя від струму підмагнічування.

Результати вимірювання індуктивності виготовленого дроселя даним методом в залежності від струму підмагнічування представлені на рис. 4. Індуктивність експоненціально зменшується з 3600 до 200 Гн при збільшенні струму підмагнічування з 0 до 200 мА. Похибка вимірювання L становить не більше 5%.

Таким чином, виготовлений дросель відповідає перерахованим вище технічним вимогам, а запропонований метод управління його индуктивностью дозволяє змінювати її в інтервалі 5-100% номінальної величини.

Мал
Мал. 5. Еволюція вольтамперних характеристик ЛКФР
при зміні індуктивності дроселя.

Електричні характеристики розряду. За допомогою експериментальної установки (рис. 1) проведені вимірювання вольт-амперних характеристик ЛКФР при різних величинах індуктивності в ланцюзі анода (рис. 5). Встановлено, що величина L має суттєвий вплив на процеси, що відбуваються в розряді. При мінімальному значенні індуктивності 200 Гн ЛКФР переходить в дугового при напрузі 13 кВ і токах менше 50 мкА. При збільшенні L до 3600 Гн стійкий ЛКФР існує до напружень 13,6 кВ при струмі розряду 40-600 мкА. Зміна індуктивності в зазначеному інтервалі призводить не тільки до збільшення максимального струму розряду, а й до зростання інтервалу ΔU стійкого існування ЛКФР від 0,6 кВ до 1,2 кВ.

Мал
Мал. 6. Залежність максимального струму ЛКФР
від індуктивності дроселя.

На основі даних характеристик побудована узагальнена залежність максимального струму розряду від величини індуктивності в анодному ланцюзі при незмінних параметрах допоміжного розрядника (рис. 6). Залежність носить яскраво виражений нелінійний характер. Максимальний струм розряду змінюється від 100 до 600 мкА, причому спостерігається насичення струму при L = 3200 Гн.

Таким чином, при незмінному розрядному проміжку використання регульованої індуктивності дозволяє змінювати характеристики розряду в широкому діапазоні. При L = 200 Гн характеристики розряду відповідають звичайній позитивної короні. Збільшення L до 3600 Гн дає можливість в 15 разів підвищити енерговклад в плазму і тим самим інтенсифікувати продуктивність процесів на основі коронних розрядів (плазмохімія, електроочістка газів).

Автори вдячні Міністерству освіти Російської Федерації за підтримку роботи за програмою "Університети Росії" (проект № УР.01.01.034).


література

1. Ашмарин Г.В., Лелевкін В.М., Токарев А.В. Формування лінійного коронного факельного розряду / Фізика плазми. - Т 28. - № 8. - 2002. - С. 7.

2. Ким К.С., Лелевкін В.М., Токарев А.В., Юданов В.А. Лінійний коронний факельний розряд // Зб. наук. тр. - Вип. 3. - Киргизск.-Российск. Слов'янськ. ун-т. - Бішкек, 2000. - С. 23-31.

3. Ашмарин Г.В., Лелёвкін В.М., Токарев А.В. Вплив індуктивності розрядної ланцюга на характеристики лінійного коронного факельного розряду / Матер. першій республ. наук. конф. студентів фізиків і молодих вчених. - Каракол, 2002. - С. 49.

4. Каретникова Є.І., Рикіна Т.А., Єрмаков А.І. Трансформатори харчування і дроселі фільтрів для радіоелектронної апаратури. - М .: Радянське радіо, 1973.

5. Калінін М.М., Скібінський Г.А., Новиков П.П. Електрорадіоматеріали. - М .: Вища школа, 1981. - С. 253.

6. Довідник по електротехнічним матері-алам. - Т. 3. - Л .: Енергія, 1976. - С. 35-40.

7. Довідник по радіовимірювальних приладів. - М .: Енергія, 1976.

8. Титце У., Шенк К. Напівпровідникова схемотехніка. - М .: Мир, 1983.


Назад до змісту випуску


УПРАВЛІННЯ індуктивності розрядних ЦЕПИ лінійного корону смолоскипна РАЗРЯДА

ВІСНИК КРСУ / № 5, 2003 р

УДК 533.521 (575.2) (04)

The item presents a study on a control by inductance of a discharge chain of a linear crown torch discharge.



Вступ. Експериментально встановлено, що якщо катод розрядної контуру (коаксіальної або лінійної геометрії) позитивного коронного розряду з'єднати з джерелом живлення через коммутирующий елемент, а в розрядної ланцюга з боку анода включити індуктивність, то звичайна позитивна корона набуває особливих властивостей [1]. При рівних умовах максимальний струм, при якому існує стійкий лінійний коронний факельний розряд (ЛКФР), збільшується до 10 разів у порівнянні з позитивною класичної короною [2].

Технологічне використання ЛКФР вимагає збільшення вкладається потужності в плазму, так як це призводить до зниження енергетичних витрат на проведення плазмохимических реакцій і інтенсифікації всього технологічного процесу. Аналіз експериментальних результатів показує, що енергетичні характеристики розряду в основному визначаються величиною індуктивності в розрядної ланцюга і властивостями допоміжного розрядника [3]. Одним з етапів дослідження є визначення основних вимог до індуктивності, методу вимірювання її величини і способу управління її параметрами.

Основні вимоги до індуктивності. Попередні експериментальні дані показують, що найбільший енерговклад в плазму розряду відбувається при індуктивності в розрядної ланцюга 3000-3600 Гн [3]. Необхідна величина індуктивності залежить від багатьох параметрів розрядного контуру і не може бути обчислена з достатньою точністю. З урахуванням умов роботи індуктивності L як високовольтного елемента електричного кола можна сформулювати загальні вимоги до її характеристикам:

  1. величина індуктивності близько 4000 Гн;
  2. діапазон плавного регулювання величини індуктивності в межах 80% від номінальної величини;
  3. індуктивність повинна бути розрахована на тривалу роботу при імпульсних і статичних напружених до 30 кВ.

Відомо, що найменшими полями розсіювання має сердечник дроселя тороидальной форми. Його індуктивність обчислюється за відомою формулою [4]:

L = μ0 · μ · w2 · S / l, (1)

де L - індуктивність, Гн; μ0 - магнітна постійна (4 π 10-7 Гн / м); μ - магнітна проникність матеріалу сердечника; w - кількість витків; S - площа поперечного перерізу сердечника, м2; l - середня довжина магнітної лінії, м.

Якщо в якості матеріалу сердечника використовувати електротехнічну сталь, то величину магнітної проникності можна прийняти рівною 3500-4500 [5]. В цьому випадку при прийнятних розмірах дроселя для досягнення необхідної індуктивності обмотка повинна складатися з декількох десятків тисяч витків. Магнітна проникність всіх феромагнітних матеріалів складним чином залежить від напруженості магнітного поля, що створює певні труднощі при розрахунках. Сильна залежність магнітної проникності від напруженості магнітного поля накладає певні обмеження на вимірювання і зіставлення результатів.

Для того щоб задовольнити цим суперечливим вимогам, котушка дроселя повинна бути виконана по високовольтної технології і містити кілька десятків тисяч витків. Магнитопровод дроселя може бути виконаний з електротехнічної сталі. Для зменшення втрат на вихрові струми товщина пластин муздрамтеатру повинна бути мінімальною [6].

Регулювання величини індуктивності дроселя можна робити зміною кількості витків, зміною величини зазору в муздрамтеатрі дроселя і зміною струму підмагнічування. При першому способі необхідно проводити перемикання обмоток дроселя. Оскільки він знаходиться в високовольтної ланцюга, для цього необхідні високовольтні комутуючі пристрої. Цей спосіб виключає можливість плавної зміни індуктивності. При другому способі регулювання конструкція дроселя ускладнюється. Необхідний зазор в муздрамтеатрі і механічний пристрій для його зміни в процесі настройки розряду. Наявність зазору в муздрамтеатрі зменшить максимальну індуктивність дроселя. Для отримання необхідної індуктивності буде необхідно збільшити кількість витків. Оскільки дросель високовольтний, це призведе до значного збільшення розмірів.

Рис
Рис. 1. Схема розрядного контуру ЛКФР з
регульованим дроселем Д1.

Найбільш переважно регулювання індуктивності підмагнічуванням постійним струмом. З урахуванням високої напруги котушку підмагнічування можна розташувати окремо від високовольтної і на відстані, що виключає пробій. Таке виконання забезпечує безпечне управління і налаштування розряду на максимальну ефективність в процесі експерименту. Цей спосіб дозволяє плавно змінювати індуктивність в широких межах без перемикань і механічних вузлів. Принципова схема регульованого дроселя, встановленого в розрядний контур ЛКФР, наведена на рис. 1. Дросель Д1 з регульованою індуктивністю складається з високовольтної обмотки L1 і подмагничивающего L2, намотаних на тороидальний сердечник. Постійний струм підмагнічування регулюється і реєструється за допомогою змінного резистора R1 і миллиамперметра мА відповідно. Висока напруга позитивної полярності подається через L1 на розрядний вузол РУ, що представляє собою дріт (довжина 100 мм, діаметр 0,25 мм), розташований на відстані 25 мм паралельно плоскому електроду. Електрод підключається до негативного полюса джерела живлення через який ініціює розрядник ІР. Якщо харчування обмотки підмагнічування виробляти від джерела стабільного струму, то можна підвищити точність завдання струму за рахунок обліку зміни опору обмотки при зміні температури.

На підставі перерахованих рекомендацій був сконструйований дросель, що забезпечує плавну зміну індуктивності від декількох Гн до 4000 Гн. Магнитопровод дроселя має площу поперечного перерізу 8 см2 і середню довжину магнітної лінії 40 см. Матеріал муздрамтеатру - електротехнічна сталь марки Е330 з магнітною індукцією 1,65 Тл при напруженості магнітного поля 100 А / м, товщина пластин 0,2 мм. Робоча обмотка складається з двох частин по 20000 витків, обмотка управління - з двох частин по 500 витків. Дросель виконаний з урахуванням вимог високовольтної технології. Зміна струму в обмотці управління здійснювалося від зовнішнього низьковольтного джерела постійного струму (рис. 1). Межі зміни струму в обмотці 0 - 280 мА, стабілізація струму не здійснювалася.

Вимірювання індуктивності. У більшості пристроїв, що випускаються промисловістю для вимірювання індуктивностей, використовується бруківці метод вимірювання. Основою такого приладу є настроюється міст змінного струму. Згідно з довідковими даними, максимальне вимірюється значення індуктивності обмежена розміри 1000 Гн [7]. Оскільки величини індуктивностей, вимірюваних в роботі, перевищували можливості серійних приладів, виникла необхідність в створенні приладу з розширеним діапазоном вимірюваних індуктивностей.

Для вимірювання великих індуктивностей і дослідження залежності величини індуктивності від магнітної індукції в дроселі був використаний відомий резонансний метод, при якому вимірювана індуктивність включається послідовно з зразковим конденсатором, утворюючи послідовний резонансний контур. Величина визначається індуктивності при цьому буде дорівнює [7]:

де Lx - вимірювана індуктивність, Гн; f - частота резонансу, гц; C0 - ємність, Ф.

Рис
Рис. 2. Принципова схема резонансного
методу вимірювання індуктивності.

Схема пристрою для вимірювання індуктивності представлена ​​на рис. 2. Послідовний резонансний контур утворений вимірюваної індуктивністю Lx і зразковим конденсатором C0. Харчування контуру здійснюється від генератора з перебудовується частотою і регульованою амплітудою вихідного напруги.

Рис
Рис. 3. Принципова схема перетворювача
вхідної напруги в вихідний струм.

Вимірюваноївеличиною є частота, яку можна виміряти з великою точністю. Основна похибка при використанні цього методу пов'язана з встановленням частоти, при якій настає резонанс. Найбільш поширеним варіантом визначення моменту резонансу є спостереження максимуму напруги на зразковому конденсаторі. При вимірі індуктивностей в великих межах з метою зменшення похибок необхідно, щоб вольтметр, підключений паралельно зразковому конденсатору, мав мінімальну вхідну ємність і вхідний опір по постійному струму більше, ніж опір зразкового конденсатора. Особливістю проведених вимірювань є те, що для вимірювань в великому діапазоні індуктивностей вольтметр-індикатор повинен мати чутливість, змінну в великих межах. При цьому повинна зберігатися постійної величина повного вхідного опору вольтметра-індикатора при всіх режимах вимірювання. Цим вимогам задовольняє перетворювач вхідної напруги в вихідний струм на операційному підсилювачі [8]. Схема такого пристрою зображена на рис. 3. При включенні операційного підсилювача напруга на вході перетворюється у вихідний струм:

Iвих = Uвх. / Rоос,

де Iвих - вихідний струм операційного підсилювача; Uвх - вхідна напруга; Rоос - резистор зворотного зв'язку. Мікроамперметр магнітоелектричної системи, включений в ланцюг зворотного зв'язку через діодний міст, показує середньовипрямлене значення струму. Регулювання чутливості вольтметра в широких межах здійснюється зміною величини зворотнього зв'язку.

При використанні операційного підсилювача з польовими транзисторами на вході, вхідний опір по постійному струму визначається опором ізоляції між вводами мікросхеми і струмами витоку затворів транзисторів. Вхідна ємність визначається в основному ємністю затворів польових транзисторів і мало змінюється при зміні вхідної напруги. Завдяки цим якостям такий вольтметр найбільш підходить для визначення моменту настання резонансу.

Рис
Рис. 4. Залежність індуктивності
дроселя від струму підмагнічування.

Результати вимірювання індуктивності виготовленого дроселя даним методом в залежності від струму підмагнічування представлені на рис. 4. Індуктивність експоненціально зменшується з 3600 до 200 Гн при збільшенні струму підмагнічування з 0 до 200 мА. Похибка вимірювання L становить не більше 5%.

Таким чином, виготовлений дросель відповідає перерахованим вище технічним вимогам, а запропонований метод управління його индуктивностью дозволяє змінювати її в інтервалі 5-100% номінальної величини.

Рис
Рис. 5. Еволюція вольтамперних характеристик ЛКФР
при зміні індуктивності дроселя.

Електричні характеристики розряду. За допомогою експериментальної установки (рис. 1) проведені вимірювання вольт-амперних характеристик ЛКФР при різних величинах індуктивності в ланцюзі анода (рис. 5). Встановлено, що величина L має суттєвий вплив на процеси, що відбуваються в розряді. При мінімальному значенні індуктивності 200 Гн ЛКФР переходить в дугового при напрузі 13 кВ і токах менше 50 мкА. При збільшенні L до 3600 Гн стійкий ЛКФР існує до напружень 13,6 кВ при струмі розряду 40-600 мкА. Зміна індуктивності в зазначеному інтервалі призводить не тільки до збільшення максимального струму розряду, а й до зростання інтервалу ΔU стійкого існування ЛКФР від 0,6 кВ до 1,2 кВ.

Рис
Рис. 6. Залежність максимального струму ЛКФР
від індуктивності дроселя.

На основі даних характеристик побудована узагальнена залежність максимального струму розряду від величини індуктивності в анодному ланцюзі при незмінних параметрах допоміжного розрядника (рис. 6). Залежність носить яскраво виражений нелінійний характер. Максимальний струм розряду змінюється від 100 до 600 мкА, причому спостерігається насичення струму при L = 3200 Гн.

Таким чином, при незмінному розрядному проміжку використання регульованої індуктивності дозволяє змінювати характеристики розряду в широкому діапазоні. При L = 200 Гн характеристики розряду відповідають звичайній позитивної короні. Збільшення L до 3600 Гн дає можливість в 15 разів підвищити енерговклад в плазму і тим самим інтенсифікувати продуктивність процесів на основі коронних розрядів (плазмохімія, електроочістка газів).

Автори вдячні Міністерству освіти Російської Федерації за підтримку роботи за програмою "Університети Росії" (проект № УР.01.01.034).


література

1. Ашмарин Г.В., Лелевкін В.М., Токарев А.В. Формування лінійного коронного факельного розряду / Фізика плазми. - Т 28. - № 8. - 2002. - С. 7.

2. Ким К.С., Лелевкін В.М., Токарев А.В., Юданов В.А. Лінійний коронний факельний розряд // Зб. наук. тр. - Вип. 3. - Киргизск.-Российск. Слов'янськ. ун-т. - Бішкек, 2000. - С. 23-31.

3. Ашмарин Г.В., Лелёвкін В.М., Токарев А.В. Вплив індуктивності розрядної ланцюга на характеристики лінійного коронного факельного розряду / Матер. першій республ. наук. конф. студентів фізиків і молодих вчених. - Каракол, 2002. - С. 49.

4. Каретникова Є.І., Рикіна Т.А., Єрмаков А.І. Трансформатори харчування і дроселі фільтрів для радіоелектронної апаратури. - М .: Радянське радіо, 1973.

5. Калінін М.М., Скібінський Г.А., Новиков П.П. Електрорадіоматеріали. - М .: Вища школа, 1981. - С. 253.

6. Довідник по електротехнічним матері-алам. - Т. 3. - Л .: Енергія, 1976. - С. 35-40.

7. Довідник по радіовимірювальних приладів. - М .: Енергія, 1976.

8. Титце У., Шенк К. Напівпровідникова схемотехніка. - М .: Мир, 1983.


Назад до змісту випуску


УПРАВЛІННЯ індуктивності розрядних ЦЕПИ лінійного корону смолоскипна РАЗРЯДА

ВІСНИК КРСУ / № 5, 2003 р

УДК 533.521 (575.2) (04)

The item presents a study on a control by inductance of a discharge chain of a linear crown torch discharge.



Вступ. Експериментально встановлено, що якщо катод розрядної контуру (коаксіальної або лінійної геометрії) позитивного коронного розряду з'єднати з джерелом живлення через коммутирующий елемент, а в розрядної ланцюга з боку анода включити індуктивність, то звичайна позитивна корона набуває особливих властивостей [1]. При рівних умовах максимальний струм, при якому існує стійкий лінійний коронний факельний розряд (ЛКФР), збільшується до 10 разів у порівнянні з позитивною класичної короною [2].

Технологічне використання ЛКФР вимагає збільшення вкладається потужності в плазму, так як це призводить до зниження енергетичних витрат на проведення плазмохимических реакцій і інтенсифікації всього технологічного процесу. Аналіз експериментальних результатів показує, що енергетичні характеристики розряду в основному визначаються величиною індуктивності в розрядної ланцюга і властивостями допоміжного розрядника [3]. Одним з етапів дослідження є визначення основних вимог до індуктивності, методу вимірювання її величини і способу управління її параметрами.

Основні вимоги до індуктивності. Попередні експериментальні дані показують, що найбільший енерговклад в плазму розряду відбувається при індуктивності в розрядної ланцюга 3000-3600 Гн [3]. Необхідна величина індуктивності залежить від багатьох параметрів розрядного контуру і не може бути обчислена з достатньою точністю. З урахуванням умов роботи індуктивності L як високовольтного елемента електричного кола можна сформулювати загальні вимоги до її характеристикам:

  1. величина індуктивності близько 4000 Гн;
  2. діапазон плавного регулювання величини індуктивності в межах 80% від номінальної величини;
  3. індуктивність повинна бути розрахована на тривалу роботу при імпульсних і статичних напружених до 30 кВ.

Відомо, що найменшими полями розсіювання має сердечник дроселя тороидальной форми. Його індуктивність обчислюється за відомою формулою [4]:

L = μ0 · μ · w2 · S / l, (1)

де L - індуктивність, Гн; μ0 - магнітна постійна (4 π 10-7 Гн / м); μ - магнітна проникність матеріалу сердечника; w - кількість витків; S - площа поперечного перерізу сердечника, м2; l - середня довжина магнітної лінії, м.

Якщо в якості матеріалу сердечника використовувати електротехнічну сталь, то величину магнітної проникності можна прийняти рівною 3500-4500 [5]. В цьому випадку при прийнятних розмірах дроселя для досягнення необхідної індуктивності обмотка повинна складатися з декількох десятків тисяч витків. Магнітна проникність всіх феромагнітних матеріалів складним чином залежить від напруженості магнітного поля, що створює певні труднощі при розрахунках. Сильна залежність магнітної проникності від напруженості магнітного поля накладає певні обмеження на вимірювання і зіставлення результатів.

Для того щоб задовольнити цим суперечливим вимогам, котушка дроселя повинна бути виконана по високовольтної технології і містити кілька десятків тисяч витків. Магнитопровод дроселя може бути виконаний з електротехнічної сталі. Для зменшення втрат на вихрові струми товщина пластин муздрамтеатру повинна бути мінімальною [6].

Регулювання величини індуктивності дроселя можна робити зміною кількості витків, зміною величини зазору в муздрамтеатрі дроселя і зміною струму підмагнічування. При першому способі необхідно проводити перемикання обмоток дроселя. Оскільки він знаходиться в високовольтної ланцюга, для цього необхідні високовольтні комутуючі пристрої. Цей спосіб виключає можливість плавної зміни індуктивності. При другому способі регулювання конструкція дроселя ускладнюється. Необхідний зазор в муздрамтеатрі і механічний пристрій для його зміни в процесі настройки розряду. Наявність зазору в муздрамтеатрі зменшить максимальну індуктивність дроселя. Для отримання необхідної індуктивності буде необхідно збільшити кількість витків. Оскільки дросель високовольтний, це призведе до значного збільшення розмірів.

Рис
Рис. 1. Схема розрядного контуру ЛКФР з
регульованим дроселем Д1.

Найбільш переважно регулювання індуктивності підмагнічуванням постійним струмом. З урахуванням високої напруги котушку підмагнічування можна розташувати окремо від високовольтної і на відстані, що виключає пробій. Таке виконання забезпечує безпечне управління і налаштування розряду на максимальну ефективність в процесі експерименту. Цей спосіб дозволяє плавно змінювати індуктивність в широких межах без перемикань і механічних вузлів. Принципова схема регульованого дроселя, встановленого в розрядний контур ЛКФР, наведена на рис. 1. Дросель Д1 з регульованою індуктивністю складається з високовольтної обмотки L1 і подмагничивающего L2, намотаних на тороидальний сердечник. Постійний струм підмагнічування регулюється і реєструється за допомогою змінного резистора R1 і миллиамперметра мА відповідно. Висока напруга позитивної полярності подається через L1 на розрядний вузол РУ, що представляє собою дріт (довжина 100 мм, діаметр 0,25 мм), розташований на відстані 25 мм паралельно плоскому електроду. Електрод підключається до негативного полюса джерела живлення через який ініціює розрядник ІР. Якщо харчування обмотки підмагнічування виробляти від джерела стабільного струму, то можна підвищити точність завдання струму за рахунок обліку зміни опору обмотки при зміні температури.

На підставі перерахованих рекомендацій був сконструйований дросель, що забезпечує плавну зміну індуктивності від декількох Гн до 4000 Гн. Магнитопровод дроселя має площу поперечного перерізу 8 см2 і середню довжину магнітної лінії 40 см. Матеріал муздрамтеатру - електротехнічна сталь марки Е330 з магнітною індукцією 1,65 Тл при напруженості магнітного поля 100 А / м, товщина пластин 0,2 мм. Робоча обмотка складається з двох частин по 20000 витків, обмотка управління - з двох частин по 500 витків. Дросель виконаний з урахуванням вимог високовольтної технології. Зміна струму в обмотці управління здійснювалося від зовнішнього низьковольтного джерела постійного струму (рис. 1). Межі зміни струму в обмотці 0 - 280 мА, стабілізація струму не здійснювалася.

Вимірювання індуктивності. У більшості пристроїв, що випускаються промисловістю для вимірювання індуктивностей, використовується бруківці метод вимірювання. Основою такого приладу є настроюється міст змінного струму. Згідно з довідковими даними, максимальне вимірюється значення індуктивності обмежена розміри 1000 Гн [7]. Оскільки величини індуктивностей, вимірюваних в роботі, перевищували можливості серійних приладів, виникла необхідність в створенні приладу з розширеним діапазоном вимірюваних індуктивностей.

Для вимірювання великих індуктивностей і дослідження залежності величини індуктивності від магнітної індукції в дроселі був використаний відомий резонансний метод, при якому вимірювана індуктивність включається послідовно з зразковим конденсатором, утворюючи послідовний резонансний контур. Величина визначається індуктивності при цьому буде дорівнює [7]:

де Lx - вимірювана індуктивність, Гн; f - частота резонансу, гц; C0 - ємність, Ф.

Рис
Рис. 2. Принципова схема резонансного
методу вимірювання індуктивності.

Схема пристрою для вимірювання індуктивності представлена ​​на рис. 2. Послідовний резонансний контур утворений вимірюваної індуктивністю Lx і зразковим конденсатором C0. Харчування контуру здійснюється від генератора з перебудовується частотою і регульованою амплітудою вихідного напруги.

Рис
Рис. 3. Принципова схема перетворювача
вхідної напруги в вихідний струм.

Вимірюваноївеличиною є частота, яку можна виміряти з великою точністю. Основна похибка при використанні цього методу пов'язана з встановленням частоти, при якій настає резонанс. Найбільш поширеним варіантом визначення моменту резонансу є спостереження максимуму напруги на зразковому конденсаторі. При вимірі індуктивностей в великих межах з метою зменшення похибок необхідно, щоб вольтметр, підключений паралельно зразковому конденсатору, мав мінімальну вхідну ємність і вхідний опір по постійному струму більше, ніж опір зразкового конденсатора. Особливістю проведених вимірювань є те, що для вимірювань в великому діапазоні індуктивностей вольтметр-індикатор повинен мати чутливість, змінну в великих межах. При цьому повинна зберігатися постійної величина повного вхідного опору вольтметра-індикатора при всіх режимах вимірювання. Цим вимогам задовольняє перетворювач вхідної напруги в вихідний струм на операційному підсилювачі [8]. Схема такого пристрою зображена на рис. 3. При включенні операційного підсилювача напруга на вході перетворюється у вихідний струм:

Iвих = Uвх. / Rоос,

де Iвих - вихідний струм операційного підсилювача; Uвх - вхідна напруга; Rоос - резистор зворотного зв'язку. Мікроамперметр магнітоелектричної системи, включений в ланцюг зворотного зв'язку через діодний міст, показує середньовипрямлене значення струму. Регулювання чутливості вольтметра в широких межах здійснюється зміною величини зворотнього зв'язку.

При використанні операційного підсилювача з польовими транзисторами на вході, вхідний опір по постійному струму визначається опором ізоляції між вводами мікросхеми і струмами витоку затворів транзисторів. Вхідна ємність визначається в основному ємністю затворів польових транзисторів і мало змінюється при зміні вхідної напруги. Завдяки цим якостям такий вольтметр найбільш підходить для визначення моменту настання резонансу.

Рис
Рис. 4. Залежність індуктивності
дроселя від струму підмагнічування.

Результати вимірювання індуктивності виготовленого дроселя даним методом в залежності від струму підмагнічування представлені на рис. 4. Індуктивність експоненціально зменшується з 3600 до 200 Гн при збільшенні струму підмагнічування з 0 до 200 мА. Похибка вимірювання L становить не більше 5%.

Таким чином, виготовлений дросель відповідає перерахованим вище технічним вимогам, а запропонований метод управління його индуктивностью дозволяє змінювати її в інтервалі 5-100% номінальної величини.

Рис
Рис. 5. Еволюція вольтамперних характеристик ЛКФР
при зміні індуктивності дроселя.

Електричні характеристики розряду. За допомогою експериментальної установки (рис. 1) проведені вимірювання вольт-амперних характеристик ЛКФР при різних величинах індуктивності в ланцюзі анода (рис. 5). Встановлено, що величина L має суттєвий вплив на процеси, що відбуваються в розряді. При мінімальному значенні індуктивності 200 Гн ЛКФР переходить в дугового при напрузі 13 кВ і токах менше 50 мкА. При збільшенні L до 3600 Гн стійкий ЛКФР існує до напружень 13,6 кВ при струмі розряду 40-600 мкА. Зміна індуктивності в зазначеному інтервалі призводить не тільки до збільшення максимального струму розряду, а й до зростання інтервалу ΔU стійкого існування ЛКФР від 0,6 кВ до 1,2 кВ.

Рис
Рис. 6. Залежність максимального струму ЛКФР
від індуктивності дроселя.

На основі даних характеристик побудована узагальнена залежність максимального струму розряду від величини індуктивності в анодному ланцюзі при незмінних параметрах допоміжного розрядника (рис. 6). Залежність носить яскраво виражений нелінійний характер. Максимальний струм розряду змінюється від 100 до 600 мкА, причому спостерігається насичення струму при L = 3200 Гн.

Таким чином, при незмінному розрядному проміжку використання регульованої індуктивності дозволяє змінювати характеристики розряду в широкому діапазоні. При L = 200 Гн характеристики розряду відповідають звичайній позитивної короні. Збільшення L до 3600 Гн дає можливість в 15 разів підвищити енерговклад в плазму і тим самим інтенсифікувати продуктивність процесів на основі коронних розрядів (плазмохімія, електроочістка газів).

Автори вдячні Міністерству освіти Російської Федерації за підтримку роботи за програмою "Університети Росії" (проект № УР.01.01.034).


література

1. Ашмарин Г.В., Лелевкін В.М., Токарев А.В. Формування лінійного коронного факельного розряду / Фізика плазми. - Т 28. - № 8. - 2002. - С. 7.

2. Ким К.С., Лелевкін В.М., Токарев А.В., Юданов В.А. Лінійний коронний факельний розряд // Зб. наук. тр. - Вип. 3. - Киргизск.-Российск. Слов'янськ. ун-т. - Бішкек, 2000. - С. 23-31.

3. Ашмарин Г.В., Лелёвкін В.М., Токарев А.В. Вплив індуктивності розрядної ланцюга на характеристики лінійного коронного факельного розряду / Матер. першій республ. наук. конф. студентів фізиків і молодих вчених. - Каракол, 2002. - С. 49.

4. Каретникова Є.І., Рикіна Т.А., Єрмаков А.І. Трансформатори харчування і дроселі фільтрів для радіоелектронної апаратури. - М .: Радянське радіо, 1973.

5. Калінін М.М., Скібінський Г.А., Новиков П.П. Електрорадіоматеріали. - М .: Вища школа, 1981. - С. 253.

6. Довідник по електротехнічним матері-алам. - Т. 3. - Л .: Енергія, 1976. - С. 35-40.

7. Довідник по радіовимірювальних приладів. - М .: Енергія, 1976.

8. Титце У., Шенк К. Напівпровідникова схемотехніка. - М .: Мир, 1983.


Назад до змісту випуску