Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

Электрические схемы генераторов импульсов тока электрогидравлических устройств

Генератор импульсов тока (ГИТ) предназначен для формиро­вания многократно повторяющихся импульсов тока, воспроизво­дящих электрогидравлический эффект. Принципиальные схемы ГИТ были предложены еще в 1950-х годах [4, 7, 9] и за истекшие годы не претерпели существенных изменений, однако значитель­но усовершенствовались их комплектующее оборудование и уро­вень автоматизации. Современные ГИТ предназначены для работы в широком диапазоне напряжения (5—100 кВ), емкости конден­сатора (0,1 —10000 мкФ), запасенной энергии накопителя (10—106 Дж), частоты следования импульсов (0,1 —100 Гц).

Приведенные параметры охватывают большую часть режимов, в которых работают электрогидравлические установки различного назначения.

Выбор схемы ГИТ определяется в соответствии с назначением конкретных электрогидравлических устройств. Каждая схема ге­нератора включает в себя следующие основные блоки: блок питания — трансформатор с выпрямителем; накопитель энер­гии — конденсатор; коммутирующее устройство — формирующий (воздушный) промежуток; нагрузка — рабочий искровой про­межуток. Кроме того, схемы ГИТ включают в себя токоограни­чивающий элемент (это может быть сопротивление, емкость, индуктивность или их комбинированные сочетания). В схемах ГИТ может быть несколько формирующих и рабочих искровых про­межутков и накопителей энергии. Питание ГИТ осуществляется, как правило, от сети переменного тока промышленной частоты и напряжения.

ГИТ работает следующим образом. Электрическая энергия через токоограничивающий элемент и блок питания поступает в накопитель энергии — конденсатор. Запасенная в конденсаторе энергия с помощью коммутирующего устройства — воздушного формирующего промежутка — импульсно передается на рабочий промежуток в жидкости (или другой среде), на котором происхо­дит выделение электрической энергии накопителя, в результате чего возникает электрогидравлический удар. При этом форма и длительность импульса тока, проходящего по разрядной цепи ГИТ, зависят как от параметров зарядного контура, так и от па­раметров разрядного контура, включая и рабочий искровой про­межуток. Если для одиночных импульсов специальных ГИТ пара­метры цепи зарядного контура (блока питания) не оказывают существенного влияния на общие энергет-ические показатели электрогидравлических установок различного назначения, то в промышленных ГИТ КПД зарядного контура существенно влияет на КПД электрогидравлической установки.

Использование в схемах ГИТ реактивных токоограничивающих элементов обусловлено их свойством накапливать и затем отдавать энергию в электрическую цепь, что в конечном счете повы­шает КПД.

Электрический КПД зарядного контура простой и надежной в эксплуатации схе{ды ГИТ с ограничивающим активным зарядным сопротивлением (рис. 3.1, а) весьма низок (30—35 %), так как заряд конденсаторов осуществляется в ней пульсирующими напря­жением и током. Введением в схему специальных регуляторов напряжения (магнитного усилителя, дросселя насыщения) можно добиться линейного изменения вольт-амперной характеристики заряда емкостного накопителя и тем самым создать условия, при которых потери энергии в зарядной цепи будут минимальны, а общий КПД ГИТ может быть доведен до 90 % [4].

Для увеличения общей мощности при использовании простей­шей схемы ГИТ кроме возможного применения более мощного трансформатора целесообразно иногда использовать ГИТ, имеющий три однофазных трансформатора, первичные цепи ко­торых соединены «звездой» или «треугольником» и питаются от трехфазной сети. Напряжение с их вторичных обмоток подается на отдельные конденсаторы, которые работают через вращающий­ся формирующий -промежуток на один общий рабочий искровой промежуток в жидкости (рис. 3.1, б) [-|] . .4

При проектировании и разработке ГИТ электрогидравлических установок значительный интерес представляет использование резонансного режима заряда емкостного накопителя от источника переменного тока без выпрямителя. ОбгЦий электрический КПД резонансных схем очень высок (до 95 %), а при их использова­нии происходит автоматическое значительное повышение рабо­чего напряжения. Резонансные схемы целесообразно использо­вать при работе на больших частотах (до 100 Гц), но для этого требуются специальные конденсаторы, предназначенные для работы на переменном токе. При использовании этих схем необходимо соблюдать известное условие резонанса

Ш = 1 /л[ГС,

Где со—частота вынуждающей ЭДС; Ь—индуктивность контура; С— емкость контура.

Однофазный резонансный ГИТ (рис. 3.1, в) может иметь общий электрический КПД, превышающий 90%. ГИТ позволяет получать стабильную частоту чередования разрядов, оптимально равную либо однократной, либо двукратной частоте питающего тока (т. е. 50 и 100 Гц соответственно) при питании током про­мышленной частоты. Применение схемы наиболее рационально (. при мощности питающего трансформатора 15—30 кВт. В разряд­ный контур схемы вводится синхронизатор — воздушный форми­рующий промежуток, между шарами которого расположен вра-

Щающийся диск с контактом, вызывающим срабатывание форми­рующего промежутка при проходе контакта между шарами. При этом вращение диска синхронизируется с моментами пиков напряжения [4].

Схема трехфазного резонансного ГИТ (рис. 3.1,г) включает' в себя трехфазный повышающий трансформатор, каждая обмотка на высокой стороне которого работает как однофазная резонан­сная схема н^ один общий для всех или на три самостоятель­ных рабочих искровых промежутка при общем синхронизаторе на три формирующих промежутка. Эта схема позволяет получать частоту чередования разрядов, равную трехкратной или шести­кратной частоте питающего тока (т. е. 150 или 300 Гц соответ­ственно) при работе на промышленной частоте. Схема рекомен­дуется для работы на мощностях ГИТ 50 кВт и более. Трехфазная схема ГИТ экономичнее, так как время зарядки емкостного на­копителя (той же мощности) меньше, чем при использовании одно­фазной схемы ГИТ. Однако дальнейшее увеличение мощности выпрямителя будет целесообразно' только до определенного предела [4].

Повысить экономичность процесса заряда емкостного накопи­теля ГИТ можно путем использования различных схем с фильтро­вой емкостью. Схема ГИТ с фильтровой емкостью и индуктив­ной зарядной цепью рабочей емкости (рис. 3.1, (3) позволяет по­лучать, практически любую частоту чередования импульсов при работе на небольших (до 0,1 ^мкФ) емкостях и имеет общий электрический КПД — около 85 %. Это достигается тем, что филь­тровая емкость работает в режиме неполной разрядки (до 20 %), а рабочая емкость заряжается через индуктивную цепь — дрос­сель с малым активным сопротивлением — в течение одного полу- периода в колебательном режиме, задаваемым вращением диска на первом формирующем . промежутке. При этом фильтровая емкость превышает рабочую в 15—20 раз [4].

Вращающиеся диски формирующих искровых промежутков сидят на одном валу и поэтому частоту чередования разрядов можно варьировать в очень широких пределах, максимально огра­ниченных лишь мощностью питающего трансформатора. В этой схеме могут быть использованы трансформаторы на 35—50 кВ, так как она удваивает напряжение. Схема может подсоединяться и непосредственно к высоковольтной сети.

В схеме ГИТ с фильтровой емкостью (рис. 3.1, е) поочередное подсоединение рабочей и фильтровой емкостей к рабочему искро­вому промежутку в жидкости осуществляется при помощи одного вращающегося разрядника — формирующего промежутка [6]. Однако при работе такого ГИТ срабатывание вращающегося разрядника начинается при меньшем напряжении (при сближении шаров) и заканчивается при большем (при удалении. шаров), чем это задано минимальным расстоянием между шарами раз­рядников. Это приводит к нестабильности основного параметра

Разрядов—.напряжения, а следовательно, к снижению надеж­ности работы генератора.

Для повышения надежности работы ГИТ путем обеспечения заданной стабильности параметров разрядов в схему ГИТ с фильт­ровой емкостью включают вращающееся коммутирующее устрой­ство — диск со скользящими контактами для поочередного пред­варительного бестокового включения и выключения зарядного и разрядного контуров.

При подаче напряжения на з'арядный контур генератора пер­воначально заряжается фильтровая емкость. Затем вращающимся контактом без тока (а значит, и без искрения) замыкается цепь, на шарах формирующего разрядника возникает разность потен­циалов, происходит пробой и рабочий конденсатор заряжается до напряжения фильтровой емкости. После этого ток в цепи ис­чезает и контакты вращением диска размыкаются вновь без искрения. Далее вращающимся диском (также без тока и искре­ния) замыкаются контакты разрядного контура и напряжение рабочего конденсатора подается на формирующий разряднйк, происходит его пробой, а также пробой рабочего искрового про­межутка в жидкости. При этом рабочий конденсатор разряжается, ток в разрядном контуре прекращается и, следовательно, контак­ты вращением диска могут быть разомкнуты вновь без разрушаю­щего их искрения. Далее цикл повторяется с частотой следования разрядов, задаваемой частотой вращения диска коммутирующего устройства.

Использование ГИТ этого типа позволяет получать стабильные параметры неподвижных шаровых разрядников и осуществлять замыкание и размыкание цепей зарядного и разрядного контуров в бестоковом режиме, тем самым улучшая все показатели и надеж­ность работы генератора силовой установки.

Была разработана также схема питания электрогидравли - ческих установок, позволяющая наиболее рационально исполь­зовать электрическую энергию (с минимумом возможных потерь). В известных электрогидравлических устройствах рабочая камера заземлена и поэтому часть энергии после пробоя рабочего искрового промежутка в жидкости практически теряется, рас­сеиваясь на заземлении. Кроме того, при каждом разряде рабочего конденсатора на его обкладках сохраняется небольшой (до 10 % от первоначального) заряд.

Опыт показал, что любое электрогидравлическое устройство может эффективно работать по схеме, в которой энергия, запасен­ная на одном конденсаторе С1, пройдя через формирующий про­межуток ФП, поступает на рабочий искровой промежуток РП, где в большей своей части расходуется на совершение полезной работы электрогидравлического удара. Оставшаяся неизрас­ходованной энергия поступает на второй незаряженный конденса­тор С2, где и сохраняется для последующего использования (рис. 3.2). После этого энергия дозаряженного до требуемого
значения потенциала второго конденса­тора С2, пройдя через формирующий про­межуток ФП, разряжается на_ рабочий искровой промежуток РП и вновь неис­пользованная часть ее попадает теперь уже на первый конденсатор СУ и т. д.

Поочередное подсоединение каждого из конденсаторов то в зарядную, то в раз­рядную цепь производится переключате­лем /7, в котором токопроводящие пласти­ны А и В, разделенные диэлектриком, по­очередно подсоединяются к контактам 1—4 зарядного и разрядного контуров.

Колебательный характер процесса спо­собствует тому, что переход энергии при разряде одного конденсатора на другой совершается с некоторым избыт­ком (для заряжаемого конденсатора), что также положительно сказывается на работе этой схемы.

Для некоторых частных случаев указанную схему можно пост­роить таким образом, чтобы после каждой подзарядки конден­сатора (например, С1) энергией, «оставшейся» от предыдущего разряда на него конденсатора С2, последующий разряд конден­сатора СІ шел через рабочий промежуток на землю, не поступая на подзарядку конденсатора С2. Такая работа будет эквивалент­на работе сразу на двух режимах, что может быть эффективно использовано на практике (в технологических процессах дробле­ния, разрушения, измельчения и др.).

©