Управление индуктивностью разрядной цепи линейного коронного факельного разряда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управление индуктивностью разрядной цепи линейного коронного факельного разряда

Г.В. Ашмарин

А.В. Токарев

Введение

Экспериментально установлено, что если катод разрядного контура (коаксиальной или линейной геометрии) положительного коронного разряда соединить с источником питания через коммутирующий элемент, а в разрядной цепи со стороны анода включить индуктивность, то обычная положительная корона приобретает особые свойства [1]. При равных условиях максимальный ток, при котором существует устойчивый линейный коронный факельный разряд (ЛКФР), увеличивается до 10 раз по сравнению с положительной классической короной [2].

Технологическое использование ЛКФР требует увеличения вкладываемой мощности в плазму, так как это приводит к снижению энергетических затрат на проведение плазмохимических реакций и интенсификации всего технологического процесса. Анализ экспериментальных результатов показывает, что энергетические характеристики разряда в основном определяются величиной индуктивности в разрядной цепи и свойствами вспомогательного разрядника [3]. Одним из этапов исследования является определение основных требований к индуктивности, метода измерения ее величины и способа управления ее параметрами.

Основные требования к индуктивности. Предварительные экспериментальные данные показывают, что наибольший энерговклад в плазму разряда происходит при индуктивности в разрядной цепи 3000-3600 Гн [3]. Необходимая величина индуктивности зависит от многих параметров разрядного контура и не может быть вычислена с достаточной точностью. С учетом условий работы индуктивности L как высоковольтного элемента электрической цепи можно сформулировать общие требования к ее характеристикам:

1. величина индуктивности порядка 4000 Гн;

2. диапазон плавной регулировки величины индуктивности в пределах 80% от номинальной величины;

3. индуктивность должна быть рассчитана на длительную работу при импульсных и статических напряжениях до 30 кВ.

Известно, что наименьшими полями рассеивания обладает сердечник дросселя тороидальной формы. Его индуктивность вычисляется по известной формуле [4]:

L = м0·м·w2·S/l, (1)

где L - индуктивность, Гн; м0 - магнитная постоянная (4р 10-7 Гн/м); м - магнитная проницаемость материала сердечника; w - количество витков; S - площадь поперечного сечения сердечника, м 2; l - средняя длина магнитной линии, м.

Если в качестве материала сердечника использовать электротехническую сталь, то величину магнитной проницаемости можно принять равной 3500-4500 [5]. В этом случае при приемлемых размерах дросселя для достижения требуемой индуктивности обмотка должна состоять из нескольких десятков тысяч витков. Магнитная проницаемость всех ферромагнитных материалов сложным образом зависит от напряжённости магнитного поля, что создаёт определённые трудности при расчётах. Сильная зависимость магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля налагает определённые ограничения на измерения и сопоставление результатов.

Для того чтобы удовлетворить этим противоречивым требованиям, катушка дросселя должна быть выполнена по высоковольтной технологии и содержать несколько десятков тысяч витков. Магнитопровод дросселя может быть выполнен из электротехнической стали. Для уменьшения потерь на вихревые токи толщина пластин магнитопровода должна быть минимальной [6]. индуктивность дроссель ток

Регулировку величины индуктивности дросселя можно производить изменением количества витков, изменением величины зазора в магнитопроводе дросселя и изменением тока подмагничивания. При первом способе необходимо производить переключение обмоток дросселя. Поскольку он находится в высоковольтной цепи, для этого необходимы высоковольтные коммутирующие устройства. Этот способ исключает возможность плавного изменения индуктивности. При втором способе регулирования конструкция дросселя усложняется. Необходим зазор в магнитопроводе и механическое устройство для его изменения в процессе настройки разряда. Наличие зазора в магнитопроводе уменьшит максимальную индуктивность дросселя. Для получения требуемой индуктивности будет необходимо увеличить количество витков. Поскольку дроссель высоковольтный, это приведёт к значительному увеличению размеров.

Рис. 1. Схема разрядного контура ЛКФР с регулируемым дросселем Д 1.

Наиболее предпочтительно регулирование индуктивности подмагничиванием постоянным током. С учётом высокого напряжения катушку подмагничивания можно расположить отдельно от высоковольтной и на расстоянии, исключающим пробой. Такое исполнение обеспечивает безопасное управление и настройку разряда на максимальную эффективность в процессе эксперимента. Этот способ позволяет плавно изменять индуктивность в широких пределах без переключений и механических узлов. Принципиальная схема регулируемого дросселя, установленного в разрядный контур ЛКФР, приведена на рис. 1. Дроссель Д 1 с регулируемой индуктивностью состоит из высоковольтной обмотки L1 и подмагничивающей L2, намотанных на тороидальный сердечник. Постоянный ток подмагничивания регулируется и регистрируется с помощью переменного резистора R1 и миллиамперметра мА соответственно. Высокое напряжение положительной полярности подается через L1 на разрядный узел РУ, представляющий собой провод (длина 100 мм, диаметр 0,25 мм), расположенный на расстоянии 25 мм параллельно плоскому электроду. Электрод подключается к отрицательному полюсу источника питания через инициирующий разрядник ИР. Если питание обмотки подмагничивания производить от источника стабильного тока, то можно повысить точность задания тока за счёт учета изменения сопротивления обмотки при изменении температуры.

На основании перечисленных рекомендаций был сконструирован дроссель, обеспечивающий плавное изменение индуктивности от нескольких Гн до 4000 Гн. Магнитопровод дросселя имеет площадь поперечного сечения 8 см 2 и среднюю длину магнитной линии 40 см. Материал магнитопровода - электротехническая сталь марки Э 330 с магнитной индукцией 1,65 Тл при напряжённости магнитного поля 100 А/м, толщина пластин 0,2 мм. Рабочая обмотка состоит из двух частей по 20000 витков, обмотка управления - из двух частей по 500 витков. Дроссель выполнен с учётом требований высоковольтной технологии. Изменение тока в обмотке управления осуществлялось от внешнего низковольтного источника постоянного тока (рис. 1). Пределы изменения тока в обмотке 0 - 280 мА, стабилизация тока не осуществлялась.

Измерение индуктивности. В большинстве устройств, выпускаемых промышленностью для измерения индуктивностей, используется мостовой метод измерения. Основой такого прибора является настраиваемый мост переменного тока. Согласно справочным данным, максимальное измеряемое значение индуктивности ограничено величиной 1000 Гн [7]. Поскольку величины индуктивностей, измеряемых в работе, превышали возможности серийных приборов, возникла необходимость в создании прибора с расширенным диапазоном измеряемых индуктивностей.

Для измерения больших индуктивностей и исследования зависимости величины индуктивности от магнитной индукции в дросселе был использован известный резонансный метод, при котором измеряемая индуктивность включается последовательно с образцовым конденсатором, образуя последовательный резонансный контур. Величина определяемой индуктивности при этом будет равна [7]:

где Lx - измеряемая индуктивность, Гн; f - частота резонанса, гц; C0 - ёмкость, Ф.

Рис. 2. Принципиальная схема резонансного метода измерения индуктивности.

Схема устройства для измерения индуктивности представлена на рис. 2. Последовательный резонансный контур образован измеряемой индуктивностью Lx и образцовым конденсатором C0. Питание контура осуществляется от генератора с перестраиваемой частотой и регулируемой амплитудой выходного напряжения.

Рис. 3. Принципиальная схема преобразователя входного напряжения в выходной ток.

Измеряемой величиной является частота, которую можно измерить с большой точностью. Основная погрешность при использовании этого метода связана с установлением частоты, при которой наступает резонанс. Наиболее распространённым вариантом определения момента резонанса является наблюдение максимума напряжения на образцовом конденсаторе. При измерении индуктивностей в больших пределах с целью уменьшения погрешностей необходимо, чтобы вольтметр, подключённый параллельно образцовому конденсатору, имел минимальную входную ёмкость и входное сопротивление по постоянному току большее, чем сопротивление образцового конденсатора. Особенностью проводимых измерений является то, что для измерений в большом диапазоне индуктивностей вольтметр-индикатор должен иметь чувствительность, изменяемую в больших пределах. При этом должна сохраняться постоянной величина полного входного сопротивления вольтметра-индикатора при всех режимах измерения. Этим требованиям удовлетворяет преобразователь входного напряжения в выходной ток на операционном усилителе [8]. Схема такого устройства изображена на рис. 3. При включении операционного усилителя напряжение на входе преобразуется в выходной ток:

Iвых=Uвх./Rоос,

где Iвых - выходной ток операционного усилителя; Uвх - входное напряжение; Rоос - резистор обратной связи. Микроамперметр магнитоэлектрической системы, включённый в цепь обратной связи через диодный мост, показывает средневыпрямленное значение тока. Регулировка чувствительности вольтметра в широких пределах осуществляется изменением величины резистора обратной связи.

При использовании операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе, входное сопротивление по постоянному току определяется сопротивлением изоляции между вводами микросхемы и токами утечки затворов транзисторов. Входная ёмкость определяется в основном ёмкостью затворов полевых транзисторов и мало меняется при изменении входного напряжения. Благодаря этим качествам такой вольтметр наиболее подходит для определения момента наступления резонанса.

Рис. 4. Зависимость индуктивности дросселя от тока подмагничивания.

Результаты измерения индуктивности изготовленного дросселя данным методом в зависимости от тока подмагничивания представлены на рис. 4. Индуктивность экспоненциально уменьшается с 3600 до 200 Гн при увеличении тока подмагничивания с 0 до 200 мА. Погрешность измерения L составляет не более 5 %.

Таким образом, изготовленный дроссель отвечает перечисленным выше техническим требованиям, а предложенный метод управления его индуктивностью позволяет изменять ее в интервале 5-100% номинальной величины.

Рис. 5. Эволюция вольт-амперных характеристик ЛКФР при изменении индуктивности дросселя.

Электрические характеристики разряда. С помощью экспериментальной установки (рис. 1) проведены измерения вольт-амперных характеристик ЛКФР при различных величинах индуктивности в цепи анода (рис. 5). Установлено, что величина L оказывает существенное влияние на процессы, происходящие в разряде. При минимальном значении индуктивности 200 Гн ЛКФР переходит в дуговой при напряжении 13 кВ и токах менее 50 мкА. При увеличении L до 3600 Гн устойчивый ЛКФР существует до напряжений 13,6 кВ при токе разряда 40-600 мкА. Изменение индуктивности в указанном интервале приводит не только к увеличению максимального тока разряда, но и к возрастанию интервала ДU устойчивого существования ЛКФР от 0,6 кВ до 1,2 кВ.

Рис. 6. Зависимость максимального тока ЛКФР от индуктивности дросселя.

На основе данных характеристик построена обобщенная зависимость максимального тока разряда от величины индуктивности в анодной цепи при неизменных параметрах вспомогательного разрядника (рис. 6). Зависимость носит ярко выраженный нелинейный характер. Максимальный ток разряда изменяется от 100 до 600 мкА, причем наблюдается насыщение тока при L=3200 Гн.

Таким образом, при неизменном разрядном промежутке использование регулируемой индуктивности позволяет изменять характеристики разряда в широком диапазоне. При L=200 Гн характеристики разряда соответствуют обычной положительной короне. Увеличение L до 3600 Гн дает возможность в 15 раз повысить энерговклад в плазму и тем самым интенсифицировать производительность процессов на основе коронных разрядов (плазмохимия, электроочистка газов).

Авторы признательны Министерству образования Российской Федерации за поддержку работы по программе "Университеты России" (проект № УР.01.01.034).

Литература

1. Ашмарин Г.В., Лелевкин В.М., Токарев А.В. Формирование линейного коронного факельного разряда / Физика плазмы. - Т 28. - № 8. - 2002. - С. 7.

2. Ким К.С., Лелевкин В.М., Токарев А.В., Юданов В.А. Линейный коронный факельный разряд // Сб. научн. тр. - Вып. 3. - Кыргызск.-Российск. Славянск. ун-т. - Бишкек, 2000. - С. 23-31.

3. Ашмарин Г.В., Лелёвкин В.М., Токарев А.В. Влияние индуктивности разрядной цепи на характеристики линейного коронного факельного разряда / Матер. первой республ. научн. конф. студентов физиков и молодых ученых. - Каракол, 2002. - С. 49.

4. Каретникова Е.И., Рыкина Т.А., Ермаков А.И. Трансформаторы питания и дроссели фильтров для радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Советское радио, 1973.

5. Калинин Н.Н., Скибинский Г.А., Новиков П.П. Электрорадиоматериалы. - М.: Высшая школа, 1981. - С. 253.

6. Справочник по электротехническим матери-алам. - Т. 3. - Л.: Энергия, 1976. - С. 35-40.

7. Справочник по радиоизмерительным приборам. - М.: Энергия, 1976.

8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983.

Размещено на Allbest.ru