Регулювання динамічних параметрів електричних розрядів в електротехнічних системах іскрової обробки неоднорідних провідних середовищ

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

РЕГУЛЮВАННЯ ДИНАМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ РОЗРЯДІВ В ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМАХ ІСКРОВОЇ ОБРОБКИ НЕОДНОРІДНИХ ПРОВІДНИХ СЕРЕДОВИЩ

ПЕТРИЧЕНКО Сергій Вікторович

Київ - 2009

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом завдяки розробці нових підходів до регулювання динамічних параметрів розрядних імпульсів виникла можливість корегування принципів побудови електротехнічних систем іскрової обробки різних середовищ для отримання мікронних і субмікронних електроерозійних порошків та комплексної водопідготовки. Так відома розробка напівпровідникових формувачів з малим внутрішнім опором і регульованими параметричними зв'язками для формування швидко мігруючих багатоканальних розрядних імпульсів в шарі контактуючих металевих гранул між електродами у рідині збільшила продуктивність отримання порошку в електроерозійних установках до декількох кілограмів за годину. Збільшення продуктивності і зменшення нестабільності електричних і технологічних параметрів в таких системах досягається за рахунок формування і швидкої міграції багатьох іскрінь між гранулами за час тривалості одного розрядного імпульсу.

В той же час використання залежності електричного опору навантаження від напруги та енергії розрядних імпульсів в досліджуваних системах обмежено лише коливальними розрядами конденсаторів на навантаження і неможливо при виникненні аперіодичних тривалих розрядів. При просторовій та часовій концентрації електричної потужності на багатьох контактах між гранулами виникають вторинні електрофізичні процеси, які впливають на динаміку первинних процесів, але тривалий час дослідження і використання такого впливу майже не проводилось в зв'язку з обмеженими можливостями як теоретичних, так і експериментальних методів.

При електроіскровому диспергуванні рідкісних і дорогоцінних сплавів виключається можливість створення шару з великої кількості гранул між електродами, що підвищує нестабільність динамічних параметрів іскрових розрядів та негативно впливає на якість порошку та продуктивність електроіскрових установок. Для зменшення нестабільності режимів і підвищення продуктивності установок іскрового диспергування шару гранул доцільним є виявлення нових взаємозв'язків електричних і просторово-часових характеристик розряду. Зокрема перспективним є розробка методів регулювання таких динамічних параметрів, як швидкість змінення температури середовища, рухливості гранул, ерозійного порошку та різних гетерогенних включень. Важливим є також урахування залежностей електродинамічних процесів від електротехнічних і конструктивних параметрів установок та взаємного впливу процесів, виникаючих на близько розташованих струмопровідних контактах.

Вирішення означених задач не може бути отримане суто аналітичним шляхом і передбачає використання сучасних експериментальних комплексних методів дослідження як первинних електродинамічних, так і вторинних електрофізичних процесів. Наявний досвід розробки високовольтних експериментальних комплексів для дослідження первинних і вторинних процесів електровибуху неоднорідних провідників та електрогідравлічної обробки різних середовищ обґрунтовує доцільність використання аналогічного підходу для дослідження взаємозв'язку між такими процесами в низьковольтних системах електроіскрової обробки різних неоднорідних середовищ. Такий підхід вимагає розробки нового дослідницького електротехнічного комплексу, в складі якого можливо використовувати електроіскрові установки різного призначення, блоки вимірювання та осцилографування низьковольтних швидкозмінних електричних сигналів, надшвидкісну фотореєструючу апаратуру (з дискретизацією процесів > 1 млн. кадрів/с), спеціалізовані високовольтні імпульсні системи підсвічування та синхронізації. Необхідно вирішити задачу обмеження впливу високовольтних сильнострумних розрядно-імпульсних процесів на точність визначення швидкозмінних електричних низьковольтних сигналів і просторово-часових характеристик навантаження. Виявлення нових взаємозв'язків просторово-часових і електричних характеристик низьковольтних розрядів та їх залежностей від параметрів розрядного кола, характеристик навантаження і зовнішніх впливів дає змогу розробити нові методи регулювання динамічних параметрів електроіскрових установок. Розробка таких методів направлена на підвищення енергоефективності електротехнічних систем розрядно-імпульсної обробки різних середовищ, тому тема дисертаційної роботи є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертації узгоджено з планами науково-дослідних робіт Інституту імпульсних процесів і технологій (ІІПТ) НАН Україні (м. Миколаїв) за основним науковим напрямком його діяльності "Дослідження імпульсної дії високоінтенсивних потоків енергії на багатофазні середовища, різноманітні матеріали і конструкції і створення на цій основі нових технологій", який затверджено Постановою Президії НАН України № 113 від 22.04.1991 і підтверджено Постановою Бюро ВФТПМ НАН України (протокол № 12 від 20.09.2005):

- НДР № 504 "Дослідити взаємозв'язок між характером фазових перетворень, що протікають при електровибуховому перетворенні енергії і особливостями формування та розвитку різних видів електричного розряду у конденсованих речовинах з електропровідністю від 10 до 10⁵ См/м" (№ ДР 0101U005363), яку виконано згідно з Постановою Бюро ВФТПМ НАН України (протокол № 12 від 03.07.2001);

- НДР № 522 "Дослідити структурні фазові перетворення вуглецю в процесі нагріву потужним імпульсом струму" (№ ДР 0104U010338), яку виконано згідно з Постановою Бюро ВФТПМ НАН України (протокол № 17 від 26.10.2004);

- НДР № 203 "Керування процесом перетворення енергії при електроімпульсній обробці неоднорідних струмопровідних речовин з метою отримання матеріалів у високодисперсному стані, що мають нові властивості" (№ ДР 0103U004898), яку виконано згідно з Постановою Президії НАН України (від 09.07.2003).

При виконанні зазначених НДР автор визначив взаємозв'язки просторово-часових і електричних характеристик розряду, їх залежності від параметрів розрядного кола та інтенсивності зовнішніх впливів, розробив нові методи регулювання динамічних параметрів електричних розрядів в електротехнічних системах іскрової обробки неоднорідних провідних середовищ, визначив оптимальні характеристики електротехнічних блоків, був науковим керівником теми НДР № 203.

Мета і задачі наукового дослідження. Метою роботи є розробка нових енергоефективних методів регулювання динамічних параметрів електротехнічних систем іскрової обробки неоднорідних провідних середовищ на основі виявлення взаємозв'язку електричних і просторово-часових характеристик розряду та встановлення їх залежностей від параметрів розрядного кола, характеристик навантаження та зовнішніх впливів.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

- обґрунтування необхідності розробки нових методів регулювання динамічних параметрів електричних розрядів на основі визначення факторів, що впливають на продуктивність іскрової обробки та на стабільність режимів електричних розрядів у неоднорідних провідних середовищах;

- створення спеціалізованих фізичних моделей для комплексних досліджень самоузгоджених іскрових процесів в елементарному об'ємі шару гранул і у всьому технологічному апараті іскрової обробки неоднорідних середовищ;

- створення експериментального електротехнічного комплексу для дослідження швидкозмінних процесів в електроімпульсних установках з блоками осцилографування імпульсних сигналів, високошвидкісної фотореєстрації первинних і вторинних імпульсних процесів в реакторі електроіскрової обробки середовищ, підсвічування міжелектродного проміжку і синхронізації всіх процесів реєстрації;

- визначення взаємозв'язку просторово-часових і електричних характеристик розряду, їх залежностей від параметрів розрядного кола, характеристик навантаження та зовнішніх дій;

- визначення загальних електрофізичних закономірностей іскрових процесів та розробка нових методів регулювання динамічних параметрів розряду на основі підвищення інтенсивності міграції іскрінь і видалення продуктів обробки із розрядних зон протягом розрядного імпульсу.

Об'єктом дослідження є електротехнічні системи з регульованими параметрами електричних розрядів в неоднорідних струмопровідних середовищах зі швидкоплинними фазовими перетвореннями та утворенням мікронних і субмікронних ерозійних порошків.

Предметом дослідження є взаємозв'язки просторово-часових і електричних характеристик розряду, їх залежності від параметрів розрядного кола, початкових умов на навантаженні та зовнішніх впливів, фізичні та математичні моделі для дослідження електродинамічних процесів в електротехнічних системах іскрової обробки різних середовищ.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених в дисертації задач використовувались: фізичне моделювання електроіскрових процесів в реакторах; експериментальний метод синхронної реєстрації електричних і просторово-часових характеристик розряду в рідині; методи чисельної оцінки існування значущих залежностей та визначення апроксимуючих функцій, що ґрунтуються на теорії функціонального і статистичного аналізу; методи аналізу лінійних і нелінійних електричних кіл та синтезу електричних схем блоків розробленого комплексу.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблено новий метод оцінки власних енергетичних характеристик іскрового розряду, який полягає в урахуванні нелінійного впливу індуктивності і активного опору конструктивних елементів розрядного кола при узгодженні параметрів навантаження та розрахунку балансу енергії при електроіскрових розрядах;

- вперше визначено сукупність залежностей розрядного струму від зарядної напруги, ємності накопичувача та індуктивності розрядного кола, обґрунтовано закономірності розширення розрядної плазми, на основі чого було встановлено взаємозв'язки радіуса, перетину і об'єму плазмового каналу з електричними характеристиками розрядних імпульсів на етапі зростання електричної потужності;

- виявлено нові екстремуми залежності електричної потужності, яка виділяється на іскрових проміжках, від зарядної напруги при різних ємностях накопичувача, що дозволило визначити умови енергоефективного узгодження іскрового навантаження з параметрами розрядного кола;

- визначено нові механізми та розроблено метод інтенсифікації рухливості окремих електроіскрінь, видалення продуктів ерозії та збільшення об'єму плазми за рахунок електрогідродинамічної взаємодії локальних іскрових каналів і введення до реактора газових пузирів;

- розроблено новий енергоефективний метод регулювання динамічних параметрів електричних розрядів в системах іскрової обробки неоднорідних середовищ з використанням цілеспрямованої зміни ефективного об'єму плазми, площі зняття матеріалу з поверхні гранули та області впливу теплового потоку на гранулу.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено нові методики підвищення продуктивності і енергоефективності електротехнічних систем іскрової обробки неоднорідних струмопровідних середовищ. Створено дослідницьку базу, що містить технічні і методичні засоби для розробки і оптимізації електророзрядних технологій підвищення властивостей матеріалів, які застосовують широкий клас електроіскрових розрядів у неоднорідних провідних середовищах. Створено електротехнічний комплекс для експериментальних досліджень режимів електроімпульсних установок з діапазоном вихідних робочих напруг від декількох вольт до 40 кВ. В комплексі є можливість проводити осцилографування імпульсних струмів зі швидкістю наростання до 10¹⁰ А/с та імпульсних низьковольтних напруг на елементах розрядного кола. Синхронно з осцилографуванням можливо провадити фотореєстрацію просторової структури розряду у різних середовищах та кінематичних параметрів розрядної плазми і післярозрядних явищ зі швидкістю 2,5•10⁶ кадр/с та можливістю 10-ти кратної зміни просторового масштабу зйомки. Використання електротехнічного комплексу забезпечує визначення первинних та вторинних потужних динамічних впливів, здійснення аналізу електрогідродинамічних процесів в зонах електричних іскрінь та оцінку ефективності використання розроблених блоків в складі електроімпульсних установок.

Результати роботи впроваджено при виконанні проекту НТЦУ № 2346 "Технологічна система об'ємного електроіскрового диспергування тугоплавких сплавів" (Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ), при виготовленні та оптимізації режимів електрообладнання для електроіскрового отримання наноматеріалів (Інститут металофізики НАН України, м. Київ, Інститут імпульсних процесів і технологій НАН України, м. Миколаїв).

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно розроблено наукові підходи, сформульовано наукові задачі та визначено шляхи їх вирішення, проведено експериментальні дослідження, узагальнено і формалізовано отримані результати.

У друкованих роботах, що опубліковані у співавторстві, особисто здобувачеві належить: [1] - розробка фізичних моделей та експериментальне дослідження режимів іскрового розряду, методика оцінки його власних енергетичних характеристик, а також визначення залежності амплітуд розрядних струмів від параметрів розрядного контуру; [2] - методика інтерпретації тіньових картин розряду в шарі гранул, експериментальне дослідження швидкості переміщення іскрінь та ерозійних порошків; [3] - порівняння теоретичних та експериментальних результатів стадії електроімпульсного нагріву матеріалу; [4] - експериментальне визначення взаємозв'язку кількості одночасно існуючих у гранульованому шарі іскрових каналів з миттєвою електричною потужністю розряду, оцінка тривалості екзотермічних реакцій; [6] - запропоновано стабілізувати іскровий розряд за рахунок регламентації площі взаємодії метал - рідина; [7] - запропоновано емпіричне співвідношення напруженості електричного поля в ближній зоні позитивного електрода з питомою електропровідністю рідини; [11,12] - розробка методик та проведення експериментальних досліджень щодо визначення питомої енергії синтезу ультрадисперсних вуглецьмістких порошків.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, окремі результати та висновки дисертації доповідались та обговорювались на міжнародних науково-технічних конференціях: "Проблеми сучасної електротехніки" (Київ, 2006 р.), "Силова електроніка та енергоефективність" (Алушта, 2002 р.), "Електротехніка і електромеханіка" (Миколаїв, 2004 р.) та на XI, XII та XIII МНШС "Фізика імпульсного розряду у конденсованих середовищах" (Миколаїв, 2002, 2005, 2007 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 друкованих праць, у тому числі: 5 статей у фахових наукових виданнях, 6 тез доповідей, 3 патенти України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4-х розділів, загальних висновків, додатку і списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 172 сторінки, з них - 147 сторінок основного тексту, 51 рисунок, 9 таблиць, 147 найменувань використаних джерел та 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі наукових досліджень, викладено сутність і стан задачі, відзначено зв'язок роботи з науковими програмами. Визначено об'єкт і методи досліджень, викладено наукову новизну, практичне значення і реалізацію отриманих результатів. Представлено особистий внесок автора у вирішення задачі, наведено відомості про апробацію роботи, публікацію та впровадження основних результатів.

У першому розділі викладено критичний аналіз сучасних електротехнічних систем електроіскрової обробки неоднорідних струмопровідних середовищах і напрямків їх розвитку. Проаналізовано результати електрофізичних досліджень процесів низьковольтної та високовольтної іскрової обробки неоднорідних провідних середовищ (ІОНПС), виявлено взаємообумовлені динамічні параметри одиничного розряду, фактори і дії, які визначають продуктивність, рівномірність та нестабільність обробки. Це дозволило обґрунтувати доцільність застосування нових принципів регулювання, спрямованого на підвищення продуктивності і зменшення нестабільності режимів роботи систем ІОНПС, необхідність комплексних досліджень самоузгоджених іскрових процесів на локальній ділянці і у всьому міжелектродному проміжку, встановити параметри фізичного моделювання і вимоги до створення експериментального обладнання з унікальними реєстраційними можливостями.

Показано, що для вдосконалення систем ІОНПС необхідно вирішити ряд проблемних питань, пов'язаних із детальнішим вивченням взаємозв'язку перетину розрядного каналу, кількості окремих іскрових каналів і електричної потужності, що розсіюється на проміжку, швидкості пересування гранул і хвилі тиску у середовищі, часу повного відновлення електричного контакту, впливу діаметру і маси гранули на нестабільність іскри, а також дій неелектричної природи на динаміку іскрових процесів. Встановлено, що такі феноменологічні прояви, як просторова та часова дискретність локального іскрового каналу сприяють зменшенню нестабільності режимів ІОНПС разом із розповсюдженням хвилі тиску і зсувом гранул. Приведені механізми інтенсифікації об'ємної міграції іскрових розрядів у шарі в різній мірі визначають схеми та швидкість видалення продуктів ерозії із областей іскрінь. Відзначено, що для систем ІОНПС з малою кількістю контактних проміжків використання таких механізмів може бути досить ефективним, але треба провести додаткові дослідження динамічних процесів при електроіскровому диспергуванні гранул.

Висвітлено неопосередкований зв'язок продуктивності обробки з вихідними параметрами формувача розрядних імпульсів, геометричними характеристиками реактора і шару гранул: її підвищення в 2 - 10 разів при комбінуванні (у напрямку збільшення) ємності накопичувача (від 10 до 100 мкФ), частоти електричних імпульсів (від 0,3 до 4 кГц), площі електродів; її екстремуму при зміні висоти шару гранул, що має стабілізований фракційний склад. Це дозволило визначити діапазони досліджень ступеню впливу початкових умов на динаміку розряду.

Проведено аналіз відомих математичних моделей динаміки плазмового проміжку і електротеплових процесів в гранулах. Показано відсутність попередньої оцінки співвідношень між характерними просторовими масштабами явища, зокрема, не враховано витрати енергії на пересування рухомих компонентів середовища, не визначено параметри граничних умов, що зумовлюють динамічний опір навантаження і об'єм матеріалу, який зазнав фазових перетворень.

На підставі викладеного у розділі аналізу сформульовано основні задачі досліджень.

У другому розділі з використанням сучасних методик розроблено структурну і електричні схеми, запропоновано алгоритм синхронізації, досліджено перехідні процеси і теплові режими, вибрано і створено устаткування, вирішено питання електромагнітної сумісності систем експериментального електротехнічного комплексу для випробувань низьковольтного і високовольтного (до 40 кВ) обладнання електротехнічних систем ІОНПС з можливістю високодискретної (до 2,5•10⁶ кадр/сек.) реєстрації різномасштабних (з 10-ти кратною відмінністю) іскрових і супутніх процесів в реакторах диспергування синхронно з осцилографуванням розрядних струмів (до 10¹⁰ А/с) і падіння напруги на елементах розрядного кола.

В складі експериментального електротехнічного комплексу використовується електророзрядна система (ЕРС), електровимірювальна система (ЕВС), високовольтна система імпульсного підсвічування (ІП), надшвидкісне фотореєструюче обладнання типу СФР, блоки управління і синхронізації режимів реєструючого обладнання, блоки захисту електрообладнання та обслуговуючого персоналу.

Для реєстрації просторово-часових характеристик розряду застосовано надшвидкісну фотореєструючу установку (СФР), яка реалізує оптико-механічний спосіб експонування і дозволяє використовувати метод покадрової зйомки, що є необхідною умовою при реєстрації просторово-неоднорідних явищ. Застосування СФР, яка позитивно себе зарекомендувала при дослідженнях таких фізичних процесів, як вибух і високовольтний електричний розряд, дозволило виключити вплив на результати реєстрації електромагнітних перешкод, здійснювати у якості ведучої ланки за рахунок передбаченого внутрішньою системою синхронізації імпульсу ініціювання амплітудою до 40 кВ керування (запуск) усіх систем стенда. Власні характеристики СФР - мінімальна просторова роздільна здатність - 20 лін/мм, максимальна частота зйомки - 2,5•10⁶ кадр/с, точність розгортки - до 0,1 %, а також можливість підвищення вказаних характеристик за рахунок застосування сучасних типів плівок, світлосильних вставок і тубусів під об'єктив дозволили варіювати просторові і часові масштаби зйомки відповідно до задач фізичного моделювання.

Для отримання на елементах об'єкта і фона оптимального розподілу яскравостей розроблено і створено систему імпульсного підсвічування, яка ґрунтується на ідеї використання комбінованої фронтально-наскрізної схеми розташування імпульсних газорозрядних ламп (ИФК-2000) з можливістю їх вибіркового застосування. На основі теоретико-експериментального підходу вирішено задачу створення імпульсного джерела живлення системи ІП з параметрами, що регулюються. Розрахунок базових елементів джерела - формуючої лінії підсвічування (ФЛП) і зарядного пристрою - виконано з урахуванням рекомендацій щодо максимальної кількості L_ЦC - пар відповідно до виконання умов узгодження імпедансів ФЛП і газорозрядних ламп, обмеження тривалості імпульсу мінімальним періодом реєстрації, обмеження зарядного струму ФЛП. Розроблено конструкцію ФЛП, що базується на розрахунку геометричних параметрів котушок і теплових режимів роботи її елементів. Створена система ІП дозволила забезпечити: рівність часу робочого циклу СФР, тривалості розряду і імпульсу підсвічування; П - образну форму імпульсу підсвічування з амплітудою, що регулюється зміненням зарядної напруги від 2 до 3 кВ і тривалістю, що регулюється без додаткових пристроїв переривання струму від 1 до 3 мс.

Для випробувань елементів систем ІОНПС, впровадження реакторів діючих установок і модельних апаратів створено електророзрядну систему, що реалізує провідну для експериментального обладнання ідею простоти, надійності, точності і стабільності вихідних параметрів, сумісності з мережею електроживлення. Використано найбільш просту і надійну схему зарядного пристрою (ЗП) із резистивним обмеженням струму. Вибір параметрів схеми і обладнання виконано на основі аналізу перехідного процесу в ЗП за умови обмеження впливу зарядного кола на форму розрядного імпульсу, що задається співвідношенням 0,010,06, де коефіцієнт = R_Н/(R_Н+ R_З), R_Н дорівнює відомим значенням еквівалентного опору іскрового навантаження R_Е, а R_З визначається допустимим струмом і номінальною потужністю трансформатора - випрямлювача (ВТМ).

Напругу на конденсаторній батареї ємністю C від 3 до 100 мкФ електророзрядної системи можливо було змінювати від декількох вольт до 40 кВ. Структура системи забезпечувала можливість простої заміни комутуючого блоку на тиристорі (VS) повітряним (відкритим) іскровим розрядником і дозволяла, таким чином, здійснювати формування розрядних імпульсів високих напруг.

Для реєстрації розрядних струмів і падіння напруги на елементах розрядного кола, а також для своєчасного запуску вимірювальних приладів використано електровимірювальну систему, яка структурована таким чином, щоб забезпечити можливість деталізації та вибіркової реєстрації різних часових ділянок досліджуваного процесу, а також нарощення кількості інформативних параметрів. Відповідно до загальної структури стенда і алгоритму синхронізації (рис. 2) запуск СФР і системи ІП жорстко пов'язані у часі, запуск осцилографа (ЕО) і комутація розрядного кола здійснюються синхроімпульсами S₂ і S₃ з генератора (ГІ). Каскадування блоків ГІ-ЕО дозволило забезпечити вказані можливості. На підставі розрахунку конструктивних параметрів із наперед заданими частотними характеристиками і навантажувальною спроможністю (час наростання t_a 0,15 мкс, ширина полоси B > 3 мГц) створено датчик струму - низькоомний (2,5 мОм) коаксіальний шунт з рівномірним розподілом струму по перетину із малоіндуктивним під'єднанням вимірювальних кабелів, який дозволив без викривлень осцилографувати струми з крутизною 10¹⁰ А/с.

Для ослаблення впливу перешкод, що формуються внаслідок наявності поблизу електророзрядного апарата електричних кіл СФР і системи ІП з високовольтним перехідним процесом, розроблено алгоритм синхронізації, який дозволив розділити у часі ці перехідні процеси і сам розряд, що досліджується.

Третій розділ присвячено розробці модельних апаратів для низьковольтних і високовольтних електротехнічних систем та дослідженню виникаючих електроіскрових процесів на локальних ділянках реакторів і у всьому міжелектродному проміжку.

Обґрунтовано метод визначення енергетичних характеристик розряду та програмної корекції динамічної похибки реєстрації часової залежності падіння напруги на елементах розрядного кола. Визначено якість параметрів реєстрації просторової динаміки розряду і проведено порівняння результатів математичного моделювання та експериментальних досліджень процесів при високовольтних розрядах. Порівняння підтвердило адекватність створених методичних і апаратних засобів досліджень, теоретичних і експериментальних підходів при оптимізації режимів низьковольтних і високовольтних електротехнічних систем.

Основна особливість створених модельних апаратів полягала в оригінальних конструкціях електродних систем. Були створені системи: з 1 контактним проміжком; з декількома гранулами, послідовно з'єднаними між електродами; 2-вимірним масивом контактуючих гранул, з'єднаних послідовно-паралельно; 3-вимірний масив гранул - товстий шар контактуючих гранул між електродами.

Використовувалась також 3-електродна система з 2 жорстко зафіксованими електродами, які замикались рухомим третім, встановленим вертикально. Це дозволило точно відтворювати контактні умови, за рахунок змінення ваги рухомого електрода (від 7 до 80 г) регулювати ступінь навантаження (пропорційний висоті шару - h) на контактні вузли. Фактичний діапазон моделювання - від 1 електричного контакту між 2 гранулами до контактів в шарі з 15х15 гранул діаметром від 3 до 6 мм. Було створено умови для введення газових пузирів і металевих фольг у проміжок.

Для виключення похибки вимірювань, пов'язаної з наявністю між точками підключення подільника напруги струмоведучих ділянок кінцевої довжини, розроблено метод визначення фактичної напруги на іскровому навантаженні (U_Н) шляхом чисельної компенсації падіння напруги на власній індуктивності (L_Д) і активному опорі (R_Д) вказаних ділянок. Метод містить циклічний алгоритм, що дозволяє на основі експериментальних даних з регульованою величиною відхилення розрахувати L_Д і R_Д. Апробація метода показала, що вид U_Н(t) суттєво відрізняється від даних осцилографування (U), його реалізація у програмному середовищі MathCAD 2001i Professional дозволила на 40 % підвищити точність розрахунку інтегралу потужності і виключити конструктивні обмеження, що накладаються апаратними методами компенсації.

Проведено експериментальні дослідження з фотореєстрацією високовольтного розряду у графітових провідниках. Було реалізовано однорідний по осі провідника електричний вибух, який формувався частковими розрядами на включеннях, а також коронний розряд з суцільним плазмовим утворенням в неоднорідній провідній рідині.

Підтверджено достатню чутливість фотореєструючої системи для досліджень локальних іскрових каналів і розряду у всьому проміжку. Адаптовано методику розрахунку ступеня суцільності плазми і на основі експериментальних даних по короні визначено коефіцієнт суцільності (К_С) і опір (R_пл) плазмового утворення.

У четвертому розділі наведено узагальнення результатів експериментальних досліджень: режимів і просторової динаміки розряду; залежностей розрядного струму, інтегральних електричних і енергетичних характеристик від зарядної напруги, ємності накопичувача і індуктивності розрядного кола; взаємозв'язку радіуса, перетину і об'єму плазмового каналу з електричними характеристиками. Досліджено моделі впливу газових включень, висоти шару і діаметра гранул на характерний розмір локальних іскрових каналів і концентрацію продуктів ерозії в розрядній зоні, встановлено умови гідродинамічної взаємодії активованих контактних проміжків. Обґрунтовано вибір каналів і розроблено рекомендації щодо регулювання площі зняття матеріалу з поверхні гранули, об'єму плазми і області дії на гранулу теплового потоку, інтенсифікації об'ємної міграції іскрових розрядів і видалення іскроерозійних порошків під час протікання одиничного розрядного імпульсу.

На основі експериментальних даних класифіковано режими розряду між гранулами. Показано можливість формування повторних і нестабільних іскрових розрядів (із залишковою напругою на проміжку і переходом розряду в коливальний режим). Розряди мають нестабільні амплітуди (I_m) і тривалості (0,5(L_КC)^1/2), різкі спади розрядного струму, повторні пробої проміжку у ході одиничної комутації. Встановлено, що повторні пробої між гранулами формуються за умови (U₀-44)/0,56C 1, причому для них існує значима залежність (критерій Фішера) амплітуд і швидкостей зростання струму від параметрів розрядного кола.

Виявлено ділянку з екстремумом залежності від U₀ (при різних C) нормованої інтегральної потужності на іскрових проміжках при R_Е=_хв. Встановлено характер і побудовано графіки залежності R_Е(C, U₀), що монотонно зменшується при збільшенні U₀. Екстремум відповідає максимально ефективному розподілу енергії (у локальному масштабі), а умовами його досягнення є умови узгодження іскрового навантаження.

Експериментально досліджено взаємозв'язок перетину розрядного каналу і електричної потужності. Для узгоджених розрядів виявлено 3 характерних часових інтервали. На першому - до моменту досягнення максимуму потужності збільшення радіусу (r) каналу відбувається з рівномірною швидкістю (v) від 50 до 70 м/с, тобто по закону r(t)=r₀+vt (де r₀ - початковий радіус каналу). При 0,5(L_КC)^1/2 t (2/3)(L_КC)^1/2 канал стає неоднорідним, що відповідає спаду потужності, і швидкість його розширення зменшується у 2 рази. При t (2/3)(L_КC)^1/2 відбувається інерційне розширення порожнин зі швидкістю від 30 до 35 м/с.

Вперше підтверджено переміщення гранули у ході розряду (). Для гранул діаметром d₀ = 6 мм при помірному навантаженні (відповідному шару 15х15 гранул) таке переміщення за проміжок часу t = 100 мкс складає від 0,7 до 0,9 мм. На основі цього було розроблено модельну схему плазмокінетичних процесів між гранулами, побудовано залежності площі зняття матеріалу з поверхні гранули S(d₀,r,), кутової області дії на гранулу теплового потоку _q(d₀,r,) і об'єму плазми

На основі аналізу експериментальних результатів було показано, що для співвідношення просторових масштабів можна записати

 [(00,9)10^-3] r_ЕФ [(0,591,6)10^-3] << =c₀ [(2166)10^-3],

де і c₀ - довжина хвилі і швидкість звуку у рідині. Було встановлено, що для граничних випадків можна використати як циліндричну, так і сферичну моделі розряду.

Для дослідження впливу газових включень на інтенсивність іскрових процесів було створено моделі для введення пузирів з діаметрами d_П від 0,5 до 5 мм (групами, уздовж однієї лінії і окремо - на різних відстанях до вісі контакту). Виявлено, що при кількості і швидкості введення пузирів, які виключають перекриття контактних проміжків, вони не впливають на формування іскрових каналів. Показано, що розташування і розміри включень можуть змінити просторову конфігурацію каналу розряду, збільшити об'єм розрядної плазми та підвищити швидкість видалення і охолодження ерозійних порошків, зменшуючи до 30 % (при t = t_ЕФ) їх концентрацію.

Було розроблено методику визначення швидкості розповсюдження хвилі тиску у водному середовищі (v_ХТ) використовуючи реєстрацію деформації пузирів, розташованих на відомих відстанях.

Для аналізу загальної картини розвитку розряду у шарі гранул розроблено тіньовий метод реєстрації і методику інтерпретації тіньових картин, що ґрунтується на співставленні інтенсивності розширення тіньових каналів і фотограмм локальних іскрових розрядів і дозволяє визначати динамічний розподіл потенціалів та дисипацію енергії у шарі. Експериментальні дослідження з використанням цієї методики показали, що доля активованих контактних проміжків досягає 25 %. Кількість іскрінь корелює з електричною потужністю, більшому загальному числу локальних іскрових каналів відповідає більша доля нестабільних. Для активних металів визначено тривалість екзотермічних реакцій, яка досягає подвійної тривалості розряду.

Сформульовані рекомендації щодо регулювання: величин q(t_ЕФ), S(t_ЕФ), _q(t_ЕФ) та I(t_ЕФ); рухливості електроіскрінь і швидкості виведення іскроерозійних продуктів із розрядних зон (7) за рахунок змінення параметрів розрядних імпульсів (U₀, C, L_К) і характеристик навантаження (величин: d₀, d_П, h) представлені в табл.1.

Таблиця 1. Діапазони параметрів і очікуваний ефект регулювання

Результати роботи використано при розробці електротехнічних систем іскрового отримання вуглецевих і композитних нанопорошків в Інститутах металофізики та імпульсних процесів і технологій НАН України, іскрового диспергування тугоплавких сплавів - в Інституті електродинаміки НАН України.

Використання результатів дисертації дозволило зменшити нестабільність параметрів розрядних імпульсів та непродуктивні втрати енергії (на 10 - 40 %), підвищити продуктивність іскрового диспергування шару гранул з обмеженою кількістю електричних контактів в 1,3-1,6 раз, вагову частку сухої суміші (в 1,5 рази), дисперсію розподілу порошків (в 1,4 рази), зменшити.

У додатку наведені акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

електротехнічний іскровий електричний провідний

В дисертації вирішено актуальну наукову задачу розробки нових енергоефективних методів регулювання динамічних параметрів електротехнічних систем іскрової обробки неоднорідних провідних середовищ на основі використання виявлених взаємозв'язків просторово-часових і електричних характеристик розряду, їх залежностей від параметрів розрядного кола, характеристик навантаження і зовнішніх впливів. Отримані результати у сукупності мають суттєве значення для подальшого розвитку теорії регулювання динамічних параметрів та підвищення енергоефективності електротехнічних систем іскрової обробки різних середовищ.

Основними науково-технічними результатами виконаної роботи є такі:

1. На основі аналізу факторів, що впливають на продуктивність іскрової обробки та на нестабільність режимів електричних розрядів у неоднорідних провідних середовищах, обґрунтовано необхідність розробки нових методів регулювання динамічних параметрів електротехнічних систем іскрової обробки неоднорідних провідних середовищ та створення для цього технічних і методичних засобів швидкісної реєстрації електричних і просторово-часових характеристик розрядів.

2. Вперше визначено сукупність залежностей розрядного струму від зарядної напруги, ємності накопичувача та індуктивності розрядного кола, обґрунтовано закономірності розширення розрядної плазми, на основі чого було встановлено взаємозв'язки радіуса, перетину і об'єму плазмового каналу з електричними характеристиками на етапі зростання електричної потужності у навантаженні.

3. Визначено нові механізми та розроблено метод інтенсифікації рухливості окремих електроіскрінь, видалення продуктів ерозії та збільшення об'єму плазми (в 1,2 - 1,5 разів) за рахунок електрогідродинамічної взаємодії локальних іскрових каналів і введення до реактора газових пузирів.

4. Виявлено нові екстремуми залежності електричної потужності, яка виділяється на іскрових проміжках, від зарядної напруги при різних ємностях накопичувача, що дозволило визначити умови енергоефективного узгодження іскрового навантаження з параметрами розрядного кола.

5. Розроблено новий енергоефективний метод регулювання динамічних параметрів електричних розрядів в системах іскрової обробки неоднорідних середовищ з використанням цілеспрямованої зміни ефективного об'єму плазми ( 70 - 80 % від середнього значення), площі зняття матеріалу з поверхні гранули, і кута, що визначає область впливу теплового потоку на гранулу.

6. Створено новий електротехнічний комплекс для дослідження швидкозмінних процесів в електроімпульсних установках з блоками осцилографування імпульсних струмів зі швидкістю наростання до 10¹⁰ А/с, підсвічування міжелектродного проміжку та високошвидкісної фотореєстрації (до 2,5•10⁶ кадр/с) виникаючих в ньому первинних і вторинних імпульсних процесів з можливістю 10-ти кратної зміни просторового масштабу зйомки, та синхронізації всіх процесів реєстрації.

Використання електротехнічного комплексу забезпечує визначення ефективності первинних та вторинних динамічних впливів, зокрема електрогідродинамічних впливів в зонах електроіскрінь та газових включень.

7. Розроблено новий алгоритм швидкісної синхронізації всіх каналів реєстрації сигналів в електротехнічному комплексі, що дозволяє при дослідженні низьковольтних сигналів ослабити дію електромагнітних завад від високовольтних блоків та забезпечити вибіркову реєстрацію різних часових ділянок імпульсного процесу.

8. Розроблено новий метод оцінки власних енергетичних характеристик іскрового розряду, що дозволяє при узгодженні параметрів навантаження і розгляді балансу енергії врахувати нелінійний вплив індуктивності і активного опору конструктивних елементів розрядного кола. Компенсація методичної похибки, яка пов'язана із наявністю між точками підключення подільника напруги струмоведучих ділянок кінцевої довжини, дозволяє на 40 % підвищити точність визначення енергії, що розсіюється на іскровому проміжку.

9. Розроблено методику спільної інтерпретації тіньових картин розряду в шарі і фотограмм локального іскрового розряду, що дозволяє оцінити енергетичну вагу кожного із іскрінь, з яких складаються наскрізні канали протікання струму.

10. Вірогідність та обґрунтованість наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується узгодженістю теоретичних результатів з експериментальними даними і раніш відомими даними з літературних джерел, можливістю відтворення експериментальних результатів.

11. Подальше використання результатів роботи рекомендовано в учбових курсах кафедр імпульсних процесів і технологій, автоматизації технологічних систем, електрофізики Національного університету кораблебудування ім. адм. Макарова (м. Миколаїв), Національного технічного університету України "КПІ" (м. Київ), Національного технічного університету "ХПІ" (м. Харків). Використання розроблених автором методів доцільно на етапі проектування розрядно-імпульсних систем об'ємного електроіскрового диспергування струмопровідних гранул, електровибухового синтезу нових порошкових матеріалів, поверхневої обробки об'єктів розрядною плазмою в інститутах НАН України.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Щерба А.А. Физическое моделирование и анализ динамики искроплазменных процессов при электроэрозионном диспергировании токопроводящих гранул в жидкости / А.А. Щерба, С.В. Петриченко // Технічна електродинаміка. - 2004. - № 3. - С. 27-32.

2. Щерба А.А. Влияние параметров электрических разрядов на динамику искроразрядных каналов при объемной электроискровой обработке плоского слоя токопроводящих гранул / А.А. Щерба, С.В. Петриченко // Технічна електродинаміка. Темат. вип. "Силова електроніка та енергоефективність". - 2002. - Ч.3. - С. 61-65.

3. Щерба А.А. Математическое моделирование динамических параметров при электроразрядном взрыве проводников / А.А. Щерба, Д.Е. Куприн, С.В. Петриченко, Н.И. Супруновская // Технічна електродинаміка. Темат. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". - 2006. - Ч.5. - С. 94-97.

4. Петриченко С.В. Взаимосвязь электрических характеристик разряда с количеством и распределением искроэрозионных каналов / С.В. Петриченко, В.Н. Петриченко, А.А. Якименко, В.А. Мариновський // Електротехніка і електромеханіка ЕТЕМ-2004: матер. Міжнар. наук.-техн. конф. студентів, аспірантів, молодих вчених, 25 - 27 лист. 2004 р. - Миколаїв: НУК, 2004. - С. 104-105.

5. Петриченко С.В. Протяженный коронный разряд в сильных водных электролитах / С.В. Петриченко // Электронная обработка материалов. - 2005. - № 2. - С. 58-63.

6. Пат. 50528А Україна, МПК⁷ H 05 B 7/22. Спосіб здійснення електричного розряду в електроліті / Петриченко С.В., Богуславський Л.З., Купрін Д.Є., Петриченко В.М.; власник Ін-т імпульсних процесів і технологій НАН України. - № 2002020926; заявл. 05.02.02; опубл. 15.10.02, Бюл. № 10.

7. Пат. 64102А Україна, МПК⁷ В 21 D 26/12 Спосіб створення високих тисків / Петриченко С.В., Купрін Д.Є., Петриченко В.М., Дюпін В.О.; власник Ін-т імпульсних процесів і технологій НАН України. - № 2002129708; заявл. 05.12.02; опубл. 16.02.04, Бюл. № 2.

8. Петриченко С.В. Динамика искроэрозионных процессов при разряде в слое токопроводящих гранул / С.В. Петриченко // Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: матер. XI Междунар. науч. школы - семинара, 22-26 авг. 2003 г. - Николаев: Атолл, 2003. - С. 42-43.

9. Петриченко С.В. Анализ динамики искровых разрядов в единичной контактной зоне / С.В. Петриченко // Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: матер. XI Междунар. науч. школы - семинара, 22-26 авг. 2003 г. - Николаев: Атолл, 2003. - С. 38-40.

10. Петриченко С.В. Особенности протяженного коронного разряда в водном электролите / С.В. Петриченко // Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: матер. XII Междунар. науч. школы - семинара, 22-26 авг. 2005 г. - Николаев: Атолл, 2005. - С. 67-68.

11. Пат. 77346 МПК (2006) С 01 В 31/06, В 01 J 3/06. Спосіб одержання порошку синтетичного ультрадисперсного алмазу / Вовченко О.І., Швець І.С., Кускова Н.І., Іщенко Ж.М., Петриченко С.В., Якименко О.А.; власник Ін-т імпульсних процесів і технологій НАН України. - № а200503643; заявл. 18.04.05; опубл. 15.11.06, Бюл. № 11.

12. Кускова Н.И. Условия электровзрывного синтеза ультрадисперсных неметаллических частиц / Н.И. Кускова, Ж.Н. Ищенко, С.В. Петриченко, А.А. Якименко // Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: матер. XII Междунар. науч. школы - семинара, 22-26 авг. 2005 г. - Николаев: Атолл, 2005. - С. 63-64.

13. Петриченко С.В. Регулирование эффективного объема плазмы при контактном электроискровом процессе в жидкости / С.В. Петриченко, В.Ю. Бакларь // Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: матер. XIII Междунар. науч. школы - семинара, 21-25 авг. 2007 г. - Николаев: Атолл, 2007. - С. 66-67.

14. Петриченко С.В. Регулирование эффективного объема разрядной плазмы при контактном электроискровом процессе в жидкости / С.В. Петриченко // Электронная обработка материалов. - 2008. - № 3. - С. 4-10.

Размещено на Allbest.ru