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 токоограни-чивающий 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 схемы 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 простей­
шей схемы ГИТ кроме возможного применения более мощного
трансформатора целесообразно иногда использовать ГИТ,
имеющий три однофазных трансформатора, первичные цепи ко­
торых соединены «звездой» или «треугольником» и питаются
от трехфазной сети. Напряжение с их вторичных обмоток подается
на отдельные конденсаторы, которые работают через вращающий­
ся формирующий.промежуток на один общий рабочий- искровой
промежуток в жидкости (рис. 3.1, б) [|]. >

индуктивность контура;

При проектировании и разработке ГИТ электрогидравлических установок значительный интерес представляет использование резонансного режима заряда емкостного накопителя от источника переменного тока без выпрямителя. Общий 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

Рис. 3.1. Принципиальные электрические схемы ГИТ электрогидравлических установок (Тр1 — ТрЗ — трансформаторы; Ц1 — К.З — сопротивления в цепи сете­вого питания; VI —1/4 — выпрямители; С_р — рабочий конденсатор; Сф — фильтро­вый конденсатор; 11—13 — индуктивность (дроссели); ФП, ФП1, ФП2 — формирующие промежутки; РП —рабочий искровой промежуток

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 на 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, д) 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 полу­периода 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 разрядник, 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 электрогидравли­ческих 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 С1 и т. д.

Поочередное подсоединение каждого из конденсаторов то в зарядную, то в раз- =т=С2 рядную цепь производится переключате­лем /7, в котором токопроводящие пласти­ны А и В, разделенные диэлектриком, по­очередно подсоединяются к контактам 1 — 4 зарядного и разрядного контуров.

Рис. 3.2. Электрическая схема питания электрогид­равлических установок

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 С1 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.).