WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

«И ИХ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Учебное пособие для студентов вузов Тольятти 2002 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version Электротехнические установки и их ...»

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

И ИХ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Учебное пособие для

студентов вузов

Тольятти 2002

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Электротехнические установки и их источники питания: Учебное

пособие для вузов по спец. «Промышленная электроника»./ Сост. В.И.Бар,Тольятти: ТГУ, 2002 .

Рассмотрены физические процессы, протекающие в основных видах электротехнологических установок, их конструктивные схемы и принципиальные схемы полупроводниковых источников питания. Для индукционных нагревательных установок приведена инженерная методика расчета .

Предназначено в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности «Промышленная электроника» очной, очнозаочной и заочной форм обучения .

Составитель Бар В.И .

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com ВВЕДЕНИЕ

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Научно-технический прогресс на рубеже XX-XI вв. неразрывно связан с развитием высоких технологий, обеспечивающих, с одной стороны, получение новых материалов и изделий, а с другой – снижение энерго- и ресурсозатрат, повышение экологических показателей производства[1,10] .

Значительное место в ряду новых технологий занимают электротехнологии, что связано с многообразием электрофизических, электрохимических эффектов, лежащих в их основе, простотой контроля и управления электротехнологическими процессами, возможностью их комплексной автоматизации .

К электротехнологическим относятся процессы, основанные на преобразовании непосредственно в рабочей зоне технологических установок энергии электрического тока, электрического и магнитного полей в тепловую, химическую или механическую энергии, за счет которых реализуется заданный процесс[10] .

Традиционно выделяют пять групп электротехнологических процессов Электротехнология Электротермия Электросварка Электро- ЭлектроАэрозрольные химические

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com существенной мере и от параметров, и режимов работы отдельных элементов (блоков технологического оборудования)[4] .

Для создания заданного конечного продукта с требуемыми характеристиками необходимо определенным образом преобразовать электроэнергию, получаемую, как правило, от промышленной сети переменного тока .

В зависимости от вида технологического процесса первичная электроэнергия преобразуется в конечном виде в энергию химических связей, механическую энергию, либо во внутреннюю энергию. Нередко процесс преобразования энергии является многократным. Например, при лазерной резке электрическая энергия первоначально превращается в энергию когерентного светового излучения, которая, воздействуя на деталь, разогревает либо испаряет материал детали, совершая тем самым механическую работу. При ионном азотировании на поверхности обрабатываемых деталей образуются химические соединения обрабатывающей газовой среды с материалом деталей при одновременном ускорении диффузионных процессов в обрабатываемом материале. Таким образом, между обрабатываемым изделием и источником электроэнергии, как правило, присутствует определённая среда (газовая, жидкая, световая и т.д.), характеристики которой определяют характеристики нагрузки преобразователя электроэнергии .





Задача преобразователя электрической энергии: согласовать электрические параметры питающей сети с электрическими параметрами среды при обеспечении заданных условий .

Качество конечного продукта существенно зависит от свойств среды, которые определяются характеристиками преобразователя электрической энергии и характеристиками дополнительного оборудования (например, откачной системы, характеристиками газовой среды в ионном азотировании) .

В современной электротехнологии электроэнергия, получаемая от промышленной сети переменного тока, как правило, должна быть преобразована к виду, удобному для потребления (электрическая энергия постоянного тока с заданными параметрами, импульсная электроэнергия, энергия переменного тока повышенной частоты и т.д.). При этом через преобразователь электроэнергии передаётся основная часть либо вся энергия, потребляемая технологическим процессом, в том числе и вспомогательная энергия, выводимая из технологического контура, например в виде избыточной тепловой энергии, снимаемой с газовой среды в ионном азотировании, лазерных установках и т.д .

Таким образом, преобразователь электрической энергии оказывает непосредственное влияние на физические характеристики технологического процесса (, cos, гармонический состав потребляемого тока, несимметрию и т.д.). Нередко выходные характеристики преобразователя оказывают непосредственное воздействие на конечный продукт и могут приводить к его необратимым изменениям (браку) .

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com При возникновении дуговых разрядов в камере ионного азотирования необходимо быстрое отключение нагрузки от питающей сети во избежание образования раковин на обрабатываемой поверхности. Скорость отключения энергии, передаваемой в нагрузку при дуговом разряде, непосредственно определяется динамическими и нагрузочными характеристиками преобразователя. В процессе технологической обработки характеристики среды, в которой происходит процесс, непрерывно изменяются самопроизвольно, либо по программе, определяемой видом технологии .

Наблюдаются плавные самопроизвольные изменения (деформация ВАХ среды с ростом температуры, давления и т.д.), либо скачкообразные изменения (переход одного вида разряда в другой при ионном азотировании, образование контактных точек при электроконтактной сварке и т.д.). Таким образом, существует некоторая обратная связь со стороны нагрузки, поэтому выходные характеристики преобразователя должны отвечать требованиям, определяемым не только статическими, но и динамическими параметрами среды (нагрузки преобразователя) .

Таким образом, преобразователь электрической энергии является одним из главных, определяющих звеньев технологической цепи, оказывающих влияние на основные технико-экономические характеристики технологического процесса. Часто не удаётся оптимальным образом организовать электротехнологический процесс, приспосабливая к требованиям технологии известные типы преобразователей. Поэтому актуальна разработка новых видов преобразователей электроэнергии, наилучшим образом отвечающих задачам электротехнологии .

3. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ (ИП)

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Одним из наиболее перспективных направлений технологических применений токов высокой частоты является нагрев газа (получение индукционной плазмы) с целью воздействия на какие-либо материалы для их оплавления, нагрева, испарения и т. д. и для обеспечения плазмохимических процессов. Нагретый в индукционном плазматроне газ имеет температуру (6К. При таких температурах все вещества находятся в ионизированном состоянии и химически очень активны, что позволяет успешно выполнять плазмохимические процессы и высокотемпературный нагрев различных материалов. Индукционная плазма, в отличие от дуговой, позволяет осуществлять более «чистые» процессы, так как в плазме отсутствуют примеси материала электрода, который практически не расходуется .

Особенностью индукционной плазмы является то, что устойчивость разряда зависит от соотношения частоты тока и мощности в разряде: чем ниже частота, тем выше должна быть мощность (в частности, в области звуковых частот минимальная мощность плазматрона составляет единицы мегаватт) .

Особенностью плазматрона как нагрузки является то, что в холодном состоянии газ является непроводником. Поэтому при проектировании ИП необходимо предусмотреть возможность выполнения режима с резким переходом от холостого хода (с ненагруженного индуктора) к полной нагрузке. Вторым фактором, который необходимо учитывать при выборе и проектировании ИПП, является то, что разряд газа в плазматроне неоднороден по своей геометрии и зависит от подводимой мощности, расхода газа и других факторов, т. е. параметры нагрузки могут существенно меняться не только в процессе возбуждения плазменного разряда, но и при его горении .

Кроме плазменных разрядов, находят применение и другие виды высокочастотных разрядов, в частности тлеющий и коронный. Из практических применений таких разрядов назовем два: синтез озона и модификация поверхностных свойств материала. Использование тока повышенной частоты в этих процессах по сравнению с частотой тока 50 Гц и постоянным током позволяет получить больший выход озона при той же затраченной энергии, наиболее равномерное распределение разрядных каналов вдоль электрода или трубки озонатора, а также позволяет уменьшить напряжение на выходе установки. Мощность установок для озонирования определяется производительностью озонатора и может доходить до сотен киловатт при частотах до 2,4 кГц. Установки для модификации поверхностных свойств имеют мощность в единицы киловатт, а наиболее подходящие рабочие частоты от 4 до 22 кГц .

Следует отметить, что при использовании тлеющего и коронного разрядов нагрузка имеет активно-емкостный характер, что является предпочтительным именно при работе от тиристорного преобразователя, так как нагрузочная емкость может использоваться как часть коммутирующей .

Ток повышенной частоты применяется в установках, предназначенных для получения особо чистых материалов: кремния и окислов различных веществ, применяемых в квантовой электронике, новых отраслях энергетики PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com и других областях техники. В этой технологии используется косвенный нагрев получаемого материала. В качестве нагреваемого тигля используются графит, иридий, вольфрам, молибден. Мощность установок 25-100 кВт, частота 8-22 кГц. Как правило, процессы кристаллизации длительные, сырье дорогое, поэтому к установкам предъявляется требование высокой надежности. С этой точки зрения использование источников повышенной частоты является более предпочтительным, чем применение высокочастотных ламповых генераторов благодаря низким напряжениям, исключающим возникновение тлеющих разрядов или пробоев, и отсутствию элементов, имеющих сравнительно малый срок службы (генераторные лампы) .

Следует отметить и возможности применения преобразователей повышенной частоты для ЭТУ, не связанных с электротермией. В частности, хорошие перспективы имеет применение таких преобразователей в ультразвуковых технологических установках частотой 18, 22 и 44 кГц .

Требуемые мощности не превышают нескольких десятков киловатт .

Одним из распространенных в промышленности применением токов повышенной частоты является технология ультразвуковой обработки материалов: очистка, обработка твердых хрупких материалов, сварка и др .

Для большинства таких процессов рабочая частота ультразвуковых технологических установок 18 или 22 кГц. Мощность установок, как правило, ограничивается 25 кВт, но может доходить до 200 кВт. Нижняя граница мощности, с которой при современном развитии силовых полупроводниковых приборов целесообразно создавать тиристорные преобразователи, - 4 кВт. В дальнейшем по мере увеличения единичной мощности силовых транзисторов, эта граница будет перемещаться в сторону больших мощностей. Преобразователи повышенной частоты в ЭТУ могут применяться и во вспомогательных целях .

Кроме ЭТУ преобразователи повышенной частоты могут применяться также в качестве ИП высокоскоростных электродвигателей, бортовых сетей подвижных объектов, ламп люминесцентного освещения и в радиотехнике в качестве передатчиков сверхдлинноволнового диапазона .

Перспектива развития тиристорных преобразователей повышенной частоты, их применение в электротехнологических установках в большой степени определяется прогрессом в области создания частотных вентилей .

Такие полупроводниковые приборы как тиристоры с комбинированным выключением, арсенидогалливые тиристоры позволяют повысить частотный предел применения инверторов, имеющих сравнительно простые силовые схемы, а также применить новые схемные решения .

–  –  –

1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИНДУКЦИОННО-НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ

УСТАНОВОК

КЛАССИФИКАЦИЯ ИНДУКЦИОННЫХ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

1.1 .

УСТАНОВОК И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Установки диэлектрического нагрева образуют отдельную группу установок, работающих на высоких и сверхвысоких частотах. Они разнообразны по назначению и исполнению. В качестве источников питания применяются ламповые генераторы. Эти установки предназначены главным образом для нагрева диэлектриков и полупроводниковых материалов при получении синтетических материалов из пресс-порошков, склейке, сушке, сварке пластиков и других видах обработки непроводниковых материалов .

При диэлектрическом нагреве используются частоты от сотен килогерц до сотен мегагерц. Преимуществом нагрева материалов в поле конденсатора является выделение теплоты непосредственно внутри нагреваемого объекта за счет поляризации (токов смещения) .

1.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛОВ .

При прохождении по проводнику переменного тока, около него создаётся переменное электромагнитное поле. В куске металла, помещенном в этом поле, индуктируются токи, частота которых совпадает с частотой первичного тока. Прохождение индуктированного электрического тока вызывает нагрев металла. Нагрев металла описанным способом называется индукционным, а проводник, по которому пропускается электрический ток, – индуктирующим проводником (проводом). Индуктирующий провод может быть изготовлен из любого хорошо проводящего материала, и ему может быть придана любая форма. Чаще всего он навивается из прямоугольных медных трубок в виде цилиндрических спиралей. Внутри спиралей устанавливается нагреваемая заготовка. Для уменьшения тепловых потерь между индуктирующим проводом и заготовкой помещается изоляция из жароупорных теплоизоляционных материалов. Для отвода тепла, выделяющегося при прохождении тока по медной трубке, образующей индуктирующий провод, пропускается вода. Индуктирующий провод, жароупорная футеровка, шланги, через которые подаётся вода, изоляционные бруски для крепления провода, контактные пластины объединяются в единое устройство, называемое индуктором .

Основой метода индукционного нагрева металлов является поверхностный эффект. Он выражается в неравномерном распределении тока по сечению проводника, при котором наибольшая плотность тока наблюдается у одной из поверхностей проводника .

Рассмотрим поверхностный эффект на примере падения плоской электромагнитной волны на полуограниченное металлическое тело с плоской поверхностью. Будем считать, что размеры поверхности и глубина тела бесконечны, а его физические свойства - магнитная проницаемость µ и удельное сопротивление - постоянны во всех точках .

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Рассмотрим формулы, описывающие электромагнитные процессы в индукционных системах с конечным поперечным сечением. Чтобы не усложнять вопрос учетом краевых эффектов, рассмотрим отрезок а системы бесконечной длины (рис.1.3)[3] .

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Если в индукторе находится одна заготовка, длина её для обеспечения равномерного нагрева концов и середины должна быть несколько меньше длины индуктора .

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Таким образом, при увеличении отношения диаметра нагреваемой заготовки к «горячей» глубине проникновения тока электрический КПД возрастает, а термический КПД убывает. Это обстоятельство позволяет для каждого диаметра заготовки установить полосу частот тока, в пределах которой полный КПД имеет достаточно высокое значение. При обычном индукционном нагреве КПД будет достаточно высоким, если отношение диаметра нагреваемой заготовки к «горячей» глубине проникновения тока лежит в пределах от 3,5 до 5. В отдельных случаях, когда нежелательно вводить дополнительную частоту тока, диапазон нагреваемых диаметров может быть расширен .

–  –  –

1.4. ПРИБЛИЖЁННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА И

УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ПРИ СКВОЗНОМ НАГРЕВЕ

ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК .

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com установок малой производительности, предназначенных для термообработки широкой номенклатуры деталей .

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОМУ РАЗДЕЛУ

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

2. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ИНДУКТОРОВ СКВОЗНОГО НАГРЕВА СПЛОШНЫХ

ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЗАГОТОВОК .

2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ИНДУКТОРА КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ .

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com b – ширина витка .

2.3. ВЫБОР ДЛИНЫ И ЧИСЛА ВИТКОВ ИНДУКТОРА

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

3. РАСЧЕТ ИНДУКТОРОВ ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

4. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ УСТАНОВОК ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТИРИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ЧАСТОТЫ

–  –  –

5. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ КАК СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

5.1. СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАГРУЗКИ И

ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ

–  –  –

однонаправленное движение положительных ионов газа к поверхности детали, преобразователь должен формировать на нагрузке знакопостоянное напряжение. На ВАХ

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com хода, поэтому источник питания должен обладать специфическими характеристиками. С одной стороны ограничивать ток при коротком замыкании, с другой стороны обеспечивать динамичный подвод мощности к нагрузке для разрыва кромок в момент инициирования разряда либо при самопроизвольном касании кромок в процессе сварки. Удовлетворять столь сложным требованиям при мощности установки сотни киловатт - единицы мегаватт и необходимости формирования знакопеременного напряжения на однофазном сварочном трансформаторе можно лишь при рациональном построении силовой схемы и системы управления источника питания .

Высоковакуумный дуговой разряд (ВДР) используется в ряде электротехнологических установок напыления, в установках упрочения поверхности изделия за счет ионно-плазменного осаждения покрытия .

Специфика ВДР проявляется в его нестабильности при достаточно малых токах (десятки ампер) и сложности инициировании самостоятельного разряда в вакууме (зажигания разряда) .

Статическая характеристика ВДР близка к линейной, однако действие возмущающих факторов приводит к тому, что напряжение при разряде при постоянном токе значительно (в десятки раз) меняется. Таким образом, ВДР является высокодинамичной нагрузкой с резко переменными параметрами .

При этом источник питания должен обеспечить зажигание разряда, а для стабилизации разряда иметь выходные характеристики, близкие к характеристикам источника тока не только в статике, но и в динамике .

Для проведения технологического процесса при различной загрузке камеры напыления деталями либо при различных напыляемых материалах необходимо обеспечить регулирование тока разряда в диапазоне от десятков до сотен ампер при мощности источника питания, равной единицам киловатт .

В лазерных электротехнологических установках непрерывного действия характеристики источника питания не столь жестко связаны с качеством конечной продукции, поскольку в цепи преобразователя энергии между источником питания и обрабатываемой деталью присутствует дополнительный блок, преобразующий электрическую энергию в энергию когерентного излучения с заданными параметрами .

Для лазеров с быстрой прокачкой рабочей смеси ВАХ возрастающая, причем напряжение с ростом давления газа уменьшается. Для лазеров с медленной прокачкой ВАХ падающая, что соответствует наличию отрицательного динамического сопротивления в схеме замещения. В лазерах с медленной прокачкой характеристики разряда достаточно стабильные, уровень питающего напряжения составляет десятки киловольт, при выходной мощности источника питания до 100 киловатт .

Для лазеров с быстрой прокачкой рабочей смеси уровень напряжения составляет единицы киловольт при той же мощности. Характеристики разряда менее стабильные, чем у лазеров с медленной прокачкой .

Рассмотренные режимы работы ЭТУ не охватывают всех возможных вариантов, однако они отражают наиболее характерные особенности работы

–  –  –

отсутствие накопления в нем энергии при любых возможных режимах работы. При этом источник питания должен обеспечивать лишь одностороннюю передачу энергии из первичной сети в нагрузку, что упрощает требования, предъявляемые к нему [4] .

–  –  –

должна быть выходная характеристика источника питания, чтобы поддерживать в течение длительного времени непрерывный газовый разряд при заданных параметрах .

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com неуправляемым. Последнее позволяет обеспечить хорошие энергетические характеристики источника питания во всех возможных режимах его работы .

Учитывая перечисленные особенности электротехнологических установок, предназначенных для работы на газоразрядный промежуток и требования, предъявляемые к источникам питания, в дальнейшем будем рассматривать лишь преобразователи повышенной частоты с принудительной коммутацией тиристоров .

5.3. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ НА БАЗЕ

ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТИРИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

В зависимости от требований, предъявляемых нагрузкой (постоянный, переменный, импульсный ток и т.д.) возможны различные способы построения силовой схемы источника питания с падающей ВАХ, созданными введением цепи обратной связи по току [4]. Однако, возможность реализации источника питания с заданными частотными, статическими, динамическими, энергетическими и массогабаритными характеристиками во многом определяется типом ключевого элемента, на базе которого строится силовая схема источника питания. Ключевым элементом силовой схемы различных преобразователей с уровнем выходной мощности более нескольких киловатт обычно являются тиристоры. При частотах, превышающих частоту промышленной сети, необходимо использовать специальные устройства принудительной коммутации тиристоров, которые в основном и определяют характеристики ключевого элемента. Поэтому целесообразно выявить перспективность использования в электротехнологических установках с газовым разрядом различных способов коммутации .

Все многообразие устройств принудительной коммутации тиристоров можно разделить на три большие группы:

- устройства последовательной коммутации;

- устройства параллельной коммутации;

- устройства с естественной коммутацией тока вследствие спада его до нуля путем соответствующей организации контура нагрузки .

Третий тип коммутации характерен для последовательных инверторов .

Устройства последовательной и параллельной коммутации обязательно содержат дополнительные контуры для протекания коммутирующего тока, минуя нагрузку. В устройствах параллельной коммутации нередко одним из элементов контура является силовой тиристор. При этом через него на определенных этапах протекает коммутирующий ток и ток нагрузки, что делает более тяжелым режим его работы, особенно на повышенных частотах .

В устройствах последовательной коммутации напряжение на элементах схемы повышенное, поскольку необходимо включение последовательно с силовым тиристором коммутирующего конденсатора, напряжение на котором должно превышать напряжение питающей сети в течение времени восстановления управляющих свойств основного тиристора. Известно, что

–  –  –

Работа схемы на нагрузку, шунтированную обратным диодом, нашла наиболее широкое применение.

Последнее обусловлено следующими факторами:

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com ячеек одинаков. Это особенно ценно при промышленном производстве источников питания, поскольку позволяет набрать требуемую мощность источника питания с помощью оптимальных базовых ячеек .

Отмеченные особенности преобразователей с дозированной передачей энергии в нагрузку определяют перспективность использования устройств, построенных на базе

–  –  –

переменными параметрами, изменяющимися вплоть до короткого замыкания. Простота управления, естественная коммутация тока при перезаряде дозирующего конденсатора до значения равного напряжению источника питания, определяют высокую надежность

–  –  –

предварительного заряда дозирующего конденсатора. Отключение осуществляется прекращением подачи управляющих импульсов на тиристоры. Аналогичными свойствами обладает и преобразователь, построенный на базе последовательного инвертора с

–  –  –

Рис.6.5. Схема преобразователя с согласующим высокочастотным трансформатором выпрямителем на выходе. Например, по схеме рис.6.5, что позволяет осуществить потенциальную развязку нагрузки и источника питания, а также согласование напряжения

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Мгновенное значение тока через тиристоры, конденсатор и реактор выше мгновенного тока нагрузки на ток диода VD6 .

Условия запирания тиристоров преобразователя на рис.6.6 аналогичны условиям запирания тиристоров преобразователя на рис.6.3, что определяет высокие частотные возможности схемы .

Регулирование напряжения в преобразователе на рис.6.6 производится частотно-импульсным способом, поэтому наиболее эффективно его использование при небольшом диапазоне регулирования напряжения на нагрузке .

ВЫВОДЫ ПО ШЕСТОМУ РАЗДЕЛУ

1. Регулирование выходного напряжения преобразователя с перезарядом дозирующего конденсатора током нагрузки осуществляется частотноимпульсным способом. При этом энергия, передаваемая в нагрузку на каждом периоде модуляции, ограничена и определяется емкостью дозирующего конденсатора и амплитудой напряжения на его обкладках .

2. Недостатком преобразователя является сильная зависимость длительности импульсов выходного напряжения, а следовательно и частоты модуляции, от нагрузки. При активной нагрузке процессы носят апериодический характер, что усложняет коммутационные процессы в преобразователе. При этом схемы на рис.6.1-6.5 могут оказаться неработоспособными .

3. Указанного недостатка в значительной мере лишены преобразователи с комбинированным перезарядом дозирующего конденсатора. Строго говоря, такие преобразователи не являются дозаторами энергии, однако максимальная энергия, передаваемая в нагрузку, ограничена. Режимы работы элементов преобразователей с комбинированным перезарядом конденсатора и перезарядом током нагрузки близки, поэтому их также относят к преобразователям с дозированной передачей энергии в нагрузку .

4. Регулирование напряжения в преобразователе с комбинированным перезарядом конденсатора производится частотно-импульсным способом, поэтому наиболее эффективно его использование при небольшом диапазоне регулирования напряжения на нагрузке .

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

ЧАСТЬ 3. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ НА

ОСНОВЕ ЛАЗЕРОВ И ИХ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

7. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ЛАЗЕРЫ)

7.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРОВ

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Процесс перевода в атомов в метастабильное состояние осуществляется с помощью подсветки разрядной трубки и представляет собой процесс заселения метастабильного уровня. При вспышке разрядной трубки, подключенной к источнику питания, возбуждается активный элемент

– рубиновый стержень. Возникший в нем луч увеличивается, многократно отразившись от зеркал, и выходит через поверхность, частично отражающую свет в виде когерентного светового излучения. Когерентным называют излучение с одной частотой, одним направлением и с одинаковыми фазами или с постоянной разностью фаз .

Основные процессы, происходящие в активном веществе лазера при его освещении импульсной вспышкой, показаны на рисунке 7.1 .

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com активной среды, что приводит к снижению эффективности преобразования световой энергии в энергию возбуждения среды .

При газоразрядном способе возбуждения активные частицы рабочего тела подвергаются воздействию поддерживаемого в нем электрического разряда. Заселение уровней осуществляется в результате столкновения частиц среды между собой, а также с электронами газового разряда .

Правильно выбирая среднюю энергию электронов путем изменения электрического поля и давления газа в разряде, можно добиться эффективного возбуждения активных частиц и осуществить инверсию в больших объемах .

При газодинамическом способе инверсная заселенность среды получается при резком расширении предварительно нагретого рабочего тела с равновесной заселенностью уровней. Этот способ отличается от других способов возбуждения тем, что преобразование тепловой энергии в энергию излучения осуществляется непосредственно без использования электрической энергии. Благодаря возможности получения больших расходов смеси газодинамический способ используется при создании технологических лазеров повышенной мощности .

При химическом способе образование и возбуждение активных частиц среды происходит в результате неравновесных химических реакций .

Основное достоинство данного метода накачки – возможность его осуществления без источников теплоты и электрической энергии .

7.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com выход выпрямителя подключена батарея конденсаторов С1. Параллельно конденсаторам подключен киловольтметр PV1. Напряжение на конденсаторах подается через блокировочные контакты SA2 на две импульсные лампы Н1. Контакты SA2 управляются от двери шкафа, в котором размещены конденсаторы. При открывании шкафа конденсаторы через резистор R2 разряжаются на землю. В рабочем состоянии импульсные лампы все время подключены к заряженным конденсаторам, однако, это не приводит к их вспышке, так как требуемое пробивное напряжение значительно выше. Для обеспечения вспышки лампы служит система зажигания. Она работает следующим образом: напряжение от сети подается на трансформатор Т3, с выходной обмотки которого снимается напряжение до 1000 В. Выпрямленным током заряжается конденсатор С2. После включения кнопки пуска SB1, установленной на пульте управления,

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com что изображено на рисунке, то добротность резонатора Q равна 0, в этом случае стимулированного излучения быть не может, хотя возможно перевести все ионы хрома в возбужденное состояние, то есть осуществить накачку активного вещества энергией. Если теперь резко перевести правое зеркало в положение, когда оно станет перпендикулярно оси активного вещества, то добротность резонатора станет максимальной. В стержне мгновенно возникает генерация. Вся энергия, запасенная в возбужденных ионах активного вещества, высвобождается в одном коротком импульсе длительностью 10-9 с .

Помимо вращающихся зеркал, в качестве оптических затворов используются различные ячейки. В качестве оптических затворов используют просветляющие фильтры. Их действие основано на том, что они меняют свою прозрачность под действием светового потока. Один из таких фильтров работает следующим образом: он сделан в виде кюветы с раствором металлической соли фталоциана, которая помещается между стержнем лазера и одним из зеркал. Раствор сильно поглощает свет на частоте генерации рубина, поэтому усиление света с помощью резонаторов не происходит (добротность резонатора равна 0). В это время осуществляется накачка активного вещества. Когда энергия накачки увеличится до значения, при котором усиление рубина превысит потери на поглощение в растворе фталоциана, лазер начнет довольно слабо излучать когерентный свет .

Небольшое количество этого дополнительного света оказывается достаточным для обесцвечивания раствора настолько, чтобы он стал совершенно прозрачным. В этот момент сразу пойдет резкое увеличение генерации, и вся накопленная энергия будет мгновенно испущена в виде мощного импульса. После этого раствор быстро возвращается в свое исходное состояние и вновь готов для образования следующего импульса .

7.8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ

Требования к промышленным технологическим лазерам [1,9] .

Технологический лазер представляет собой устройство, предназначенное для работы в составе комплекса промышленного оборудования, производящего изделия машиностроения, приборостроения или материалы с заданными физическими или химическими характеристиками. Поэтому технологические лазеры должны удовлетворять, во-первых, общим требованиям, предъявляемым к любому промышленному технологическому оборудованию; во-вторых, - специфическим требованиям, предъявляемым со стороны лазерного технологического процесса или связанным с особенностями лазерного луча как рабочего инструмента. Для выполнения этих требований технологический лазер должен обладать соответствующими параметрами конструкции и рабочего тела, быть PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com полностью автоматизированным, являться составной частью автоматизированного лазерного технологического комплекса. Конструкция технологического лазера и условия его эксплуатации должны обеспечивать полную безопасность в его работе и удовлетворять гигиеническим, экологическим и эстетическим требованиям. Особой группой условий промышленного применения технологических лазеров является техникоэкономическая целесообразность использования каждого конкретного вида лазерной технологии при изготовлении определенных промышленных изделий. Этот вопрос должен всегда рассматриваться, во-первых, применительно к текущему состоянию промышленной технологии и, вовторых, в перспективе на ближайшие годы .

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com сварка, резка, пробивка отверстий и др. Интенсивность излучения на поверхности составляет от 0,5104 до 108 Вт/см2, средняя мощность излучения

– от 0,5 до 5 кВт. В случае процессов селективной атомно-молекулярной лазерной технологии пиковая мощность достигает 108… 1010 Вт .

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com которого wL2 на порядок выше сопротивления wL1 силового трансформатора Т1 .

Схемы ТТ, приведенные на рис.8.3б, в позволяют повысить напряжение хх источника без заметного увеличения его установленной мощности. В цепь подпитки введена дополнительная обмотка силового трансформатора Т1. В схеме рис.8.3б дополнительная обмотка и дроссель подпитки включены последовательно и согласно с основной вторичной обмоткой трансформатора Т1. В схеме рис.8.3в дополнительная обмотка и дроссель подпитки включены параллельно нагрузке ИП. Напряжение параллельно включенной цепи подпитки U’20 выше напряжения U20, что исключает возможность включения тиристоров на хх; во время сварки основная и подпиточная цепи развязаны дуговым падением напряжения .

Дополнительная обмотка и дроссель в схемах рис.8.3б,в могут быть заменены отдельным трансформатором с напряжением хх U’20 и требуемым реактивным сопротивлением или обмоткой силового трансформатора, имеющей слабую магнитную связь с первичной обмоткой .

На рис.8.3г,д представлены схемы ТТ с цепью подпитки ФР в цепи первичной обмотки силового трансформатора. Непосредственное шунтирование тиристоров дросселем (или резистором в трансформаторе малой мощности) снижает напряжение первичной обмотки сварочного трансформатора в интервалы непроводимости тиристоров, что отрицательно влияет на устойчивость горения дуги. Для устранения этого явления может быть использован вспомогательный трансформатор Т2 (рис 8.3г) или автотрансформаторная система с дросселем (рис 8.3д) .

8.3. Трансформаторы с прерывистым питанием дуги

На рис 8.4 приведены схемы ТТ, в которых цепь подпитки исключена и режим горения дуги прерывистый .

В ТТ по схеме 8.4а параллельно первичной обмотке силового трансформатора включена цепь, состоящая из конденсатора и дополнительной импульсной обмотки трансформатора, причем дополнительная обмотка расположена в зоне вторичной обмотки силового трансформатора, например намотана на нее, чтобы обеспечить достаточную магнитную связь между этими двумя обмотками. При включении любого из тиристоров, конденсатор заряжается до текущего значения сетевого напряжения. Зарядный ток конденсатора проходит по дополнительной обмотке, трансформируется во вторичную цепь силового трансформатора и вызывает в дуговом промежутке импульс напряжения, достаточный для повторного возбуждения дуги. По окончании периода проводимости тиристора дуга гаснет, конденсатор разряжается на первичную обмотку силового трансформатора .

В следующий полупериод сетевого напряжения включается второй тиристор фазорегулятора, конденсатор заряжается в обратном направлении, PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com генерации высоковольтных импульсов, обеспечивающих первоначальное зажигание и повторное возбуждение дуги. В момент включения тиристора зарядный ток конденсатора С наводит во вторичной обмотке высоковольтного трансформатора Т2 импульс высокого напряжения, достаточный для пробоя межэлектродного промежутка. Конденсатор Сф защищает ИП от перенапряжения .

–  –  –

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

7.4. Лазеры твердотельные с оптической накачкой………………………….80

7.5. Функциональная схема твердотельного лазера………………………….80

7.6. Принципиальная схема питания………………………………………….81

7.7. Оптические затворы……………………………………………………….82

7.8. Технологические лазеры…………………………………………………..83

8. ТИРИСТОРНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ……………………………………...87

8.1. Классификация тиристорных трансфоматоров………………………….87

8.2. Трансформаторы с цепью подпитки……………………………………...89

8.3. Трансформаторы с прерывистым питанием дуги………………………..90 Рекомендуемая литература………………………………………………………...95 Контрольные вопросы по дисциплине “Электротехнологические установки и их источники питания” ……………………………………………………………….96 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

73. Начертите принципиальную схему тиристорного трансформатора с повышенным напряжением холостого хода (с дополнительной обмоткой силового трансформатора) и цепью подпитки .

74. Начертите принципиальную схему тиристорного трансформатора, дополнительная обмотка и дроссель подпитки которого включены параллельно нагрузке .

75. Начертите две схемы тиристорных трансформаторов с цепью подпитки фазорегулятора в цепи первичной обмотки: с вспомогательным трансформатором и автотрансформаторную схему с дросселем .

76. Начертите принципиальную схему тиристорного трансформатора с цепью импульсной стабилизации горения дуги, состоящей из конденсатора и дополнительной импульсной обмотки трансформатора .

77. Начертите принципиальную схему тиристорного трансформатора с дополнительным импульсным трансформатором .

78. Начертите принципиальную схему тиристорного трансформатора с устройством генерации высоковольтных импульсов, включенным в цепи вторичной обмотки .

79. Чему равна длительность стабилизирующего импульса?

80. От чего зависят параметры стабилизирующего импульса?




Похожие работы:

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Школа – Инженерно-ядерной технологии Направление подготовки – Физика конденсированного со...»

«Вестник ТГПУ (TSPU Bulletin). 2018. 6 (195) УДК 81’42; 801.7 DOI 10.23951/1609-624X-2018-6-16-23 ПРАГМАТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ НАУЧНОГО ДИСКУРСА (КОНТЕНТ-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГЛАВИЙ ДИССЕРТАЦИЙ) Н. В. Скрипченко1, 2, Н. А. Мишанкина1 Национальный исследовательский Томский поли...»

«Каракозов Батыржан Кумекбаевич СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГЕТЕРОФАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО КЛАССА НА ОСНОВЕ Ti-Al-Nb, ПОЛУЧЕННЫХ SPS СПЕКАНИЕМ Специальность 05.16.09 Материаловедение (в машиностроении) АВТОРЕФЕРАТ диссертац...»

«ФЭИ-1271 ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ l. Г. БУЛЬКАНОВ, А. С. КРУГЛОВ, В. И. МОСЕЕВ Методы механических испытаний материалов в ядерном реакторе БР-1О 4 . Устройства с передачей нагрузки крутящим моментом. Обнинск — 1982 УДК 621.039.55 M. Г. Бульканов, А. С. Круглев,...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Школа базовой инженерной подготовки Специальность 38.05.02 "Таможенное дело" Отделение социа...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ пнет ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ 238— СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИСТЕМА ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ ВОЗДУШ НЫ...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Школа инженерного предпринимательства Направл...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.