RU2698905C1

RU2698905C1 - Power supply of direct-current electric arc plasmatron

Info

Publication number: RU2698905C1
Application number: RU2018139018A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Голиков
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2019-09-02

Abstract

FIELD: electric engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used in power circuits of powerful electric arc gas heaters (plasmatrons) intended for operation on direct current. Power supply source of direct-current electric arc plasmatron connected to industrial alternating current network includes rectifier and ballast load stabilizing arcing discharge current. As a ballast load there used are inductance coils installed between phases of an industrial alternating current network and a rectifier, at that the inductance coils have a number of contacts with different values of inductive resistance for selection of operating current of the plasmatron.

EFFECT: technical result is simplification of design of power supply source of electric arc plasmatron providing minimization of active electric power losses.

1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в схемах силового электропитания мощных электродуговых нагревателей газа (плазмотронов), предназначенных для работы на постоянном токе.The present invention relates to the field of electrical engineering and can be used in power supply circuits of powerful electric arc gas heaters (plasmatrons), designed to operate on direct current.

Плазмотроны постоянного тока являются наиболее распространенными источниками высокотемпературных газовых сред. В литературе им посвящено много исследований, достигнутые характеристики плазмотронов, в том числе ресурс их работы, позволяют использовать их для широкого круга не только исследовательских, но и промышленных задач. Использование постоянного тока позволяет без проблем использовать магнитные катушки для монотонного перемещения дуги по поверхности электродов, что необходимо для снижения эрозии электродов и увеличения времени их жизни.DC plasma torches are the most common sources of high-temperature gas environments. A lot of research is devoted to them in the literature, the achieved characteristics of plasmatrons, including the resource of their work, make it possible to use them for a wide range of not only research, but also industrial tasks. The use of direct current makes it possible to use magnetic coils for monotonous movement of the arc along the surface of the electrodes, which is necessary to reduce erosion of the electrodes and increase their lifetime.

Известно, что в дуговых плазмотронах вольт-амперная характеристика дугового разряда чаще всего является падающей, то есть напряжение на дуге уменьшается с ростом дугового тока. Для устойчивой работы данных изделий источник их силового электропитания должен обладать свойствами стабилизации тока в цепи дугового разряда, что может быть обеспечено в случае его круто падающей вольт-амперной характеристики. Условие устойчивой работы плазмотрона может быть выражено соотношением:

где

характеризует зависимость напряжения источника питания (U_ист) от тока (I), а

характеризует зависимость напряжения на дуговом разряде (U_дуги) от тока (I). В случае использования наиболее распространенных источников питания с жесткой внешней характеристикой (когда напряжение мало зависит от тока), для устойчивой работы необходимо в электрическую цепь последовательно с дуговым разрядом вводить балластное сопротивление, что подробно описано в литературе, например [Ф.Б Юревич, B.C. Куликов. Электродуговой нагрев газа. «Наука и техника», Минск, 1973, 192 с.; А.С. Коротеев. Электродуговые плазмотроны. Москва, «Машиностроение», 1980, 174 с.; М.Ф. Жуков, В.Я. Смоляков, Б.А. Урюков. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). Москва, «Наука», 1973, 232 с.]. Введение активного балласта в цепь дугового разряда приводит к ряду отрицательных свойств плазмотронной установки. Во-первых, снижается эффективность использования энергии питающей сети для нагрева газа (мощность, выделяемая на балласте, бесполезно теряется). Во-вторых, сужается диапазон возможных режимов работы плазмотрона, так как балласт ограничивает напряжение на дуговом разряде. Наконец, само балластное сопротивление при больших мощностях требует организации отвода тепла от него, что усложняет инфраструктуру плазмотронной установки.It is known that in arc plasmatrons the current-voltage characteristic of an arc discharge is most often falling, that is, the voltage across the arc decreases with increasing arc current. For the stable operation of these products, the source of their power supply must have the properties of stabilizing the current in the arc discharge circuit, which can be ensured in the case of a steeply falling current-voltage characteristic. The condition for stable operation of the plasma torch can be expressed by the ratio:

Where

characterizes the dependence of the voltage of the power source (U _East ) from the current (I), and

characterizes the dependence of the voltage at the arc discharge (U _arc ) from the current (I). In the case of using the most common power supplies with a rigid external characteristic (when the voltage depends little on current), for stable operation it is necessary to introduce ballast resistance in series with the arc discharge, which is described in detail in the literature, for example [F.B Yurevich, BC Kulikov . Electric arc gas heating. “Science and Technology”, Minsk, 1973, 192 p .; A.S. Koroteev. Arc plasma torches. Moscow, "Engineering", 1980, 174 p .; M.F. Zhukov, V.Ya. Smolyakov, B.A. Uryukov. Electric arc gas heaters (plasmatrons). Moscow, Nauka, 1973, 232 pp.]. The introduction of active ballast into the arc discharge circuit leads to a number of negative properties of the plasmatron installation. Firstly, the energy efficiency of the supply network for heating gas is reduced (the power allocated to the ballast is uselessly lost). Secondly, the range of possible operating modes of the plasma torch is narrowed, since the ballast limits the voltage at the arc discharge. Finally, ballast resistance at high powers requires the organization of heat removal from it, which complicates the infrastructure of the plasma torch installation.

В источнике CN 107006087 А, 01.08.2017 вместо активного балласта в цепи дугового разряда используется балластный индуктор, причем для стабилизации дугового тока используется обратная связь по току для управления периодическими отключениями силового выпрямителя. На больших мощностях такая схема представляется ненадежной, так как в ней будут возникать большие скачки напряжения на переходных режимах.In the source CN 107006087 A, 08/01/2017 instead of active ballast in the arc circuit, a ballast inductor is used, and to stabilize the arc current, current feedback is used to control periodic shutdowns of the power rectifier. At high powers, such a circuit seems unreliable, since large voltage surges during transient conditions will appear in it.

Существует достаточно много изобретений, в которых задача получения источника питания с круто падающей характеристикой решается за счет различных схем специального управления силовыми выпрямительными устройствами. Например, в описании к патенту RU 2389055 С2, 10.05.2010 представлена довольно сложная схема автоматического регулирования режима работы плазмотрона с использованием управляемых тиристорных выпрямителей, обеспечивающих режим стабилизации тока. В патенте RU 2523066 С1, 20.07.2014 для аналогичных целей предложен регулирующий коммутатор, который производит последовательное или параллельное включение тиристорных выпрямителей. Необходимо отметить, что в случае больших токов использование схем с переключениями в процессе работы всегда снижает надежность источника питания, так как вызывает нежелательные переходные процессы и броски напряжения.There are many inventions in which the task of obtaining a power source with a steeply falling characteristic is solved by various schemes of special control of power rectifier devices. For example, in the description of the patent RU 2389055 C2, 05/10/2010 a rather complicated scheme of automatic control of the plasma torch operating mode using controlled thyristor rectifiers providing a current stabilization mode is presented. In patent RU 2523066 C1, 07/20/2014 for similar purposes, a regulatory switch is proposed that produces a series or parallel connection of thyristor rectifiers. It should be noted that in the case of high currents, the use of circuits with switching during operation always reduces the reliability of the power source, as it causes undesirable transients and voltage surges.

В авторском свидетельстве SU 598274, 21.02.1978 представлено устройство для запуска и питания плазменно-дуговой установки постоянного тока, в котором необходимые параметры источника питания обеспечиваются за счет индуктивных дросселей и емкостей, которые установлены до выпрямителя и образуют резонансную цепь на частоте питающей сети, причем в эту цепь включена также обмотка трансформатора цепи зажигания дуги, сопротивление которой зависит от тока в цепи дугового разряда. Таким образом, режим работы плазмотрона в данном изобретении определяется параметрами цепи переменного тока до выпрямительного устройства. Но так как плазмотроны в принципе являются многорежимными устройствами, то недостатком упомянутого изобретения, помимо сложной конструкции устройства, является невозможность регулировки тока плазмотрона в пределах его рабочего диапазона.In the copyright certificate SU 598274, 02.21.1978 a device for starting and powering a plasma-arc direct current installation is presented, in which the necessary parameters of the power supply are provided by inductive chokes and capacitors that are installed up to the rectifier and form a resonant circuit at the frequency of the mains, this circuit also includes the winding of the transformer of the arc ignition circuit, the resistance of which depends on the current in the arc discharge circuit. Thus, the mode of operation of the plasma torch in this invention is determined by the parameters of the AC circuit to the rectifier device. But since plasmatrons are, in principle, multi-mode devices, the disadvantage of the aforementioned invention, in addition to the complex design of the device, is the inability to adjust the plasma torch current within its operating range.

Регулировку тока плазмотрона за счет реактивных элементов (балластной нагрузки в виде конденсаторов), установленных до выпрямителя можно осуществлять в соответствии с техническим решением, представленным в авторском свидетельстве SU 1712089 А1, 15.02.1992, которое служит прототипом предлагаемого изобретения. В изобретении, известном из SU 1712089 А1, 15.02.1992, обратная связь по дуговому току использована для коммутации параллельно установленных управляемых секций выпрямителя, к которым со стороны питающей сети подключены емкости различных номиналов. Суммарный ток через плазмотрон, который складывается из токов отдельных выпрямителей, будет определяться величиной подключенных к ним емкостей. Однако для мощных плазмотронов, работающих на токах в сотни ампер, техническое решение по SU 1712089 А1, 15.02.1992 представляется довольно сложным, дорогим и громоздким устройством, в первую очередь из-за необходимых параметров емкостных балластов, подключаемых к выпрямителям.The current adjustment of the plasma torch due to reactive elements (ballast load in the form of capacitors) installed before the rectifier can be carried out in accordance with the technical solution presented in the copyright certificate SU 1712089 A1, 02.15.1992, which serves as a prototype of the invention. In the invention, known from SU 1712089 A1, 02.15.1992, arc current feedback was used to switch parallel mounted rectifier sections to which capacities of various ratings were connected from the mains side. The total current through the plasma torch, which is composed of the currents of the individual rectifiers, will be determined by the value of the capacities connected to them. However, for powerful plasmatrons operating at currents of hundreds of amperes, the technical solution according to SU 1712089 A1, 02.15.1992 seems to be a rather complicated, expensive and bulky device, primarily because of the necessary parameters of capacitive ballasts connected to rectifiers.

Целью предлагаемого технического решения является создание простого и надежного источника питания для мощных плазмотронов постоянного тока, который обеспечивает эффективное использование электрической мощности питающей сети.The aim of the proposed technical solution is to create a simple and reliable power source for powerful DC plasmatrons, which ensures the efficient use of the electrical power of the supply network.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении конструкции источника питания электродугового плазмотрона постоянного тока, обеспечивающего минимизацию потерь активной электрической мощности.The technical result of the invention is to simplify the design of the power source of the DC arc plasma torch, which minimizes the loss of active electric power.

Для достижения цели и обеспечения технического результата предлагается источник питания электродугового плазмотрона постоянного тока, подключаемый к промышленной сети переменного тока, содержащий выпрямитель и балластную нагрузку, стабилизирующую ток дугового разряда. В качестве балластной нагрузки использованы катушки индуктивности, установленные между фазами промышленной сети переменного тока и выпрямителем, при этом катушки индуктивности имеют ряд контактов с различными номиналами индуктивного сопротивления для выбора рабочего тока плазмотрона.To achieve the goal and ensure a technical result, a power supply for a DC electric arc plasma torch is proposed, connected to an industrial AC network, containing a rectifier and a ballast load stabilizing the arc discharge current. The inductance coils installed between the phases of the industrial AC mains and the rectifier are used as the ballast load, while the inductors have a number of contacts with different inductance ratings to select the operating current of the plasma torch.

Между промышленной сетью переменного тока и катушками индуктивности могут быть дополнительно установлены емкостные устройства компенсации реактивной мощности и/или преобразователь частоты, повышающий частоту питающей сети.Between the industrial AC network and inductors, capacitive reactive power compensation devices and / or a frequency converter can be installed to increase the frequency of the supply network.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании индуктивных балластов (катушек индуктивности) с переключаемым номиналом индуктивностей в источниках питания мощных плазмотронов постоянного тока. Для этого каждая катушка индуктивности подключается к своей фазе промышленной сети переменного тока, при этом катушки расположены между фазами сети и выпрямителем. Балластные нагрузки между выпрямителем и дуговым плазмотроном не требуются, между ними может устанавливаться фильтр для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Для уменьшения требующихся номиналов катушек индуктивности и соответствующего снижения их весов и габаритов, между катушками индуктивности и питающей сетью может быть установлен преобразователь частоты (инвертор), позволяющий поднять частоту тока, протекающего через катушки индуктивности, при этом максимальная частота выбирается из условия сохранения работоспособности выпрямительного устройства, к которому подключены катушки индуктивности.The essence of the invention lies in the use of inductive ballasts (inductors) with a switchable inductance rating in power supplies of powerful DC plasmatrons. To do this, each inductor is connected to its phase of the industrial AC network, while the coils are located between the phases of the network and the rectifier. Ballast loads between the rectifier and the arc plasmatron are not required, a filter can be installed between them to smooth the ripple of the rectified voltage. To reduce the required values of the inductance coils and a corresponding reduction in their weights and dimensions, a frequency converter (inverter) can be installed between the inductors and the mains, allowing to raise the frequency of the current flowing through the inductors, while the maximum frequency is selected from the condition that the rectifier device remains operational to which inductors are connected.

Изобретение поясняется схемами, показанными на фиг. 1 и фиг. 2.The invention is illustrated by the diagrams shown in FIG. 1 and FIG. 2.

Фиг. 1 - схематично показан источник питания плазмотрона постоянного тока согласно изобретению.FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a power supply for a direct current plasma torch according to the invention.

Фиг. 2 - схематично изображен источник питания плазмотрона постоянного тока с дополнительно установленным преобразователем частоты.FIG. 2 - schematically shows the power source of the DC plasma torch with an additionally installed frequency converter.

Источник питания электродугового плазмотрона 1 постоянного тока, подключаемый к промышленной сети переменного тока с фазами А, В, С, содержит катушки индуктивности 2 и выпрямитель 3 (Фиг. 1 и 2). Катушки индуктивности 2 установлены между фазами А, В, С промышленной сети переменного тока и выпрямителем 3 (Фиг. 1), при этом катушки индуктивности имеют ряд контактов с различными номиналами индуктивного сопротивления для выбора рабочего тока плазмотрона. Схема источника питания плазмотрона 1 постоянного тока может быть дополнена установленными между промышленной сетью переменного тока и катушками индуктивности 2 преобразователем частоты 4 (Фиг. 2) и/или емкостными устройствами компенсации реактивной мощности (стандартные серийно выпускаемые устройства, на чертежах не показаны).The power source of the DC arc plasma torch 1, connected to an industrial AC network with phases A, B, C, contains inductors 2 and a rectifier 3 (Fig. 1 and 2). Inductors 2 are installed between phases A, B, C of the industrial AC network and rectifier 3 (Fig. 1), while the inductors have a number of contacts with different inductance values to select the operating current of the plasma torch. The power supply circuit of the plasma torch 1 direct current can be supplemented by a frequency converter 4 (Fig. 2) and / or capacitive reactive power compensation devices (standard commercially available devices not shown in the drawings) installed between the industrial alternating current network and inductance coils 2 (Fig. 2).

Предлагаемое изобретение работает следующим образом. До включения силового выключателя питающей сети, к выходным фазам выключателя подключены концы обмоток катушек индуктивности 2. Один из контактов промежуточных отпаек катушек или вся катушка целиком (в зависимости от выбираемого рабочего тока) подключаются в каждой фазе к входным клеммам выпрямителя 3, к которому по постоянному току подключен плазмотрон 1. Далее, после подачи расхода рабочего газа и воды охлаждения в плазмотрон 1, включается силовой выключатель питающей сети, и электроды плазмотрона 1 оказываются под рабочим напряжением холостого хода (дуга не горит). Затем включается блок зажигания дугового разряда (стандартное устройство, которое не является предметом предлагаемого изобретения, на фигурах не показано), и плазмотрон 1 начинает работать. Стабилизация переменного тока до выпрямителя 3 за счет использования катушек индуктивности 2 вызывает стабилизацию дугового тока плазмотрона 1 в цепи постоянного тока, причем активная мощность выделяется только на дуговом разряде, ее бесполезные потери практически отсутствуют. Для окончания работы выключается напряжение внешней питающей сети.The present invention works as follows. Before turning on the power circuit breaker of the mains supply, the ends of the windings of the inductance coils 2 are connected to the output phases of the circuit breaker 2. One of the contacts of the intermediate solders of the coils or the entire coil (depending on the selected operating current) is connected in each phase to the input terminals of the rectifier 3, to which the DC the plasma torch 1 is connected to the current. Further, after supplying the flow of working gas and cooling water to the plasma torch 1, the power switch of the power supply is turned on, and the electrodes of the plasma torch 1 are under the operating voltage x low speed (the arc does not burn). Then the ignition unit of the arc discharge is turned on (a standard device that is not the subject of the invention is not shown in the figures), and the plasma torch 1 starts to work. The stabilization of the alternating current to the rectifier 3 through the use of inductors 2 causes stabilization of the arc current of the plasma torch 1 in the DC circuit, and the active power is allocated only on the arc discharge, its useless losses are practically absent. To end the operation, the voltage of the external supply network is turned off.

Предлагаемое изобретение было проверено в работе плазмотрона постоянного тока, работающего на мощностях дугового разряда 30-40 кВт. Дуговой ток - 140-160 А. Зажигание дугового разряда производилось от высоковольтной катушки зажигания с независимым электропитанием. В качестве рабочего тела плазмотрона использовался воздух, а также азот. Плазмотрон устойчиво работал, активная мощность выделялась только на дуговом разряде. При этом диапазон рабочих режимов плазмотрона по расходу газа оказался существенно шире, чем при использовании схемы электропитания с активной балластной нагрузкой в цепи постоянного тока, что говорит об увеличении напряжения, которое обеспечивает предлагаемый источник питания на дуговом разряде плазмотрона.The present invention was tested in the operation of a direct current plasma torch operating at an arc discharge of 30-40 kW. The arc current is 140-160 A. The ignition of the arc discharge was carried out from a high-voltage ignition coil with independent power supply. Air and nitrogen were used as the working fluid of the plasmatron. The plasma torch worked stably, active power was allocated only at the arc discharge. At the same time, the range of operating modes of the plasma torch in terms of gas flow rate was significantly wider than when using a power supply circuit with an active ballast load in the DC circuit, which indicates an increase in voltage, which the proposed power supply for the arc discharge of the plasma torch.

Claims

1. The power source of the DC arc plasma torch, connected to an industrial AC network, containing a rectifier and a ballast load stabilizing the arc discharge current, characterized in that the inductance coils installed between the phases of the industrial AC network and the rectifier are used as the ballast load This inductor has a number of contacts with different ratings of inductive resistance to select the operating current of the plasma torch.

2. The power supply according to claim 1, characterized in that between the industrial AC network and the inductors are additionally installed capacitive reactive power compensation devices and / or a frequency converter that increases the frequency of the supply network.