Генератор дуги

Генератор дуги

Реферат

Предложение относится к области исследования химических и физических свойств вещества и может быть использовано при проведении эмиссионного спектрального анализа вещества.

Известен генератор дуги, включающий питание переменного тока, электрическую цепь генератора, соединяющую электроды дугового разряда с питанием переменного тока, контакторы, подсоединяющие питание переменного тока к электрической цепи генератора, регулируемую электрическую нагрузку, стоящую в электрической цепи и позволяющую устанавливать необходимую силу тока дуги, генератор искры, предназначенный для поджога плазмы дуги, и выходные провода, подсоединяемые к дуговым электродам (Патент РФ №1599724 «Способ спектрального анализа», Аполицкий В.Н., 1990 г.)

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту к данному техническому решению является генератор дуги, включающий питание переменного тока, электрическую цепь генератора, соединяющую электроды дугового разряда с питанием переменного тока, контакторы, подсоединяющие питание переменного тока к электрической цепи генератора, контакторы, включающие и выключающие режим горения дуги переменного или постоянного тока, выпрямитель переменного тока, набор электрических нагрузок, стоящих в электрической цепи, контакторов нагрузок, позволяющих устанавливать необходимую силу тока дуги, генератор искры, предназначенный для поджога плазмы дуги, и выходные провода, подсоединяемые к дуговым электродам (Универсальный генератор дуги УГЭ-4. «Журнал прикладной спектроскопии», Воронов Б.Г., т.19, №1, стр.159-165, 1973 г. - прототип).

Недостатками известных генераторов дуги (аналога и прототипа) является узкая аналитическая применимость, недостаточная автоматизация, сложность в управлении работой генератора, изменение температурных комнатных условий в процессе работы генератора.

Целью данного предложения является расширение функциональных возможностей, автоматизация процесса управления генератором дуги, стандартизация условий съемки спектров и создание более комфортных условий работы.

Поставленная цель достигается за счет того, что в генераторе дуги, включающем питание переменного тока, электрическую цепь генератора, соединяющую электроды дугового разряда с питанием переменного тока, контакторы, подсоединяющие питание переменного тока к электрической цепи генератора, контакторы, включающие и выключающие режим горения дуги переменного или постоянного тока, выпрямитель переменного тока, набор электрических нагрузок, стоящих в электрической цепи генератора, контакторы электрических нагрузок, позволяющие устанавливать необходимую силу тока дуги, блок генератора искры, предназначенный для поджога плазмы дуги, и выходные провода, подсоединяемые к дуговым электродам, используют питание трехфазного переменного тока, при этом в режиме работы дуги переменного тока электрическая цепь дуги питается от одной фазы сети переменного тока, а при работе в режиме дуги постоянного тока применяют питание генератора от источника трехфазного переменного тока, набор электрических нагрузок и контакторов нагрузок располагают в электрической цепи каждой фазы, в качестве электрических нагрузок применяют набор конденсаторов, используют таймер для автоматического подключения конденсаторов с помощью контакторов нагрузок к нагрузке дуги в заданные моменты времени горения дуги с целью изменения тока дуги в заданные моменты ее горения, выпрямитель переменного тока располагают в электрической цепи дуги после ее электрической нагрузки, используют высокочастотный фильтр, который устанавливают в электрической схеме дуги после выпрямителя переменного тока для защиты выпрямителя переменного тока от высоковольтного высокочастотного напряжения искрового генератора, контакторы включения и отключения горения дуги размещают в электрической цепи дуги после высокочастотного фильтра, блок генератора искры, предназначенный для поджога плазмы дуги, делают выносным с использованием теристорной электронной схемы генерации искры, располагают этот блок у кожуха штатива электродов дуги, при этом напряжение питания этого блока снимают непосредственно с электродов дуги. Для возможности создания многополюсной дуги в генераторе размещают еще не менее одного дополнительного генератора дуги, подобного основному генератору, в котором размещают разделительный трансформатор, который устанавливают в электрической схеме этого генератора перед выпрямителем трехфазного тока, выходные провода дополнительного генератора подсоединяют в корпусе штатива дуги к дополнительным электродам многополюсной дуги. Для создания дуг переменного тока используют дополнительные контакторы, с помощью которых из электрической цепи генератора дуги исключают трехфазные выпрямители, а выходные провода генераторов, принадлежащие отдельным фазам, подключают к отдельным электродам дуги.

Сущность предлагаемого генератора дуги.

Имеются в той или иной степени удовлетворяющие эмиссионный спектральный анализ генераторы дуг. Это дуговые генераторы, в которых используются в качестве электрической нагрузки активные сопротивления в виде набора омических сопротивлений большой мощности. Последние обстоятельства приводят к сложностям управления, ненадежности, большим габаритам генератора, повышению температуры окружающей среды, экологически вредным газовым выделениям, потерям электроэнергии на активной нагрузке.

Одной из особенностей предлагаемого генератора является использование в качестве электрической нагрузки при создании дуги постоянного или переменного тока реактивной нагрузки (набора конденсаторов). Осуществление питания генератора от трехфазного источника тока позволяет получать необходимые для проведения эмиссионного спектрального анализа токи дугового источника возбуждения спектров при использовании конденсаторов с относительно небольшой емкостью 20-300 мкф, что уменьшает габариты генератора, увеличивает надежность работы генератора, упрощает его изготовление и стоимость. Облегчается автоматизация процесса управления генератором по заданной аналитической программе, исключается сильный нагрев генератора и окружающего пространства. Для осуществления автоматического изменения нагрузки (тока дуги) в процессе проведения анализа рационально использовать таймер, подключающий конденсаторы нужной емкости к основной нагрузке в заданные моменты времени горения дуги. С целью создания безопасности для обслуживающего персонала дуговой разряд в предлагаемом генераторе отключается контакторами выходных проводов генератора, подходящих к самим электродам дуги, а конденсаторы, стоящие между электродами и в цепи нагрузки с этой целью, шунтируются сопротивлением для снятия с них напряжения после отключения дуги.

Использование емкостных нагрузок (конденсаторов) в электрической цепи дуги постоянного тока становится возможным в случае расположения их перед выпрямителем с полным выпрямлением трехфазного переменного тока.

Для создания условий автоматического поджога плазмы дуги в момент ее включения и в последующие моменты ее случайного срыва или угасания блок искрового генератора поджога делают выносным и располагают в кожухе штатива электродов дуги, при этом напряжение питание этого блока снимают непосредственно с электродов дуги. Автоматический поджог дуги способствует проведению более качественной съемки спектров, повышению точности и чувствительности эмиссионного спектрального анализа. Этому способствует и автоматизация процесса нарастания тока дуги, осуществляемая в процессе съемки спектров проб, приводящая к стандартизации этого процесса, исключающая субъективные погрешности оператора.

Предлагаемый генератор дуги позволяет создавать различные дуговые разряды. В случае создания дуг переменного тока из схемы дугового генератора исключаются выпрямители тока. Для создания многополюсных дуговых разрядов в корпусе генератора устанавливается еще один или больше дополнительных генераторов дуги, подобных основному дуговому генератору, а в схему дополнительных генераторов включают разделительные трансформаторы, позволяющие создавать электрически не связанные дуговые разряды. Это позволяет сделать предлагаемый генератор дуги универсальным. Создавать многополюсные дуговые источники возбуждения спектров для спектрального анализа, в том числе и комбинированные разряды постоянно-переменного тока. Использовать дополнительные разряды для нагревания, например, кратера электрода с анализируемой пробой для благоприятного фракционного испарения элементов различной летучести в плазму источника возбуждения спектров.

Генератор может быть использован и для не аналитических целей, например для резки и сварки, плазменного нагрева.

Примеры реализации и работы на предлагаемом генераторе дуги.

Пример 1. Необходимо произвести съемку спектров при проведении спектрального многоэлементного анализа с использованием испарения порошковых проб из кратера анодного электрода дуги постоянного тока, расположенного внизу. По методике анализа при включении дуги начальный ток дуги должен быть 10 А в течение первых 30 сек ее горения, затем ток должен повышаться до 16 А и дуга должна гореть с этим током в течение последующих 60 сек, после этого ток должен повышаться до 25 А, при котором дуга должна гореть еще 40 сек. Съемку спектров ведут в условия указанных в методике анализа.

Создают генератор дуги с использованием принципиальной схемы предлагаемого генератора дуги (см. Фиг.1). Основное питание генератора от трехфазной 1ф, 2ф и 3ф сети с напряжением 380 В. После автомата пускателя трехфазного тока 1 устанавливают основные емкостные нагрузки дуги C₁, С₂ и С₃ в каждой из фаз и параллельно подключаемые к C₁, С₂ и С₃ для нарастания тока дуги емкости, находящиеся в магазине конденсаторов (наборе конденсаторов емкостью 20-300 мкФ) 2, 3 и 4. Основная емкостная нагрузка C₁, С₂ и С₃ для каждой из фаз для случая пример 1 (начальный ток дуги 10 А) составляет величину 100 мкФ. В наборе конденсаторов 2, 3 и 4, подключающихся через программный распределитель конденсаторов 5, 6 и 7 каждой фазы (это перемычки или механические переключатели, теристорные схемы и прочие) к клеммам управляющего таймера 8, 9 и 10, которые параллельно автоматически подключают выбранные конденсаторы 5, 6 и 7 к основной нагрузке C₁, С₂ и С₃ в соответствующей фазе. Кроме этого на таймере устанавливают время окончания горения дуги, по окончании которого таймер выключает с помощью контактора 13 горение дуги в соответствии с методической инструкцией анализа (связь таймеров 8, 9 и 10 с контактором 13 включения и отключения дуги показана пунктирными стрелками). Далее в электрической цепи генератора стоит трехфазный выпрямитель переменного тока 11, он позволяет производить выпрямление при электрических токах до 25-30 А (это могут быть использованы мостиковые трехфазные диодные выпрямители). За выпрямителем переменного тока 11 стоит высокочастотный фильтр 12, который защищает выпрямитель от высокочастотного высоковольтного напряжения искрового генератора поджога дуги. За высокочастотным фильтром стоит контактор 13, с помощью которого в корпусе генератора осуществляется подключение или отключение положительного и отрицательного полюсов трехфазного выпрямителя 11 от проводов, идущих к выносному блоку искрового генератора поджога 14 плазмы дуги, расположенного у или в кожухе дугового штатива (штатив и его кожух на фиг.1 не показаны, в штативе располагают электроды дуги 15 и 16). Конструкция блока искрового поджога дуги 14 может быть выполнен по известным электрическим схемам высоковольтных высокочастотных генераторам искрового разряда, но наиболее удобным и малогабаритным является блок искрового поджога выполненный с использованием теристорной схемы. Особенностью подключения этого блока 14 является то, что его питание осуществляется непосредственно съемом напряжения с электродов дугового разряда 15, 16. Так как напряжение на дуге определяет работу искрового генератора 14, то поджог дуги (работа искрового генератора 14) прекращается в момент ее загорания, когда напряжение на электродах дуги резко падает с 350 В до величины менее 100 В. Для создания безопасности оператора в момент смены электродов дуги, кроме обычно применяемых различных блокировок, емкость С₄, которая установлена параллельно электродам 15, 16 дуги для возникновения поджигающего искрового разряда между электродами, шунтируется сопротивлением (порядка 5-10 Ком), это позволяет разряжать емкость С₄ для ее разрядки после отключения горения дуги контактором 13 по команде с таймера.

Для осуществления эмиссионного спектрального анализа два выходных провода от выносного блока 14, которые закрепляются на кожухе дугового штатива, подсоединяют к держателям электродов 15, 16 дуги. Обычно анодный электрод 15 располагают внизу и к нему подсоединяют положительный полюс трехфазного выпрямителя 11, к верхнему электроду 16 подсоединяют отрицательный полюс трехфазного выпрямителя 11.

Для проведения эмиссионного спектрального многоэлементного анализа перед съемкой спектров проб задаются временные токи дугового разряда (см. требования в Примере 1). Например, путем установки перемычек между обкладками выбранных конденсаторов 5, 6 и 7 и клеммами соответствующих таймеров 8, 9 и 10 и самих временных значений моментов изменения тока дуги, а также общего времени горения дуги, по прошествии которого таймер с помощью контактора 13 отключает дугу. На этом заканчивается подготовка генератора к работе.

Для проведения съемки спектров проб исследуемая проба набивается в кратер угольного электрода, который устанавливается в нижний держатель электродов 15 штатива, находящегося в светозащитном кожухе. В верхний держатель электродов 16 устанавливают угольный электрод, усеченный на конус, по методике, расстояние между концами электродов делают 3 мм.

Далее осуществляют саму съемку спектра исследуемой пробы. Для этого генератор подключают к трехфазной электрической сети контактора 1 (пускатель трехфазный). При этом оказываются под напряжением основные конденсаторы C₁, С₂ и С₃ и трехфазный выпрямитель 11. Далее зажигают дуговой разряд с помощью включения контактора электродов 13, при этом напряжение питания попадает на таймеры 8, 9 и 10, которые включаются, а также на электроды дуги 15, 16 и одновременно в блок поджога 14. Между электродами 15, 16 возникает искра, которая приводит к появлению плазмы дуги между электродами. При горении дуги напряжение на электродах резко падает до величины, меньшей 100 В. Этого напряжения недостаточно для нормальной работы блока поджога 14, и искра в этом случае отключается. Дуга горит с отключенной искрой. Если дуга прекращает гореть, на электродах резко возрастает напряжение до величины, большей 350 В, что приводит к нормальной работе блока поджога. Между электродами мгновенно возникает поджигающая дугу искра, дуга горит с поджогом до тех пор, пока не начинается самостоятельное горение дуги, при котором напряжение на электродах дуги падает ниже 100 В. Это приводит к автоматическому отключению поджигающей искры. При включении дуги контактором 13 ток дуги при включенной основной нагрузке C₁, С₂ и С₃ составляет 10 А. По прошествии 30 сек горения дуги таймеры 8, 9 и 10 осуществляют параллельное подключение соответствующих выбранных конденсаторов магазинов конденсаторов 2, 3 и 4 к основным конденсаторам C₁, С₂ и С₃, и ток дуги повышается до заданного методикой анализа величины 16 А. Затем в заданное на таймерах 8, 9 и 10 время (через 60 последующих секунд) таймеры 8, 9 и 10 через запрограммированные ранее соответствующие перемычки 5, 6 и 7 осуществляют подключение соответствующих конденсаторов 2, 3 и 4 к нагрузке, и ток дуги возрастет до 25 А. После последующих 40 сек таймеры 8, 9 и 10 отключают с помощью контактора 13 дуговой разряд. Заканчивается съемка спектра анализируемой пробы. Далее процесс съемки спектра повторяется для другой пробы.

Таким образом, за счет осуществления питания генератора от источника трехфазного тока и использования в каждой фазе в качестве электрической нагрузки дуги емкостей (набора конденсаторов) включение этих нагрузок перед трехфазным выпрямителем тока, а также использование автоматического поджога дуги и таймера, осуществляющего нарастание тока дуги в моменты времени, заданные аналитической инструкцией, и отключающего дугу по окончании экспозиции съемки спектра пробы, позволяет исключить ручное управление генератором, уменьшить нагрузку оператора, стандартизировать условия съемки спектров и за счет замены активной нагрузки, которая выделяет большое количество тепла, на емкостную создать более благоприятные условия для проведения спектрального анализа, чем это можно сделать с помощью прототипа.

Пример 2. Необходимо осуществить эмиссионный спектральный многоэлементный анализ с использованием четырехполюсного дугового разряда постоянного тока способом «просыпки-вдувания» порошковых проб в плазму многополюсной дуги.

Для осуществления этого анализа в корпусе генератора дуги размещают два генератора, подобных генератору дуги постоянного тока, который использовался в примере 1. При этом для электрического разделения выходных полюсов этих генераторов (их невзаимодействия) в одном из генераторов устанавливают разделительный трансформатор с входным напряжением 380 В и выходным 220 В, который устанавливают в точках а, б и в, при этом входные клеммы трансформатора подключают к фазовым нагрузкам C₁, C₂ и С₃, а его выходные клеммы к клеммам трехфазного выпрямителя 11. Четыре выходных провода созданного таким образом генератора положительной и отрицательной полярности подключаются к четырем электродам, размещенным в корпусе устройства для введения порошковой пробы способом «просыпки-вдувания». Устанавливают дополнительные контакторы для одновременного включения и отключения питания трехфазного тока обоих генераторов, а для одновременного включения и отключения четырехполюсного дугового разряда устанавливают дополнительный контактор, который может включать и выключать контакторы 13 обоих генераторов.

Процесс проведения съемки спектров при осуществлении спектрального анализа методом «просыпки-вдувания» с использованием предлагаемого генератора многополюсной дуги постоянного тока осуществляется подобно тому, как это делается в примере 1. Он проще, так как не требует изменения тока дуги во время съемки спектров.

Создаваемый четырехполюсный дуговой разряд с помощью предлагаемого генератора может применяться и в случае спектрального анализа, с использованием испарения порошковых проб из кратеров электродов четырехполюсной дуги, как это делалось в примере 1.

Предлагаемое техническое решение создания генератора дуги позволяет осуществлять разнообразные виды эмиссионного спектрального анализа, которые осуществить с помощью прототипа невозможно, при этом он имеет более высокие технические и аналитические характеристики по сравнению с ним.

1. Генератор дуги, включающий питание переменного тока, электрическую цепь генератора, соединяющую электроды дугового разряда с питанием переменного тока, контакторы, подсоединяющие питание переменного тока к электрической цепи генератора, контакторы, включающие и выключающие режим горения дуги, выпрямитель переменного тока, набор электрических нагрузок, стоящих в электрической цепи генератора, контакторы электрических нагрузок, позволяющие устанавливать необходимую силу тока дуги, блок генератора искры, предназначенный для поджога плазмы дуги, и выходные провода, подсоединяемые к дуговым электродам, отличающийся тем, что используют питание трехфазного переменного тока, в режиме дуги постоянного тока применяют питание генератора от источника трехфазного переменного тока, набор электрических нагрузок и контакторов нагрузок располагают в электрической цепи каждой фазы, в качестве электрических нагрузок применяют набор конденсаторов, используют таймеры для автоматического подключения конденсаторов с помощью контакторов нагрузок к основной нагрузке дуги в заданные моменты времени горения дуги с целью изменения тока дуги во время ее горения, выпрямитель переменного тока располагают в электрической цепи дуги после ее электрической нагрузки, используют высокочастотный фильтр, который устанавливают в электрической схеме дуги после выпрямителя переменного тока для защиты выпрямителя переменного тока от высоковольтного высокочастотного напряжения искрового генератора, контакторы включения и отключения горения дуги размещают в электрической цепи дуги после высокочастотного фильтра, блок генератора искры, предназначенный для поджога плазмы дуги, делают выносным с использованием теристорной электронной схемы генерации искры, располагают этот блок у кожуха штатива электродов дуги, при этом напряжение питания этого блока снимают непосредственно с электродов дуги.

2. Генератор дуги по п.1, отличающийся тем, что в корпусе генератора размещают еще не менее одного дополнительного генератора дуги подобного основному генератору, в котором устанавливают разделительный трансформатор, который размешают в электрической схеме дополнительного генератора пред выпрямителем трехфазного тока, выходные провода дополнительного генератора подсоединяют в корпусе штатива дуги к дополнительным электродам многополюсной дуги.