Устройство для управления высоковольтным электрическим разрядом в установках, использующих электрогидравлический эффект

Изобретение относится к установкам, использующим электрогидравлический эффект (ЭГЭ), а более конкретно к устройствам, управляющим высоковольтным разрядом в этих установках. Оно практически реализовано в удаленном от централизованной системы водоподготовки фермерском хозяйстве в установке для обеззараживания воды высоковольтным электрическим разрядом. Технический результат - повышение производительности установки в два раза при одинаковых затратах электрической энергии, повышение стабильности технологического процесса обеззараживания воды; повышение надежности работы и срока службы устройства. Устройство для обеззараживания воды высоковольтным электрическим разрядом содержит блок питания высоковольтным напряжением, накопительный конденсатор, электроды, образующие собой формирующий промежуток в электрической цепи разряда, электрод поджига, помещенный в формирующий промежуток, рабочий разрядник, блок, формирующий многопериодный импульс поджига, блок управления, формирующий регулируемый управляющий импульс, регулирующий частоту подачи на электрод поджига многопериодного поджигающего импульса; вентиль, включенный в электрическую цепь разряда параллельно рабочему разряднику, проводимостью, противоположной по отношению к направлению тока разряда. 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к установкам, использующим электрогидравлический эффект (ЭГЭ) для обработки поверхностей изделий, измельчения материала, обеззараживания воды, а более конкретно к устройствам, управляющим высоковольтным разрядом в этих установках.

Уровень техники

Известно устройство для управления высоковольтным электрическим разрядом, содержащее источник питания, накопительный конденсатор, коммутирующий воздушный разрядник и рабочий разрядник в обрабатываемой жидкости (см. патент Российской Федерации №2006179).

Недостаток данного устройства состоит в том, что управление искрой разряда осуществляется путем механического сближения электродов до замыкания за счет вращающейся крестовины, что делает момент возникновения разряда недостаточно стабильным по следующим причинам:

- нестабильность уровня зарядки конденсатора, а именно при полной зарядке конденсатора искра может возникнуть до замыкания механических контактов. При этом расстояние между механическими контактами будет являться формирующим промежутком, и при некотором их сближении между ними возникнет пробой и плазменный токопроводящий канал.

При неполной зарядке конденсатора разряд произойдет только при замыкании контактов (т.е. позже). Все это нарушает технологичность выполняемого процесса ЭГЭ и имеет следующие недостатки:

- нестабильность энергии разряда;

- нестабильность по частоте следования разрядов;

- повышенное выгорание металла механических контактов;

- невозможность управления частотой подачи разрядов.

Аналогичными недостатками обладает и другое известное устройство - «Высоковольтный разрядник-коммутатор» (см. патент Российской Федерации №782683).

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство, в котором для управления электрическим разрядом использован разрядник с управляемым поджигающим электродом. Разрядник состоит из высоковольтного и заземленного основных электродов. Заземленный электрод выполнен в виде полого цилиндра и размещен внутри изоляционной втулки, которая, в свою очередь, находится внутри катушки электромагнита. Поджигающий электрод, выполненный в виде кольца, охватывает изоляционную втулку. При поступлении на поджигающий электрод поджигающего импульса между ним и основным заземленным электродом возникает электрическая дуга, перекрывающая изоляционную втулку. Под воздействием магнитного поля катушки электромагнита дуга перемещается к оси симметрии катушки и основных электродов, пока не оборвется. Возникшая электрическая дуга, которая представляет собой токопроводящий плазменный канал, вызывает возникновение разряда между основными электродами.

Необходимо отметить, что в описании управляемого искрового разрядника сказано, что в нем осуществлено управление перемещением электрической дуги, возникшей между поджигающим и основным электродами, к оси симметрии катушки и основных электродов, чем достигается равномерный износ основных электродов и продление их срока службы (см. А.с. Российской Федерации №1669360).

Недостатком данного управляемого искрового разрядника, является:

- нестабильность возникновения поджигающего токопроводящего канала между электродом поджига и заземленным электродом и недостаточность его существования по времени в зоне поджига ввиду однопериодности подаваемых поджигающих импульсов и отсутствия управления их частотой подачи;

- увеличение срока службы основных электродов не решает задачи повышения стабильности самого процесса электрического разряда между основными электродами, образующими формирующий промежуток в самой электрической цепи разряда по следующим причинам:

- поджигающий импульс, поступающий на электрод поджига, является однопериодным и не может гарантировать стабильности возникновения поджигающей дуги, а следовательно, и стабильности возникновения разряда в формирующем промежутке и стабильного электрогидравлического эффекта;

- отсутствует управление частотой подачи поджигающих импульсов, что не позволяет при необходимости корректировать режимы электрогидравлического эффекта и тем более согласовывать время необходимой зарядки накопительного конденсатора и частотой его разрядки;

- указанные выше недостатки не позволяют рационально использовать емкость и накапливаемую энергию накопительного конденсатора, оптимизировать его электрические параметры - емкость, энергию накопления, напряжение заряда, энергию разряда, и добиться наибольшего электрогидравлического эффекта;

- несмотря на то, что цепь разряда обладает малой индуктивностью, но учитывая, что по ней проходит ток большой силы при большом напряжении, а на втором - обратном полупериоде - цепь разряда размыкается формирующим промежутком, в цепях возникают большие перенапряжения самоиндукции, что является причиной пробоя накопительного конденсатора.

Эти недостатки устраняются при помощи предлагаемого изобретения.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к стабильности и увеличению электрогидравлического эффекта в технологических процессах за счет:

- подачи на поджигающий электрод многопериодного поджигающего импульса;

- возможности регулирования частоты подачи поджигающих импульсов для оптимизации режима ЭГЭ;

- возможности согласования частоты подачи поджигающих импульсов, частоты высоковольтного электрического разряда в ЭГЭ, оптимизации емкости накопительного конденсатора, времени его зарядки и разрядки при максимальном использовании энергии заряда;

- повышения надежности работы накопительного конденсатора и электрической установки в целом.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для управления высоковольтным электрическим разрядом в установках, использующих электрогидравлический эффект, содержащем блок питания высоковольтным напряжением, накопительный конденсатор, подводящие и отводящие электрические провода и соединенные с ними электроды, образующие формирующий промежуток в электрической цепи разряда, помещенный в формирующий промежуток электрод поджига, блок, формирующий однопериодные поджигающие импульсы, блок управления подачей поджигающих импульсов, рабочий разрядник, внесены усовершенствования, заключающиеся в том, что: блок, формирующий поджигающие импульсы, выдает многопериодные поджигающие импульсы; блок управления поджигающими импульсами выполнен с возможностью регулирования частоты подачи поджигающих импульсов на электрод поджига; параллельно рабочему разряднику в электрической цепи разряда включен вентиль с проводимостью, противоположной по отношению к направлению тока разряда.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для управления высоковольтным электрическим разрядом.

На фиг.2 представлена принципиальная схема устройства для управления высоковольтным электрическим разрядом с функциональными связями между отдельными блоками.

Осуществление изобретения

Устройство для управления высоковольтным электрическим разрядом, содержащее блок питания высоковольтным напряжением 1, накопительный конденсатор 2, электроды 3 и 4, образующие собой формирующий промежуток 5 в электрической цепи разряда, электрод поджига 6, помещенный в формирующий промежуток 5, рабочий разрядник 7, снабжено: блоком 8, формирующим многопериодный поджигающий импульс; блоком управления 9, формирующим регулируемый импульс, управляющий частотой подачи многопериодных поджигающих импульсов на электрод поджига 6; вентилем 10, включенным параллельно рабочему разряднику 7 в электрической цепи разряда накопительного конденсатора 2, проводимостью, противоположной по отношению к направлению тока разряда.

Устройство для управления высоковольтным электрическим разрядом работает следующим образом.

При зарядке накопительного конденсатора 2 (фиг.1) до необходимой величины не происходит произвольного электрического пробоя в формирующем промежутке 5 между электродами 3 и 4 потому, что его величина выбрана больше пробивного расстояния для рабочего напряжения, существующего на выводах накопительного конденсатора 2. Чтобы произошел пробой формирующего промежутка 5 и в нем возникла между электродами 3 и 4 электрическая дуга, к электроду поджига 6 подводится высоковольтный многопериодный поджигающий импульс, поступающий от блока 8, формирующего многопериодный поджигающий импульс. В результате этого между электродом поджига 6 и одним из электродов 3 или 4 возникает электрическая искра, образующая токопроводящий плазменный канал. При этом сопротивление формирующего промежутка 5 значительно уменьшается, и в нем возникает электрическая дуга, по которой происходит разрядка накопительного конденсатора 2 через рабочий разрядник 7. Использование многопериодного импульса поджига вызвана необходимостью стабилизации возникновения электрической дуги в формирующем промежутке 5. Чтобы не происходило самопроизвольного возникновения электрической дуги между электродами 3 и 4, что приводит к нестабильности режима работы, расстояние между ними выбрано больше пробивного и дуга образуется только при поступлении на электрод поджига 6 поджигающего импульса. Но при однопериодном поджигающем импульсе искра по различным причинам может не возникнуть. Следовательно, один рабочий разряд накопительного конденсатора будет пропущен, а энергия его заряда не будет использована, что снижает эффективность работы установки. При подаче многопериодного поджигающего импульса, если искра не возникнет на первом периоде, то она возникнет на втором или третьем. Количество периодов в поджигающем импульсе составляет от 3 до 5, а их общая длительность составляет 900 мкс, что гарантирует возникновение дуги разряда между электродами 3 и 4. Помимо этого более длительный поджигающий импульс, образованный несколькими периодами, поддерживает существование токопроводящего канала между электродами 3 и 4, что способствует более полному разряду накопительного конденсатора 2 в первом полупериоде его разряда, а также позволяет использовать энергию самоиндукции в разрядной цепи, которая во втором полупериоде возвращается через вентиль 8 и удерживаемый токопроводящий канал между электродами 3 и 4 снова к накопительному конденсатору 2 для его подзарядки, что, в свою очередь, предохраняет электрические цепи и накопительный конденсатор 2 от пробоя.

При использовании однопериодного импульса поджига процесс разрядки накопительного конденсатора ограничивается только первым полупериодом, поскольку сопротивление формирующего промежутка восстанавливается до поступления очередного поджигающего импульса. В качестве блока 8, формирующего многопериодный поджигающий импульс, могут быть использованы различные соответствующие устройства, например многоискровой стабилизированный блок электронного зажигания, применяемый в системе зажигания автомобилей (см. Карасев Г. Стабилизированный блок электронного зажигания / Г.Карасев // Радио - 1988. - №9. - С.17-18.).

Электрическая схема выше указанного блока не изменяется, работа его достаточно подробно описана в указанном источнике, и поскольку работа этой электрической схемы не входит в существенные отличительные признаки, можно ограничиться только пояснением работы контура формирования многопериодного поджигающего импульса.

Формирование многопериодного поджигающего импульса (см. фиг.2) осуществляется в контуре, состоящем из обмотки катушки Т3, конденсатора С6, диодов VD8, VD9, тринистора VS1. В рабочем состоянии конденсатор (см. фиг.2) С6 заряжен, диоды VD8 и VD9 включены в непроводящем положении, а тринистор VS1 закрыт напряжением на конденсаторе С8, подаваемом из блока управления 9 через открытый оптотранзистор U1. При разрыве электрической цепи оптотранзистором U1 конденсатор С8, разряжаясь через управляющий переход тринистора VS1, диод VD12, резисторы R12 и R13, открывает тринистор VS1, который подключает заряженный конденсатор С6 к первичной обмотке катушки Т3. Ток, проходящий через первичную катушку Т3 увеличивается до максимального значения, а напряжение на конденсаторе С6 падает до нуля. В это время во вторичной обмотке катушки Т3 индуктируется поджигающий импульс, поступающий на электрод поджига 6. В результате этого между электродом поджига 6 и одним из электродов 3 или 4, к которому из них расстояние меньше, проскакивает искра, вызывающая электрическую дугу между электродами 3 и 4, по которой происходит разряд накопительного конденсатора 2. В этот момент вся энергия конденсатора С6 преобразуется в электромагнитное поле катушки Т3, которое, стремясь сохранить значение и направление тока, начинает перезаряжать конденсатор С6 через открытый тринистор VS1. В результате электромагнитное поле катушки Т3 становится равным нулю, а конденсатор С6 заряжен до 0,85 исходного по напряжению уровня в противоположной полярности. При смене полярности и прекращении тока тринистор VS1 закрывается, но диод VD9 оказывается в токопроводящем положении. Начинается очередной процесс разрядки конденсатора С6 через первичную катушку Т3, а на электроде поджига 6 возникает вторая искра, вызывающая электрическую дугу разряда накопительного конденсатора 2 между электродами 3 и 4, если она не возникла в первом полупериоде. По окончании разряда конденсатор С6 снова заряжается до напряжения 0,7 начального, по отношению к полярности которого диод VD10 и тринистор VS1 оказываются закрытыми. После этого импульс напряжения, снимаемого с резистора R7, пройдя через диод VD10, вновь открывает тринистор VS1 и все процессы повторяются до тех пор, пока конденсатор С6, теряющий энергию после каждой перезарядки, не разрядится полностью. При этом произойдет от трех до пяти циклов разрядки. Данная схема была проверена на практике. Она обеспечивает длительнсть искрообразования на электроде поджига до 900 мкс при частоте следования периодов управляющего импульса не менее 20 Гц и значительно перекрывает необходимую рабочую частоту подачи управляющего импульса, находящуюся в интервале 0,3...0,5 Гц при работе устройства управления высоковольтным электрическим разрядом.

Как было ранее указано, для подачи на электрод поджига 6 поджигающего импульса необходимо прекратить подачу напряжения, поступающего на конденсатор С8 от оптотранзистора U1, введенного в электрическую схему блока управления 9. Прекращение подачи напряжения на конденсатор С8 достигается запиранием оптотранзистора U1 при прекращении прохождения тока через светодиод. Подача сигнала на светодиод оптотранзистора U1 осуществляется генератором импульсов блока управления 9, длительность которых регулируется переменным сопротивлением R10. Поскольку принцип работы генератора импульсов собранного на базе микросхемы КР1006 ВИ1 в режиме автогенератора хорошо известен, нет необходимости описания его работы.

Необходимо особо отметить, что в заявленном изобретении существенными отличительными признаками являются не электрические схемы блока управления 9 и блока 8 формирования многопериодных поджигающих импульсов, а применение уже известных этих блоков в их сочетании по другому назначению, а именно для стабилизации и управления процессом разрядки накопительного конденсатора 2, а в конечном итоге для повышения эффективности работы установок, использующих электрогидравлический эффект.

Несмотря на малую индуктивность, контур разряда накопительного конденсатора 2 имеет большую емкость. При разрядке накопительного конденсатора 2 процесс разряда в аналогичных устройствах заканчивается тем, что ток в контуре разряда снижается до минимума, а напряжение индуктивности возрастает до максимально возможного значения. При этом накопительный конденсатор 2 заряжается до некоторой (учитывая рабочий разрядник 7 и формирующий промежуток 5) величины в обратной полярности и не может перезарядиться, поскольку плазменный канал между электродами 3 и 4 прекращает свое существование. Следовательно, блок питания должен погасить заряд на накопительном конденсаторе 2 и зарядить его в нужной полярности до необходимого значения рабочего напряжения. Этот недостаток устраняется вентилем 10, включенным проводимостью, противоположной по отношению к направлению тока разряда, параллельно рабочему разряднику 7, и наличием на электроде поджига 6 искры от многопериодного поджигающего импульса, что позволяет накопительному конденсатору 2 перезарядиться в нужной полярности, используя энергию самоиндукции. Поскольку при перезарядке значительная часть энергии теряется, то повторного разряда накопительного конденсатора не произойдет, пока он не зарядится до необходимой величины рабочего напряжения, способной пробить формирующий промежуток 5 между электродами 3 и 4 при подаче очередного поджигающего импульса на электрод поджига 6. Для вентиля 10, включенного в разрядную цепь, формирующий промежуток 5 является нагрузкой, предохраняющий его от короткого замыкания.

Эффективность работы устройства для управления высоковольтным электрическим разрядом была проверена путем снятия осциллограмм процесса разрядки накопительного конденсатора 2 и хронометража времени на установке для обеззараживания воды с последующей лабораторной проверкой ее качества на соответствие СанПиН 2.1.4.559-96 «Гигиенические требования качества централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», проводимых по методике ГОСТ 18963-73 «Вода питьевая. Методы санитарно-бактериологического анализа».

Проведенные исследования дали следующие результаты:

при использовании неуправляемого электрического разряда, возникающего при рабочем напряжении накопительного конденсатора 2 и обусловленного только величиной формирующего промежутка 5 между электродами 3 и 4 при необходимом количестве разрядов, равном 30, время обеззараживания воды составляло 3 мин, что объясняется нестабильным временем возникновения разряда накопительного конденсатора 2; при управляемом процессе разряда с однопериодным поджигающим импульсом наблюдались несрабатывания через 3-4 импульса, время обработки при тех же 30 разрядах составило 2 мин; при использовании управляемого разряда с многопериодным поджигающим импульсом, как показали осциллограммы, не было пропуска разрядов, а время обработки сократилось до одной минуты, что свидетельствует об эффективности работы устройства для управления электрическим разрядом и всей установки в целом.

Сопоставленный анализ позволяет сделать вывод о том, что по сравнению с прототипом и другими рассмотренными устройствами заявленное устройство имеет ряд существенных преимуществ, что влечет за собой значительное повышение эффекта по крайней мере для обеззараживания воды и возможности использования его в широком диапазоне установок, использующих электрогидравлический эффект в различных технологических процессах.

Анализ известных технических решений в исследуемой области и в смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками заявленного устройства, выполняющего те же функции.

Экономическая эффективность от заявленного устройства на примере обеззараживания воды заключается в том, что:

- при одинаковых затратах электрической энергии производительность установки для обеззараживания воды увеличивается в два раза при гарантированной степени гибели микроорганизмов, соответствующей СанПиН 2.1.4.559-96 «Гигиенические требования качества централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».

- повышается стабильность технологического процесса обеззараживания воды;

- повышается надежность работы и срок службы устройства для обеззараживания воды.

Устройство для управления высоковольтным электрическим разрядом, содержащее блок питания высоковольтным напряжением, накопительный конденсатор, электроды, образующие собой формирующий промежуток в электрической цепи разряда, электрод поджига, помещенный в формирующий промежуток, отличающееся тем, что оно снабжено блоком формирования и выдачи на электрод поджига многопериодного поджигающего импульса в одном разряде накопительного конденсатора, а блок управления подачей многопериодного поджигающего импульса на электрод поджига выполнен с возможностью регулирования частоты подачи управляющего импульса на блок формирования многопериодного поджигающего импульса, а параллельно рабочему разряднику в электрической цепи разряда накопительного конденсатора включен вентиль проводимостью, противоположной по отношению к направлению тока разряда.