К. К. Хренов и д-р техн наук, проф


НазваниеК. К. Хренов и д-р техн наук, проф
страница6/12
Дата публикации26.03.2013
Размер2.13 Mb.
ТипКнига
userdocs.ru > Физика > Книга
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

6 Зак. 1

81


разряда развивался от конца отрицательного электрода в противоположную положительному электроду сторону на расстояние до 5,0 см. В полностью распавшемся геле пробой наступал при расстоянии между электродами, равном 1 см, или одновременном реверсивном разряде длиной до 20 см. Очевидно, что при достаточном содержании геля любой ион, начиная с самого тяжелого, может быть полностью заторможен в порах геля и проводимость геля в соответствии с законом Кольрауша станет обеспечиваться уже другими ионами. Кроме того, необходимо отметить, что характер движения ионов в порах геля и вблизи них имеет много общего с характером движения ионов около острия электрода, и это дает возможность по нашему желанию повышать содержание ионов одного знака в заданном участке объема геля. В частности, имея дело с водной основой геля и затормозив, например, ион ОН , можно либо резко повысить в каком-то определенном объеме концентрацию этих ионов в порах геля и вблизи них, либо, наоборот, резко повысить в другом объеме концентрацию ионов Н+ и, буквально «забив» ими все поры геля, создать около пор изолирующую эти поры атмосферу положительных ионов. В результате можно получить относительно устойчивые «скопления» ионов одного знака в локальных объемах геля.

После разделения этих временно связанных объемов в них окажется сосредоточенным объемный заряд какого-либо одного знака, а это при соединении разноименных объемов проводником приведет к последующему выравниванию зарядов, т. е. к появлению тока в проводнике, соединяющем эти объемы. Таким образом, устройство для реализации подобной задачи приобретет все свойства гальванического элемента и позволит получить новый вид аккумуляторов — гелевый аккумулятор, а также даст в руки исследователей метод разделения ионов в жидкостях-гелях. Отметим, что хотя все гели обладают способностью более или менее быстро распадаться и терять свои первоначальные свойства, тем не менее подбором гелей и стабилизацией их свойств можно сохранить гели от распада в течение заданного времени.

Именно поэтому использование диэлектрических свойств, возникающих в импульсных полях, особенно интересно и перспективно применительно к гелям. Используя особенности гелей, представляется возможным управлять движением ионов^у обоих электродов, добиваясь нужного эффекта.

Так, для создания импульсного конденсатора следует обеспечить высокую концентрацию положительных ионов Н+ у его рабочих поверхностей, затормозив движение отрицательных ионов ОН или удалив их как можно дальше от этих поверхностей [36]. При этом «облако» положительных ионов Н+, плотно окружившее заданный электрод (рабочую поверхность конденсатора), создаст вокруг нее идеальную непробиваемую «самоизоляцию».

Следует указать, что если торможением ионов в геле можно не допустить тот или иной ион к определенному электроду и тем

82

самым создать возле него избыток или недостаток других ионов, то на этом возможности этого явления по существу и заканчиваются. Однако при специальном формировании конфигурации силовых линий электрического поля можно также добиться ряда положительных результатов, например, не допустить роста стримеров в заданном направлении, исключить возможность опасной концентрации ионов любого знака в заданном объеме рабочей камеры и т. д'. Все эти возможности следует использовать при проектировании различных типов электрогидравлических устройств.

Поскольку условием возникновения и существования импульсных диэлектриков является наличие ионов, то не только жидкости, но при определенных условиях и „газы, и твердые тела (и даже плазма) могут становиться импульсными диэлектриками. Это обстоятельство значительно расширяет возможности их применения. Так, возможно создание как высоко-, так и низкотемпературных вакуумных и жидкостных устройств, работающих при обычных температурах. Кроме этого, используя указанные свойства гелей, можно создать устройства типа диодов, триодов и других многоэлектродных устройств с управляемыми электродами для использования их в радиотехнике и электронике. Однако наиболее перспективными, по нашему мнению, будут устройства, работающие на переходных или смешанных средах: твердо-жидких (типа геля, глины), жидкостно-газовых (типа пены) или твердо-газовых (типа пыли).

По нашим представлениям, электрические процессы, происходящие ъ нервных клетках живых организмов, протекают с использованием принципов импульсной электрохимии и особенно принципов работы импульсных диэлектриков. Для практического -использования импульсных диэлектриков необходимо также учитывать, что электрические потери в импульсных, диэлектриках определяют практическую ценность их как диэлектриков, обусловливаются прежде всего электропроводностью их среды и уменьшаются вместе с уменьшением электропроводности.

Роль каждого вида ионов в импульсных диэлектриках строго определена и локальна. Одни из них, например ионы ОН~, определяют рост стримеров, например, при реализации сверхдлинного или реверсивного разряда. Другие, например ионы Н+, полезны для целей создания надежной изоляции от пробоя. В то же время ион Н+ определяет потери на проводимость в силу его высокой подвижности, и для уменьшения этих потерь необходимо всемерно уменьшать активную поверхность положительного электрода., сохраняя, однако, ионы и ионную проводимость, т. е. сохраняя потери, ибо без ионов, а следовательно, и без какой-то минимально необходимой ионной проводимости импульсные диэлектрики невозможны. Но, заменяя электропроводность одних- ионов электропроводностью других, можно свести эти потери к минимуму и получить необходимый результат.



Таким образом, уменьшение проводимости среды импульсного диэлектрика и ее сохранение на необходимом уровне может осуществляться различными способами: полным или частичным торможением содержащихся в среде ионов; исключением одного или нескольких ионов из общего процесса проводимости; созданием необходимой концентрации опеределенных ионов в заданной части рабочего объема. Наиболее рационально одновременное использование всех указанных способов.

Также необходимо учитывать, что потери на проводимость оказываются минимальными при импульсном приложении электрического поля и, казалось бы, должны уменьшаться и далее — с уменьшением длительности импульса и увеличением его крутизны. Однако это не совсем так. Специфические свойства ионов заставляют предполагать, что, хотя потери и уменьшаются с увеличением крутизны и уменьшением длительности импульса, но основным фактором, определяющим потери в импульсных диэлектриках, будет параметр, характеризующий стабильность нарастания или спада крутизны фронта импульса, создавшего поле.

В частности, именно по этой причине проводимость жидкости для постоянного тока меньше, чем для переменного, так как потери на проводимость будут в нем меньше по сравнению с переменным, где спад и нарастание поля крайне нестабильны. Подобно тому, как вибрация способствует быстрому уплотнению гравия в бетоне или быстрому прохождению любого материала сквозь сито при просеивании, так и отсутствие «монотонности» (стабильности) крутизны спада и нарастания переменного тока подобно вибратору способствует тому, что ионы значительно быстрее «просеиваются» друг через друга при движении к электродам. Отсюда следует, что потери будут оставаться стабильными до тех пор, пока будет,сохраняться стабильность нарастания или спада переменного тока, пока будет оставаться неизменной крутизна нарастания или спада фронта импульса, создавшего поле. Это вовсе не означает, что импульсный диэлектрик должен использоваться все это время. Напротив, стабильность состояния импульсного диэлектрика, обеспечивающая его идеальную работу в течение длительного времени, может сохраниться и также успешно использоваться в любой период этого времени.

Все изложенное позволяет рекомендовать обычную воду для практического использования ее в качестве материала импульсного диэлектрика в устройствах, ,питаемых импульсами длительностью 10~4—10~3 с и короче [36, 41]. При этом потери будут уменьшаться с увеличением крутизны фронта импульса. Потери будут максимальными с приближением крутизны фронта к импульсу практически нулевой амплитуды, а минимальными — с приближением крутизны к импульсу бесконечно крутой амплитуды. Отсюда следует, что потери будут минимальными и на тех участках кривой импульса, где нарастание или спад происходят линейно, без флуктуации, и что в целях сохранения высоких качеств

84



Рис. 2.21. Схема участков потерь для импульса напряжения при работе

на прямой полярности (а) и на обратной полярности (б):

1 — участки наименьших потерь; 2—участок несколько больших потерь; 3

участок максимальных потерь

импульсного диэлектрика следует обеспечивать, кроме прочих, и это условие.

На рис. 2.21, а приведена схема импульса напряжения при работе на прямой полярности, на которой показаны те участки, где потери могут быть минимальными и где они вынужденно максимальны, а на рис. 2.21,6 — аналогичная схема для случая работы на обратной полярности для тех же параметров длины искры, напряжения и емкости. Из сопоставления этих двух схем следует, что при работе на одинаковых параметрах импульса, но на обратной полярности жидкость, как импульсный диэлектрик, «работает» более эффективно и экономично и оказывается способной во много раз дольше сохранять свойства импульсного диэлектрика, чем в случае работы устройств на прямой полярности.

Магнитное поле при реверсивном разряде имеет свои особенности. Из сравнения рис. 2.21, а и 2.21, б следует, что зависимости тока и напряжения реверсивного разряда и разряда при работе на прямой полярности совершенно различны и по форме кривых и по характеру нарастания и спада. Однако зависимости на рис. 2.21,6 соответствуют реверсивному разряду «в чистом виде», т. е. когда разряд возникает при максимально изолированном отрицательном электроде и очень сильно развитой активной поверхности пластины положительного электрода. По мере увеличения площади отрицательного и ум&ньшения площади по^ ложительного электрода кривые тока и напряжения реверсивного разряда будут все более походить на кривые тока и напряжения разряда при работе на прямой полярности, приведенные на рис. 2.21, а.

Таким образом, и на реверсивном разряде работа всех устройств, использующих импульсные диэлектрики, будет происходить в условиях, когда вид и форма кривых тока и напряжения будут очень близки к их канонической форме при обычном разряде на прямой полярности.

Все вышеизложенное послужило основой для создания импульсных конденсаторов, кабелей, выпрямителей, вентилей, диодов, выключателей импульсных токов, принципиальные схемы которых были предложены еще в начале 50-х годов.

85

где со — частота вынуждающей ЭДС; С — емкость контура.

Глава 3

^ Электрические схемы и комплектующее оборудование электрогидравлических установок

3.1. Электрические схемы генераторов импульсов тока электрогидравлических устройств

Генератор импульсов тока (ГИТ) предназначен для формирования многократно повторяющихся импульсов тока, воспроизводящих электрогидравлический эффект. Принципиальные схемы ГИТ были предложены еще в 1950-х годах [4, 7, 9] и за истекшие годы не претерпели существенных изменений, однако значительно усовершенствовались их комплектующее оборудование и уровень автоматизации. Современные ГИТ предназначены для работы в широком диапазоне напряжения (5—100 кВ), емкости конденсатора (0,1 —10000 мкФ), запасенной энергии накопителя (10—106 Дж), частоты следования импульсов (0,1 —100 Гц).

Приведенные параметры охватывают большую часть режимов, в которых работают электрогидравлические установки различного назначения.

Выбор схемы ГИТ определяется в соответствии с назначением конкретных электрогидравлических устройств. Каждая схема генератора включает в себя следующие основные блоки: блок питания — трансформатор с выпрямителем; накопитель энергии — конденсатор; коммутирующее устройство — формирующий (воздушный) промежуток; нагрузка — рабочий искровой промежуток. Кроме того, схемы ГИТ включают в себя токоограни-чивающий элемент (это может быть сопротивление, емкость, индуктивность или их комбинированные сочетания). В схемах ГИТ может быть несколько формирующих и рабочих искровых промежутков и накопителей энергии. Питание ГИТ осуществляется, как правило, от сети переменного тока промышленной частоты и напряжения.

ГИТ работает следующим образом. Электрическая энергия через токоограничивающий элемент и блок питания поступает в накопитель энергии — конденсатор. Запасенная в конденсаторе энергия с помощью коммутирующего устройства — воздушного формирующего промежутка — импульсно передается на рабочий промежуток в жидкости (или другой среде), на котором происходит выделение электрической энергии накопителя, в результате

чего возникает электрогидравлический удар. При этом форма и длительность импульса тока, проходящего по разрядной цепи ГИТ, зависят как от параметров зарядного контура, так и от параметров разрядного контура, включая и рабочий искровой промежуток. Если для одиночных импульсов специальных ГИТ параметры цепи зарядного контура (блока питания) не оказывают существенного влияния на общие энергет-ические показатели электрогидравлических установок различного назначения, то в промышленных ГИТ КПД зарядного контура существенно влияет на КПД электрогидравлической установки.

Использование в схемах ГИТ реактивных токоограничивающих элементов обусловлено их свойством накапливать и затем отдавать энергию в электрическую цепь, что в конечном счете повышает КПД.

Электрический КПД зарядного контура простой и надежной в эксплуатации схемы ГИТ с ограничивающим активным зарядным сопротивлением (рис. 3.1, а) весьма низок (30 — 35 %), так как заряд конденсаторов осуществляется в ней пульсирующими напряжением и током. Введением в схему специальных регуляторов напряжения (магнитного усилителя, дросселя насыщения) можно добиться линейного изменения вольт-амперной характеристики заряда емкостного накопителя и тем самым создать условия, при которых потери энергии в зарядной цепи будут минимальны, а общий КПД ГИТ может быть доведен до 90 % [4] .

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




индуктивность контура;





При проектировании и разработке ГИТ электрогидравлических установок значительный интерес представляет использование резонансного режима заряда емкостного накопителя от источника переменного тока без выпрямителя. Общий электрический КПД резонансных схем очень высок (до 95 %), а при их использовании происходит автоматическое значительное повышение рабочего напряжения. Резонансные схемы целесообразно использовать при работе на больших частотах (до 100 Гц,) , но для этого требуются специальные конденсаторы, предназначенные для работы на переменном токе. При использовании этих схем необходимо соблюдать известное условие резонанса


87





Рис. 3.1. Принципиальные электрические схемы ГИТ электрогидравлических установок (Тр1ТрЗ — трансформаторы;Ц1К.З — сопротивления в цепи сетевого питания; VI—1/4 — выпрямители; Ср — рабочий конденсатор; Сф — фильтровый конденсатор; 11—13 — индуктивность (дроссели); ФП, ФП1, ФП2 — формирующие промежутки; РП—рабочий искровой промежуток

Однофазный резонансный ГИТ (рис. 3.1, в) может иметь общий электрический КПД, превышающий 90%. ГИТ позволяет получать стабильную частоту чередования разрядов, оптимально равную либо однократной, либо двукратной частоте питающего тока (т. е. 50 и 100 Гц соответственно) при питании током промышленной частоты. Применение схемы наиболее рационально при мощности питающего трансформатора 15—30 кВт. В разрядный контур схемы вводится синхронизатор — воздушный формирующий промежуток, между шарами которого расположен вра-

щающийся диск с контактом, вызывающим срабатывание формирующего промежутка при проходе контакта между шарами. При этом вращение диска синхронизируется с моментами пиков напряжения [4].

Схема трехфазного резонансного ГИТ (рис. 3.1,г) включает в себя трехфазный повышающий трансформатор, каждая обмотка на высокой стороне которого работает как однофазная резонансная схема на один общий для всех или на три самостоятельных рабочих искровых промежутка при общем синхронизаторе на три формирующих промежутка. Эта схема позволяет получать частоту чередования разрядов, равную трехкратной или шестикратной частоте питающего тока (т. е. 150 или 300 Гц соответственно) при работе на промышленной частоте. Схема рекомендуется для работы на мощностях ГИТ 50 кВт и более. Трехфазная схема ГИТ экономичнее, так как время зарядки емкостного накопителя (той же мощности) меньше, чем при использовании однофазной схемы ГИТ. Однако дальнейшее увеличение мощности выпрямителя будет целесообразно' только до определенного предела [4].

Повысить экономичность процесса заряда емкостного накопителя ГИТ можно путем использования различных схем с фильтровой емкостью. Схема ГИТ с фильтровой емкостью и индуктивной зарядной цепью рабочей емкости (рис. 3.1, д) позволяет получать, практически любую частоту чередования импульсов при работе на небольших (до 0,1,мкФ) емкостях и имеет общий электрический КПД — около 85 %. Это достигается тем, что фильтровая емкость работает в режиме неполной разрядки (до 20 %), а рабочая емкость заряжается через индуктивную цепь — дроссель с малым активным сопротивлением — в течение одного полупериода в колебательном режиме, задаваемым вращением диска на первом формирующем . промежутке. При этом фильтровая емкость превышает рабочую в 15—20 раз [4].

Вращающиеся диски формирующих искровых промежутков сидят на одном валу и поэтому частоту чередования разрядов можно варьировать в очень широких пределах, максимально ограниченных лишь мощностью питающего трансформатора. В этой схеме могут быть использованы трансформаторы на 35—50 кВ, так как она удваивает напряжение. Схема может подсоединяться и непосредственно к высоковольтной сети.

В схеме ГИТ с фильтровой емкостью (рис. 3.1, е) поочередное подсоединение рабочей и фильтровой емкостей к рабочему искровому промежутку в жидкости осуществляется при помощи одного вращающегося разрядника — формирующего промежутка [6]. Однако при работе такого ГИТ срабатывание вращающегося разрядника начинается при меньшем напряжении (при сближении шаров) и заканчивается при большем (при удалении .шаров), чем это задано минимальным расстоянием между шарами разрядников. Это приводит к нестабильности основного параметра

89



разрядов—.напряжения, а следовательно, к снижению надежности работы генератора.

Для повышения надежности работы ГИТ путем обеспечения заданной стабильности параметров разрядов в схему ГИТ с фильтровой емкостью включают вращающееся коммутирующее устройство — диск со скользящими контактами для поочередного предварительного бестокового включения и выключения зарядного и разрядного контуров.

При подаче напряжения на з'арядный контур генератора первоначально заряжается фильтровая емкость. Затем вращающимся контактом без тока (а значит, и без искрения) замыкается цепь, на шарах формирующего разрядника возникает разность потенциалов, происходит пробой и рабочий конденсатор заряжается до напряжения фильтровой емкости. После этого ток в цепи исчезает и контакты вращением диска размыкаются вновь без искрения. Далее вращающимся диском (также без тока и искрения) замыкаются контакты разрядного контура и напряжение рабочего конденсатора подается на формирующий разрядник, происходит его пробой, а также пробой рабочего искрового промежутка в жидкости. При этом рабочий конденсатор разряжается, ток в разрядном контуре прекращается и, следовательно, контакты вращением диска могут быть разомкнуты вновь без разрушающего их искрения. Далее цикл повторяется с частотой следования разрядов, задаваемой частотой вращения диска коммутирующего устройства.

Использование ГИТ этого типа позволяет получать стабильные параметры неподвижных шаровых разрядников и осуществлять замыкание и размыкание цепей зарядного и разрядного контуров в бестоковом режиме, тем самым улучшая все показатели и надежность работы генератора силовой установки.

Была разработана также схема питания электрогидравлических установок, позволяющая наиболее рационально использовать электрическую энергию (с минимумом возможных потерь). В известных электрогидравлических устройствах рабочая камера заземлена и поэтому часть энергии после пробоя рабочего искрового промежутка в жидкости практически теряется, рассеиваясь на заземлении. Кроме того, при каждом разряде рабочего конденсатора на его обкладках сохраняется небольшой (до 10 % от первоначального) заряд.

Опыт показал, что любое электрогидравлическое устройство может эффективно работать по схеме, в которой энергия, запасенная на одном конденсаторе С1, пройдя через формирующий промежуток ФП, поступает на рабочий искровой промежуток РП, где в большей своей части расходуется на совершение полезной работы электрогидравлического удара. Оставшаяся неизрасходованной энергия поступает на второй незаряженный конденсатор С2, где и сохраняется для последующего использования (рис. 3.2). После этого энергия дозаряженного до требуемого

90

значения потенциала второго конденсатора ^ С2, пройдя через формирующий промежуток ФП, разряжается на_ рабочий искровой промежуток РП и вновь неиспользованная часть ее попадает теперь уже на первый конденсатор С1 и т. д.

Поочередное подсоединение каждого из конденсаторов то в зарядную, то в раз- =т=С2 рядную цепь производится переключателем /7, в котором токопроводящие пластины А и В, разделенные диэлектриком, поочередно подсоединяются к контактам 14 зарядного и разрядного контуров.

Рис. 3.2. Электрическая схема питания электрогидравлических установок


Колебательный характер процесса способствует тому, что переход энергии при разряде одного конденсатора на другой совершается с некоторым избытком (для заряжаемого конденсатора), что также положительно сказывается на работе этой схемы.

Для некоторых частных случаев указанную схему можно построить таким образом, чтобы после каждой подзарядки конденсатора (например, С1] энергией, «оставшейся» от предыдущего разряда на него конденсатора С2, последующий разряд конденсатора С1 шел через рабочий промежуток на землю, не поступая на подзарядку конденсатора С2. Такая работа будет эквивалентна работе сразу на двух режимах, что может быть эффективно использовано на практике (в технологических процессах дробления, разрушения, измельчения и др.).
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Похожие:

К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconМагистральные трубопроводы
Южниигипрогаза (И. И. Панков и Н. Н. Желудков), Государственного газового надзора СССР р. Г. Торопова), вниигаза Мингазпрома (кандидаты...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconТиражування та розповсюдження без офіційного дозволу Держпожбезпеки заборонено
Укрндіпб) мвс україни (канд техн наук Откідач М. Я.,  Нехаєв В. В. – керівник розробки,        Сокол В. Г. – відповідальний виконавець...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconЕ. М. Перепонова ), ниипг гугк (канд техн наук
Работаны цнииомтп госстроя СССР (кандидаты техн наук В. С. Сытник, С. Е. Чакулаев) с участием нииосп им. Н. М. Герсеванова Госстроя...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconАвтомобильные дороги
Минавтодора рсфср (д-р техн наук А. П. Васильев; кандидаты техн наук В. Д. Белов, Е. М. Окороков), Гипроавтотранса Минавтотранса...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconАлюминиевые конструкции
Разработаны цнииск им. Кучеренко (д-р техн наук В. И. Трофимов, канд техн наук Б. Г. Бажанов) при участии цниипроектстальконструкции...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconУчебное пособие рекомендовано умо по образованию в области социальной...
Д-р соц наук, проф. А. В. Миронов; д-р полит, наук, проф. М. В. Савва; д-р полит, наук, проф. С. В. Передерий
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconБезопасность технологических процессов и производств
«Промышленная безопасность и охрана окружающей среды» Российского государственного университета нефти и газа им. И. М. Губкина (зав...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconД. А. Леонтьев психология смысла
Рао б. С. Братусь д-р психол наук, проф., чл кор. Рао в. А. Иванников д-р психол наук, проф., чл кор. Ран в. Ф. Петренко д-р психол...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconИстория экономики учебник
О. Д. Кузнецова; канд экон наук, доц. Л. И. Пермякова; канд экон наук, доц. Е. Г. Лисовская; д-р экон наук, проф. И. Н. Шапкин; канд...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconПод общей редакцией
Кононов К. А., канд юрид наук — гл. 7 (в со­авт.); Кряжкова О. Н., канд юрид наук, доцент — гл. 7 (в со­авт.), 18, 27; Марокко II....
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница