Изучение ограничения длительности электрического разряда путем повышения частоты питающего напряжения

Изучение искробезопасности электрических цепей с синусоидальной формой питающего напряжения

Ограничение длительности электрического разряда, а следовательно, и выделяемой в разряде энергии достигается, если энергия от источника питания к нагрузке передается в виде импульсов, причем энергия одного импульса должна быть недостаточной для воспламенения газовой смеси, а между импульсами создаются условия, при которых прекращается электрический разряд. Для прекращения этого разряда необходимо, чтобы напряжение на разряде было меньше значения, определяемого из уравнения развития напряжения на контактах, а время существования такого напряжения - больше вре­мени деионизации плазмы разряда.

Проведенные исследования, показали, что с уве­личением частоты синусоидального напряжения от 30 до 100 кГц искро­безопасная мощность цепи увеличивается, а при дальнейшем возрастании частоты уменьшается [1]. Были получены зависимости воспламеняющего тока синусоидальной формы от частоты, индуктивности и напряжения источника для метано-воздушной смеси [7,10 ].

 

Рис. 5.1. Зависимость воспламеняющего тока от частоты, индуктивности и напряжения источника для метано-воздушной смеси

Изучение искробезопасности высокочастотных цепей с прямоугольной формой питающего напряжения

Исследования, проведенные в работе [11] показали высокую эффективность при обеспечении искробезопасности цепей повышенной частоты не только синусоидальной, но и прямоугольной формы напряжения.

В результате были получены зависимости искробезопасных напряжений от тока и частоты и искробезопасной мощности и частоты, изображенные на рис.5.2 и 5.3, где f – частота переключения тока. Из полученных графиков следует, что с повышением частоты переключений инвертора искробезопасная мощность увеличивается и достигает максимума при f=40 кГц, а затем уменьшается. Длительность фронта t при частотах до 40 кГц примерно постоянна и составляет 0,8 – 1,2 мкс.

Рис. 5.2. Зависимость безопасного напряжения цепи переменного тока прямоугольной формы от тока и частоты: 1 – 5 кГц, 2 – 10 кГц, 3 – 15 кГц,

4 – 25 кГц, 5 – 40 кГц.

 

Рис. 5.3. Зависимость искробезопасной мощности цепи переменного тока прямоугольной формы от величины напряжения и частоты: 1 – 5кГц, 2 – 10 кГц, 3 – 15 кГц, 4 – 25 кГц, 5 – 40 кГц, 6 – 60 кГц.

 

С целью проверки влияния возникающих на фронтах импульсов на воспламеняющую способность цепей повышенной частоты был проведен эксперимент. В выходную цепь инвертора с трансформаторным выходом включалась индуктивность L, зашунтированная стабилитронами VD1 и VD2 (рис.5.4,а). Было установлено, что при увеличении величины перенапряжения на индуктивности нагрузки свыше 40В вероятность воспламенения возрастает (рис.5.4,б).

Рис. 5.4. Схема для исследования влияния напряжения стабилизации шунта индуктивной нагрезки на воспламеняющуюспособность цепи переменного тока прямоугольной формы (а) и зависимости вероятности воспламенения метано-воздушной смеси от напряжения стабилизации шунта (б): L=0,0001 Гн, I=0,4 A, U=135 B, f=15 кГц, стабилитроны VD1, VD2 типа Д816 и Д817.

 

Вывод: уменьшив величину выбросов (перенапряжений) на фронтах импульсов, можно увеличить мощность в ключевых инверторах с трансформаторным выходом.

Рис. 5.5. Осциллограммы тока (верхняя линия) и напряжения (нижняя линия) разряда размыкания в цепи с параметрами: E=100 B, I=0,33 A, f=14кГц.

Масштабы: m_t=25 мкс/дел, m_i =0.35 A/дел, m_u =100 B/дел.

 

Наиболее простым решением является включение стабилитронного шунта параллельно выходной обмотке трансформатора инвертора с напряжением U>U, где U – напряжение стабилитронов VD1иVD2, а U - напряжение нагрузки. При этом не создается условий для пробоя межконтактного промежутка (рис.5.6).

а) масштабы:m_t = 25 мкс/ дел,m_I = 0,5 А/ дел,m_u=100 В/ дел

б) масштабы:m_t = 25 мкс/ дел,m_I = 0,22 А/ дел,m_u = 120 В/ дел

Рис. 5.6. Осциллограммы токов (верхняя линия) и напряжений (нижняя линия) в цепях повышенной частоты с прямоугольной формой питающего напряжения с парамерами: а) Е=100В, I=0,5A, f=14кГц; б) Е=300 В, I=0,11 A, f=14 кГц

 

Рис. 5.7. Схема подключения стабилитронного шунта к выходной цепи высокочастотного инвертора (а). Зависимости искробезопасного тока от выходного напряжения инвертора и напряжения стабилизации шунта при частоте 15 кГц (б) и зависимости искробезопасной мощности цепи переменного со стабилитронным шунтом от частоты и напряжения стабилизации шунта (в).

На рис. 5.7.б приведены зависимости искробезопасного тока от напряжения стабилизации шунта, включенного параллельно выходной обмотке высокочастотного инвертора с частотой f = 15 кГц. Из полученных зависимостей следует, что положительное влияние шунта проявляется при U<200 В. При увеличении U>200 В эффективность шунта несколько снижается.

 

 

Ознакомление со способом увеличения искробезопасной мощности цепей переменного тока повышенной частоты

Предлагаемый способ позволяет увеличить искробезопасную мощность электрических цепей переменного тока повышенной частоты при расширении диапазона частоты и амплитуды питающего напряжения.

На рис. 5.8 изображены диаграммы напряжения цепей питания промышленной и повышенной частот; на рис. 5.9 – диаграммы напряжений питания при использовании предложенного способа обеспечения искробезопасности цепей; на рис. 5.10 – схема устройства для обеспечения повышенной частоты переменного тока.

Повышение частоты и амплитуды питающего напряжения при искробезопасности цепей переменного тока обеспечивается путем сохранения величины энергии полупериодов на уровне, недостаточном для

возможно лишь до тех пор, пока мгновенное значение напряжения и области перехода через нуль не превышает величины порядка 10 В (напряжения зажигания разряда U_o) в течение времени, достаточного для деонизации
плазмы разряда. При дальнейшем увеличении частоты (рис. 5.8) указанное время t₁ становиться меньше времени деионизацииt_д, и искробезопасность цепей уже не обеспечивается.

 

Искробезопасность цепей переменного тока обеспечивается путем сохранении величины энергии полупериодов на уровне, недостаточном для воспламенения газовой смеси. Однако достижение эффекта при этом возможно лишь до тех пор, пока мгновенное значение напряжения и области перехода через нуль не превышает величины порядка 10 В (напряжения зажигания разряда U_o) в течение времени, достаточного для деонизации плазмы разряда.

Способ обеспечения искробезопасности цепей переменного тока осуществляют следующим образом:

- формируют напряжение с частотой, при которой энергия половины периода питающего напряжения недостаточна для воспламенения газовой смеси;

- отключают источник питания в конце полупериода питающего напряжения;

-
включают источник в цепь нагрузки через интервал времени, в течение которого происходит полная деионизация плазмы, образованная при размыкании цепи энергией половины периода напряжения.

При этом с увеличением частоты и неизменной величине энергии половины периода (рис. 5.10) время, при котором происходит деионизация (t₂≥t_д) плазмы, остается неизменным, следовательно,искробезопасность цепи сохраняется. При этом мощность цепи (амплитудное значение напряжения) увеличивается.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит источник G питающего напряжения, выполненный в виде источника постоянного напряжения и преобразователя постоянного напряжения в переменное ИНВ. К выходу источника ИНВ подключены два вкюченных встречно стабилитрона VD1, VD2, соединенных последовательно с нагрузкой R.

 

Рассмотрение высокочастотных цепей с током прямоугольной формы и паузами между импульсами тока

Используя предложенный способ, можно увеличить искробезопасную мощность в цепях переменного тока прямоугольной формы, в том числе и повышенного напряжения.

Расчет энергии, необходимой для воспламенения газовой смеси, времени деионизации t_д , а также напряженности поля, возникающей в межконтактном промежутке после окончания паузы, весьма затруднен в связи с неопределенностью таких факторов, как пламягасящее действие контактов, температура газа в разряде, скорости движения контактов.

Поэтому основные параметры цепи переменного тока прямоугольной формы с паузами между импульсами при переходе через нуль, были определены экспериментальным путем. Для достижения этой цели была разработана установка, позволяющая определять воспламеняющую способностьцепей переменного тока во взрывной камере путем изменения длительности импульсов и пауз питающего напряжения (рис.5.11а).

Рис. 5.11. Схема установки для исследования воспламеняющей способности цепей переменного тока с паузами между полупериодами (а) и форма напряжения в цепи нагрузки (б).

Схема содержит источник постоянного тока GB, задающий генератор GN, триггер TT, коммутатор SW, формирователь выходного сигнала F, преобразователь напряжения UZ и нагрузку R.

Выходное напряжение устройства представляет собой разнополярное импульсное напряжение прямоугольной формы (рис.5.11б), причем длительность импульса и паузы регулируются независимо друг от друга.

Исследования проводились в метано-воздушной смеси при напряжении 300В. Время деионизации плазмы в разряде t_д =T_пзадается как разность между длительностью полупериода Т и импульса T_ивыходного сигнала.

Величина средней мощности определялась по формуле:

P_ср = 2EIT_и/(T_и + T_п), (5.5)

Где Е – амплитудное значение напряжения;

I – амплитудное значение тока в импульсе;

Т_и - длительность импульса тока;

Т_п - длительность паузы.

На рис. 5.12а и 5.12б построены зависимости длительности импульсов от длительности пауз при различных коммутируемых токах и средней мощности, не воспламеняющих метано-воздушную смесь.

Рис. 5.12. Зависимость длительности импульсов (а) и искробезопасной мощности (б) цепи переменного тока с отсечкой между полупериодами.

 

Полученная искробезопасная мощность цепей переменного тока специальной формы в несколько раз превышает максимальную искробезопасную мощность цепей переменного тока высокой частоты прямоугольной формы при такой амплитуде питающегонапряжения. Так при напряжении 300 В и длительности паузы T_п=12 мкс искробезопасная мощность достигает 218 Вт, когда при этом же напряжении в цепях с прямоугольной формой тока достигается мощность 62 Вт.

Выводы

1. Установлено, что искробезопасная мощность цепи при прямоугольной форме питающего напряжения зависит, как и при синусоидальной, от частоты. В случае коммутации цепи в метано-воздушной смеси максимальная искробезопасная мощность достигается при 40 кГц. Искробезопасность таких цепей в аварийных режимах может обеспечиваться путем контроля за наличием заданной частоты и отключением источника энергии при изменении частоты до значений, при которых искробезопасность цепи нарушается.

2. На величину искробезопасной мощности цепи существенное влияние оказывает величина перенапряжения, возникающая при переключении элементов, обеспечивающих прямоугольную форму напряжения. Следует полагать, что эти перенапряжения оказывают влияние на условия деионизации при изменении полярности питающего напряжения. При исключении перенапряжений искробезопасная мощность увеличивается примерно в 2 раза.

3. Искусственное введение паузы при изменении полярности напряжения приводит к увеличению искробезопасной мощности цепи переменного тока, а также расширяет диапазон частот, в котором эта мощность увеличивается.

4. При оптимальном выборе параметров цепей с прямоугольной формой питающего напряжения (длительностей импульсов и пауз, амплитудного значения напряжения и других) искробезопасная мощность для для рудничного электрооборудования составляет более 200 ватт. Такое напряжение может быть использовано для передачи информации или промышленного применения инфранизкой, промышленной и звуковой частот. Для этого необходимо модулировать сигналы в указанном диапазоне частотой с параметрами, оптимальными с точки зрения безопасности.