1.6.1. Обзор схем

Прежде чем описывать схемы плазмотронов переменного тока, не­обходимо вкратце остановиться на преимуществах и особенностях пи­тания плазмотронов переменным током по сравнению с питанием по­стоянным током. Из преимуществ отметим следующие.

Источниками постоянного тока являются, как правило, различные выпрямительные устройства. Если рассматривать плазмотроны мульти - мегаваттного уровня, то такие устройства превращаются в очень сложные, громоздкие и дорогостоящие сооружения. Плазмотроны пе­ременного тока не требуют для питания никаких специальных уст­ройств, их питание производится непосредственно от промышленной трехфазной сети. Коммутационная аппаратура этих сетей относительно проста и надежна, а мощность практически. неограничена. Диапазон стандартных напряжений трехфазных сетей весьма широк, что об­легчает выбор схемных решений плазмотронов применительно к раз­личным задачам.

Известно, что в плазмотронах постоянного тока ресурс катода обычно в несколько раз ниже ресурса анода. В плазмотронах пере­менного тока катод и анод меняются местами с частотой сети, по­этому минимальный ресурс электрода, по крайней мере, вдвое выше, чем в плазмотронах постоянного тока.

Для устойчивого горения дуги постоянного тока, которая, как правило, имеет падающую или независимую вольт-амперную характе­ристику, в цепь питания вводится балластный резистор, что приводит

к потерям активной мощности. Для устойчивого горения дуги пере­менного тока последовательно с ней включается катушка индук­тивности (реактор), приводящая к потерям реактивной мощности, которые при необходимости можно скомпенсировать, например, с по­мощью батареи конденсаторов.

Отметим особенности питания плазмотронов переменным током.

1. Поскольку при использовании переменного тока выделяемая в дуге мощность периодически изменяется во времени с двойной час­тотой сети, то в плазмотронах переменного тока в принципе всегда должны наблюдаться колебания выходных параметров. Если эти коле­бания нежелательны, то для их устранения или уменьшения необходимо вводить успокоительную камеру.

2. Для уменьшения эрозии электродов под действием дуги в боль­шинстве мощных плазмотронов постоянного тока применяется пере­мещение приэлектродных областей дуги магнитным полем. Аналогичный способ уменьшения эрозии электродов можно применить и в плазмо­тронах переменного тока.

3. При использовании трехфазного тока для питания плазмотронов следует обеспечить равномерную нагрузку фаз, чтобы не оказывать отрицательного влияния на работу других потребителей электро­энергии.

4. Известно, что при создании мощных плазмотронов постоянного тока основной трудностью является обеспечение длительной работо­способности катода. В плазмотронах переменного тока анод и катод меняются местами каждые 0,01 с, поэтому простое перенесение схем плазмотронов постоянного тока на плазмотроны переменного тока возможно далеко не во всех случаях.

Перейдем к обзору схем трехфазных плазмотронов (однофазные плазмотроны не представляют практического интереса). Этот обзор не претендует на исчерпывающую полноту, однако дает представление о разнообразии схем трехфазных плазмотронов и о том историческом пути, который они прошли в своем развитии.

На рис. 1.17 показана схема плазмотрона фирмы Westinghouse (США), в котором дуги горят между тремя соосными кольцевыми элек­тродами А, В, С, подключенными к трем фазам питающей сети. Элек­троды охлаждаются водой. Под действием магнитного поля, созда­ваемого магнитными катушками /С, дуги перемешаются по электродам. Вход и выход нагреваемого газа показаны стрелками. Для этого плаз­мотрона характерны невысокие напряжения дуги и очень большая сила тока. Кроме того, показанная на рисунке и, по-видимому, реали-

зуемая на практике схема горения дуг (’’открытый треугольник”) не обеспечивает симметричной нагрузки сети.

Шаррон и Хонлозер (Франция) разработали плазмотрон, схема ко­торого показана на рис. 1.18.

К трем графитовым электродам А, В, С подведены три фазы пи­тающей сети, к четвертому центральному графитовому электроду под­веден нулевой провод. Вдоль фазных электродов подается воздух. Нагретый газ выходит через сопло, ось которого перпендикулярна плоскости чертежа. Дуговые разряды замыкаются или на центральный электрод, если расстояние между фазными электродами мало (горение по схеме ’’звезда”), или между фазными электродами, если это рас­стояние велико (горение по схеме ’’треугольник”). Отметим, что го­рение по схеме ’’звезда” наблюдалось и в том случае, когда цент­ральный электрод был отключен от нулевого провода. Максимальные выходные параметры этого плазмотрона при работе на воздухе сле­дующие: Г = 3400 К при р - 0,75 МПа, G = 80 г/с, I - 1100 А, max max

термический КПД г) ~ 0,25. Основной недостаток плазмотрона - быст­рый унос графитовых электродов.

Развитием предыдущей схемы является плазмотрон Бонэ (рис. 1.19). Он содержит три торцевых электрода, помещенных в кварцевые трубки, причем по периферии электродов подается азот. Три дуги замыкаются между собой в центральной плазменной области (нулевая точка в плазме), однако для обеспечения устойчивого за­мыкания дуг введен вспомогательный источник плазмы (маломощный плазмотрон постоянного тока). Оси электродов наклонены к оси струи вспомогательного плазмотрона на угол 60 . Максимальная мощность этого плазмотрона составляла 200 кВт при токе 200 А.

В работе [4] описаны трехфазные плазмотроны, в которых ис­пользуются вольфрамовые стержневые электроды, расположенные па­раллельно друг другу (рис. 1.20). Вдоль электродов подается ра­бочий газ (Н2> Не, Аг, N2>. Мощность плазмотронов такого типа

достигает 80 МВт при токах до 26 кА (время работы не более 5 с).

Гейстер разработал плазмотрон, схема которого приведена на рис. 1.21. Он содержит центральный электрод и расположенные коак - сиально с ним два кольцевых электрода. Все электроды охлаждаются водой. К электродам подводятся 3 фазы питающей сети и между ними горят дуговые разряды, вращаемые постоянным магнитным полем.

Максимальная мощность этого плазмотрона составляла 1 МВт при токах 600 А. Плазмотрон использовался для нагрета воздуха при давлении до 10 МПа при относительно малых расходах (до 50 г/с).

На рис. 1.22 приведена схема разработанного авторами плазмо­трона, в основу которой положена идея последовательного нагрева

в

газа тремя дуговыми разрядами, включенными по схеме ’’треугольник”. Однако эксперименты показали, что, во-первых, фактически реали­зуется режим горения с двумя дугами (открытый треугольник) и, во - вторых, последовательный нагрев газа неэффективен.