WO2009023003A1 - Method for automatically controlling a plasmotron operation mode and a plant for carrying out said method - Google Patents
Method for automatically controlling a plasmotron operation mode and a plant for carrying out said method Download PDFInfo
- Publication number
- WO2009023003A1 WO2009023003A1 PCT/UA2008/000042 UA2008000042W WO2009023003A1 WO 2009023003 A1 WO2009023003 A1 WO 2009023003A1 UA 2008000042 W UA2008000042 W UA 2008000042W WO 2009023003 A1 WO2009023003 A1 WO 2009023003A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- current
- arc
- control unit
- output
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
- H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
- H05H1/36—Circuit arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32055—Arc discharge
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32917—Plasma diagnostics
- H01J37/32935—Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32917—Plasma diagnostics
- H01J37/3299—Feedback systems
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
- H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
- H05H1/3494—Means for controlling discharge parameters
Definitions
- An interrelated group of inventions relates to electrical engineering, in particular, to converting electric energy into thermal energy using a plasma torch, its control method and device for its implementation, which can be used in plasma metallurgy and plasma chemistry.
- a known method of power supply of direct current plasmatrons with porous injection of plasma-forming gas using thyristor rectifiers operating in current stabilization mode is a stabilizer with increased requirements for dynamic characteristics.
- the plasma torch was powered from two controlled rectifiers connected to a 6.3 kW network, through an ATMNU-10000/14 autotransformer and a TMPU-16000/10 isolation transformer. On the DC side, the rectifiers were connected in series. The control of both rectifiers was common.
- the closest in technical essence and the achieved result adopted a method of stabilization and regulation of power supply of plasmatrons, in which the current of each plasmatron individually set using pulse-width modulators.
- a regulating element is sequentially included in the current circuit - a key, with which a constant voltage source is periodically connected to the load.
- the average value of the voltage in the circuit and the current in the load is regulated by changing the duty cycle of the pulses, i.e. time on state with a constant period.
- a choke and a diode are included in the circuit. In the key conduction interval, the inductor stores energy, which during a pause is transmitted to the load through the diode.
- a device for controlling the operation mode of an electric arc installation comprising an indirect-action plasma torch, a rectifier connected to the cathode and anode of the plasma torch, a plasma-forming gas source, a trigger control and arc discharge control unit, the input of which is connected to a common rectifier circuit, characterized in that the control unit the starting mode and the excitation of the arc discharge is equipped with coils of circuit breakers with delay lines, which are connected via control contacts to the circuit Excitation of the arc discharge of the plasma torch through thermal relays, the rectifier is made in the form of a semi-controlled three-phase diode-thyristor rectifier, in each phase of which an additional diode is introduced, and a resistor is connected in parallel with the thyristor (Patent of Ukraine ⁇ 21208, class 6 H 05 ⁇ 7/18, application. 11.05 .1994, publ. 16.10.2000, bull. N ° 5).
- the basis of the first of the group of inventions is the task of improving the method for automatically controlling the plasma torch operating mode by reducing the amplitude of current and voltage ripple, expanding the range of regulation of the plasma torch operating mode, which will allow changing the energy characteristics of the plasma torch, ensuring its reliable and economical operation.
- the second of the group of inventions is based on the task of improving the installation of automatic control of the plasma torch operation mode, in which, by introducing new elements and assemblies into the control circuit, to create an easy-to-maintain and reliable system that optimizes and extends the control capabilities of the plasma torch and expands the scope installation application.
- the first task is solved in that in a method for automatically controlling the plasma torch operating mode, in which a constant voltage source is periodically connected to the plasmatron using a transistor switch, the average voltage and current in the plasmatron being controlled by changing the duty cycle of the pulses, and continuous current is maintained in the plasmatron due to the installation of a choke in the circuit, which stores energy in the interval of the key conductivity, and during pause transfers energy through the diode to the plasma he, according to the invention, set the upper and lower limits of the operating current of the plasma torch, arc voltage and voltage of each neutrode from the control panel of the installation and additionally set the upper and lower limits of the values of flow, pressure and temperature of gases and water for each channel of the gas-water console, while if the sensor signals are within the specified limits, the control unit gives a signal to close the blocking relay and allows the plasma torch to work, if the signals on any channel go beyond the specified limits, then the remote control The setup signal is used to turn off the plasma torch, and the current is stabilized by the program method in the control unit
- a way to automatically control the plasma torch operating mode is a control complex, which provides a combination of control systems, their universal compatibility, which allows optimizing and expanding control capabilities.
- the second task is solved in that the installation of automatic control of the plasma torch, containing a three-phase rectifier, an arc excitation unit with a high-voltage transformer connected to the cathode and anode of the plasma torch, according to the invention, the installation further comprises an arc current regulator, a gas-water console and a control panel of the installation, the output terminals of the arc current regulator are connected to the output terminals of the arc excitation unit, the output terminals of the excitation unit are connected to the corresponding m to the electrodes of the plasma torch, and the control panel of the installation is connected by information buses to the current regulator, the arc excitation unit and the gas-water console, the high-voltage transformer of the arc excitation unit connected to a high voltage unit, the control input of which is connected to the output of the arc excitation control unit, in the positive bus of which is installed arc current sensor, the output of which is connected to the input of the control unit, and the output of the control unit is connected to the coil of the contactor connected through
- the gas-water remote control includes a plasma-forming gas supply system, which consists of an inlet manifold to which a pressure sensor and flow controllers are connected, each of which contains an electric control valve, a flow sensor, a pressure sensor, a temperature sensor, and a computing device, moreover, in one of the supply valves gas, a pneumatic modulator is installed, and the coolant supply and exhaust system consists of a pressure manifold to which a temperature sensor, a pressure sensor and a drain are connected the first collector to which water flow meters, temperature sensors are connected, the gas-water console is equipped with an information system consisting of a control unit with computing devices for each gas flow controller, water flow meters, water temperature sensors and pressure sensors, while the control unit contains a communication interface , display and keyboard, and the output of the control unit is connected to the control winding of the interlock relay.
- a plasma-forming gas supply system which consists of an inlet manifold to which a pressure sensor and flow controllers are connected, each of which contains an electric control valve,
- the control unit as part of the arc excitation unit monitors the presence of voltage on the negative bus.
- the appearance of voltage from the power source serves as a command for the control unit to start the start.
- data on the current state of the plasma torch and on the voltages at the cathode and neutrode are constantly transmitted through the communication line to the control panel.
- the capacity of the capacitor bank is selected so that the maximum energy is sufficient to maintain the arc while the current in the inductor reaches a sufficient value.
- the resistance of the discharge resistor is chosen so that the discharge current does not exceed the permissible limits.
- the gas-water remote control is intended for supplying plasma-forming gases to the plasma torch with preset values of mass flow rate for each channel, as well as for supplying / discharging cooling water to the heat-loaded parts of the plasma torch.
- the control unit on the communication line receives from the control panel the set values of the mass flow rate of the plasma-forming gas.
- the control unit transmits the received tasks to the flow control unit, which provides adjustment and maintaining set flow rates when changing the gas inlet pressure, backpressure in the channel, gas temperature, and other destabilizing factors.
- a pneumatic modulator is installed in one of the gas supply channels, which is necessary to reduce wear of the cathode surface, expanding the arc attachment zone by periodically changing the gas flow (modulation) along one of the channels.
- the optimal values of the modulation parameters - frequency, depth, shape - are provided programmatically in the control unit.
- the water supply is carried out through the water supply unit, which provides disconnection and connection of the water supply in each channel.
- the temperature and pressure of the cooling water at the inlet to the block are controlled in the supply unit.
- the control unit ensures the operation of the components of the gas-water console, the operational monitoring of their condition, receives tasks from the control panel and sends the current parameters to the control panel - mass flow rate and pressure in each gas supply channel, inlet pressure in the gas supply manifold, flow rate and water temperature at the discharge each channel, the pressure and temperature of the water in the pressure manifold, in addition, the control unit, in the event of an emergency, opens the contacts of the blocking relay, which can be used for emergency about turning off the power source of the plasma torch.
- the proposed method is implemented as follows.
- the upper and lower limits of the operating plasma torch current, arc voltage, and voltage of each neutrode are set from the control panel of the installation, and the upper and lower limits of the flow rates, pressures, and temperatures of gases and water are set for each channel of the gas-water console. If the sensor signals are within the specified limits, the control unit gives a signal to close the blocking relay and allows the plasma torch to work, and if the signals on any channel go to the specified limits, a signal is sent from the control panel to turn off the plasma torch.
- the current stabilization is carried out by software in the control unit by comparing the values of the specified operating current with the signal of the analog current sensor.
- the maximum allowable frequency is used, and after the end of transient processes, when the set value of the arc current is reached, the frequency decreases to the minimum possible value, while expanding the arc reference zone by periodically changing flow rate of plasma-forming gas in one of the gas supply channels using a pneumatic modulator of the gas console.
- Signal from analog the current sensor to the control unit is continuously analyzed in automatic mode, and when the mode of unstable arc burning appears, the maximum allowable switching frequency of the transistor switch is set, and after the end of transient processes, when the arc current reaches the set value, the frequency decreases to the minimum possible value.
- the drawing shows a functional diagram of the inventive installation.
- the power supply installation of the plasma torch consists of an arc current regulator 1, an arc excitation unit 2, a gas-water console 3 and a plant control panel 4.
- the current controller of the arc 1 consists of an input protection unit 5, the input of which is supplied with a three-phase supply voltage.
- the supply voltage is supplied to a three-phase rectifier 6, then the rectified direct voltage is smoothed using a capacitor bank 7 and is supplied to a transistor switch 8, the output of which is connected to a diode 9 and a choke 10.
- a limit current sensor 11 and an analog current sensor 12 are connected in series with the choke 10.
- the output of the current sensor 12 is connected to the control unit of the current regulator 13.
- the control input of the transistor switch 8 is connected to the output of the two-input driver 14, one of the inputs of which is connected to the output of the unit 13, and the second input is connected to the output of the current limit sensor 11.
- the arc excitation unit 2 consists of a high-voltage transformer 15 connected to a high voltage unit 16, the control input of which is connected to the output of the control unit 17.
- An arc current sensor 18 is installed in the positive bus, the output of which is connected to the input of the control unit 17.
- the output of the control unit 17 is connected with the contactor 19.
- a wire resistor 20 is connected to the capacitor 21 and the terminal of the neutrode.
- a capacitor bank 22 is connected to the negative bus via a charging resistor 23 and through a series-connected discharge resistor 24 and a diode 25.
- the output of the control unit 17 is connected to the control winding of the blocking relay 26.
- the gas-water remote control consists of a plasma-forming gas supply system, a coolant supply and exhaust system, and an information system.
- the plasma gas supply system consists of an inlet manifold 27 to which a pressure sensor 28 and flow controllers 29 are connected, each of which contains an electric control valve 30, a flow sensor 31, a pressure sensor 32, a temperature sensor 33, and a computing device 34.
- pneumatic modulator 35 is installed in the gas supply channels.
- the coolant supply / removal system consists of a pressure manifold 36, to which a temperature sensor 37, a pressure sensor 38, as well as shut-off valves 39, and a drain manifold 40 are connected to which water flow meters 41 and water temperature sensors 42 are connected.
- the information system consists of a control unit 43 to which computing devices 34 of each of gas flow regulators 29, as well as water flow meters 41, water temperature sensors 37 and 42, and pressure sensors 28 and 38.
- the control unit includes a communication interface 44, a display 45 and a keyboard 46.
- the output of the control unit 43 is connected connected to the control winding of the interlock relay 47.
- the installation control panel 4 consists of a control unit 48 to which a display 49, a keyboard 50, and a communication interface 51 are connected.
- a three-phase supply voltage is applied to the input terminals of the arc current regulator 1.
- the output terminals of the arc current regulator 1 are connected to the input terminals of the arc excitation unit 2.
- the output terminals of the arc 2 excitation unit are connected to the electrodes of the plasma torch.
- the installation control panel 4 is connected by information buses to the arc current regulator 1, the arc excitation unit 2 and the gas-water console 3.
- the relay contacts of the locks 26 and 47 are connected in series and connected to the control unit 48.
- the installation works as follows.
- the control panel of the installation 4 contains a display 49 and a keyboard 50, which allows you to control the installation in manual mode, and to monitor the status of its components.
- the control panel 4 includes a communication interface 51, which allows you to include the installation in the ACS TP, and control it remotely.
- the control panel 4 is connected to the control units 13, 17 and 43 using the integrated communication interfaces through which the control panel 4 transmits commands and receives response information from the blocks.
- An alternating three-phase voltage is supplied to the input protection unit 5, then to a three-phase rectifier 6.
- the direct voltage rectified by the three-phase rectifier 6 is additionally smoothed using a capacitor bank 7, and supplied to the transistor switch 8.
- a driver 14 is installed in the control circuit of the transistor switch 8, which provides supply to the input of the transistor switch 8 the necessary voltage levels for its complete unlocking and locking.
- a feature of the shaper 14 is the presence of a second (locking) input, which provides a quick shutdown of the transistor 8 when the allowed current is exceeded, regardless of the signal at the main input.
- Transistor switch 8 operates in a pulsed mode, with alternating fully open and completely locked states, which ensures minimal power loss when regulating the arc current.
- the diode 9 and the inductor 10 ensure the continuity of the current flow in the load (arc), with the pulse nature of the transistor switch 8.
- the diode 9 is locked, the arc current passes through the inductor 10, accumulating magnetic field energy in it.
- the transistor switch 8 is locked in the inductor 10, an emf occurs. self-induction, and the accumulated magnetic energy is transferred to the load. In this case, the diode 9 is unlocked, and the arc current passes through it.
- the limit current sensor 11 In series with the load in the negative bus, the limit current sensor 11 is turned on, which ensures the safe operation of the transistor, quickly locking the shaper 14 when the current exceeds the maximum permissible value. Thus, additional inertialess protection of the transistor switch 8 is provided, which is necessary during transients during the start of the plasma torch, or with an unstable character of arc burning.
- Analog current sensor 12 generates a signal proportional to the current value of the current, which is compared in the control unit 13 with the set current value received from the control panel 4.
- the difference between the set and current values is a control parameter for the pulse-width modulator included in the control unit 13
- the duty cycle of the pulses at the output of the pulse-width modulator is changed so that the current current value becomes equal to the specified value. This ensures the adjustment and stabilization of the set current value.
- the frequency of the pulse-width modulator is not constant. To ensure maximum stability of the feedback loop of the current regulator, it is necessary to increase the switching frequency of the transistor switch. But with an increase in frequency, dynamic losses in the transistor key increase, which leads to its increased heating, a decrease in the reliability of the current regulator, and a decrease in efficiency installation as a whole. Therefore, the frequency is selected by the control unit 13 adaptively, depending on the operating conditions of the current regulator. At start-up, when the value of the arc current rapidly changes from zero to the set value, the maximum allowable frequency is used for more accurate current processing. After the end of transient processes, when the arc current reaches the set value, the frequency, in order to reduce the dynamic losses in the transistor, decreases to the minimum possible value.
- the minimum frequency value is determined permissible amplitude of ripple current and inductance of the inductor.
- the control unit 13 constantly analyzes the signal from the output of the analog current sensor 12, and when an unstable mode of arc burning occurs, it increases the frequency momentarily.
- the output terminals of the current regulator 1 are connected by cables to the arc excitation unit 2.
- the primary winding of the step-up high-voltage transformer 15 is connected to the high voltage unit 16.
- the secondary (step-up) winding of the transformer 15 is connected in series in the negative bus.
- a blocking capacitor 21 is installed in the circuit.
- the control unit 17 monitors the presence of voltage on the negative rail.
- the appearance of voltage from the power source serves as a command for the control unit 17 to start the start.
- the control unit 17 closes the contacts of the contactor 19, and then sends a command to the high voltage unit 16.
- the high voltage unit 16 supplies a pulse to the primary winding of the transformer 15, a high-voltage pulse appears on the secondary winding, which is applied to the cathode, and through the capacitor 21 - to the neutrode, and a breakdown of the interelectrode gap of the cathode-neutrode occurs.
- Conditions are created for the appearance of the arc, and the arc current passes through the circuit: bus (+), contactor 19, resistor 20, neutrode, arc between the neutrode and cathode, cathode, secondary winding of transformer 15, bus (-).
- the control unit 17 constantly monitors the signal from the output of the current sensor 18, and as soon as the anode current appears, the contacts of the contactor 19 open. This completes the start-up mode.
- the arc at startup should move from the neutrode to the anode quickly enough. This time is controlled by the control unit 17. If it exceeds the permissible value, and the arc has not reached the anode during this time, the neutrode may be destroyed, the start-up is considered to be unsuccessful, the control unit 17 forcibly opens contactor 19. After this, the mode switches to restart mode.
- the number of subsequent consecutive starts is controlled by the control unit 17. If it exceeds the permissible value, this means either a malfunction of the plasma torch itself or an incorrectly established mode of supply of plasma-forming gas. In this case, the control unit 17 stops further attempts to start, and goes into emergency stop mode. After the launch was successful, the control unit 17 controls the presence of an arc current in the anode circuit using a current sensor 18 and the voltage at the cathode and neutrode. If there is no signal at the output of the current sensor 18, but there is voltage at the cathode, then the arc has failed, and a transition to the restart mode is required. If there is no arc current, and there is no voltage at the cathode either, then the power source is turned off, and the arc excitation unit goes into standby mode.
- the arc should burn only between the cathode and the anode, without touching the neutrode.
- the voltage at the neutrode depends on the type of plasma torch and its mode of operation.
- the resistance of the gaps between the cathode-neutrode and the neutrode-anode is high, so the voltage at the neutrode takes a value close to half the voltage between the anode and cathode. If for some reason the arc begins to burn in the gap between the neutrode and the adjacent electrode, the resistance of this gap decreases sharply, and the voltage at the neutrode becomes close to the voltage of this electrode.
- the voltage difference between adjacent electrodes is important. If this difference decreases to a certain value, this means that a breakdown of this interval has occurred.
- the control unit 17 monitors the duration and frequency of occurrence of such a situation. If the duration exceeds the permissible value, a transition to emergency stop mode occurs.
- Emergency stop is performed by opening the contacts of the blocking relay 26, by command from the control unit 17.
- the opening of the contacts of the relay 26 is monitored by the control panel 4, and can be used for emergency shutdown of the power source of the plasma torch.
- the control unit 17 through a communication line transmits to the control panel 4 text information about the cause of the emergency stop, which facilitates the quick elimination of the emergency.
- the circuit allows you to start the plasma torch, without requiring additional starting switching in the throttle circuit.
- the inductor at the output of the power source is necessary to smooth current ripples and to increase the stability of arc burning. As the inductance of the inductor increases, the power quality of the arc improves. But at the same time, startup problems increase. A choke with high inductance prevents the rapid increase of the arc current. And the duration of the spark during ignition is very small, so the current in the inductor in such a short time does not have time to reach values sufficient for stable combustion, and the arc goes out.
- a capacitor bank 22 is installed, in which enough energy is accumulated to develop and maintain the arc at the start-up time:
- the capacitor bank When applying a supply voltage to the input terminals, the capacitor bank is charged through the charging resistor 23 to the supply voltage.
- the resistance of this gap decreases sharply, and the charged capacitor bank is discharged along the circuit: lining (+), contactor 19, resistor 20, neutrode, neutron-cathode gap, cathode, transformer secondary winding 15, diode 25, bit resistor 24, plate (-).
- the capacitor bank 22 As the capacitor bank 22 is discharged, the voltage on the negative bus decreases, which leads to the appearance of current through the power source and the inductor at its output.
- the capacity of the capacitor bank 22 depends on the inductance of the inductor, and is selected so that the accumulated energy is sufficient to maintain the arc while the current in the inductor reaches a sufficient value.
- the resistance of the discharge resistor 24 is selected so that the discharge current does not exceed the permissible limits.
- Diode 25 is needed so that after starting the arc voltage is not shunted by the capacitor bank 22 through a low-impedance resistor 24. This circuit provides a reliable start, and does not require additional configuration and control circuits.
- the control unit 43 of the remote control 3 gas-water using the communication interface 44 receives from the remote control 4 installation of the set values of the flow rate of the plasma-forming gas.
- the control unit 43 transmits the received tasks to the corresponding flow controllers 29.
- the computing device 34 of the flow control device controls the control valve 30, changing the current value of the flow up or down. While the gas flow passes through the flow sensor 31, the output signal of which is supplied to the computing device 34.
- the computing device 34 receives signals from the temperature sensor 33 and the pressure sensor 32. Based on the values of temperature and gas pressure, the computing device 34 corrects the sensor flow rate 31, resulting in the current value of the mass flow rate.
- the calculated current flow rate value is compared with a predetermined one, and if the difference exceeds the permissible error, a control signal is generated for the control valve, which closes or opens by an amount sufficient to ensure a given flow rate.
- the current value of the mass flow rate and pressure in each channel is transmitted to the control unit 43.
- a feature of the circuit is that in one of the gas supply channels a pneumatic modulator 35 is installed, which is controlled by the control unit 43. Modulator 35 is necessary to reduce wear on the cathode surface, expanding the arc attachment zone by periodically changing the gas flow (modulation) by one of the channels.
- the optimal values of the modulation parameters frequency, depth, shape — are provided programmatically in the control unit 43.
- Water was supplied through a pressure manifold 36, at the outlet of which shut-off valves 39 were installed, which provide for switching off and connecting the water supply in each channel. Further, the cooling water, passing through the cooling jacket of the plasma torch, enters the drain manifold 40, after passing through the flow meters 41. In addition, the sensors 42 monitor the temperature of the water at the outlet of each channel. The output signals from the flow meters 41 and temperature sensors 42 are supplied to the control unit 43. In addition, a temperature sensor 37 and a pressure sensor 38 are installed on the pressure manifold, the output signals of which are sent to the control unit 43.
- the control unit 43 provides the operation of the components of the gas-water console, the operational monitoring of their condition, through the communication interface 44 receives tasks from the external control panel of the installation, and sends the current parameters to the control panel of the installation - mass flow and pressure in each gas supply channel, inlet pressure a gas supply manifold 27, a flow rate and a water temperature at the discharge of each channel, a pressure and a water temperature in a pressure head manifold.
- the control unit 43 by opening the contactors of the interlock relay 47, can carry out an emergency shutdown of the plasma torch or a start interlock in the event of an emergency.
- control unit 43 transmits to the control panel 4 of the installation text information about the cause of the lock, which facilitates the quick elimination of an emergency.
- the presence of the display 45 and the keyboard 46 allows you to control the gas-water remote control and monitor its status in automatic and manual mode. This helps to prevent an emergency in case of damage to the communication line with the control panel of the installation, which increases the reliability of the entire plasma torch power supply system as a whole.
- the structure of the installation includes an arc current regulator, an arc excitation unit, a gas-water console, a control panel of the installation, and a plasma torch.
- the following gas flow rates through the plasma torch channels correspond to such arc parameters: air, g / s: cathode - 7, cathode-neutrode - 25, neutrode-anode - 6; natural gas, g / s: neutrode - 6; water consumption, l / min: cathode - 20, neutron-anode - 20.
- the claimed group of inventions meets the requirement of unity of invention, since the group forms a single inventive concept, and one of the claimed objects of the group is a method of automatic regulation the mode of operation of the plasma torch is intended for use in another declared object of the group - the installation, while both objects are aimed at solving the same problem with a single technical result and can only be used together.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Arc Welding Control (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Способ автоматического регулирования режимом работы плазмотрона и установка для его осуществления Взаимосвязанная группа изобретений относится к электротехнике, в частности к преобразованию электрической энергии в тепловую с помощью плазмотрона, способу его управления и устройству для его осуществления, которые могут быть использованы в плазменной металлургии, плазмохимии. A method for automatically controlling the plasma torch operating mode and installation for its implementation An interrelated group of inventions relates to electrical engineering, in particular, to converting electric energy into thermal energy using a plasma torch, its control method and device for its implementation, which can be used in plasma metallurgy and plasma chemistry.
Известен способ электропитания плазмотронов постоянного тока с пористым вдувом плазмообразующего газа с использованием тиристорных выпрямителей, работающих в режиме стабилизации тока. Источник питания плазмотронов является стабилизатором с повышенными требованиями к динамическим характеристикам. Питание плазмотрона осуществлялось от двух управляемых выпрямителей, подключенных к сети 6,3 кВт, через автотрансформатор АТМНУ- 10000/ 14 и разделительный трансформатор TMPУ-16000/10. На стороне постоянного тока выпрямители соединялись последовательно. Управление обоих выпрямителей было общим.A known method of power supply of direct current plasmatrons with porous injection of plasma-forming gas using thyristor rectifiers operating in current stabilization mode. The plasmatron power supply is a stabilizer with increased requirements for dynamic characteristics. The plasma torch was powered from two controlled rectifiers connected to a 6.3 kW network, through an ATMNU-10000/14 autotransformer and a TMPU-16000/10 isolation transformer. On the DC side, the rectifiers were connected in series. The control of both rectifiers was common.
Данный способ не эффективен, поскольку регулирование постоянным током обладает узким динамическим диапазоном, особенно при изменении расходов плазмообразующих газов через плазмотрон. Вследствие неполной управляемости и дискретности тиристорного преобразователя, а также нелинейности и инерционности электрической дуги при увеличении расхода газа до 1,5 кг/с и вольт-амперного отношения свыше 2,5 в системе возникают автоколебания тока на низших субгармониках с частотой 15-120 Гц и амплитудой до 30-50 % номинального тока (Генераторы низкотемпературной плазмы. Тезисы докладов Xl Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Новосибирск 20-23 июня 1983 г.) часть 1. - А. А.Дурасов, О.Д.Зарайский, А.С.Красовский и др. Система электропитания мощных плазмотронов постоянного тока, стр.16- 17).This method is not effective, since DC control has a narrow dynamic range, especially when changing the flow rates of plasma-forming gases through the plasma torch. Due to the incomplete controllability and discreteness of the thyristor converter, as well as the non-linearity and inertia of the electric arc with increasing gas flow to 1.5 kg / s and the current-voltage ratio over 2.5, self-oscillations of the current occur in the system on lower subharmonics with a frequency of 15-120 Hz and amplitude up to 30-50% of the rated current (Low-temperature plasma generators. Abstracts of the Xl All-Union Conference on low-temperature plasma generators (Novosibirsk June 20-23, 1983) part 1. - A. A. Durasov, O.D. Zaraisky, A. S.Krasovsky et al. Siste MA of power supply of high-power direct current plasmatrons, pp. 16-17).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принят способ стабилизации и регулирования электропитания плазмотронов, в котором ток каждого плазмотрона в отдельности задают с помощью широтно-импульсных модуляторов. В цепь тока последовательно включен регулирующий элемент - ключ, с помощью которого источник постоянного напряжения периодически подключается к нагрузке. Среднее значение напряжения в цепи и тока в нагрузке регулируют путем изменения скважности импульсов, т.е. времени включенного состояния при неизменном периоде. Для избежания прекращения тока в нагрузке при выключенном ключе в цепь включены дроссель и диод. В интервале проводимости ключа дроссель запасает энергию, которая во время паузы передается нагрузке через диод. В результате в нагрузке течет постоянный ток с пульсациями, величина которых зависит от индуктивности дросселя и сопротивления нагрузки. Для развязки отдельных источников питания может потребоваться развязывающий фильтр. Обратная связь по току позволяет получить крутопадающие внешние характеристики с высокой стабильностью заданного тока.The closest in technical essence and the achieved result (prototype) adopted a method of stabilization and regulation of power supply of plasmatrons, in which the current of each plasmatron individually set using pulse-width modulators. A regulating element is sequentially included in the current circuit - a key, with which a constant voltage source is periodically connected to the load. The average value of the voltage in the circuit and the current in the load is regulated by changing the duty cycle of the pulses, i.e. time on state with a constant period. To avoid the cessation of current in the load when the key is off, a choke and a diode are included in the circuit. In the key conduction interval, the inductor stores energy, which during a pause is transmitted to the load through the diode. As a result, a direct current with ripples flows in the load, the value of which depends on the inductance of the inductor and the load resistance. An isolation filter may be required to isolate individual power supplies. Current feedback allows you to get steeply falling external characteristics with high stability of a given current.
Из недостатков следует отметить генерацию различного рода помех, связанную с импульсным характером работы, и трудности реализации при повышенных мощностях, обусловленные отсутствием мощных высокочастотных полупроводниковых приборов (Многодуговые системы. Новиков O.Я., Тамкиви П.И., Тимошевский А.Н. и др. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. - с. 90-92).Among the shortcomings it should be noted the generation of various kinds of interference associated with the pulsed nature of the work, and the difficulties of implementation at high powers due to the lack of powerful high-frequency semiconductor devices (Multi-arc systems. Novikov O.Ya., Tamkivi P.I., Timoshevsky A.N. and et al., Novosibirsk: Nauka, Sib. Department, 1988. - pp. 90-92).
Известно устройство для управления режимом работы электродуговой установки, содержащее плазмотрон косвенного действия, выпрямитель, подключенный к катоду и аноду плазмотрона, источник плазмообразующего газа, блок управления пусковым режимом и возбуждения дугового разряда, вход которого подключен к общей цепи выпрямителя, отличающееся тем, что блок управления пусковым режимом и возбуждения дугового разряда снабжен катушками автоматических выключателей с линиями задержки, которые посредством управляющих контактов подключены к цепи возбуждения дугового разряда плазмотрона через тепловые реле, выпрямитель выполнен в виде полууправляемого трехфазного диодно-тиристорного выпрямителя, в каждую фазу которого введен дополнительный диод, а параллельно тиристору подключен резистор (Патент Украины Ш21208, кл. 6 H 05 В 7/18, заявл. 11.05.1994, опубл. 16.10.2000, бюл. N°5).A device for controlling the operation mode of an electric arc installation, comprising an indirect-action plasma torch, a rectifier connected to the cathode and anode of the plasma torch, a plasma-forming gas source, a trigger control and arc discharge control unit, the input of which is connected to a common rectifier circuit, characterized in that the control unit the starting mode and the excitation of the arc discharge is equipped with coils of circuit breakers with delay lines, which are connected via control contacts to the circuit Excitation of the arc discharge of the plasma torch through thermal relays, the rectifier is made in the form of a semi-controlled three-phase diode-thyristor rectifier, in each phase of which an additional diode is introduced, and a resistor is connected in parallel with the thyristor (Patent of Ukraine Ш21208, class 6 H 05 В 7/18, application. 11.05 .1994, publ. 16.10.2000, bull. N ° 5).
Однако предлагаемая установка не обеспечивает стабильной работы плазмотрона и регулирования режимов работы по следующим причинам:However, the proposed installation does not provide stable operation of the plasma torch and the regulation of operating modes for the following reasons:
- в процессе работы из-за высоких пульсаций тока происходит пробой тиристоров; - ключ возбуждения не обеспечивает надежного и устойчивого запуска плазмотрона;- during operation, due to high ripple current, breakdown of thyristors occurs; - the excitation key does not provide a reliable and stable start of the plasma torch;
- не обеспечивается контроль надежности электрической прочности межэлектродных зазоров плазмотрона, что приводит к их преждевременному выгоранию; - не обеспечивается контроль за температурой и перегревом электродов плазмотрона.- the reliability of the electric strength of the interelectrode gaps of the plasma torch is not controlled, which leads to their premature burnout; - temperature and overheating of the electrodes are not controlled plasmatron.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принято устройство для управления электродуговой установкой, содержащее плазмотрон, источник плазмообразующего газа, блок управления пусковым режимом и возбуждения дугового разряда, включающий высокочастотный повышающий трансформатор, полууправляемый трехфазный диодно-тиристорный выпрямитель, подключенный к катоду и аноду плазмотрона, в каждую фазу которого введен дополнительный диод, резистор, подключенный параллельно тиристору размыкатель цепи тока, согласно изобретению, в полууправляемом трехфазном диодно-тиристорном выпрямителе последовательно с тиристором, со стороны анода, подсоединен резистор, а высокочастотный трансформатор выполнен на нескольких отдельных замкнутых магнитопроводах, первичные обмотки которых соединены последовательно, а вторичная обмотка охватывает все магнитопроводы и последовательно включена в катодную цепь, а в блок управления пусковым режимом и возбуждения дугового разряда введены устройства контроля температуры охлаждающей воды в электродах плазмотрона, например термопары, с блоками сравнения, устройства контроля электрической прочности межэлектродных промежутков плазмотрона, каждый из которых включает высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с электродами через конденсатор, а вторичная соединена с блоками сравнения, устройство контроля износа электродов, в виде трубчатого электрода, установленного в полости катода плазмотрона с возможностью продольного перемещения, изолированного относительно торцевого завихрителя катода и подключенного с дополнительным регулируемым источником напряжения отрицательной или положительной полярности, связанным с блоком сравнения, а также - через регулятор расхода подключен к источнику плазмообразующего газа, при этом обмотка управления размыкателя цепи тока запитана через последовательно включенные контакты блоков сравнения (Патент Украины N° 74047, кл. 7 H 05 В 7/18, заявл. 26.08.2003, опубл. бюл. MlO, 2005). Однако данное устройство не позволяет быстро реагировать на изменение тока дуги. Частота, на которой работает тиристорный полууправляемый регулятор, определяет условия, при которых индуктивность дросселя должна быть достаточно большой. Работа дополнительного резистора, включенного последовательно с тиристором, приводит к большим потерям мощности и снижает в целом КПД устройства. В основу первого из группы изобретений поставлена задача усовершенствования способа автоматического регулирования режимом работы плазмотрона путем обеспечения снижения амплитуды пульсации тока и напряжения, расширения диапазона регулирования рабочего режима плазмотрона, что позволит изменять энергетические характеристики плазмотрона, обеспечивающих надежную и экономичную его работу.The closest in technical essence and the achieved result (prototype) adopted device for controlling an electric arc installation containing a plasma torch, a source of plasma-forming gas, a control unit for starting mode and excitation of an arc discharge, including a high-frequency step-up transformer, a semi-controlled three-phase diode-thyristor rectifier connected to the cathode and the plasma torch anode, in each phase of which an additional diode, a resistor, a current circuit breaker connected in parallel to the thyristor, is inserted, According to the invention, in a semi-controlled three-phase diode-thyristor rectifier, a resistor is connected in series with the thyristor, on the anode side, and a high-frequency transformer is made on several separate closed magnetic circuits, the primary windings of which are connected in series, and the secondary winding covers all the magnetic circuits and is connected in series to the cathode circuit, and control units for the start-up mode and excitation of the arc discharge introduced devices for monitoring the temperature of cooling water in the plasma electrodes otron, for example thermocouples, with comparison units, a device for monitoring the electric strength of the interelectrode gaps of the plasma torch, each of which includes a high-frequency transformer, the primary winding of which is connected to the electrodes through a capacitor, and the secondary is connected to the comparison units, an electrode wear monitoring device, in the form of a tubular electrode, installed in the cavity of the cathode of the plasma torch with the possibility of longitudinal movement, isolated relative to the end swirl of the cathode and connected with additional An additional adjustable source of voltage of negative or positive polarity associated with the comparison unit, and also through the flow regulator is connected to a plasma gas source, while the control circuit of the current circuit breaker is powered through series-connected contacts of the comparison units (Patent of Ukraine N ° 74047, cl. 7 H 05 B 7/18, declared 08/26/2003, publ. bull. MlO, 2005). However, this device does not allow you to quickly respond to changes in arc current. The frequency at which the semi-controllable thyristor regulator operates determines the conditions under which the inductance of the inductor must be sufficiently large. The operation of an additional resistor connected in series with the thyristor leads to large power losses and reduces the overall efficiency of the device. The basis of the first of the group of inventions is the task of improving the method for automatically controlling the plasma torch operating mode by reducing the amplitude of current and voltage ripple, expanding the range of regulation of the plasma torch operating mode, which will allow changing the energy characteristics of the plasma torch, ensuring its reliable and economical operation.
В основу второго из группы изобретений поставлена задача усовершенствования установки автоматического регулирования режимом работы плазмотрона, в которой за счет введения в схему управления новых элементов и узлов, создать простую в обслуживании и надежную в работе установку, которая оптимизирует и расширяет возможности управления работой плазмотрона и расширяет область применения установки.The second of the group of inventions is based on the task of improving the installation of automatic control of the plasma torch operation mode, in which, by introducing new elements and assemblies into the control circuit, to create an easy-to-maintain and reliable system that optimizes and extends the control capabilities of the plasma torch and expands the scope installation application.
Первая поставленная задача решается тем, что в способе автоматического регулирования режимом работы плазмотрона, при котором источник постоянного напряжения периодически подключают к плазмотрону с помощью транзисторного ключа, причем среднее значение напряжения и тока в плазмотроне регулируют путем изменения скважности импульсов, а поддержку непрерывного тока в плазмотроне осуществляют за счет установки в цепь дросселя, который в интервале проводимости ключа запасает энергию, а во время паузы передает энергию через диод на плазмотрон, согласно изобретению, задают верхние и нижние пределы величин рабочего тока плазмотрона, напряжения дуги и напряжения каждого нейтрода с пульта управления установки и дополнительно задают верхние и нижние пределы величин расходов, давлений и температур газов и воды по каждому каналу пульта газоводяного, при этом, если сигналы датчиков находятся в заданных пределах, блок управления выдает сигнал на замыкание реле блокировки и разрешает работу плазмотрона, если сигналы по любому каналу выходят за заданные пределы, то с пульта управления установки подается сигнал на отключение плазмотрона, а стабилизацию тока осуществляют программным методом в блоке управления, сравнением величин заданного рабочего тока с сигналом аналогового датчика тока, причем во время запуска, при быстро изменяющихся значениях тока дуги от нуля до заданного значения, используют максимально допустимую частоту, а после окончания переходных процессов, при достижении заданного значения тока дуги, частота снижается до минимально возможного значения, при этом расширяют зону привязки дуги путем периодического изменения расхода плазмообразующего газа в одном из каналов подачи газа с помощью пневматического модулятора газового пульта, при этом сигнал, поступающий с аналогового датчика тока на блок управления, непрерывно анализируется в автоматическом режиме и, при появлении неустойчивого горения дуги, устанавливают максимально допустимую частоту коммутации транзисторного ключа, а после окончания переходных процессов, когда ток дуги достигает заданного значения, частота снижается до минимально возможного значения.The first task is solved in that in a method for automatically controlling the plasma torch operating mode, in which a constant voltage source is periodically connected to the plasmatron using a transistor switch, the average voltage and current in the plasmatron being controlled by changing the duty cycle of the pulses, and continuous current is maintained in the plasmatron due to the installation of a choke in the circuit, which stores energy in the interval of the key conductivity, and during pause transfers energy through the diode to the plasma he, according to the invention, set the upper and lower limits of the operating current of the plasma torch, arc voltage and voltage of each neutrode from the control panel of the installation and additionally set the upper and lower limits of the values of flow, pressure and temperature of gases and water for each channel of the gas-water console, while if the sensor signals are within the specified limits, the control unit gives a signal to close the blocking relay and allows the plasma torch to work, if the signals on any channel go beyond the specified limits, then the remote control The setup signal is used to turn off the plasma torch, and the current is stabilized by the program method in the control unit, by comparing the values of the specified operating current with the signal of the analog current sensor, and during startup, at rapidly changing values of the arc current from zero to the set value, the maximum allowable frequency is used , and after the end of transient processes, when the specified value of the arc current is reached, the frequency decreases to the minimum possible value, while expanding the zone of arc binding by period changing the flow rate of plasma-forming gas in one of the gas supply channels using a pneumatic gas modulator control panel, while the signal from the analog current sensor to the control unit is continuously analyzed in automatic mode and, when an unstable arc burning occurs, the maximum allowable switching frequency of the transistor switch is set, and after the end of transient processes, when the arc current reaches the set value, the frequency reduced to the lowest possible value.
Способ автоматического регулирования режимом работы плазмотрона - управляющий комплекс, в котором обеспечено сочетание систем управления, их универсальная совместимость, что позволяет оптимизировать и расширить возможности управления.A way to automatically control the plasma torch operating mode is a control complex, which provides a combination of control systems, their universal compatibility, which allows optimizing and expanding control capabilities.
Вторая поставленная задача решается тем, что установка автоматического регулирования режимом работы плазмотрона, содержащая трехфазный выпрямитель, блок возбуждения дуги с высоковольтным трансформатором, подключенный к катоду и аноду плазмотрона, согласно изобретению, установка дополнительно содержит регулятор тока дуги, пульт газоводяной и пульт управления установкой, при этом выходные клеммы регулятора тока дуги подключены к выходным клеммам блока возбуждения дуги, выходные клеммы блока возбуждения подключаются к соответствующим электродам плазмотрона, а пульт управления установкой связан информационными шинами с регулятором тока, блоком возбуждения дуги и пультом газоводяным, причем высоковольтный трансформатор блока возбуждения дуги соединен с блоком высокого напряжения, управляющий вход которого связан с выходом блока управления возбуждения дуги, в плюсовой шине которого установлен датчик тока дуги, выход которого подключен к входу блока управления, а выход блока управления соединен с обмоткой контактора, связанного через резистор с конденсатором и выходной клеммой нейтрода плазмотрона, а дополнительные конденсаторы соединены с шиной отрицательной полярности через зарядный резистор и последовательно соединенные разрядный резистор и диод, причем выход блока управления подключен к управляющей обмотке реле блокировки, при этом регулятор тока дуги состоит из вводного блока защиты с клеммами для подключения питающей сети, трехфазного выпрямителя, конденсатора, транзисторного ключа, на выходе которого подключены диод и дроссель, последовательно с которым включены датчик предельного тока и датчик тока аналоговый, а выход датчика тока подключен к блоку управления регулятором тока, причем управляющий вход транзисторного ключа подключен к выходу двухвходового формирователя, один из входов которого подключен к выходу блока управления, а второй подключен к выходу датчика предельного тока. Пульт газоводяной включает систему подачи плазмообразующего газа, которая состоит из входного коллектора, к которому подсоединены датчик давления и регуляторы расхода, каждый из которых содержит регулирующий клапан с электроприводом, датчик расхода, датчик давления, датчик температуры и вычислительное устройство, причем в одном из клапанов подачи газа установлен пневматический модулятор, а система подвода-отвода охлаждающей жидкости состоит из напорного коллектора, к которому подсоединены датчик температуры, датчик давления и сливной коллектор, к которому подсоединены измерители расхода воды, датчики температуры, пульт газоводяной снабжен информационной системой, состоящей из блока управления с вычислительными устройствами каждого из регуляторов расхода газа, измерителями расхода воды, датчиками температуры воды и датчиками давления, при этом блок управления содержит связной интерфейс, дисплей и клавиатуру, а выход блока управления подключен к управляющей обмотке реле блокировки. Безопасный пуск плазмотрона и постоянный контроль его работы после пуска обеспечиваются блоком возбуждения дуги. Блок управления в составе блока возбуждения дуги отслеживает наличие напряжения на минусовой шине. Появление напряжения с источника питания служит командой для блока управления о начале запуска. Кроме того, по линии связи на пульт управления постоянно передаются данные о текущем состоянии плазмотрона, о напряжениях на катоде и нейтроде.The second task is solved in that the installation of automatic control of the plasma torch, containing a three-phase rectifier, an arc excitation unit with a high-voltage transformer connected to the cathode and anode of the plasma torch, according to the invention, the installation further comprises an arc current regulator, a gas-water console and a control panel of the installation, the output terminals of the arc current regulator are connected to the output terminals of the arc excitation unit, the output terminals of the excitation unit are connected to the corresponding m to the electrodes of the plasma torch, and the control panel of the installation is connected by information buses to the current regulator, the arc excitation unit and the gas-water console, the high-voltage transformer of the arc excitation unit connected to a high voltage unit, the control input of which is connected to the output of the arc excitation control unit, in the positive bus of which is installed arc current sensor, the output of which is connected to the input of the control unit, and the output of the control unit is connected to the coil of the contactor connected through a resistor to the capacitor and the output the bottom terminal of the plasma torch neutron, and additional capacitors are connected to the negative polarity bus via a charging resistor and a series resistor and a diode, and the output of the control unit is connected to the control winding of the blocking relay, while the arc current regulator consists of an input protection block with terminals for connecting the power supply network, three-phase rectifier, capacitor, transistor switch, the output of which is connected to a diode and inductor, in series with which the limit sensor is connected a current sensor and analog, and the current sensor output is connected to the control current regulator, wherein the control input of the transistor switch connected to the generator output two-input, one of whose inputs is connected to the output of the control unit, and the second connected to the output of the sensor current limit. The gas-water remote control includes a plasma-forming gas supply system, which consists of an inlet manifold to which a pressure sensor and flow controllers are connected, each of which contains an electric control valve, a flow sensor, a pressure sensor, a temperature sensor, and a computing device, moreover, in one of the supply valves gas, a pneumatic modulator is installed, and the coolant supply and exhaust system consists of a pressure manifold to which a temperature sensor, a pressure sensor and a drain are connected the first collector to which water flow meters, temperature sensors are connected, the gas-water console is equipped with an information system consisting of a control unit with computing devices for each gas flow controller, water flow meters, water temperature sensors and pressure sensors, while the control unit contains a communication interface , display and keyboard, and the output of the control unit is connected to the control winding of the interlock relay. Safe start-up of the plasma torch and constant monitoring of its operation after start-up are provided by the arc excitation unit. The control unit as part of the arc excitation unit monitors the presence of voltage on the negative bus. The appearance of voltage from the power source serves as a command for the control unit to start the start. In addition, data on the current state of the plasma torch and on the voltages at the cathode and neutrode are constantly transmitted through the communication line to the control panel.
При пуске, когда происходит пробой промежутка катод-нейтрод, сопротивление этого промежутка резко снижается и заряженная батарея конденсаторов разряжается, при этом по мере разряда батареи конденсаторов, напряжение на минусовой шине снижается, что приводит к появлению тока через источник питания и дроссель на его выходе. Емкость батареи конденсаторов подбирают таким образом, чтобы максимальной энергии хватило на поддержание дуги на то время, пока ток в дросселе достигнет достаточного значения. Сопротивление разрядного резистора выбирают таким, чтобы разрядный ток не превышал допустимых пределов. Пульт газоводяной предназначен для подачи плазмообразующих газов в плазмотрон с заданными значениями массового расхода по каждому каналу, а также подвода-отвода охлаждающей воды к теплонагруженным деталям плазмотрона. Блок управления по линии связи получает от пульта управления заданные значения массового расхода плазмообразующего газа. Полученные задания блок управления передает на блок регуляторов расхода, который обеспечивает регулировку и поддержание заданных значений расхода при изменении входного давления газа, противодавления в канале, температуры газа и других дестабилизирующих факторов. В одном из каналов подачи газа установлен пневматический модулятор, который необходим для уменьшения износа поверхности катода, расширяя зону привязки дуги путем периодического изменения расхода газа (модуляции) по одному из каналов. При этом оптимальные значения параметров модуляции - частота, глубина, форма - обеспечиваются программно в блоке управления.During start-up, when the cathode-neutrode gap breaks down, the resistance of this gap decreases sharply and the charged capacitor bank discharges, and as the capacitor bank discharges, the voltage on the negative bus decreases, which leads to the appearance of current through the power source and the inductor at its output. The capacity of the capacitor bank is selected so that the maximum energy is sufficient to maintain the arc while the current in the inductor reaches a sufficient value. The resistance of the discharge resistor is chosen so that the discharge current does not exceed the permissible limits. The gas-water remote control is intended for supplying plasma-forming gases to the plasma torch with preset values of mass flow rate for each channel, as well as for supplying / discharging cooling water to the heat-loaded parts of the plasma torch. The control unit on the communication line receives from the control panel the set values of the mass flow rate of the plasma-forming gas. The control unit transmits the received tasks to the flow control unit, which provides adjustment and maintaining set flow rates when changing the gas inlet pressure, backpressure in the channel, gas temperature, and other destabilizing factors. A pneumatic modulator is installed in one of the gas supply channels, which is necessary to reduce wear of the cathode surface, expanding the arc attachment zone by periodically changing the gas flow (modulation) along one of the channels. In this case, the optimal values of the modulation parameters - frequency, depth, shape - are provided programmatically in the control unit.
Подвод воды осуществляют через блок подачи воды, который обеспечивает отключение и подключение подачи воды в каждом канале. Кроме того, в блоке подачи контролируется температура и давление охлаждающей воды на входе в блок. Блок управления обеспечивает работу составных частей пульта газоводяного, оперативный контроль их состояния, получает задания с пульта управления и посылает на пульт управления текущие параметры - массовый расход и давление в каждом канале подачи газа, входное давление в коллекторе подачи газа, расход и температуру воды на сливе каждого канала, давление и температуру воды в напорном коллекторе, кроме того, блок управления, при возникновении аварийной ситуации размыкает контакты реле блокировки, что может быть использовано для аварийного отключения источника питания плазмотрона.The water supply is carried out through the water supply unit, which provides disconnection and connection of the water supply in each channel. In addition, the temperature and pressure of the cooling water at the inlet to the block are controlled in the supply unit. The control unit ensures the operation of the components of the gas-water console, the operational monitoring of their condition, receives tasks from the control panel and sends the current parameters to the control panel - mass flow rate and pressure in each gas supply channel, inlet pressure in the gas supply manifold, flow rate and water temperature at the discharge each channel, the pressure and temperature of the water in the pressure manifold, in addition, the control unit, in the event of an emergency, opens the contacts of the blocking relay, which can be used for emergency about turning off the power source of the plasma torch.
С помощью установки предлагаемый способ реализуют следующим образом. Задают верхние и нижние пределы величин рабочего тока плазмотрона, напряжения дуги и напряжения каждого нейтрода с пульта управления установки и дополнительно задают верхние и нижние пределы величин расходов, давлений и температур газов и воды по каждому каналу пульта газоводяного. Если сигналы датчиков находятся в заданных пределах, блок управления выдает сигнал на замыкание реле блокировки и разрешает работу плазмотрона, а если сигналы по любому каналу выходят на заданные пределы, то с пульта управления подается сигнал на отключение плазмотрона. Стабилизацию тока осуществляют программным методом в блоке управления путем сравнения величин заданного рабочего тока с сигналом аналогового датчика тока. Во время запуска, при быстро изменяющихся значениях тока дуги от нуля до заданного значения, используют максимально допустимую частоту, а после окончания переходных процессов, при достижении заданного значения тока дуги, частота снижается до минимально возможного значения, при этом расширяют зону привязки дуги путем периодического изменения расхода плазмообразующего газа в одном из каналов подачи газа с помощью пневматического модулятора газового пульта. Сигнал, поступающий с аналогового датчика тока на блок управление непрерывно анализируется в автоматическом режиме, и при появлении режима неустойчивого горения дуги, устанавливают максимально допустимую частоту коммутации транзисторного ключа, а после окончания переходных процессов, когда ток дуги достигает заданного значения, частота снижается до минимально возможного значения.Using the installation, the proposed method is implemented as follows. The upper and lower limits of the operating plasma torch current, arc voltage, and voltage of each neutrode are set from the control panel of the installation, and the upper and lower limits of the flow rates, pressures, and temperatures of gases and water are set for each channel of the gas-water console. If the sensor signals are within the specified limits, the control unit gives a signal to close the blocking relay and allows the plasma torch to work, and if the signals on any channel go to the specified limits, a signal is sent from the control panel to turn off the plasma torch. The current stabilization is carried out by software in the control unit by comparing the values of the specified operating current with the signal of the analog current sensor. During start-up, at rapidly changing values of the arc current from zero to a given value, the maximum allowable frequency is used, and after the end of transient processes, when the set value of the arc current is reached, the frequency decreases to the minimum possible value, while expanding the arc reference zone by periodically changing flow rate of plasma-forming gas in one of the gas supply channels using a pneumatic modulator of the gas console. Signal from analog the current sensor to the control unit is continuously analyzed in automatic mode, and when the mode of unstable arc burning appears, the maximum allowable switching frequency of the transistor switch is set, and after the end of transient processes, when the arc current reaches the set value, the frequency decreases to the minimum possible value.
На чертеже приведена функциональная схема заявляемой установки. Установка энергопитания плазмотрона состоит из регулятора тока дуги 1, блока возбуждения дуги 2, пульта 3 газоводяного и пульта 4 управления установкой. Регулятор тока дуги 1 состоит из вводного блока защиты 5, на вход которого подается питающее трехфазное напряжение. Далее питающее напряжение подается на трехфазный выпрямитель 6, затем выпрямленное постоянное напряжение сглаживается при помощи батареи конденсаторов 7 и подается на транзисторный ключ 8, на выходе которого подключены диод 9 и дроссель 10. Последовательно с дросселем 10 включены датчик предельного тока 11 и датчик тока аналоговый 12. Выход датчика тока 12 подключен к блоку управления регулятором тока 13. Управляющий вход транзисторного ключа 8 подключен к выходу двухвходового формирователя 14, один из входов которого подключен к выходу блока управления 13, а второй вход подключен к выходу датчика предельного тока 11.The drawing shows a functional diagram of the inventive installation. The power supply installation of the plasma torch consists of an arc current regulator 1, an arc excitation unit 2, a gas-water console 3 and a plant control panel 4. The current controller of the arc 1 consists of an input protection unit 5, the input of which is supplied with a three-phase supply voltage. Next, the supply voltage is supplied to a three-phase rectifier 6, then the rectified direct voltage is smoothed using a capacitor bank 7 and is supplied to a transistor switch 8, the output of which is connected to a diode 9 and a choke 10. A limit current sensor 11 and an analog current sensor 12 are connected in series with the choke 10. The output of the current sensor 12 is connected to the control unit of the current regulator 13. The control input of the transistor switch 8 is connected to the output of the two-input driver 14, one of the inputs of which is connected to the output of the unit 13, and the second input is connected to the output of the current limit sensor 11.
Блок возбуждения дуги 2 состоит из высоковольтного трансформатора 15, соединенного с блоком высокого напряжения 16, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления 17. В плюсовой шине установлен датчик тока дуги 18, выход которого подключен ко входу блока управления 17. Выход блока управления 17 соединен с контактором 19. Проволочный резистор 20 соединен с конденсатором 21 и клеммой нейтрода. Батарея конденсаторов 22 соединена с минусовой шиной через зарядный резистор 23 и через последовательно соединенные разрядный резистор 24 и диод 25. Выход блока управления 17 подключен к управляющей обмотке реле блокировки 26.The arc excitation unit 2 consists of a high-voltage transformer 15 connected to a high voltage unit 16, the control input of which is connected to the output of the control unit 17. An arc current sensor 18 is installed in the positive bus, the output of which is connected to the input of the control unit 17. The output of the control unit 17 is connected with the contactor 19. A wire resistor 20 is connected to the capacitor 21 and the terminal of the neutrode. A capacitor bank 22 is connected to the negative bus via a charging resistor 23 and through a series-connected discharge resistor 24 and a diode 25. The output of the control unit 17 is connected to the control winding of the blocking relay 26.
Пульт газоводяной состоит из системы подачи плазмообразующих газов, системы подвода-отвода охлаждающей жидкости и информационной системы. Система подачи плазмообразующих газов состоит из входного коллектора 27, к которому подсоединены датчик давления 28 и регуляторы расхода 29, каждый из которых содержит регулирующий клапан с электроприводом 30, датчик расхода 31, датчик давления 32, датчик температуры 33 и вычислительное устройство 34. В одном из каналов подачи газа установлен пневматический модулятор 35. Система подвода-отвода охлаждающей жидкости состоит из напорного коллектора 36, к которому подсоединены датчик температуры 37, датчик давления 38, а также запорные краны 39, и сливного коллектора 40, к которому подсоединены измерители расхода воды 41 и датчики температуры воды 42. Информационная система состоит из блока управления 43, к которому подсоединены вычислительные устройства 34 каждого из регуляторов расхода газа 29, а также измерители расхода воды 41, датчики температуры воды 37 и 42, и датчики давления 28 и 38. Кроме того, блок управления содержит связной интерфейс 44, дисплей 45 и клавиатуру 46. Выход блока управления 43 подключен к управляющей обмотке реле блокировки 47.The gas-water remote control consists of a plasma-forming gas supply system, a coolant supply and exhaust system, and an information system. The plasma gas supply system consists of an inlet manifold 27 to which a pressure sensor 28 and flow controllers 29 are connected, each of which contains an electric control valve 30, a flow sensor 31, a pressure sensor 32, a temperature sensor 33, and a computing device 34. In one of pneumatic modulator 35 is installed in the gas supply channels. The coolant supply / removal system consists of a pressure manifold 36, to which a temperature sensor 37, a pressure sensor 38, as well as shut-off valves 39, and a drain manifold 40 are connected to which water flow meters 41 and water temperature sensors 42 are connected. The information system consists of a control unit 43 to which computing devices 34 of each of gas flow regulators 29, as well as water flow meters 41, water temperature sensors 37 and 42, and pressure sensors 28 and 38. In addition, the control unit includes a communication interface 44, a display 45 and a keyboard 46. The output of the control unit 43 is connected connected to the control winding of the interlock relay 47.
Пульт 4 управления установкой состоит из блока управления 48, к которому подключены дисплей 49, клавиатура 50 и связной интерфейс 51.The installation control panel 4 consists of a control unit 48 to which a display 49, a keyboard 50, and a communication interface 51 are connected.
На входные клеммы регулятора тока дуги 1 подается трехфазное питающее напряжение. Выходные клеммы регулятора тока дуги 1 подключены к входным клеммам блока возбуждения дуги 2. Выходные клеммы блока возбуждения дуги 2 подключены к электродам плазмотрона. Пульт 4 управления установкой связан информационными шинами с регулятором тока дуги 1 , блоком возбуждения дуги 2 и пультом 3 газоводяным. Кроме того, контакты реле блокировок 26 и 47 соединены последовательно и подключены к блоку управления 48. Установка работает следующим образом. Пульт управления установкой 4 содержит дисплей 49 и клавиатуру 50, что позволяет управлять установкой в ручном режиме, и контролировать состояние ее составных частей. Кроме того, в состав пульта управления 4 входит связной интерфейс 51, позволяющий включать установку в состав АСУ ТП, и управлять ею дистанционно.A three-phase supply voltage is applied to the input terminals of the arc current regulator 1. The output terminals of the arc current regulator 1 are connected to the input terminals of the arc excitation unit 2. The output terminals of the arc 2 excitation unit are connected to the electrodes of the plasma torch. The installation control panel 4 is connected by information buses to the arc current regulator 1, the arc excitation unit 2 and the gas-water console 3. In addition, the relay contacts of the locks 26 and 47 are connected in series and connected to the control unit 48. The installation works as follows. The control panel of the installation 4 contains a display 49 and a keyboard 50, which allows you to control the installation in manual mode, and to monitor the status of its components. In addition, the control panel 4 includes a communication interface 51, which allows you to include the installation in the ACS TP, and control it remotely.
Пульт управления 4 связан с блоками управления 13, 17 и 43 при помощи встроенных связных интерфейсов, по которым пульт управления 4 передает команды, и получает ответную информацию от блоков.The control panel 4 is connected to the control units 13, 17 and 43 using the integrated communication interfaces through which the control panel 4 transmits commands and receives response information from the blocks.
Переменное трехфазное напряжение подается на вводной блок защиты 5, затем - на трехфазный выпрямитель 6. Выпрямленное трехфазным выпрямителем 6 постоянное напряжение дополнительно сглаживается при помощи батареи конденсаторов 7, и подается на транзисторный ключ 8. В управляющей цепи транзисторного ключа 8 установлен формирователь 14, который обеспечивает подачу на вход транзисторного ключа 8 необходимые уровни напряжения для его полного отпирания и запирания. Особенностью формирователя 14 является наличие второго (запирающего) входа, который обеспечивает быстрое запирание транзистора 8 при превышении разрешенного- тока, независимо от- сигнала на основном входе. Транзисторный ключ 8 работает в импульсном режиме, с чередованием полностью открытого и полностью запертого состояний, что обеспечивает минимальные потери мощности при регулировании тока дуги. Регулирование тока достигается изменением скважности импульсов - соотношения времени открытого и запертого состояния ключа. Диод 9 и дроссель 10 обеспечивают непрерывность протекания тока в нагрузке (дуге), при импульсном характере работы транзисторного ключа 8. При открытом состоянии ключа 8 диод 9 заперт, ток дуги проходит через дроссель 10, накапливая в нем энергию магнитного поля. При запирании транзисторного ключа 8 в дросселе 10 возникает э.д.с. самоиндукции, и накопленная магнитная энергия передается в нагрузку. При этом диод 9 отпирается, и через него проходит ток дуги. Последовательно с нагрузкой в минусовой шине включен датчик предельного тока 11 , который обеспечивает безопасную работу транзистора, быстро запирая формирователь 14 при превышении тока выше предельно допустимого. Таким образом, обеспечивается дополнительная безинерционная защита транзисторного ключа 8, которая необходима при переходных процессах при пуске плазмотрона, или при неустойчивом характере горения дуги. Датчик тока аналоговый 12 выдает сигнал, пропорциональный текущему значению тока, который сравнивается в блоке управления 13 с заданным значением тока, полученным с пульта управления 4. Разность между заданным и текущим значениями является управляющим параметром для широтно-импульсного модулятора, входящего в состав блока управления 13. При этом скважность импульсов на выходе широтно-импульсного модулятора изменяется таким образом, чтобы текущее значение тока стало равным заданному. Таким образом обеспечивается регулировка и стабилизация заданного значения тока.An alternating three-phase voltage is supplied to the input protection unit 5, then to a three-phase rectifier 6. The direct voltage rectified by the three-phase rectifier 6 is additionally smoothed using a capacitor bank 7, and supplied to the transistor switch 8. A driver 14 is installed in the control circuit of the transistor switch 8, which provides supply to the input of the transistor switch 8 the necessary voltage levels for its complete unlocking and locking. A feature of the shaper 14 is the presence of a second (locking) input, which provides a quick shutdown of the transistor 8 when the allowed current is exceeded, regardless of the signal at the main input. Transistor switch 8 operates in a pulsed mode, with alternating fully open and completely locked states, which ensures minimal power loss when regulating the arc current. Current regulation is achieved by changing the duty cycle of the pulses - the ratio of the time of the open and locked state of the key. The diode 9 and the inductor 10 ensure the continuity of the current flow in the load (arc), with the pulse nature of the transistor switch 8. When the open state of the switch 8, the diode 9 is locked, the arc current passes through the inductor 10, accumulating magnetic field energy in it. When the transistor switch 8 is locked in the inductor 10, an emf occurs. self-induction, and the accumulated magnetic energy is transferred to the load. In this case, the diode 9 is unlocked, and the arc current passes through it. In series with the load in the negative bus, the limit current sensor 11 is turned on, which ensures the safe operation of the transistor, quickly locking the shaper 14 when the current exceeds the maximum permissible value. Thus, additional inertialess protection of the transistor switch 8 is provided, which is necessary during transients during the start of the plasma torch, or with an unstable character of arc burning. Analog current sensor 12 generates a signal proportional to the current value of the current, which is compared in the control unit 13 with the set current value received from the control panel 4. The difference between the set and current values is a control parameter for the pulse-width modulator included in the control unit 13 In this case, the duty cycle of the pulses at the output of the pulse-width modulator is changed so that the current current value becomes equal to the specified value. This ensures the adjustment and stabilization of the set current value.
Частота работы широтно-импульсного модулятора не постоянная. Для обеспечения максимальной устойчивости цепи обратной связи регулятора тока необходимо частоту переключения транзисторного ключа повышать. Но при увеличении частоты возрастают динамические потери в транзисторном ключе, что приводит к его повышенному нагреву, снижению надежности регулятора тока, и снижению к.п.д. установки в целом. Поэтому частота выбирается блоком управления 13 адаптивно, в зависимости от условий работы регулятора тока. При запуске, когда значение тока дуги быстро изменяется от нуля до заданного значения, для более точной отработки тока используется максимально допустимая частота. После окончания переходных процессов, когда ток дуги достигает заданного значения, частота, с целью снижения динамических потерь в транзисторе, снижается до- минимально возможного значения. Минимальное значение частоты определяется допустимой амплитудой пульсаций тока и индуктивностью дросселя. Кроме того, блок управления 13 постоянно анализирует сигнал с выхода датчика тока аналогового 12, и при возникновении неустойчивого режима горения дуги кратковременно повышает частоту. Выходные клеммы регулятора тока 1 соединяются кабелями с блоком возбуждения дуги 2. Первичная обмотка повышающего высоковольтного трансформатора 15 подключена к блоку высокого напряжения 16. Вторичная (повышающая) обмотка трансформатора 15 включена последовательно в минусовой шине. Для того чтобы высоковольтный пробой возник в зазоре между катодом и нейтродом плазмотрона, в схеме установлен блокировочный конденсатор 21. Блок управления 17 отслеживает наличие напряжения на минусовой шине.The frequency of the pulse-width modulator is not constant. To ensure maximum stability of the feedback loop of the current regulator, it is necessary to increase the switching frequency of the transistor switch. But with an increase in frequency, dynamic losses in the transistor key increase, which leads to its increased heating, a decrease in the reliability of the current regulator, and a decrease in efficiency installation as a whole. Therefore, the frequency is selected by the control unit 13 adaptively, depending on the operating conditions of the current regulator. At start-up, when the value of the arc current rapidly changes from zero to the set value, the maximum allowable frequency is used for more accurate current processing. After the end of transient processes, when the arc current reaches the set value, the frequency, in order to reduce the dynamic losses in the transistor, decreases to the minimum possible value. The minimum frequency value is determined permissible amplitude of ripple current and inductance of the inductor. In addition, the control unit 13 constantly analyzes the signal from the output of the analog current sensor 12, and when an unstable mode of arc burning occurs, it increases the frequency momentarily. The output terminals of the current regulator 1 are connected by cables to the arc excitation unit 2. The primary winding of the step-up high-voltage transformer 15 is connected to the high voltage unit 16. The secondary (step-up) winding of the transformer 15 is connected in series in the negative bus. In order for a high-voltage breakdown to occur in the gap between the cathode and the plasma torch neutrode, a blocking capacitor 21 is installed in the circuit. The control unit 17 monitors the presence of voltage on the negative rail.
Появление напряжения с источника питания служит командой для блока управления 17 о начале запуска. Для этого вначале блок управления 17 замыкает контакты контактора 19, и затем подает команду на блок высокого напряжения 16. При этом блок высокого напряжения 16 подает импульс на первичную обмотку трансформатора 15, на вторичной обмотке возникает высоковольтный импульс, который прикладывается к катоду, и через конденсатор 21 - к нейтроду, и происходит пробой межэлектродного промежутка катод-нейтрод. Создаются условия для возникновения дуги, и ток дуги проходит по цепи: шина (+), контактор 19, резистор 20, нейтрод, дуга между нейтродом и катодом, катод, вторичная обмотка трансформатора 15, шина (-).The appearance of voltage from the power source serves as a command for the control unit 17 to start the start. To do this, first, the control unit 17 closes the contacts of the contactor 19, and then sends a command to the high voltage unit 16. In this case, the high voltage unit 16 supplies a pulse to the primary winding of the transformer 15, a high-voltage pulse appears on the secondary winding, which is applied to the cathode, and through the capacitor 21 - to the neutrode, and a breakdown of the interelectrode gap of the cathode-neutrode occurs. Conditions are created for the appearance of the arc, and the arc current passes through the circuit: bus (+), contactor 19, resistor 20, neutrode, arc between the neutrode and cathode, cathode, secondary winding of transformer 15, bus (-).
Через некоторое время дуга перемещается с нейтрода на анод. При этом в цепи анода появляется ток, который регистрируется датчиком тока 18. Блок управления 17 постоянно отслеживает сигнал с выхода датчика тока 18, и как только ток анода появляется, размыкаются контакты контактора 19. На этом режим пуска завершается. Дуга при запуске должна перейти с нейтрода на анод достаточно быстро. Это время контролируется блоком управления 17. Если оно превышает допустимое значение, и дуга за это время не достигла анода - нейтрод может разрушиться, пуск считается неудавшимся, блок управления 17 принудительно размыкает контактор 19. После этого происходит переход на режим повторного запуска. Количество следующих подряд повторных запусков контролируется блоком управления 17. Если оно превышает допустимое значение, то это означает или неисправность самого плазмотрона, или неправильно установленный режим подачи плазмообразующего газа. При этом блок управления 17 прекращает дальнейшие попытки запуска, и переходит в режим аварийного останова. После того, как запуск прошел удачно, блок управления 17 контролирует наличие тока дуги в цепи анода при помощи датчика тока 18 и напряжение на катоде и нейтроде. Если сигнал на выходе датчика тока 18 отсутствует, а напряжение на катоде есть, значит произошел срыв дуги, и требуется переход на режим повторного запуска. Если тока дуги нет, и напряжения на катоде тоже нет - значит источник питания отключен, и блок возбуждения дуги переходит в режим ожидания.After some time, the arc moves from the neutrode to the anode. At the same time, a current appears in the anode circuit, which is detected by the current sensor 18. The control unit 17 constantly monitors the signal from the output of the current sensor 18, and as soon as the anode current appears, the contacts of the contactor 19 open. This completes the start-up mode. The arc at startup should move from the neutrode to the anode quickly enough. This time is controlled by the control unit 17. If it exceeds the permissible value, and the arc has not reached the anode during this time, the neutrode may be destroyed, the start-up is considered to be unsuccessful, the control unit 17 forcibly opens contactor 19. After this, the mode switches to restart mode. The number of subsequent consecutive starts is controlled by the control unit 17. If it exceeds the permissible value, this means either a malfunction of the plasma torch itself or an incorrectly established mode of supply of plasma-forming gas. In this case, the control unit 17 stops further attempts to start, and goes into emergency stop mode. After the launch was successful, the control unit 17 controls the presence of an arc current in the anode circuit using a current sensor 18 and the voltage at the cathode and neutrode. If there is no signal at the output of the current sensor 18, but there is voltage at the cathode, then the arc has failed, and a transition to the restart mode is required. If there is no arc current, and there is no voltage at the cathode either, then the power source is turned off, and the arc excitation unit goes into standby mode.
Во время нормальной работы плазмотрона дуга должна гореть только между катодом и анодом, не касаясь нейтрода. Напряжение на нейтроде зависит от типа плазмотрона и режима его работы. Сопротивление промежутков катод-нейтрод и нейтрод-анод велико, поэтому напряжение на нейтроде принимает значение, близкое к половине напряжения между анодом и катодом. Если по каким-либо причинам дуга начинает гореть в промежутке между нейтродом и соседним электродом, сопротивление этого промежутка резко уменьшается, и напряжение на нейтроде становится близким к напряжению этого электрода. Поэтому важное значение имеет разность напряжений между соседними электродами, например катод-нейтрод, или нейтрод-анод. Если эта разность уменьшается до некоторой величины, это означает, что произошел пробой этого промежутка. Блок управления 17 отслеживает длительность и частоту возникновения такой ситуации. Если длительность превышает допустимое значение, происходит переход в режим аварийного останова.During normal operation of the plasma torch, the arc should burn only between the cathode and the anode, without touching the neutrode. The voltage at the neutrode depends on the type of plasma torch and its mode of operation. The resistance of the gaps between the cathode-neutrode and the neutrode-anode is high, so the voltage at the neutrode takes a value close to half the voltage between the anode and cathode. If for some reason the arc begins to burn in the gap between the neutrode and the adjacent electrode, the resistance of this gap decreases sharply, and the voltage at the neutrode becomes close to the voltage of this electrode. Therefore, the voltage difference between adjacent electrodes, for example, a cathode-neutrode or a neutrode-anode, is important. If this difference decreases to a certain value, this means that a breakdown of this interval has occurred. The control unit 17 monitors the duration and frequency of occurrence of such a situation. If the duration exceeds the permissible value, a transition to emergency stop mode occurs.
Аварийный останов производится размыканием контактов реле блокировки 26, по команде с блока управления 17. Размыкание контактов реле 26 отслеживается пультом управления 4, и может быть использовано для аварийного отключения источника питания плазмотрона. Кроме того, блок управления 17 по линии связи передает на пульт управления 4 текстовую информацию о причине аварийного останова, что облегчает быстрое устранение аварийной ситуации. Схема позволяет запускать плазмотрон, не требуя дополнительной пусковой коммутации в цепях дросселя. Дроссель на выходе источника питания необходим для сглаживания пульсаций тока и для повышения устойчивости горения дуги. При увеличении индуктивности дросселя качество питания дуги улучшается. Но при этом возрастают проблемы при запуске. Дроссель с большой индуктивностью препятствует быстрому нарастанию тока дуги. А длительность искры при поджиге очень мала, поэтому ток в дросселе за такое короткое время не успевает достичь значений, достаточных для устойчивого горения, и дуга гаснет.Emergency stop is performed by opening the contacts of the blocking relay 26, by command from the control unit 17. The opening of the contacts of the relay 26 is monitored by the control panel 4, and can be used for emergency shutdown of the power source of the plasma torch. In addition, the control unit 17 through a communication line transmits to the control panel 4 text information about the cause of the emergency stop, which facilitates the quick elimination of the emergency. The circuit allows you to start the plasma torch, without requiring additional starting switching in the throttle circuit. The inductor at the output of the power source is necessary to smooth current ripples and to increase the stability of arc burning. As the inductance of the inductor increases, the power quality of the arc improves. But at the same time, startup problems increase. A choke with high inductance prevents the rapid increase of the arc current. And the duration of the spark during ignition is very small, so the current in the inductor in such a short time does not have time to reach values sufficient for stable combustion, and the arc goes out.
В предложенной схеме блока возбуждения дуги установлена батарея конденсаторов 22, в которой накапливается энергия, достаточная для развития и поддержания дуги на время пуска: При подаче питающего напряжения на входные клеммы, батарея конденсаторов заряжается через зарядный резистор 23 до напряжения питания. При пуске, когда происходит пробой промежутка катод- нейтрод, сопротивление этого промежутка резко снижается, и заряженная батарея конденсаторов разряжается по цепи: обкладка (+), контактор 19, резистор 20, нейтрод, промежуток нейтрод-катод, катод, вторичная обмотка трансформатора 15, диод 25, разрядный резистор 24, обкладка (-). При этом, по мере разряда батареи конденсаторов 22, напряжение на минусовой шине снижается, что приводит к появлению тока через источник питания и дроссель на его выходе. Емкость батареи конденсаторов 22 зависит от индуктивности дросселя, и подбирается таким образом, чтобы накопленной энергии хватило на поддержание дуги на то время, пока ток в дросселе достигнет достаточного значения. Сопротивление разрядного резистора 24 выбирается таким, чтобы разрядный ток не превышал допустимых пределов. Диод 25 нужен для того, чтобы после запуска напряжение дуги не шунтировалось батареей конденсаторов 22 через низкоомный резистор 24. Такая схема обеспечивает надежный запуск, и не требует дополнительной настройки и цепей управления.In the proposed circuit of the arc excitation unit, a capacitor bank 22 is installed, in which enough energy is accumulated to develop and maintain the arc at the start-up time: When applying a supply voltage to the input terminals, the capacitor bank is charged through the charging resistor 23 to the supply voltage. At start-up, when a breakdown of the cathode-neutrode gap occurs, the resistance of this gap decreases sharply, and the charged capacitor bank is discharged along the circuit: lining (+), contactor 19, resistor 20, neutrode, neutron-cathode gap, cathode, transformer secondary winding 15, diode 25, bit resistor 24, plate (-). In this case, as the capacitor bank 22 is discharged, the voltage on the negative bus decreases, which leads to the appearance of current through the power source and the inductor at its output. The capacity of the capacitor bank 22 depends on the inductance of the inductor, and is selected so that the accumulated energy is sufficient to maintain the arc while the current in the inductor reaches a sufficient value. The resistance of the discharge resistor 24 is selected so that the discharge current does not exceed the permissible limits. Diode 25 is needed so that after starting the arc voltage is not shunted by the capacitor bank 22 through a low-impedance resistor 24. This circuit provides a reliable start, and does not require additional configuration and control circuits.
Блок управления 43 пульта 3 газоводяного при помощи связного интерфейса 44 получает с пульта 4 управления установкой заданные значения расхода плазмообразующего газа. Полученные задания блок управления 43 передает на соответствующие регуляторы расхода 29. Вычислительное устройство 34 регулятора расхода управляет регулирующим клапаном 30, изменяя текущее значение расхода в большую или меньшую сторону. При этом поток газа проходит через датчик рас хода 31, выходной сигнал которого поступает на вычислительное устройство 34. Кроме того, на вычислительное устройство 34 поступают сигналы от датчика температуры 33 и датчика давления 32. По значениям температуры и давления газа вычислительное устройство 34 корректирует показания датчика расхода 31 , получая в результате текущее значение массового расхода. Далее вычисленное текущее значение расхода сравнивается с заданным, и если разность превышает допустимую погрешность, вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего клапана, который закрывается или открывается на величину, достаточную для обеспечения заданного расхода. Текущее значение массового расхода и давления в каждом канале передается на блок управления 43.The control unit 43 of the remote control 3 gas-water using the communication interface 44 receives from the remote control 4 installation of the set values of the flow rate of the plasma-forming gas. The control unit 43 transmits the received tasks to the corresponding flow controllers 29. The computing device 34 of the flow control device controls the control valve 30, changing the current value of the flow up or down. While the gas flow passes through the flow sensor 31, the output signal of which is supplied to the computing device 34. In addition, the computing device 34 receives signals from the temperature sensor 33 and the pressure sensor 32. Based on the values of temperature and gas pressure, the computing device 34 corrects the sensor flow rate 31, resulting in the current value of the mass flow rate. Further, the calculated current flow rate value is compared with a predetermined one, and if the difference exceeds the permissible error, a control signal is generated for the control valve, which closes or opens by an amount sufficient to ensure a given flow rate. The current value of the mass flow rate and pressure in each channel is transmitted to the control unit 43.
Особенностью схемы является то, что в одном из каналов подачи газа установлен пневматический модулятор 35, который управляется блоком управления 43. Модулятор 35 необходим для уменьшения износа поверхности катода, расширяя зону привязки дуги путем периодического изменения расхода газа (модуляции) по одному из каналов. При этом оптимальные значения параметров модуляции - частота, глубина, форма - обеспечиваются программно в блоке управления 43.A feature of the circuit is that in one of the gas supply channels a pneumatic modulator 35 is installed, which is controlled by the control unit 43. Modulator 35 is necessary to reduce wear on the cathode surface, expanding the arc attachment zone by periodically changing the gas flow (modulation) by one of the channels. In this case, the optimal values of the modulation parameters — frequency, depth, shape — are provided programmatically in the control unit 43.
Подвод воды осуществлен через напорный коллектор 36, на выходе из которого установлены запорные краны 39, которые обеспечивают отключение и подключение подачи воды в каждом канале. Далее охлаждающая вода, пройдя через рубашку охлаждения плазмотрона, попадает в сливной коллектор 40, предварительно проходя через измерители расхода воды 41. Кроме того, датчики 42 контролируют температуру воды на выходе каждого канала. Выходные сигналы с измерителей расхода воды 41 и датчиков температуры 42 поступают на блок управления 43. Кроме того, на напорном коллекторе установлены датчик температуры 37 и датчик давления 38, выходные сигналы которых поступают на блок управления 43.Water was supplied through a pressure manifold 36, at the outlet of which shut-off valves 39 were installed, which provide for switching off and connecting the water supply in each channel. Further, the cooling water, passing through the cooling jacket of the plasma torch, enters the drain manifold 40, after passing through the flow meters 41. In addition, the sensors 42 monitor the temperature of the water at the outlet of each channel. The output signals from the flow meters 41 and temperature sensors 42 are supplied to the control unit 43. In addition, a temperature sensor 37 and a pressure sensor 38 are installed on the pressure manifold, the output signals of which are sent to the control unit 43.
Блок управления 43 обеспечивает работу составных частей пульта газоводяного, оперативный контроль их состояния, при помощи связного интерфейса 44 получает задания с внешнего пульта управления установкой, и посылает на пульт управления установкой текущие параметры - массовый расход и давление в каждом канале подачи газа, входное давление в коллекторе подачи газа 27, расход и температуру воды на сливе каждого канала, давление и температуру воды в напорном коллекторе. Кроме того, блок управления 43 при помощи размыкания контакторов реле блокировки 47 может осуществлять аварийный останов плазмотрона или блокировку запуска, если возникает аварийная ситуация. К числу аварийных ситуаций относятся, например - отсутствие или недостаточное значение расхода воды, температура воды на входе превышает допустимое значение, расход газа отличается от заданного более допустимого значения и т.п. Кроме того, блок управления 43 передает на пульт управления 4 установки текстовую информацию о причине срабатывания блокировки, что облегчает быстрое устранение аварийной ситуации.The control unit 43 provides the operation of the components of the gas-water console, the operational monitoring of their condition, through the communication interface 44 receives tasks from the external control panel of the installation, and sends the current parameters to the control panel of the installation - mass flow and pressure in each gas supply channel, inlet pressure a gas supply manifold 27, a flow rate and a water temperature at the discharge of each channel, a pressure and a water temperature in a pressure head manifold. In addition, the control unit 43, by opening the contactors of the interlock relay 47, can carry out an emergency shutdown of the plasma torch or a start interlock in the event of an emergency. Among emergency situations are, for example, the absence or insufficient value of the water flow rate, the inlet water temperature exceeds the permissible value, the gas flow rate differs from the set more acceptable value, etc. In addition, the control unit 43 transmits to the control panel 4 of the installation text information about the cause of the lock, which facilitates the quick elimination of an emergency.
Наличие дисплея 45 и клавиатуры 46 позволяет управлять пультом газоводяным и контролировать его состояние в автоматическом и ручном режиме. Это позволяет предотвратить аварийную ситуацию в случаях повреждения линии связи с пультом управления установкой, что повышает надежность всей системы питания плазмотрона в целом.The presence of the display 45 and the keyboard 46 allows you to control the gas-water remote control and monitor its status in automatic and manual mode. This helps to prevent an emergency in case of damage to the communication line with the control panel of the installation, which increases the reliability of the entire plasma torch power supply system as a whole.
В состав установки входит регулятор тока дуги, блок возбуждения дуги, пульт газоводяной, пульт управления установкой и плазмотрон.The structure of the installation includes an arc current regulator, an arc excitation unit, a gas-water console, a control panel of the installation, and a plasma torch.
Из карты рабочих режимов плазмотрона выбираем его вольтамперную характеристику, соответствующую заданной мощности, например Wпл=350 кВт. Исходя из этого UДyги=1000 B±25%, IдУГи=350A±25%.From the map of the operating modes of the plasma torch, we select its current-voltage characteristic corresponding to a given power, for example, Wpl = 350 kW. Based on this, U D ygi = 1000 V ± 25%, Id UG and = 350A ± 25%.
Таким параметрам дуги по вольтамперным характеристикам соответствуют следующие расходы газов через каналы плазмотрона: воздух, г/с: катод - 7, катод-нейтрод - 25, нейтрод-анод - 6; природный газ, г/с: нейтрод - 6; расход воды, л/мин: катод - 20, нейтрод-анод - 20.According to the current-voltage characteristics, the following gas flow rates through the plasma torch channels correspond to such arc parameters: air, g / s: cathode - 7, cathode-neutrode - 25, neutrode-anode - 6; natural gas, g / s: neutrode - 6; water consumption, l / min: cathode - 20, neutron-anode - 20.
С пульта управления установки задаем верхние и нижние пределы величин тока разряда:From the control panel of the installation, we set the upper and lower limits of the discharge current:
IBEPX=437 А; Wн=262 А; UBEpχ=1250 В; UHижн=750 В. Расход газов, г/с: катод - 7-5; катод-нейтрод - 20-30; нейтрод-анод - 5-8; нейтрод - 6-16. Расход воды, л/мин: катод - 18-25; нейтрод-анод - 15-22. Напряжение на нейтроде для устойчивой работы плазмотрона должно составлять: UBEpχ=600 В; UHижн=500 В.I BEPX = 437 A; Wn = 262 A; U BE pχ = 1250 V; U H izhn = 750 V. Gas consumption, g / s: cathode - 7-5; cathode-neutrode - 20-30; neutrode anode - 5-8; the neutrode is 6-16. Water consumption, l / min: cathode - 18-25; neutrode anode - 15-22. The voltage at the neutrode for the stable operation of the plasma torch should be: U BE pχ = 600 V; U H izhn = 500 V.
Давления, МПа: входное давление воздуха PBEPX =0,75; PHИЖH =0,45; давление газа РГАЗА BEPX=0,25; РГАЗА HИЖH=0,15; входное давление воды Рводы BEPX=1 ,0; РВОДЫ HИЖH=0,6.Pressure, MPa: inlet air pressure P BEPX = 0.75; P HLH = 0.45; gas pressure RGA Z A B E P X = 0.25; P GAS H IHH = 0.15; inlet water pressure Discharge BEPX = 1, 0; PB rows HIZHH O = 0.6.
Вводим значения наружных параметров атмосферы, например Pдтм=0,09 МПа; температура Tдтм=25 °C=298 К.Enter the values of the external parameters of the atmosphere, for example, Pdtm = 0.09 MPa; temperature Tdtm = 25 ° C = 298 K.
Вводим предельные значения давлений и температур в каналах пульта газоводяного: давления, МПа: кaтoд - PBEPx кAT=3,5; PHИЖH KAT=2; катод-нейтрод - РВЕРХ.КАТ HEЙTP=4; РНИЖН КАТ HEЙTP=3 ; нейтрод-анод - PBEPX HEЙTP AHOД=3; PHИЖH.HEЙTP температура, 0C: катод - TBEPX катод-нейтрод - TBEPX KAT HEЙTP=40; нейтрод-анод - TBEpχ НЕЙТР AHOД=40.We introduce the limiting values of pressures and temperatures in the channels of the gas-water console: pressure, MPa: cathode - P BE Px to AT = 3.5; P LOWER KAT = 2; cathode-neutrode - РЕРХ.КАТ HEEYTP = 4; RHINE CAT HEYTP = 3; neutron anode - P BE PX HEEY TP AHO D = 3; P LOWER H.H ETP temperature, 0 C: cathode - T BEPX cathode-neutrode - T B EP X KAT HEIT = 40; neutrode anode - T BE pχ NEUTR AH O D = 40.
При вводе всех параметров предыдущие величины не обнуляются. Запуск плазмотрона осуществляется нажатием кнопки «ПУCK». В случае успешной настройки плазмотрон выходит на нормальный режим работы с мощностью: Wпл=350±87 кВт.When you enter all the parameters, the previous values are not reset. The plasmatron is launched by pressing the “PUSK” button. In case of successful adjustment, the plasma torch enters normal operation with power: W PL = 350 ± 87 kW.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - способ автоматического регулирования режимом работы плазмотрона предназначен для использования в другом заявленном объекте группы - установке, при этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата и могут быть использованы лишь совместно. The claimed group of inventions meets the requirement of unity of invention, since the group forms a single inventive concept, and one of the claimed objects of the group is a method of automatic regulation the mode of operation of the plasma torch is intended for use in another declared object of the group - the installation, while both objects are aimed at solving the same problem with a single technical result and can only be used together.
Claims
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA200708867A UA84654C2 (en) | 2007-08-01 | 2007-08-01 | Method for automatic regulation of plasmatron operating conditions and an installation for its realization |
| UAA200708867 | 2007-08-01 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2009023003A1 true WO2009023003A1 (en) | 2009-02-19 |
Family
ID=40350931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/UA2008/000042 Ceased WO2009023003A1 (en) | 2007-08-01 | 2008-07-14 | Method for automatically controlling a plasmotron operation mode and a plant for carrying out said method |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2389055C2 (en) |
| UA (1) | UA84654C2 (en) |
| WO (1) | WO2009023003A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114962198A (en) * | 2022-04-14 | 2022-08-30 | 兰州空间技术物理研究所 | Anode current-propellant flow closed-loop control method |
| CN115066078A (en) * | 2022-08-16 | 2022-09-16 | 四川轻化工大学 | Plasma beam performance online diagnosis system and method |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2523066C1 (en) * | 2012-12-28 | 2014-07-20 | Сергей Александрович Вощинин | Plasmatron power supply source |
| RU2698905C1 (en) * | 2018-11-07 | 2019-09-02 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Power supply of direct-current electric arc plasmatron |
| RU2755304C1 (en) * | 2021-02-10 | 2021-09-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Heat and mass transfer device for drying dispersed materials |
| CN117615498B (en) * | 2023-11-30 | 2024-06-04 | 江苏神州半导体科技有限公司 | Remote plasma source pre-excitation ignition circuit and self-adaptive ignition method |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1066049A1 (en) * | 1982-05-21 | 1984-01-07 | Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Device for control of electric conditions of plasma generator |
| DE3528750A1 (en) * | 1984-09-26 | 1986-04-24 | Voest-Alpine Ag, Linz | Regulating device for a high-power plasma burner, especially for a smelting furnace |
| WO1991011086A1 (en) * | 1990-01-15 | 1991-07-25 | Leningradsky Politekhnichesky Institut Imeni M.I.Kalinina | Device for striking of electric arc in plasmatron |
| RU41227U1 (en) * | 2004-05-25 | 2004-10-10 | Герасимов Владимир Александрович | DEVICE FOR FORMING AN ARC DISCHARGE |
| UA74047C2 (en) * | 2003-08-26 | 2005-10-17 | Anatolii Tymofiiovych Neklesa | Control device for an arc apparatus |
-
2007
- 2007-08-01 UA UAA200708867A patent/UA84654C2/en unknown
-
2008
- 2008-02-04 RU RU2008104291/09A patent/RU2389055C2/en not_active IP Right Cessation
- 2008-07-14 WO PCT/UA2008/000042 patent/WO2009023003A1/en not_active Ceased
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1066049A1 (en) * | 1982-05-21 | 1984-01-07 | Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Device for control of electric conditions of plasma generator |
| DE3528750A1 (en) * | 1984-09-26 | 1986-04-24 | Voest-Alpine Ag, Linz | Regulating device for a high-power plasma burner, especially for a smelting furnace |
| WO1991011086A1 (en) * | 1990-01-15 | 1991-07-25 | Leningradsky Politekhnichesky Institut Imeni M.I.Kalinina | Device for striking of electric arc in plasmatron |
| UA74047C2 (en) * | 2003-08-26 | 2005-10-17 | Anatolii Tymofiiovych Neklesa | Control device for an arc apparatus |
| RU41227U1 (en) * | 2004-05-25 | 2004-10-10 | Герасимов Владимир Александрович | DEVICE FOR FORMING AN ARC DISCHARGE |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114962198A (en) * | 2022-04-14 | 2022-08-30 | 兰州空间技术物理研究所 | Anode current-propellant flow closed-loop control method |
| CN115066078A (en) * | 2022-08-16 | 2022-09-16 | 四川轻化工大学 | Plasma beam performance online diagnosis system and method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| UA84654C2 (en) | 2008-11-10 |
| RU2008104291A (en) | 2009-08-10 |
| RU2389055C2 (en) | 2010-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8410399B2 (en) | Capacitor charge and discharge circuit for fastener welding | |
| US6194682B1 (en) | Plasma cutter with integrated air compressor | |
| RU2389055C2 (en) | Method of automatic control of plasmatron operation mode and device for its implementation | |
| US7932632B2 (en) | Switching power supply with overvoltage protection and overvoltage protection method thereof | |
| US10432020B2 (en) | Emergency back-up power system for traction elevators | |
| US6849828B2 (en) | Method for regulating and/or controlling a welding current source with a resonance circuit | |
| JP2023525117A (en) | A method of operating an electrolyser, a connection circuit for carrying out this method, a rectifier and an electrolysis system | |
| WO2003026114A2 (en) | Universal energy supply system | |
| JPS621464A (en) | Power supply device for electric precipitator | |
| CA2790584C (en) | Welding power supply with regulated background power supply | |
| US10126033B2 (en) | Power conversion device and air conditioner | |
| US6670777B1 (en) | Ignition system and method | |
| US11708171B2 (en) | Power distribution system and power distribution method | |
| US20210051775A1 (en) | Power supply for electric arc gas heater | |
| CN104242623A (en) | Quick start method and quick start control circuit of switching power supply | |
| US20030021132A1 (en) | Method and apparatus for generating high voltage | |
| US5376768A (en) | Method for equalizing wear to prolong the lifespan of a plasma torch electrode | |
| US5606492A (en) | Intermittent on/off regulator type DC power supply | |
| US9997908B2 (en) | Circuit for a voltage power optimiser | |
| US8232501B2 (en) | Plasma arc power supply and control method therefor | |
| JP3042119B2 (en) | Plasma ignition power supply | |
| AU2004302434B2 (en) | Device for controlling an electric arc installation | |
| SU1066049A1 (en) | Device for control of electric conditions of plasma generator | |
| JP3835296B2 (en) | Power supply | |
| CN119363087A (en) | An adaptive hydrogen thyratron drive system and control method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 08779535 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 32PN | Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established |
Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 18/05/2010) |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 08779535 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |