CC BY
238
Сведения об авторах
Бурцев Антон Владимирович,
старший инженер лаборатории высоковольтной энергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: tonyburt@rambler.ru
Невретдинов Юрий Масумович,
ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной энергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: ymnevr@mail.ru
Смирнов Андрей Анатольевич,
ведущий инженер отдела буро-взрывных работ Управления ОАО «Апатит»,
Россия, 184250, Мурманская область, г. Кировск, ул. Ленинградская, д. 1 эл. почта: smirnov1104@yandex.ru
УДК 621.314.235 А.Ф.Усов, А.С.Потокин
ИМПУЛЬСНОЕ ТРАНСФОРМИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
Проведены экспериментальные исследования энергопереноса в импульсном трансформаторе для целей электроимпульсного разрушения. Показана высокая эффективность передачи напряжения и энергии к породоразрушающему устройству в схеме импульсного трансформатора с контуром обострения фронта высоковольтных импульсов. Обоснована возможность существенного улучшения удельных массогабаритных и энергетических характеристик электротехнологических комплексов электроимпульсного разрушения геоматериалов, открывающая путь к производственному использованию электроимпульсных технологий.
Ключевые слова:
электроимпульсное разрушение, генерирование высоковольтных импульсов, импульсный трансформатор, обострение фронта импульсов.
A.F.Usov, A.S.Potokin
THE PULSED TRANSFORMATION OF VOLTAGE AND ENERGY FOR ELECTRIC PULSE DESTRUCTION OF MATERIALS
Аbstract
Experimental study of energy transfer in pulse transformer for the purposes of electric pulse destruction is carried out. The high efficiency of transmission voltage and energy to broken rocks device in the scheme of pulse transformer with circuit of peaking front of high-voltage pulses is shown. The possibility of significant improvement of specific weight, size, and energy characteristics of electric and technological complexes of electric pulse destruction of geomaterials, opening the way to a productive use of electric pulse technology, is proved.
Keywords:
electric pulse destruction, high-voltage pulses generating, pulse transformer, front pulse peaking.
Потребности технического прогресса в горном деле и ряде других отраслей промышленности с технологиями, включающими процессы разрушения материалов, ставят задачи повышения технологической эффективности процессов, снижения энергоемкости разрушения, обеспечения экологической чистоты технологии. К числу потенциально эффективных способов разрушения материалов относится предложенный российскими учеными [1, 2] электроимпульсный (ЭИ) способ разрушения материалов, основанный на использовании взрывного действия канала электрического разряда в твердом теле при выделении в нем энергии емкостного накопителя.
Способ отличает высокая энергетическая эффективность и уникальные технологические особенности, позволяющие его универсально использовать для бурения скважин различного диаметра и назначения, дробления и измельчения руд и технических материалов, резания и поверхностной обработки массива и блочного камня [3-5].
Вместе с тем ни в России, ни за рубежом производственное использование способа пока еще не получило сколько-нибудь заметного распространения. Главная причина этого - несовершенство электротехнического оборудования для реализации способа: ограниченный ресурс работы и неудовлетворительные удельные энергетические и массогабаритные характеристики элементной базы (конденсаторы, зарядные устройства, генераторы импульсов) во многих случаях не обеспечивают технико-экономическую эффективность процессов, имеют недостаточную эксплуатационную надежность работы установок.
Острая необходимость разработки нового класса электротехнического оборудования для электроимпульсных технологий была осознана с самого начала работ по электроимпульсной тематике, и к ее разработке были привлечены специализированные организации Минэлектротехпрома, научные и учебные организации страны, связанные с электротехническим аппаратостроением. В наиболее острой проблеме создания конденсаторов с ресурсом работы, достаточным для проведения научных исследований способа и испытаний технологических установок, достигнут заметный прогресс - ресурс работы конденсаторов повысился на три порядка, конденсаторы ИМ-50-0.2 НПО «Конденсатор» практически обеспечивали гарантированный изготовителем ресурс работы в 108 импульсов при частоте следования 20 имп/с. Были разработаны зарядные устройства по схемам выпрямления высокого переменного напряжения промышленной частоты, которые по номиналам напряжения и мощности, возможности управления скоростью заряда, ресурсу работы были пригодны для использования в электроимпульсных технологиях [6]. Это позволило в 1970-1980 гг. создать экспериментальные установки для опробования в производственных условиях широкого спектра новых технологий на основе электроимпульсного разрушения, на результатах которых базируются современные прогнозные оценки технико-физических показателей технологических процессов, обосновываются дальнейшие задачи по совершенствованию техники и технологии способа.
Сейчас, когда электроимпульсный способ разрушения всесторонне изучен и выявлены его безусловные достоинства в технологической эффективности, на первый план встают вопросы совершенствования электротехнического обеспечения технологии, чтобы ликвидировать существенный проигрыш в массогабаритных характеристиках электроимпульсных технологических установок в сравнении с традиционными способами.
Для примера сопоставим характеристики электроимпульсной дезинтеграционной установки с механическими дезинтеграторами. Дробильно-измельчительный комплекс избирательной дезинтеграции геологических проб ДИК-1 [7], рассчитанный на производительность крупного измельчения до 5 мм - 100 кг/ч и до 1 мм - 50 кг/ч
при крупности исходного продукта 80 мм, требует установленной мощности 20 кВт и имеет габаритные размеры 5000^4000^2800 мм (56 м3) и массу 3000 кг. То есть удельная производительность измельчения по классу до 1 мм составляет порядка 1 кг/ч на 1 м3 объема установки и 20 кг/ч на 1 т веса установки и по классу до 5 мм составляет порядка 2 кг/ч на 1 м3 объема установки и 35 кг/ч на 1 т веса установки. Технические характеристики промышленных лабораторных измельчителей на традиционных способах разрушения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Технические характеристики промышленных лабораторных измельчителей
Тип Вес, кг Габаршы, мм Исходная крупность, мм Конечная крупность, мм Производи- тельность, мкг/ч Удельная произво- дительность, на 1 м3 объема Удельная производительность, на 1 т веса установки
ДЩ 60x100 (ЩД-6) 133 650x330x580 До 55 1.20 30.300 250..2500 225..2255
ДГ200x125 210 640x480x780 15...30 0.5.8 100.500 476..2381 416..2083
МД 3x2 200 1200x640x800 До 90 0.3.8 50.100 250...500 82...124
КИД-60 (ВКМД-6) 26 380x190x330 До 6 0.2.2 До 10 384.6 500
Как видно, электроимпульсные дезинтеграторы проигрывают традиционным способам дезинтеграции по удельной производительности на 1 т веса установки на порядок и еще более значительней - на два порядка по удельной производительности на 1 м3 объема установки. Проигрыш по массе обусловлен значительным весом зарядного устройства, включающего повышающий трансформатор, блок выпрямления высокого напряжения и устройство регулирования скорости заряда на основе дросселя насыщения, и основная масса приходится на выполненные из железа магнитопровода трансформатора и дросселя насыщения. Проигрыш по габаритам связан с использованием для генерирования импульсов многоступечатого генератора Аркадьева - Маркса (ГИН). В эксплуатационные размеры установки включены изоляционные промежутки от высоковольтного вывода ГИН на заземляемое ограждение. Анализ габаритных характеристик технологических ГИН в экспериментальных установках КНЦ РАН, разработанных и опробовавшихся в производственных условиях, приведен в табл.2.
Таблица 2
Характеристики энергоэффективности конструкций ГИН электроимпульсных установок
Установка (выходное напряжение, кВ/разрядная емкость, мкФ) Конденсатор По габаритным размерам По эксплуатационным размерам
К1, Дж/м3 К2, кВ/м К3, % К1, Дж/м3 К2, кВ/м К3, %
Кварц-Слюда (560/0.0178) КБГП-30-0.2 32 311 - 5.7 200 -
Кварц-П (490/0.0143) ИМ-50-0.2 245 245 9.1 34.6 163 1.3
Кварц М1 (490/0.0095) ИС-30-0.2 68 136 0.87 14.4 106 0.18
Кварц М2 (350/0.0133) ИС-30-0.2 69 97 1.2 12 76 0.21
Кварц ДК1 (350/0.0142) ИМН-100-0.1 427 312.5 4.52 35.8 165 0.37
ГИН-300-0.0156 КБГП-30-0.25 226 300 3 23.8 184 4.3
ГИНШ-300-0.033 КБМЭГ-50-0.2 241 200 4.5 37 118 0.45
ПРИМЕЧАНИЕ. К1 - удельная энергия объема конструкции генератора; К2 - градиентный коэффициент по напряжению (по отнощению к «земле», ограждению); К3 - энергетическая компактность, объемная доля энергонакопителей в объеме установки.
Как следует из приведенных данных, диспропорция в размерах электротехнического и технологического блоков очень значительна - площадь электротехнического блока в 20 раз больше площади, занимаемой измельчительной камерой. В связи с этим следует указать еще на один аспект проблемы - создание технологических комплексов на производительность, сопоставимую с машинами механического принципа действия. Наращивание параллельно работающих электроимпульсных дезинтеграторов заведомо является проигрышным, оптимально не компонуемым вариантом. Анализ характеристик электроимпульсных измельчительных машин производительностью 1 т/ч, приведенных в [4], дает чуть лучший, но все еще неудовлетворительный результат.
В последние два десятилетия были обоснованы возможности существенного улучшения массогабаритных характеристик электротехнологических электроимпульсных установок [8-11]. Электротехническое оборудование на базе зарядных устройств по схеме высокочастотного преобразования напряжения и генераторов импульсов на базе импульсных трансформаторов способно на порядок улучшить массогогабаритные характеристики электроимпульсных установок и открыть путь к созданию технологических комплексов повышенной производительности с оптимальной компоновкой электротехнической и технологической частей установки. Произошедший в последние два десятилетия революционный прорыв в выпрямительной технике, связанный с совершенствованием полупроводниковой элементной базы и ферромагнитных материалов и с переходом к схемам высокочастотного преобразования напряжения, позволяет практически на два порядка улучшить массогабаритные характеристики зарядных устройств, повысить КПД энергопреобразования. В России и за рубежом освоено производство источников питания нового класса, и они практически вытеснили все прежние модели источников питания в промышленности, которые работали от сети переменного тока, в том числе даже модели с высоким уровнем выходной мощности. Новые источники питания по уровню напряжения и мощности в достаточной мере отвечают требованиям, предъявляемым условиями электроимпульсной технологии, и дальнейшие исследования по проблеме зарядных устройств сводятся к вопросам их адаптации к разрядно-импульсному режиму работы генераторов импульсов и высокому уровню рабочих напряжений.
Импульсные трансформаторы (ИТ) в схемах генерирования высоковольтных импульсов. Разработка генерирующей аппаратуры для электроимпульсной
технологии на основе импульсных трансформаторов в КНЦ РАН была начата еще в 1970-х гг. Импульсное трансформирование с целью существенного уменьшения габаритов и веса генератора импульсов рассматривалось как альтернатива схеме многоступенчатого генератора Аркадьева - Маркса. С учетом опыта использования импульсных трансформаторов в импульсной технике в [12] были предложены возможные схемные решения импульсного трансформирования для электроимпульсной технологии. В разработке конструкций импульсных трансформаторов приняли участием Тольяттинский филиал Всесоюзного энергетического института (ТФ ВЭИ) и Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры (НИИЭФА). В варианте погружного исполнения в скважину (ТФ ВЭИ) использована схема каскадного умножения (рис.1а), а в варианте для наземного исполнения для технологий, предусматривающих использование в качестве рабочей среды воды, - схема однокаскадного трансформирования с контуром обострения высоковольтных импульсов (рис.1б) (ВНИИЭФА). В качестве магнитопровода в трансформаторах использовалось трансформаторное железо.
а
б
Рис.1. Схема и конструкция импульсных трансформаторов для электроимпульсных установок:
а - в погружном исполнении; б - в наземном исполнении
Испытание многокаскадного ИТ указало на тот недостаток, что при разряде накопительной емкости через ИТ высокое волновое сопротивление цепи разряда существенно ограничивает мощность импульса, значительно снижая эффективность разрушения, а работа схемы должна предусматривать размагничивание магнитопровода. Сердечник ИТ имеет значительное сечение и вес, и это осложняет процесс промывки скважины и манипулирования буровым инструментом.
Однокаскадный трансформатор с контуром обострения высоковольтных импульсов не был доработан (по финансовым причинам), но схему трансформирования целесообразно и сейчас рассматривать как путь для существенного снижения веса ИТ, сочетая исполнение магнитопровода из материалов с высокой магнитной проницаемостью с оптимизацией параметров разрядного контура для обеспечения максимального КПД передачи энергии из первичного контура импульсного трансформатора в обостряющую емкость и далее в канал разряда в породе с требуемым режимом выделения энергии [12].
Анализ энергопереноса в импульсных трансформаторах для электроимпульсного разрушения материалов. Экспериментальные исследования переходного процесса в ИТ были выполнены на моделях ИТ с магнитопроводом из материалов с высокой магнитной проницаемостью. Исполнение разомкнутого магнитопровода из феррита снимает проблему необходимости его постоянного размагничивания. Представленные на рис.2 ИТ отличаются друг от друга компоновкой обмоток и уровнем рабочего напряжения.
ИТТ-10/52-50 - импульсный трансформатор с трапецеидальной вторичной обмоткой (трансформатор цилиндрический, диаметр трансформатора d=81 мм, высота h=80 мм). Первичная обмотка содержит 10 витков (диаметр провода d=3.2 мм), вторичная обмотка содержит 52 витка (диаметр провода d=15 мм). Сердечник ИТ состоит из 10 ферритовых колец (45^28^8). Рабочее напряжение - 50 кВ.
а
б
в
Рис.2. Конструкции импульсных трансформаторов:
а - ИТТ-10/52-50; б - ИТК-12/72-50; в - ИТК-15/105-350
ИТК-12/72-50 - импульсный трансформатор с конической вторичной внутренней обмоткой (трансформатор цилиндрический, диаметр трансформатора d=130 мм, высота h=100 мм). Первичная обмотка содержит 12 витков (диаметр провода d=4 мм), вторичная обмотка содержит 72 витка (диаметр провода d=1мм). Сердечник ИТ состоит из 10 ферритовых колец (45x28x8). Рабочее напряжение - 50 кВ.
ИТК-15/105-350 - импульсный трансформатор с конической вторичной внутренней обмоткой (трансформатор цилиндрический, диаметр трансформатора d=300 мм, высота h=350 мм). Первичная обмотка содержит 15 витков (диаметр провода d=4 мм), вторичная обмотка содержит 105 витков (диаметр провода d=1 мм). Сердечник ИТ состоит из 15 ферритовых колец (100x50x15). Рабочее напряжение - 350 кВ, используется в исследованиях электроимпульсного бурения и дезинтеграции материалов.
Рассмотрен случай, в котором генерирование импульсов осуществляется по схеме обострения фронта высоковольтных импульсов с включением обостряющей емкости на вторичной стороне импульсного трансформатора (рис.3).
а
б
в
Рис. 3. Схема исследования переходного процесса с ИТ (а), осциллограмма напряжения на обостряющей емкости в режиме холостого хода (б), осциллограмма напряжения на нагрузке (в)
В энергопереносе главной составляющей является передача энергии из накопителя С1 первичного контура импульсного трансформатора W1 в обостряющую емкость С2 к моменту первого максимума напряжения W2. Энергия обострителя после срабатывания разрядника Р2 расходуется на формирование импульса напряжения на нагрузке, формирование электрического пробоя и последующее преобразование энергии канала разряда в работу разрушения твердого тела. Все эти составляющие с неизбежныши потерями в коммутаторе Р2 являются необходимыми для реализации процесса электроимпульсного разрушения, составляя в совокупности полезно используемую часть энергии накопителя. Оставшаяся часть энергии относится к потерям и не только в энергетическом плане, но и в приводящем к техническим издержкам. Потери энергии в диэлектрике и обкладках конденсатора-накопителя приводит к его нагреву, снижающему ресурс его работы. Потери в проводниках катушек и магнитопроводе импульсного трансформатора приводят к его нагреву, во избежание которого ИТ необходимо охлаждать, а если этого недостаточно, то вынужденно снижается частота следования импульсов, т.е. производительность процесса. Таким образом, условие максимальной передачи энергии из накопителя первичного контура ИТ в обостряющую емкость соответствует и условию минимальных потерь энергии в ИТ, максимальной производительности технологического процесса.
В исследованиях варьировались значения емкостей первичного и вторичного контуров ИТ, осуществлялась регистрация напряжения заряда накопительной емкости С1 и импульсного напряжения с первичной (А) и вторичной стороны (В) ИГ. Энергия в обострителе оценивалась по амплитуде первой полуволны напряжения в режиме холостого хода (при отключенной нагрузке).
Зависимость КПД передачи энергии в обостритель для трех конструкций ИТ представлена на рис.4а и 4б.
Из приведенных данных следует, что геометрия высоковольтной катушки ИТ имеет значение для коэффициентов передачи энергии W2/W1. Для импульсного трансформатора ИТК-15/105-350, предназначенного для использования в режиме электроимпульсного разрушения, значение W/W достигает почти 0.7, что значительно выше, чем у двух других образцов импульсных трансформаторов.
На рисунках 5 и 6 результаты экспериментальных определений представлены в системе координат, значения которых увязаны с параметрами традиционной схемы замещения ИТ, представленной на рис.7, в которой Ls1 - индуктивность рассеяния первичной обмотки ИТ; Ls2 - индуктивность рассеяния вторичной обмотки ИТ; Lm - индуктивность намагничивания ИТ; n - коэффициент трансформации ИТ.
а
б
Рис.4. Зависимость W2/W1 от С2при С1=0.5мкФ (а); С1=0.1 мкФ (б): 1 - ИТТ-10/52-50; 2 - ИТК-12/72-50; 3 - ИТК-15/105-350
Рис.5. Зависимость (и2вв/и1нв)/Ктр
от С2ктр /Ср.
1 и 1’ - ИТК-12/72-50; 2 и
2’ - ИТТ10/52-50; 3 и 3’ - ИТК15/105-350; без штриха - С=0.5мкФ; со
штрихом - С=0.1мкФ
Рис.6. Энергоперенос в обостритель (доля от энергии накопителя) для различных типов ИТ и соотношения значений накопительной и обостряющей емкости:
1 и 1’ - ИТК-12/72-50; 2 и
2 ’ - ИТТ10/52-50; 3 и 3’ - ИТК15/105-350;
без штриха - С=0.5мкФ; со
штрихом - С=0.1мкФ
Рис. 7. Схема замещения ИТ на холостом ходу
Представленные на рис.5 и 6 экспериментально полученные зависимости дополнены аналитическим расчетом (пунктирные линии) переходного процесса в ИТ по схеме замещения рис.7 в приближении, допускающем отсутствие потерь. Пренебрегая потерями энергии в коммутаторе и токопроводниках ^=0) и принимая Lm>>Lsi hLs2 расчет переходного процесса можно свести к расчету перезаряда емкостей С1 и С2 через Ls1 иLs2. В этом случае значения максимального напряжения на обострителе на амплитуде первой полуволны напряжения будет: U2 =n (2/1+ к) U1, а энергии в обострителе Ж>=[4к/(1+к)2] W1. Здесь n - коэффициент трансформации; к=С2ктр2/С1. Для ИТ 15/105-350 кВ уровень потерь энергии в режиме оптимального соотношения емкостей С2ктр2/С1=1.0 достигает 30%, для двух других типов ИТ - 50%. Главный фактор, определяющий уровень заряда обострителя, связан с соотношением скоростей заряда обострителя и разряда накопителя. Снижению уровня потерь будет способствовать снижение индуктивностей рассеяния трансформатора, уменьшение индуктивности петли подсоединения накопителя к ИТ и петли подсоединения импульсного трансформатора к обострителю. В целом модель импульсного трансформатора ИТК-15/105-350 в комплексе с глицериновым обострителем подтвердила работоспособность и энергетическую эффективность для исследования процессов электроимпульсного бурения и дезинтеграции материалов. Элементная база исследовательского стенда представлена на рис.8
Рис. 8. Лабораторный стенд электроимпульсного разрушения материалов:
1 - зарядное устройство (SR6 Spellman); 2 - конденсаторы С1 (0.4 мк Ф-50 кВ); 3 - разрядник Р1; 4 - импульсный трансформатор ИТК-15/105-350 кВ; 5 - обостряющий конденсатор С2 (350 кВ, глицерин); 6 - обостряющий разрядник Р2; 7 - дробильно-измельчительная камера (от установки ДИК-1М);
8 - стенд бурения (110 мм)
На стенде выполняются работы, предусмотренные программой совместных работ с Университетом науки и технологий Хуажонг (Китай), направленные на совершенствование электротехнического обеспечения электроимпульсных установок с целью создания реальных предпосылок для их использования в производстве.
Литература
1. Способ отбойки и раздробления полезных ископаемых и горных пород: а. с. № 1954-03 с приоритетом от 28.07.1951 / А.А.Воробьев, Е.К. Завадовская.
2. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород / А.А.Воробьев, Г.А.Воробьев, Е.К. Завадовская и др. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1971. 225 с.
3. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. Апатиты: КНЦ РАН, 1995, 276 с.
4. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 324 с.
5. Усов А.Ф. Полувековой юбилей электроимпульсному способу разрушения материалов // Вестник КНЦ РАН. 2012. № 4. С. 165-192.
6. Усов А.Ф., Гладков В.С. Вопросы электротехнического обеспечения технологий электроимпульсного разрушения материалов источниками высоковольтных импульсов // Вестник НТУ «ХПИ». Харьков, 2004. Вып. 35. С. 143-154.
7. Шулояков А.Д., Лупал С.Д., Таракановский Э.Н. Установка избирательной дезинтеграции геологических проб (ДИК-1М) // Обогащение руд. 1989. № 4. С. 45-46.
8. Усов А.Ф., Бородулин В.В. Проблема улучшения удельных массогабаритных и энергетических характеристик технических средств электроимпульсного разрушения материалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010. № 9. С. 375-379.
9. Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий / ГГКанаев, ВРКухта, В.В.Лопатин, А.В.Нашилевский, Г.Е.Ремнев, К.Уемура, Э.ГФурман // Приборы и техника эксперимента. 2010. № 1. С. 105-109.
10. High-voltage pulsed generator for dynamic fragmentation of rocks / B.M.Kovalchuk, A.V.Kharlov, V.A.Vizir, V.V.Kumpyak, V.B. Zorin, V.N.Kiselev // Rev. Sci. Instrum. 81. 103506 (2010); doi:10.1063/1.3497307.
11. Усов А.Ф., Потокин А.С. Концептуальные решения для создания компактных мобильных технологических комплексов на основе электроимпульсного способа разрушения материалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № 2. С. 260-269.
12. Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии. Л.: Наука, 1987. 179 с.
Сведения об авторах
Усов Анатолий Федорович,
начальник научно-организационного отдела КНЦ РАН, старший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14,
тел. (81555)79226, эл. почта: usov@admksc.apatity.ru
Потокин Александр Сергеевич,
младший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14
тел. (81555)79516, эл. почта: student_noo@admkas.apatity.ru
