CC BY
57
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
УДК 6213 Е. В. ПТИЦЫНА
Д. В. ПТИЦЫН А. Б. КУВАЛДИН
Омский государственный технический университет Национальный исследовательский университет
«Московский энергетический институт»
К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПИТАНИЕМ ТОКОМ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
Экспериментально исследованы электрические параметры, спектры излучения и их интегральные характеристики установок, работающих на явлении электрического разряда в газах или парах на примере газоразрядных излучателей низкого давления. Показана эффективность применения тока сложной формы для питания таких установок.
Ключевые слова: газоразрядный излучатель низкого давления, электрический режим, потребляемая мощность, ток сложной формы.
В дуговых электрических печах и установках (тлеющий, искровой, дуговой) определяется услови-
реализуется технологический процесс плавления ями во внешней цепи, типом катода, давлением газа
металлов и их восстановление из окислов при на- или пара. Напряжение в разрядном промежутке
греве с использованием свойств электрического и устойчивость горения дуги зависит от рода тока,
разряда в газах или парах металла. Тип разряда его полярности и формы [1—7].
В [2, 3] доказано: оптимальный состав гармоник определяется процессами ионизации в электрическом разряде, то есть подвижность заряженных частиц является функцией температуры и частоты. Регулирование спектра частот питающего напряжения и состава гармоник (формы) может быть реализовано с использованием управляемых полупроводниковых приборов (тиристоров) или нелинейных индуктивностей (дросселей). Варианты схем источников питания газоразрядных электротехнологических установок (ЭТУ) с питанием током сложной формы (ТСФ) подробно рассмотрены в [2, 3]. Там же представлены осциллограммы форм тока (напряжения) и соответствующие им спектры гармоник тока для дуговых сталеплавильных печей малой емкости прямого и косвенного нагрева, газоразрядных излучателей высокого и низкого давлений (ВД и НД). Отмечено, что эффективность работы ЭТУ зависит от положения ступеней РПН (ПБВ) силового трансформатора (то есть для достижения эффективного режима работы установки необходимо регулировать форму и амплитуду питающего напряжения).
Повышение энергетической эффективности работы установок, работающих на свойствах электрического разряда, является актуальным по настоящее время. Улучшение качества изделий и увеличение сроков службы зависят, в том числе, и от электрических режимов и процессов в газоразрядном промежутке.
В работе изложены результаты исследований электрических параметров, спектров излучения и интегральных характеристик установок, работа-
ющих на явлении электрического разряда на примере газоразрядных излучателей низкого давления (НД) различной мощности. Такой излучатель обладает следующими преимуществами: при изменении электрического режима позволяет сразу судить об изменениях физических и технологических параметров установки по значениям мощности, потребляемой из сети, коэффициенту мощности, а также интенсивности линий в спектре излучения и интегральным характеристикам: освещенности, световому потоку, параметрам цветовой диаграммы и цветовой температуре излучателя. При этом не требуется длительная временная реализация многочисленных плавок с отбором проб металла и проведением дорогостоящих анализов качества выплавляемых металлов и сплавов. Рассмотрены вопросы целесообразности использования в ЭТУ тока сложной формы (ТСФ), т.е. тока полигармонического состава с частотами гармоник в диапазоне 102—103 Гц для повышения их эффективности.
Напомним, что по способу генерирования оптического излучения (по способу возбуждения атомов и молекул) различают температурные и разрядные оптические излучатели. В разрядных излучателях оптическое излучение преобразуется в излучение электрического разряда. Цвет излучения определяется частотой колебаний, которая неизменна при переходе излучения из одной среды в другую, а длина электромагнитной волны при этом изменяется [1—7].
Цель работы: экспериментальное исследование влияния параметров электрических режимов (обычного с питанием синусоидальным током
Таблица 1
Обычный режим Новый режим
Напряжение на лампе, В 207,0 153,0 (175,0)
Освещенность, лк 664,2 570,47 (675,7)
Световой поток, лм 8346,7 7168,5 (8491,0)
Температура в разрядном промежутке, К 2063,4 2070,5 (2079,4)
Коэффициент мощности 0,52 0,61 (0,54)
Рис. 1. Спектр газоразрядного излучателя НД мощностью 18 Вт в обычном режиме при напряжении на лампе 207 В
Рис. 2. Окно цветовой диаграммы для газоразрядного излучателя НД мощностью
18 Вт при напряжении 207 В в обычном режиме: хроматические координаты, график поверхностной плотности потока излучения и график данных А/О счета, интегральные параметры
Рис. 3. Спектр газоразрядного излучателя НД в новом режиме с питанием ТСФ. Напряжение на излучателе 153 В
(напряжением) частотой 50 Гц и нового c питанием током сложной формы) на процессы в электрическом разряде и определение энергетической эффективности ЭТУ в режиме с питанием ТСФ.
Используемые приборы. В исследованиях применяли следующие измерительные приборы: высокочувствительный оптоволоконный спектрометр с ультранизким рассеянием света AvaSpec-ULS 2048-USB2, в комплекте которого предусмотрено программное обеспечение AvaSoft-ALL; для измерения электрических параметров установки использован анализатор качества электрической энергии типа ANALYST 2060. В экспериментах определяли среднеквадратичные значения токов, напряжений, активной, реактивной, полной мощности, значение коэффициента мощности установки [1—7].
Первая серия опытов. Выполнены экспериментальные исследования электрических параметров, спектров излучения, цветовых диаграмм и интегральных характеристик электрического разряда
на примере газоразрядного излучателя НД мощностью 18 Вт. Результаты опытов представлены в сравнении для обычного и нового электрических режимов в табл. 1. Опыты проведены для определения распределения энергии излучения по длинам волн при регулировании формы питающего напряжения на газоразрядном излучателе. В обычном режиме газоразрядный излучатель НД подключали к сети напряжением 220 В частотой 50 Гц через ЛАТР типа БиЫТЕК с цифровым дисплеем мощностью 2000 ВА, диапазоном изменения напряжения 0 — 300 В. В новом режиме для регулирования формы тока (напряжения) использовали ДН. В обычном режиме дроссель не использовался. В опыте датчик спектрометра устанавливали на фиксированном расстоянии от излучателя [2 — 4, 7].
На рис. 1, 2 показаны спектр излучения, окно цветовой диаграммы, интегральные характеристики газоразрядного излучателя НД для обычного режима. Напряжение на излучателе составило 207 В.
Рис. 4. Окно цветовой диаграммы для газоразрядного излучателя НД мощностью
18 Вт при напряжении 153 В в новом режиме: хроматические координаты, график поверхностной плотности потока излучения и график данных A/D счета, интегральные параметры
Рис. 6. Окно цветовой диаграммы для газоразрядного излучателя НД мощностью
20 Вт при напряжении 220 В в обычном режиме: хроматические координаты, график поверхностной плотности потока излучения и график данных Л/Б счета, интегральные параметры
Рис. 7 Спектр газоразрядного излучателя НД 20 Вт в новом режиме с питанием ТСФ. Напряжение на излучателе 143 В
Рис. 8. Окно цветовой диаграммы для газоразрядного излучателя НД мощностью 20 Вт при напряжении 143 В в новом режиме: хроматические координаты, график поверхностной плотности потока излучения и график данных А/О счета, интегральные параметры
Экспериментально подтверждено, что для разрядных излучателей НД спектр излучения линейчатый: наиболее интенсивное излучение отмечено на длинах волн 430, 550 и 610 нм. Для исследуемого излучателя в спектре преобладает линия 610 нм. В новом режиме при питании излучателя ТСФ отмечены физические и технологические эффекты (рис. 3, 4): снижение напряжения на лампе: с 207,0 до 175,0 В, при практически неизменных значениях интегральных характеристик. Например, освещенность в сравниваемых режимах была равна: 664,2 лк в обычном режиме и 570,47 (675,0) лк в новом режиме. Интенсивность излучения в обычном режиме для указанных длин волн составила 800, 1900, 3700, а в новом режиме при напряжении 153 В — 750, 1550, 3100. В обычном режиме напряжение зажигания дуги / напряжение погасания дуги составило 166 В / 130 В, а в новом режиме соответственно — 120 В / 87 В, что свидетельствует о снижении составляющих падений напряжения на дуге. Отмечено также увеличение коэффициента мощности
излучателя с 0,52 до 0,61, а также составляющих активной, реактивной и полной мощности.
Вторая серия опытов. Эксперименты выполнены для газоразрядного излучателя НД мощностью 20 Вт. На рис. 5 и 6 показаны спектры излучения и интегральные характеристики для обычного электрического режима, а на рис. 7 и 8, соответственно, для нового режима. Исследованиями подтверждено, что тип люминофора в газоразрядном излучателе НД влияет на интенсивность излучения линий 430, 550, 610 нм.
Для исследуемого излучателя наибольшая плотность потока излучения отмечена для линии 550 нм. При этом значение освещенности было равно 507,89 лк в обычном режиме. В новом режиме, при напряжении на излучателе равном 143 В, значение освещенности составило 369,6 лк.
Интенсивность излучения была равна 25000, 44000 и 42000 для указанных выше длин волн в спектре и наибольшее значение также соответствовало линии 550 нм.
Выводы. Повышение эффективности установок, работающих с использованием процессов ударной ионизации в электрическом разряде в газах и парах металлов, возможно за счет совершенствования электрического режима на основе применения ТСФ. При этом повышается подвижность заряженных частиц в газоразрядном промежутке, что обусловливает работу ЭТУ с более высокими значениями коэффициента мощности и КПД, за счет снижения приэлектродных падений напряжения в газоразрядном промежутке, что обусловливает снижение напряжения на излучателе, а также напряжения зажигания дуги / напряжения погасания дуги.
Библиографический список
1. Электротехнологические промышленные установки : учеб. для вузов / И. П. Евтюкова [и др.] ; под ред. А. Д. Свен-чанского. — М. : Энергоиздат, 1982. — 400 с.
2. Птицына, Е. В. Работа дуговых печей небольшой емкости при питании током сложной формы / Е. В. Птицына, А. Б. Кувалдин // Электрометаллургия. — 2006. — № 6. — С. 26-36.
3. Птицына, Е. В. Электролизные и газоразрядные электротехнологические установки с питанием током сложной формы : моногр. / Е. В. Птицына ; под ред. А. Б. Кувалдина. -Павлодар : ТОО НПФ «ЭКО», 2007. - 420 с.
4. Птицына, Е. В. Анализ процессов в электротехнологических установках как основа разработки алгоритмов управления / Е. В. Птицына, Д. В. Птицын // Электротехнология в первом десятилетии XXI века : сб. докл. науч.-техн. семинара, посвящ. 100-летию проф. М. Я. Смелянского. — М., 2013. — С. 242 — 257.
5. Официальный сайт фирмы «Avantes». — Режим доступа : http: // www.avantes.ru / — Загл. с экрана (дата обращения: 20.01.2016).
6. Птицына, Е. В. Экспериментальное определение влияния формы тока на характеристики излучателей / Е. В. Птицына, Д. В. Птицын, А. Б. Кувалдин // Энерго- и ресурсосбережение XXI век : сб. материалов IX Междунар. науч.-практ. интернет-конф., март —июнь. — Орел, 2011. — С. 163-165.
7. Птицына, Е. В. Исследование процессов в инфракрасных излучателях при изменении значения и формы питающего напряжения / Е. В. Птицына, Д. В. Птицын, А. Б. Кувалдин // Энерго- и ресурсосбережение XXI век : сб. материалов XIII Междунар. науч.-практ. интернет-конф., март-июнь. — Орел, 2015. — С. 61—66.
ПТИЦЫНА Елена Витальевна, доктор технических наук, профессор кафедры «Теоретическая и общая электротехника» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). Адрес для переписки: evptitsyna@yandex.ru ПТИЦЫН Дмитрий Вячеславович, ассистент кафедры «Теоретическая и общая электротехника» ОмГТУ.
Адрес для переписки: fcdimon@ostu.ru КУВАЛДИН Александр Борисович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт», академик Российской академии электротехнических наук.
Адрес для переписки: a.kuvaldin2013@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 18.02.16 г. © Е. В. Птицына, Д. В. Птицын, А. Б. Кувалдин
Книжная полка
Зайченко, В. М. Автономные системы энергоснабжения / В. М. Зайченко, А. А. Чернявский. - Вологда : Инфра-Инженерия, 2015. - 288 c. - ISBN 978-58365-0458-8.
В книге изложены результаты исследований в области создания новых энергетических технологий на базе совместных разработок Объединенного института высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) и Научно-исследовательского и проектно-изыскательского института «Ростовтеплоэлектро-проект». Основное внимание авторами уделено отечественным разработкам, перспективам использования новых технических решений применительно к условиям нашей страны, при этом обзорные рассмотрения существующего зарубежного опыта приведены только в тех случаях, когда это необходимо для понимания общих перспектив развития энергетики.
Книга может быть полезна инженерам и научным сотрудникам, студентам, аспирантам соответствующих специальностей.
621.314/К49
Клименко, К. А. Исследование электромагнитного поля трансформаторов промышленной частоты с короткозамкнутыми витками : моногр. / К. А. Клименко. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 137 с.
Приведены результаты исследований электромагнитного поля трансформаторов промышленной частоты с короткозамкнутыми витками, показана возможность использования трансформатора с короткозам- g кнутым кольцом в качестве датчика тока с разомкнутой сигнальной обмоткой, установлена возможность обнаружения наличия короткозамкнутых витков в силовых трансформаторах с использованием датчиков Холла, разработана методика расчета конструктивных параметров трансформаторного датчика тока с ко-роткозамкнутым кольцом, позволяющая проектировать датчики для различных систем автоматики. Предназначена для специалистов в области электроэнергетики, а также для широкого круга научных работников, аспирантов и студентов вузов, обучающихся по энергетическим специальностям.
Т
