CC BY
30
VI. Выводы и заключение
Синтез схем замещения электроимпульсных устройств очистки путем разложения временных зависимостей затухания постоянного тока в катушке индуктора с якорем, полученных расчетом нестационарного магнитного поля с присоединенной электрической цепью в профессиональной версии комплекса программ ELCUT, позволяет воспользоваться хорошо изученным аппаратом теории электрических цепей для оптимизации их режимов работы.
Список литературы
1. Тютькин В. А. Магнитно-импульсный способ разрушения сводов и очистки технологического оборудования от налипших материалов // Электротехника. 2002. № 11. С. 24-28.
2. Шильников П. Ю., Захаренко В. А. Электроимпульсная очистка поверхностей // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. 2013. № 1. С. 254-255.
3. Магнитно-импульсная установка МИГ компания ООО «Интертех». URL: http://inter-teh.com/ (дата обращения: 01.05.2017).
4. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов: руководство пользователя. Версия 6.0. М.: ПК TOP, С-Пб, 2013. 295 с. URL: http://www.exponenta.ru/soft/others/elcut/Manual.pdf.
5. Захаренко В. А., Татевосян А. С., Захарова Н. В., Лукачева А. А. Моделирование процессов нестационарной теплопередачи в системе индуктор - электропроводная поверхность // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. 2017. № 1. С. 115-120.
УДК 62-1/-9
СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
ПОСТОЯННОГО ТОКА
THE SYSTEM FOR POSITIONING THE ELECTRODES OF A PLASMA-CHEMICAL DIRECT-CURRENT
REACTOR
А. Е. Телепнев, Р. Д. Герасимов, А. Я. Пак
Томский политехнический университет, г. Томск, Россия
A. E. Telepnev, R. D. Gerasimov, A. Y. Pak
Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
Аннотация. В работе представлены результаты инженерных прикладных исследований, посвященных разработке системы управления электродуговым плазмохимическим реактором постоянного тока, созданным для получения порошковых материалов на основе углерода. В частности, разработана и реализована система позиционирования анода разрядного контура на линейном приводе с шаговым двигателем. Разработанная система апробирована в работе электродугового реактора. В настоящее время разработанное устройство и методика применяются для позиционирования рабочего инструмента установок и управления процессами подачи.
Ключевые слова: шаговый двигатель, линейный привод, система управления плазмохимическим реактором, позиционирование электродов
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-108-113
I. Введение
В современном мире актуальным вопросом является синтез различных функциональных материалов с заданными свойствами. Существует множество методик получения ультрадисперсных материалов, покрытий и объемных материалов на их основе. В последние годы активно применяются электроразрядные методы получения порошковых материалов, в частности, на основе углерода [1]. Особое место среди рассматриваемой группы методов занимают электродуговые установки постоянного тока, генерирующие плазму в открытой воздушной среде в целях синтеза наноразмерных углеродных частиц [2]. Плазмохимические реакторы постоянного тока совмещенного типа отличаются относительной простотой, невысокой стоимостью и высокой производительностью [3], в последние годы активно развиваются в связи с появлением сведений в мировой периодике о воз-
можности реализации синтеза углеродных наноразмерных материалов в атмосферной электроразрядной плазме [4]. С высокой вероятностью в ближайшие годы обсуждаемая технология выйдет на новый уровень с точки зрения технико-экономических показателей [5], что важно для возможного будущего внедрения таких технологий в промышленность. В подобных системах обычно анод используется в качестве расходного материала, по этой причине величина разрядного промежутка возрастает и регулируется обычно вращением винтовой передачи, приводимой в движение оператором установки, или же данный вопрос не освещается в работе, например в [6]; также актуален вопрос установки точной величины разрядного промежутка в момент непосредственно после инициирования дугового разряда. Задача обеспечения заданной величины разрядного промежутка определяет вольтамперную характеристику дугового разряда и, соответственно, является одним из важнейших факторов, влияющих на характеристики синтезируемого материала. Задача, стоящая в ходе выполнения данной работы, заключается в разработке автоматизированной системы управления перемещением анода плазмохими-ческого реактора, чтобы исключить влияние человеческого фактора на точность позиционирования и автоматически устанавливать заданную величину разрядного промежутка в момент времени, непосредственно после инициирования дугового разряда постоянного тока в разрядном контуре. В настоящей работе приведены сведения о разработке системы позиционирования анода электродуговой системы, которая основана на линейном приводе с шаговым двигателем. В результате проделанной работы на электродуговом плазмохимическом реакторе постоянного тока смонтирована и запущена система позиционирования анода с обратной связью по току, подобраны режимы, обеспечивающие стабильное горение дугового разряда в течение заданного интервала времени (15...20 сек.).
II. Постановка задачи
Влияние человеческого фактора на позиционирование анода в плазмохимическом реакторе приводит к низкому уровню повторяемости экспериментов и, следовательно, непостоянству фазового и гранулометрического состава продукта электродугового синтеза. Следует отметить, что в случае отсутствия автоматизированной системы управления позиционированием электродов установки оператору требуется иметь определенный навык и опыт для поддержания стабильного горения разряда, в целях недопущения его преждевременного погасания. Соответственно, разработка автоматизированной системы позиционирования электродов разрядного контура, а именно, анода в плазмохимическом реакторе постоянного тока представляется актуальной задачей, одним из аспектов которой является отсутствие данных в режиме реального времени о координатах конца анода, ввиду его расхода в процессе работы установки. В настоящей работе приводятся данные по решению задачи установки величины разрядного промежутка в момент времени, непосредственно следующий за касанием анода и катода для инициирования разряда и его вхождения в стабильную фазу горения. В дальнейшем рассматриваемая задача будет решаться в более сложной форме с учетом влияния геометрии электродов, напылением катодного депозита в процессе работы, влияющего на проводимость зоны привязки дугового разряда дуги [7], скорости расхода анода при различных уровнях силы тока в разрядном промежутке.
III. Теория
Лабораторная установка, на которой проводилось исследование, состоит из силового источника питания с диапазоном рабочих токов 20.200 А, подсоединенный посредством силовых кабелей к графитовым электродам, между которыми поджигается дуговой разряд постоянного тока [8]. Рабочие параметры, а именно, ток и напряжение разряда регистрировались посредством омического делителя напряжения и датчика Холла цифровым осциллографом. По получаемым осциллограммам можно определить время горения разряда, изменение напряжения и тока разряда во времени. Для стабильного процесса генерации электродуговой плазмы при заданных вольтамперных характеристиках горения разряда требуется стабилизация величины разрядного промежутка как минимум, на стадии инициирования дуги.
Исходя из поставленной задачи, потребовалось составить принципиальную схему управления, алгоритм и программу. Управление процессами, проводимыми в исследовании, выполнялись на основе компактной платы Arduino Nano с микроконтроллером ATmega328. Выбор данной платформы главным образом связан с наличием открытого кода, открытыми данными о ее устройстве и компонентах, удобством использования, в т.ч. небольшими размерами; в целом данная плата может считаться полнофункциональной несмотря на ее размеры относительно аналогов этого же производителя. Реализация системы началась с разработки принципиальной схемы (рис. 1). В системе, согласовано с контроллером, работает драйвер шагового двигателя типа А4988, питающий двигатель Nema 17 линейного привода. В схему введены два микропереключателя для определения границ перемещения рабочего органа электрода на установке. Один контакт микропереключателя подключен к 5В, второй к GND, а третий к D7(D8) входу на плате Arduino Nano. Высокий и низкий уровень сигнала на данных цифровых входах контроллера разрешают или запрещают работу драйвера шагового двигателя. При этом в программном коде управления электроприводом предусмотрено возвращение рабочего органа в исходное «нуле-
вое» положение, которое определяется положением одного из микропереключателей, поэтому рабочий орган всегда в исходном состоянии находится в координатах одного из крайних положений. Логическая часть схемы запитана от источника постоянного тока с амплитудой 5 В; электропривод запитан от источника постоянного тока с амплитудой 12 В.
Алгоритм управления предусматривает перемещение рабочего органа привода, перемещающего анод установки с исходной «нулевой» позиции до касания с катодом, после чего система должна выставить заданный заранее разрядный промежуток включением реверсивного перемещения рабочего органа линейного привода. После зажигания дугового разряда система должна выдержать заданное время поддержания дугового разряда и, соответственно, плазмы, затем отвести анод на исходную «нулевую» позицию. Когда в микроконтроллер загружена программа управления, оператору достаточно нажать на кнопку «Пуск» для приведения алгоритма в действие. Кнопка подключена к потенциалу 5 В одним контактом, а другим контактом подключена к цифровому входу D9 на Arduino Nano. Цифровой вход D9 подключен через резистор к нулевому потенциалу, что позволяет избежать преждевременного случайного запуска установки от кондуктивных или индуктивных помех. После успешного прохождения режима запуска, приводится в исполнение часть алгоритма, отвечающая за поддержание дугового разряда постоянного тока. В разрабатываемой системе предусмотрена обратная связь по току: в зависимости от сигнала датчика тока, установленного в силовой цепи, система реализует определенную часть заложенной программы управления. На рисунке можно отметить, что сигнал с датчика тока поступает на аналоговый вход A1, амплитуда сигнала приведена к величине 5 В, что является максимумом для используемого контроллера. Согласно программе приводится в действие шаговый двигатель посредством его питания драйвером управления A4988. К выводам VDD и GND на драйвере подключаются контакты Arduino Nano 5В и GND соответственно. Контакты STEP и DIR используются для задания шага двигателя и направления движения шагового двигателя, подключены к контактам D5 и D4. К контактам 1А, 1В, 2А и 2В подключается шаговый двигатель. Выводы VMOT и GND используются для питания шагового двигателя от источника с напряжением 12 В. Пин ENABLE отвечает за включение и выключение драйвера («0» - разрешить работу, «1» - выключить чип) и управляется сигналом с пина D6 контроллера. Выводы RESET (перезагрузка логики чипа: «0» - перезагрузить, «1» - обычный режим работы) и SLEEP (перевод чипа в спящий режим: «0» - сон, «1» - обычный режим работы) соединены между собой.
9
Рис. 1. Принципиальная схема разрабатываемой системы
На рис. 2 представлена блок-схема загружаемой в микроконтроллер программы. Пока оператор не нажмет кнопку «Пуск», программа не исполняется. После нажатия рабочий орган линейного привода, на котором закреплен анод и положение которого управляется шаговым двигателем, перемещается в крайне верхнее положение. Исполнив эту функцию, анод начинает опускаться с заданной скоростью до момента, когда значение силы тока в силовой цепи, измеряемая датчиком тока, превысит заданную вручную величину в программе. Далее
активируется функция задержки времени для прогрева электродов протекающим через них током. Величина задержки влияет на стабильность горения разряда. При нулевом времени задержки инициирование разряда происходит с определенной долей вероятности, исходя из числа успешных экспериментов и неуспешных, вероятность успешного инициирования разряда составляла менее 50 %. Величина задержки времени между событием соприкосновения электродов и событием включения реверсивного перемещения анода, т. е. формирования разрядного промежутка, обеспечивающая стабильное инициирование разряда - определялась экспериментально для конкретных конструкций электродов. Во время формирования заданной величины разрядного промежутка, путем отдаления анода от катода на заданное расстояние, координата рабочего органа привода поддерживается постоянно в течение предварительно заданного отрезка времени. После исполнения всех перечисленных действий анод возвращается в крайне верхнее положение, тем самым подготавливая систему к следующему рабочему циклу.
Рис. 2. Блок-схем алгоритма управления
IV. Результаты экспериментов При помощи разработанной системы, проведена серия экспериментов по поддержанию дугового разряда постоянного тока плазмохимического реактора, оснащенного графитовыми электродами. В большинстве экспериментов величина рабочего тока находилась в диапазоне 100.200 А. На рис. 3 представлены типичные осциллограммы напряжения и тока дугового разряда. Судя по характеру осциллограмм, дуговой разряд поддерживается в заданном оператором временном интервале. Перемножением кривой напряжения и тока получены кривые мощности, которые путем интегрирования по времени позволили найти энергию разряда. Для каждого
эксперимента определена фактическая продолжительность горения дугового разряда, согласно полученным осциллограммам. В каждом эксперименте зафиксированы изменения массы электродов. В частности, в каждом эксперименте определена величина снижения массы анода. Установлено, что в процессе горения дугового разряда, часть массы анода переходит на катод, что соответствует известным представлениям об электродуговых реакторах постоянного тока с графитовыми электродами [1].
0 1 2 3 4 5 6 1, с
Рис. 3. Осциллограммы напряжения и тока в силовой цепи плазмохимического реактора постоянного тока
Также в процессе работы системы для каждой геометрии электродов подбиралась величина разрядного промежутка, обеспечивающая стабильное горение дугового разряда постоянного тока в течение заранее заданного промежутка времени.
V. Обсуждение результатов
Осциллограммы рабочих циклов характеризуются типичной формой для имеющегося электродугового реактора постоянного тока. В начальный момент времени напряжение равно напряжению холостого хода источника электропитания, а именно 63 В. В момент соприкосновения электродов напряжение спадает до уровня порядка 30.40 В. Наличие высокочастотных шумов представляется естественным для рассматриваемой электродуговой системы, т.к. дуговой разряд и блоки силовой электроники в составе источника постоянного тока являются источниками помех в широком диапазоне частот. Видно, что с увеличением продолжительности горения дугового разряда напряжение возрастает до величины около 45.50 В и держится на рассматриваемом временном интервале до момента погасания разряда и восстановления диэлектрической прочности разрядного промежутка с последующим возрастанием напряжения до величины напряжения холостого хода источника питания. Кривая изменения тока во времени, напротив в начальный момент времени характеризуется нулевым значением тока; после соприкосновения электродов ток устанавливается приблизительно равным величине силы тока, установленной на источнике электропитания. Далее, в рабочем цикле системы, ток плавно ограничивается с течением времени, синхронно, с возрастанием величины напряжения на разряде. Это может свидетельствовать о расходе анода при его укорачивании и увеличении размера разрядного промежутка, что сопровождается ростом величины падения на дуговом разряде и ограничении величины силы тока. В конце рабочего цикла системы дуговой разряд гаснет, ток спадает до нулевого значения. Оценка величины выделившейся в системе энергии показала, что в среднем в рабочем цикле системы при типичном применяемом уровне силы тока выделяется от порядка 20 кДж до порядка 100 кДж энергии. При этом снижение массы анода составляет от примерно 0.1 г до 0.6 г при времени поддержания дугового разряда порядка 5.15 сек. В ходе проведения экспериментов выявлено, что с увеличением размеров анода и, соответственно, его массы для стабильного инициирования дугового разряда требуется увеличение продолжительности режима короткого замыкания электродов, т.е. времени между событиями касания анода и катода и включением реверса электропривода для формирования разрядного про-
межутка. На данном этапе исследований не удалось выявить аналитическую функцию, связывающую геометрические параметры анода и продолжительность паузы, но удалось определить, что ее величина порядка 0.2 с достаточна для большинства используемых электродов. Также в результате серии экспериментов определено, что величина разрядного промежутка при рабочих токах порядка 100.. .200 А для стабильного горения дугового разряда может составлять около 0.5.2.0 мм. Данные величины оператор установки может оперативно менять путем внесения числовых значений соответствующих переменных в программном коде.
В ходе проделанной работы, не реализован режим подачи анода для компенсации его расхода, в целях поддержания дугового разряда и его вольтамперных характеристик более продолжительное время. Кроме того, на данном этапе не рассмотрено влияние скорости перемещения рабочего органа системы на ее рабочие параметры. Эти вопросы будут предметом продолжения данных исследований.
VI. Выводы и заключение
Представлены результаты разработки и апробации системы позиционирования анода электродугового плаз-мохимического реактора постоянного тока. Система управления реализована на базе линейного электропривода с шаговым двигателем. Разработанная система позволяет инициировать и поддерживать заданное время (порядка 5.15 сек.) дуговой разряд постоянного тока, в целях генерации атмосферной плазмы на графитовых электродах, для получения различных порошковых материалов на основе углерода. В ходе реализации работы определены значения ряда переменных программного кода управления установки, которые обеспечивают надежное инициирование и стабильное горение дугового разряда. В частности, выявлено, что при заданной геометрии электродов имеющейся установки в атмосферных условиях необходимо поддержание режима короткого замыкания электродов для их прогрева путем временной паузы продолжительностью порядка 0.2 сек. между событием касания электродов и включением реверсивного режима, обеспечивающего формирование разрядного промежутка. Также определено, что при применяемых значениях силы тока порядка 100.200 А и имеющихся конфигурациях электродов для поддержания горения дугового разряда требуется применима величина разрядного промежутка порядка 0.5.2.0 мм.
Список литературы
1. Arora N., Sharma N. Arc discharge synthesis of carbon nanotubes: Comprehensive review // Diamond& Related materials. 2014. Vol. 50. P. 135-150. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2014.10.001.
2. Zhao Jiang, Su Yanji, Yang Zhi, Wei Liangming, Wang Ying and Zhang Yafei. CARBON Arc synthesis of double-walled carbon nanotubes in low pressure air and their superior field emission properties // 2013. Vol. 58. P. 92-98.
3. Михайлов Б. И. Электродуговые плазмохимические реакторы раздельного, совмещенного и раздельно-совмещенного типов // Теплофизика и аэромеханика. 2010. Т. 17, № 3. C. 425-440.
4. Y. Su [et al.]. Large-scale synthesis of few-walled carbon nanotubes by DC arc discharge in low-pressure flowing air // Materials Research Bulletin. 2013. Vol. 48, Issue 9. P. 3232-3235. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2013.04.092.
5. Kim H. H., Kim H. J. Preparation of carbon nanotubes by DC arc discharge process under reduced pressure in an air atmosphere // Materials Science and Engineering: B. Vol. 133, Issues 1-3. 2006. P. 241-244. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2006.06.017.
6. A J B. Synthesis of thin bundled single walled carbon nanotubes and nanohorn hybrids by arc discharge technique in open air atmosphere // Diamond & Related Materials. 2015. Vol. 55. P. 12-15. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2015.02.004.
7. J. Ng. Y. Raitses Role of the cathode deposit in the carbon arc for the synthesis of nanomaterials // Carbon. 2014. Vol. 77. P. 80-88. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.05.007.
8. Пак А. Я. Тезисы докладов с электронным доступом онлайн. URL: http://efre2018.hcei.tsc.ru/private/view_abs.html?id=260 (дата обращения: 05.05.2018).
