автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование системы электропитания и управления генератора кислородно-водородной смеси

На правах рукописи

ЛАРИН Евгений Вячеславович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНОЙ СМЕСИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 НОЯ 2011

Москва-2011

005002170

Работа выполнена на кафедре информационных систем и инновационных технологий НОУ ВПО «Институт государственного управления, права и инновационных технологий»

Научный руководитель: Заслуженный работник ВШ РФ,

доктор технических наук, профессор Феоктистов Николай Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Райнин Валерий Ефимович,

доктор технических наук, доцент Шевырев Юрий Вадимович

Ведущая организация: НИИ точных приборов (г. Москва)

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.200.14 при Российском государственном университете нефти и газа имени И. М. Губкина по адресу:

119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 65, ауд. 308

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И. М. Губкина

Автореферат разослан «К"» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В области газопламенной обработки перспективным источником горючего газа яшшотся кислородно-водородные установки на основе электролизно-водных генераторов (ЭВГ). Эти установки открывают широкие возможности их применения в промышленности и быту. Для эксплуатации ЭВГ достаточно иметь подвод к источнику электроэнергии и запас дистиллированной воды, что позволяет получить значительную экономию материальных ресурсов, уменьшить загрязненность окружающей среды. Конечным продуктом при сгорании кислородно-водородной смеси является вода. В нашей стране и за рубежом появились работы, посвященные исследованию и разработке ЭВГ, в основном, незначительной мощности (до 1-2 кВт), что позволило использовать установки для ремонта ювелирных изделий и зубопротезном производстве, а также для ремонта ряда изделий бытовой техники и при сервисном обслуживании малолитражных автомобилей.

Сварка и пайка с использованием ЭВГ имеет и другие преимущества по сравнению с известными: локальность нагрева, широкий диапазон рабочих температур, стабильность и возможность регулирования параметров пламени, бесшумность работы, получение восстановительного характера пламени при использовании в качестве добавок в газовую смесь паров спирта, бензина и др.

В этом направлении значительный вклад внесли работы Балакина В.И., Коржа В.Н., Дыхно С.Л., Варламова И.В., Феоктистова H.A., Теодорович H.H., и др. В работах этих авторов рассмотрены системы электропитания и управления от однофазной сети при малой мощности ЭВГ.

Однако существенным недостатком является взрывоопасность газовой смеси кислорода и водорода, а также недостаточная мощность и производительность установок для их широкого использования в автосервисе, ремонте холодильной аппаратуры, ремонте и производстве товаров народного потребления. Целесообразен переход на системы электропитания и управления от трехфазной сети с точки зрения увеличения производительности и мощности.

ЭВГ является приёмником электрической энергии большой мощности, управление которым связано с созданием условий возникновения сильных электромагнитных помех, что ставит во главу угла вопрос электромагнитной совместимости. Применительно к нашему объекту, по известным литературным данным, эти задачи не решались.

Целью диссертационной работы является решение научно-технических задач, состоящих в обеспечении управления, контроля и защиты, а также безопасности и электромагнитной совместимости установок на базе ЭВГ большой мощности.

В соответствие с этим автором были поставлены и решены следующие

задачи:

- проведен анализ режимов работы и электромагнитных процессов системы «трехфазный тиристорный регулятор - выпрямитель - электролизер»;

- впервые исследована кольцевая схема выпрямления с регулированием на стороне переменного тока, отличающаяся лучшим использованием вентильных элементов (диодов и тиристоров) по току и позволяющая обеспечить функции регулирования, контроля и защиты одними и теми же элементами;

- осуществлена разработка и исследование системы датчиков по обеспечению безопасности работы ЭВГ: датчиков рабочего и критического давления, температуры и ударной волны горения;

- проведены исследования электромагнитной совместимости системы электропитания и управления ЭВГ большой мощности: предложена методика исследования уровня помех, подтвержденная экспериментальными результатами;

- впервые предложены системы управления ЭВГ, защиты и коммутации на микроЭВМ, разработаны схемы систем и их программное обеспечение эксплуатационными режимами.

Решение этих задач позволяет расширить спектр использования ЭВГ, разработать принципы и системы обеспечения безопасности их эксплуатации.

Методы исследования основаны на анализе электромеханических и электромагнитных процессов классическими методами, математическим моделированием процессов.

Научная новизна диссертационной работы.

Основные научные результаты работы состоят в следующем:

1. Впервые исследованы системы электронного управления электролизно-водных генераторов при питании от трехфазной сети.

2. Разработаны принципы и схемные решения систем управления, контроля и защиты ЭВГ, в том числе и с применением микроконтроллеров и микроЭВМ.

3. Получены результаты исследования по электромагнитной совместимости кислородно-водородных установок на базе ЭВГ.

4. Проведены исследования по обеспечению безопасности и работоспособности ЭВГ при регулировании параметров пламени.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в разработке систем электронного управления и защиты, а также методов обеспечения электромагнитной совместимости установок на базе ЭВГ при питании от трехфазной сети, позволяющих обоснованно подходить к разработке электротехнологических установок на базе ЭВГ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы построения систем управления, средств контроля и защиты ЭВГ на основе применения кольцевой схемы с тиристорным регулированием на стороне переменного тока и разработанных датчиков состояния давления, температуры и ударной волны горения.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования электромагнитной совместимости трехфазных систем управления ЭВГ при совмещении функций регулирования, контроля и защиты одними и теми же тиристорными элементами.

3. Принципы построения системы управления, контроля и защиты ЭВГ на микроЭВМ, в том числе и при раздельном получении кислорода и водорода.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на секции «Микропроцессорные системы управления современной бытовой техники» VIII Межвузовской научно-технической конференции «Современные средства управления бытовой техникой» (2006 г.) и на научных семинарах кафедры информационных систем и инновационных технологий ИГУПИТ (2006,2007,2008 г.г.).

Результаты исследований использованы при разработке лабораторных практикумов по специальности «Сервис» (специализация «Автосервис»), а также внедрены в хоздоговорной НИОКР № 161-10 «МЮОН» с ФГУП «Научно-исследовательский институт точных приборов» по теме «Разработка переносной автоматизированной технологической установки для производства паяльно-сварочных работ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 работы опубликованы в журналах «Естественные и технические науки» и «Сервис в России и за рубежом», включенных в Перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка литературы, включающего 49 наименований, приложения. Работа изложена на 152 страницах текста, содержит 70 рисунков, 15 таблиц, а также результаты практического внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и основанные задачи работы, дана общая характеристика, приведены сведения об апробации и внедрению результатов диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ состояния исследований и разработок ЭВГ для производства паяльно-сварочных работ и других родственных технологий с позиций поставленных в диссертационной работе задач исследований. Показано, что, несмотря на ряд очевидных привлекательных сторон и преимуществ по сравнению с традиционными методами газопламенной обработки материалов, применение ЭВГ весьма ограничено и далеко не соответствует потенциальным возможностям метода. Происходит это в силу ряда причин, наиболее существенные из которых выделены ниже.

Известные реализованные до настоящего времени технологические установки на базе ЭВГ получают кислородно-водородную смесь стехиометрического состава (2Н2+02), горение которой формирует окислительный характер пламени. Это существенно сужает сферы применения. Для изменения характера пламени на восстановительный в кислородно-водородную смесь вводят, как правило, методом барбатирования, добавки углеводородных энергоносителей. Однако, используемые методы введения добавок не дают стабильных результатов и не удовлетворяют требованиям к системам с автоматизированным управлением.

Принципиальным решением проблемы управляемого формирования характера пламени является создание ЭВГ на базе электролизера с раздельным получением кислорода и водорода. Однако, судя по опубликованным данным, здесь не решены конструкторские проблемы, применительно к варианту переносного (или передвижного) генератора. Параллельно с поиском конструкторских решений возникает необходимость в дополнении и совершенствовании системы датчиков состояния и исполнительных устройств, поскольку изменение технологии получения и формирования горючей смеси неизбежно приводит к изменению функциональной схемы установки в целом.

В частности, необходимо реализовать функцию выравнивания уровня электролита (следовательно, с высокой точностью давления) в водородной и кислородной областях электролизера. Регулировка мощности при работе ЭВГ осуществляется от однофазной сети тиристорным регулятором, следовательно изменением величины тока, питающего электролизер. С другой стороны установлено, что максимального коэффициента полезного действия электролизная установка достигает при питании электролизера сглаженным постоянным током определенной величины, оптимальной для данной конструкции электролизера. Отсюда следует необходимость формирования соответствующей функциональной схемы и схемы электрической, реализующей эту функцию.

Во второй главе на основе анализа схемных решений, их сравнении с целью обеспечения высокого коэффициента полезного действия выбраны мостовая и кольцевая схемы с использованием полупроводниковых элементов-тиристоров в цепи переменного тока при питании от трехфазной сети. Применение трехфазных схем позволяет увеличить не только мощность и, следовательно, производительность аппаратов на базе ЭВГ, но и получить более сглаженный ток через электролизер, что облегчает режимы работы элементов электрооборудования и электролизера. Несмотря на некоторые недостатки включения тиристоров на стороне переменного тока или на первичной стороне трансформатора при применении последнего для согласования параметров электролизера и сети, этот вариант включения позволяет совместить функции регулирования, коммутации и защиты ЭВГ одними и теми же элементами, что позволяет снизить стоимость и повысить надежность установки на базе ЭВГ.

Произведен анализ электромагнитных процессов в мостовой и кольцевой схемах при регулировании шестью и тремя тиристорами на стороне переменного тока и нагрузке на электролизер. В отличие от известных работ, эквивалентная схема замещения электролизера представлена в виде последовательного соединения активного сопротивления 11- и противоэде Ей

для каждого участка нелинейной характеристики электролизера. При регулировании шестью тиристорами среднее значение тока тиристора мостовой или кольцевой схемы определяется:

1п

и к

соб(—+а) - вш в - (— + 0 - а) соб О

а действующее значение тока тиристора мостовой или кольцевой схемы:

7Г . в ¡1120

—+в----а+

6 2

ш(2а+~) х ,

-—-—4со80со$(а+—)-4со5(951п0+21|соз в

4ж'

где а - угол регулирования; 0 = агссоь-^- - угол отсечки.

Получены зависимости 1УТ и /,/г от угла а для различных значений 0. При регулировании тремя тиристорами среднее значение тока тиристора мостовой или кольцевой схемы определяется соответственно:

1

Лт „ =1«к =Ьт ЗвтР + соэСан--) -(- + 30-ог)соз0) " 3 ) 6

Действующее значение тока через тиристор мостовой и кольцевой

схемы:

^--'■--тЛ

. 2тг

7Г 30 1$\п20 а ' ^ 3 ' „ , 1 г п(11 ~,п

— + — +---+-^--со^воо%(а + —) +—соб в\--а + 30

24 4 8 4 8 3 2 1 б

Как указано выше, включение тиристоров на первичной стороне мостовой или кольцевой схемы обеспечивает лучшее использование тиристоров по току, высокий коэффициент полезного действия и создание необходимых и достаточных условий для построения управления, защиты и коммутации одними и теми же элементами.

а)

Г-^— у<55

; ж ж ч УШ II

¿л \Т>4

УШ

-И"

УБб ГУ.!

Ьи

в-е-

3

^ УШ

\Т35

\тзз

б)

УБ!

У53

\Т)2

\7vdi V

УЭ5

¿1 УБ4

У

456

убз

УШ

/ЧЛ>5 V

^_I

5 I-

УВ6

о

К*

и

Рисунок 1 - Системы управления генератором при включении тиристоров на стороне переменного тока (мостовая и кольцевая схемы)

При непрерывном токе электролизера и идеализации параметров элементов электрооборудования ток в интервале действия линейной эде £аЬ определяется из уравнения:

аю1 х, х, 3 х,

з

где а; - круговая частота,

Л,, £в- активное сопротивление и противоэде электролизера,

^-индуктивность дросселя, включенного в цепь электролизера.

Решение последнего уравнения с учетом начальных условий позволяет определить мгновенное значение тока в одном интервале:

Ё + х'1

ха со$( а>1 + ~)+ Лз $\п(а1 +

Е0

При идеализации параметров элементов электрооборудования можно определить среднее и действующее значение тока через тиристор и вентиль, действующие значения токов фаз вторичной и первичной стороны.

При снижении противоэде Е0 ниже среднего значения \]Ла ток становится начально-непрерывным. Если учесть индуктивность рассеяния обмоток трансформатора углом у, ток вентиля или тиристора (анодный ток) будет содержать пять интервалов (таблица 1). Первый интервал соответствует нарастанию тока VI) 1 и соответствует коммутационному периоду, второй интервал соответствуег внекоммутационному периоду одновременной работы VI) 1 и УБ6, третий интервал - коммутационному периоду нарастанию тока и уменьшению тока через \'Э6, четвертый - внекоммутационному периоду одновременной работы VI) 1 и У02, а пятый - коммутационному периоду уменьшению тока через и нарастанию через VD4.

Таблица !

Интервал действия напряжений Работающие вентили УБ Мгновенное значение анодного то^а

О 5,1,6 = 3-х) + (зтЗ- йпц/) Зх. х„

1,6 2ха 3 2ха 1.6 2 J

-(еас+еЛ) 6, 1,2 2Е„, о л ■ п! . , л. 'ш-'я+ г (9 V +зт9) ) Ха 3 Ха 3

еас=еа-ес 1,2 £/) 2я л/бСУ у Г л ж 1 'IV-'/// + 2х (3 ¥+Л+ 6 2х ^ Х'ЫУ+Л ^^

2,3,4 . . Е0 ,п 2л, 4211г Г . „ . . 2л Л Зха 3 ха _ 3 }

71

где =---на - угол естественного отпирания,

ха - индуктивность в цепи переменного тока, Я - длительность протекания тока через вентиль или тиристор.

Эти соотношения позволяют определить средние и действующие значения токов тиристоров и фаз.

При наличии индуктивности в цепи электролизера ток через него может быть непрерывным или прерывистым. Получены аналитические зависимости средних и действующих значений токов тиристоров, вентилей и фаз, построены графики зависимостей токов тиристоров. Получено мгновенное значение анодного тока, среднее и действующее значение токов вентильных элементов при непрерывном и начально-непрерывном токе по интервалам проводимости тиристоров и вентилей.

В третьей главе разработана структурно-функциональная система управления ЭВГ с применением микроЭВМ, на основе которой построены схемы системы управления, контроля и защиты на микроЭВМ и разработанных датчиках.

Продолжены исследования характеристик оптоэлектронного датчика давления как перспективного элемента системы управления и защиты электролизно-водного генератора. Исследования были направлены, прежде всего, на уточнение теоретической модели датчика в соответствии с реальными геометрическими и оптическими характеристиками его элементов. Особое внимание было уделено проработке конструктивного варианта датчика для работы в системе защиты от обратного удара. Функциональная нагрузка датчика в этом случае состоит в обнаружении волны горения, движущейся от горелки по газотранспортной системе к электролизеру. Движение волны горения сопровождается кратковременным, но достаточно сильным, локальным всплеском давления, что и должен обнаружить датчик и передать сигнал в систему управления, которая, в свою очередь, перекрывает путь дальнейшего движения волны горения с помощью соответствующего исполнительного механизма. Только такая схема построения системы защиты может гарантировать защиту, близкую к стопроцентной.

5

4 .............

Рисунок 2 - Оптоэлектронный датчик давления

1 - корпус; 2 - основание; 3 - крепежное кольцо; 4 - оптический зонд; 5 - цанговый зажим; 6 - регулировочная гайка, 7 - мембрана; 8 - уплотняющее кольцо; А - толщина мембраны; Н - расстояние между оптическим зондом и мембраной; Л - радиус защемления мембраны

В рамках данной диссертации разработана методика расчета такого датчика. Расчет ведется в два этапа. На первом этапе выбираются конструктивные параметры мембраны датчика (рис.2). На втором этапе производится выбор конструктивных параметров оптического зонда и рассчитываются характеристики датчика в целом.

По известным геометрическим размерам оптрона составлена приближенная модель оптического зонда и получена расчетная формула сигнала фотоприемника в относительных единицах:

где К - корректирующий множитель,

п ~ показатель степени в диаграмме направленности,

Я1 - расстояние между центром фотоприемника и ближнем краем излучателя,

И2 - расстояние между центром фотонриемника и дальним краем излучателя,

к0 - начальный зазор между зондом и мембраной, р - давление,

И7- радиус защемления мембраны, Е— модуль упругости материала мембраны, 5 - толщина мембраны.

Как показали исследования, изменение начального зазора ко и (или) толщины мембраны сдвигает рабочий диапазон давлений датчика.

Применительно к ЭВГ реализация законов управления тиристорами, управления режимами работы электролизера, его защита по давлению, температуре, от обратной волны горения, контролю и защиты элементов

еШ

электрооборудования при средних и больших мощностях установки может эффективно осуществляться современными микропроцессорными комплектами на базе микроконтроллеров, микроЭВМ. Разработана структурно-функциональная система управления с применением микроЭВМ, на основе которой разработаны схемы управления и защиты технологической установки на базе ЭВГ с раздельным получением кислорода и водорода и алгоритмы их

работы (рис.3, рис.4).

Разработано программное обеспечение для управления эксплуатационными и аварийными режимами установок на базе ЭВГ, принцип построения которого позволяет контролировать состояние исполнительных устройств и параметры функционирования системы.

Рисунок 3 - Функциональная схема системы управления и защиты технологической установки на базе электролизно-водного генератора.

1 - тиристорный блок управления; 2 - выпрямительный блок; 3 - расходомер электроэнергии; 4 - электролизер; 5,6- устройство очистки газов; 7, 8 - редукторы газовые с электронным управлением; 9, 10 - устройство защиты от обратного удара и обрыва в газотранспортной системе; 11,12- вентили газовые; 13 - оптронная развязка; 14-формирователь импульсов; 15-триггер; 16-счетчик; 17 - компаратор; 18-микроЭВМ

1)7 уг^

I:......±

Рисунок 4 - Схема системы управления защиты и контроля ЭВГ на базе Р1С16К84А

1 - датчик температуры 0$ 18В20 с цифровым выходом; 2 - электрическая схема сигнализатора рабочего давления (ОРБ); 3 - электрическая схема сигнализатора критического давления (ОКБ); 4 - схема включения системы охлаждения; 5 - схема рабочего включения и отключения питания электролизера; 6 - схема аварийного отключения ЭВГ по температуре; 7 - схема аварийного отключения ЭВГ по давлению.

2_четвертой главе приведены результаты исследования

электромагнитной совместимости систем управления ЭВГ большой мощности. Рассматриваемые системы управления ЭВГ имеют высокие энергетические показатели, надежность, быстродействие, позволяют функции регулирования, коммутации и защиты обеспечить одними и теми же элементами. Однако они имеют и существенный недостаток - являются источниками радиопомех, которые при больших токах и определенных частотах значительно превышают допустимые нормы. Исследования показывают, что наибольший уровень помех для трехфазных систем управления, собранных по мостовой и кольцевой схеме с регулированием тиристорами на стороне переменного тока, наблюдается при углах 75 < а < 120 град. По этой причине проведены экспериментальные и теоретические исследования в этом диапазоне. На рис.5 представлены теоретические и экспериментальные характеристики при а =90 град. Наиболее

трудно подавляемыми помехами являются частоты до 3 МГц, а при частотах выше 6-7 МГц обеспечивается норма допустимых помех.

и^дП

0,15 0,25 0,5

¿Жз

Рисунок 5 - Уровень радиопомех в мостовой схеме с регулированием тиристорами на стороне переменного тока:

1 - допустимые нормы; 2 - расчетные; 3 - экспериментальные (усредненные)

Как показали исследования, требуемое подавление помех может быть обеспечено однозвенными П-образным или Г-образным фильтрами при определенных параметрах индуктивности и емкости (рис.6). В качестве примера в таблицах 2, 3 и на рис. 7, 8 показан уровень радиопомех при применении Г-образного фильтра ЬС (Ь= 20 мкГ, С = 2 мкФ) и П-образного фильтра ЬС (Ь - 20 мкГ, С = 2 мкФ) при управлении трехфазным тиристорным регулятором.

Рисунок 6 - Эквивалентная схема замещения тиристорной системы регулирования, как источника радиопомех с П-образным (а) и Г-образным (б) ЬС - фильтром.

Таблица 2

В каждой фазе включен П-образный ЬС- фильтр С = 2 мкФ, Ь = 20 мкГ

Уровень радиопомех (дБ)

~.....-................ /,мГц Фазы 0,15 0,25 0,5 1 1,5 3 6 10

А 67 52 51 46 50 49 32 25

В 69 56 _59 60 60 56 44 26

С 72 !Цб2 63 55 64 59 46 26

Таблица 3

В каждой фазе включен Г-образный ЬС- фильтр С = 2 мкФ, Ь = 20 мкГ

Уровень радиопомех (дБ)

Фазы 0,15 0,25 0,5 1 1,5 3 6 10

А 81 59 68 57 55 51 25 23

В 82 62 61 63 59 52 26 21

С 82 63 63 65 55 55 25 22

0,15 0,25 0,5 1 1,5 3 6 10 Рисунок 7 - Уровень радиопомех. Г-образный ЬС-фильтр С = 2 мкФ Ь = 20 мкГ

ик.дЕ

ОС ц

0,15 0,25 0,5 1 1,5 3 6 10 Рисунок 8 - Уровень радиопомех. П-образный ЬС-фильтр С = 2 мкФ Ь = 20 мкГ

В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты:

1. Предложен способ управления электролизно-водным генератором постоянным сглаженным током с раздельным получением кислорода и

водорода и двухуровневой газотранспортной системой, обеспечивающей более безопасный и эффективный режим эксплуатации установок на базе ЭВГ.

2. Разработана и модернизирована система датчиков электролизно-водного генератора, обеспечивающая контроль параметров, управление и защиту элементов электрооборудования.

3. Произведен анализ схемных решений системы управления ЭВГ при питании от трехфазной сети, на основании которого выбран рациональный вариант системы с тиристорным регулированием в цепи переменного тока, обеспечивающий совмещение функций управления, контроля, защиты и коммутации.

4. На основе исследования по электромагнитной совместимости тиристорных систем управления при работе на ЭВГ получены аналитические выражения токов и напряжений для анализа системы и выбора элементов электрооборудования, научно обоснована необходимость применения помехоподавляющих устройств и приведены примеры применения П-образного и Г-образного LC-фильтра.

5. Впервые предложен принцип и разработана система управления, контроля и защиты ЭВГ с применением микроконтроллера и микроЭВМ.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано:

1. Ларин Е.А., Феоктистов А.Н., Феоктистов H.A. Перспективы применения импульсных электротехнологий. Материалы VIII Межвузовской НТК «Современные средства управления бытовой техникой» под ред.проф.Маслова Ю.Н., ГОУ ВПО «МГУС», М., 2007, с.86-88,0.1 п.л.

2. Ларин Е.В., Тиканов A.A., Феоктистов H.A. Принципы управления и защиты электротехнологических установок на базе электролизно-водного генератора с применением микроЭВМ. Межвузовский тематический сб. научн. трудов «Инновационные технологии», М., НОУ ВПО «ИГУПИТ», НОУ ВПО «РосНОУ», 2007, вып.1, с.12-19, 0.5 п.л.

3. Феоктистов H.A., Тиканов A.A., Ларин Е.В., Феоктистов А.Н. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси для сварки и пайки. Ж. «Естественные и технические науки», М., 2008, № 6(38), с.292-297,0.6 п.л.

4. Ларин Е.В., Феоктистов H.A. Основные принципы автоматизации процессов производства печатных плат с применением программного пакета САМ-350. Межвуз.тематич.сб.научн.трудов «Инновационные технологии» под ред.проф.Феоктистова H.A., Выскуба В.Г., М., 2009, вып.2, с.14-19,0.4 п.л.

5. Михайлюк Д.А., Ларин Е.В., Феоктистов H.A., Варламов И.В. Режимы работы электронных систем управления электролизно-водным генератором большой мощности. Межвуз.тематич.сб.научн.трудов «Инновационные технологии» под ред.проф.Феоктистова H.A., Выскуба В.Г., М., НОУ ВПО «ИГУПИТ», НОУ ВПО «РосНОУ», 2009, вып.2, с.20-30,0.3 п.л.

6. Феоктистов H.A., Михайлюк Д.Л., Ларин Е.В., Варламов И.В., Кокорин В.В. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси с электронным управлением от микроЭВМ. Ж. «Естественные и технические науки», М., 2009, № 6(44), с.567-570,0.4 п.л.

7. Ларин Е.В., Ходжаев В.Д., Феоктистов H.A. Исследование режимов и электромагнитной совместимости аппаратов на базе электролизно-водных генераторов большой мощности. Межвуз.тематич.сб.научн.трудов «Инновационные технологии» под ред.проф. Феоктистова H.A., Выскуба В.Г., М., НОУ ВПО «ИГУПИТ», НОУ ВПО «РосНОУ», 2010, вып.З, с.7-17,0.7 п.л.

8. Феоктистов H.A., Варламов И.В., Ларин Е.В., Михайлюк Д.Л. Перспективы создания и применения бытовых электротехнологических установок на базе элекгролизно-водного генератора с электронными системами управления, защиты и контроля // Сервис в России и за рубежом. - Том 1 (20). - 2011. - http://rguts.ru/electronicJournal -0421100058X0027,1.5п.л.

Всего по теме диссертации -

8 работ общим объемом 4.5 печатных листа

Подписано в печать:

07.11.2011

Заказ № 6200 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900

115230, Москва, Варшавское ш„ 36

(499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Введение.

Глава 1 Состояние разработок, задачи автоматизации и увеличения мощности установок на основе электролизно-водных генераторов.

1.1 Состояние исследований и разработок электролизно-водных генераторов для производства паяльно-сварочных работ.

1.2 Вопросы автоматизации, дистанционного и программного управления работой электролизно-водного генератора.

1.3 Постановка задач исследований систем с электролизно-водными генераторами.

Глава 2 Режимы систем электропитания и управления кислородноводородных генераторов большой мощности.

2.1 Основные схемные решения систем электропитания и управления генераторов и общие подходы к анализу.

2.2 Электромагнитные процессы в мостовой и кольцевой схеме управления электролизно-водных генераторов большой мощности

2.3. Способы и алгоритмы управления тиристорами системы управления ЭВГ.

Глава 3 Разработка системы управления и автоматического регулирования режимов работы электролизно-водного генератора с применением микроЭВМ.

3.1 Анализ характеристик оптоэлектронного датчика давления с учетом геометрических размеров излучающего элемента оптического зонда.

3.2 Анализ характеристик оптоэлектронного датчика давления в конструктивном варианте защиты от обратного удара.

3.3 Разработка системы управления и защиты с применением микроЭВМ электролизно-водного генератора с раздельным получением кислорода и водорода.

3.4 Разработка алгоритма работы системы управления ЭВГ в эксплуатационных и аварийных режимах.

Глава 4 Исследования уровней радиопомех при работе тиристорных систем электропитания и управления кислородно-водородными генераторами большой мощности.

Актуальность проблемы

В области газопламенной обработки перспективным источником горючего газа являются кислородно-водородные установки на основе электролизно-водных генераторов (ЭВГ). Эти установки открывают широкие возможности их применения в промышленности и быту. Для эксплуатации ЭВГ достаточно иметь подвод к источнику электроэнергии и запас дистиллированной воды, что позволяет получить значительную экономию материальных ресурсов, уменьшить загрязненность окружающей среды. Конечным продуктом при сгорании кислородно-водородной смеси является вода. В4 нашей стране и за^ рубежом появились работы, посвященные исследованию и разработке ЭВГ, в основном, незначительной мощности (до 1-2 кВт), что позволило использовать установки для ремонта ювелирных изделий и зубопротезном, производстве, а ,также для ремонта ряда изделий, бытовой техники и при сервисном обслуживании малолитражных автомобилей.

Сварка и пайка с использованием ЭВГ имеет и другие преимущества по сравнению с известными: локальность нагрева, широкий диапазон рабочих температур, стабильность и возможность регулирования параметров пламени, бесшумность работы, получение восстановительного характера пламени при использовании в качестве добавок в газовую смесь паров спирта, бензина и др.

В-этом направлении значительный вклад внесли работы Балакина В.И:, Коржа В.Н., Дыхно C.JL, Варламова И.В., Феоктистова H.A., Теодорович H.H., и др. В работах этих авторов рассмотрены системы электропитания и управления от однофазной'сети при малой мощности ЭВГ.

Однако существенным недостатком является взрывоопасность газовой смеси кислорода и водорода, а также недостаточная мощность и производительность установок для их широкого использования в автосервисе, ремонте холодильной аппаратуры, ремонте и производстве товаров народного потребления: Целесообразен переход на системы электропитания и управления от трехфазной сети с точки зрения увеличения производительности и мощности.

ЭВГ является приёмником электрической энергии большой мощности, управление которым связано с созданием условий возникновения сильных электромагнитных помех, что ставит во главу угла вопрос электромагнитной совместимости. Применительно к нашему объекту, по известным литературным данным, эти задачи не решались.

Целью диссертационной работы является решение научно-технических задач, состоящих в обеспечении управления, контроля и защиты, а также безопасности и электромагнитной совместимости установок на базе ЭВГ большой мощности.

В соответствие с этим автором были поставлены и решены следующие задачи:

- проведен анализ режимов работы и электромагнитных процессов системы «трехфазный тиристорный регулятор - выпрямитель — электролизер»;

- впервые исследована кольцевая схема выпрямления- с регулированием на стороне переменного тока, отличающаяся лучшим использованием вентильных элементов (диодов и тиристоров), по току и позволяющая обеспечить функции регулирования, контроля и защиты одними и теми же элементами;

- осуществлена- разработка и исследование системы датчиков по обеспечению безопасности работы ЭВГ: датчиков рабочего и критического давления, температуры и ударной волны горения;

- проведены исследования электромагнитной совместимости системы электропитания и управления ЭВГ большой мощности: предложена методика исследования уровня помех, подтвержденная экспериментальными результатами;

- впервые предложены системы управления ЭВГ, защиты и коммутации на микроЭВМ, разработаны схемы систем и их программное обеспечение эксплуатационными режимами.

Решение этих задач позволяет расширить спектр использования ЭВГ, разработать принципы и системы обеспечения безопасности их эксплуатации.

Методы исследования основаны на анализе электромеханических и электромагнитных процессов классическими методами, математическим моделированием процессов.

Научная новизна диссертационной работы.

Основные научные результаты работы состоят в следующем:

1. Впервые исследованы системы электронного управления электролизно-водных генераторов при питании от трехфазной сети.

2. Разработаны, принципы и схемные решения систем управления, контроля и защиты ЭВГ, в том числе и с применением микроконтроллеров и микроЭВМ.

3. Получены результаты исследования^ по электромагнитной совместимости кислородно-водородных установок на базе ЭВГ.

4. Проведены исследования по обеспечению безопасности и работоспособности ЭВГ при регулировании параметров пламени.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в разработке систем электронного управлениями защиты, а также методов обеспечения электромагнитной совместимости установок, на базе ЭВГ при питании от трехфазной сети, позволяющих обоснованно подходить к разработке электротехнологических установок на базе ЭВГ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы построения» систем управления, средств контроля и защиты ЭВГ на основе применения кольцевой схемы с тиристорным регулированием на стороне переменного тока и разработанных датчиков состояния давления, температуры и ударной волны горения.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования электромагнитной совместимости трехфазных систем управления ЭВГ при совмещении функций регулирования, контроля и защиты одними и теми же тиристорными элементами.

3. Принципы построения системы управления, контроля и защиты ЭВГ на микроЭВМ, в том числе и при раздельном получении кислорода и водорода.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на секции «Микропроцессорные системы управления современной бытовой техники» VIII- Межвузовской! научно-технической конференции «Современные, средства,управления бытовой техникой» (2006 г.) и на научных семинарах кафедры; информационных систем и инновационных технологий ИГУПИТ (2006, 2007, 2008 г.г.).

Результаты исследований использованы при разработке лабораторных практикумов по специальности «Сервис» (специализация «Автосервис»), а также внедрены в хоздоговорной НИОКР № 161-10 «МЮОН» с ФГУП «Научно-исследовательский институт точных приборов» по теме «Разработка переносной автоматизированной технологической установки для производства, паяльно-сварочных работ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 работы опубликованы . в журналах «Естественные и технические науки» и «Сервис в России и за рубежом», включенных в Перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав;. заключения, библиографического списка литературы, включающего 49 наименований, приложения. Работа изложена на 152 страницах текста; содержит 70 рисунков, 15 таблиц, а также результаты практического внедрения.

Выводы.

1. Тиристорная система при регулировании на стороне переменного тока по отношению к сети рассмотрена как источник несинусоидального напряжения и тока. Предложена методика анализа гармонического состава напряжения одной фазы и получены расчетные зависимости уровня радиопомех в диапазоне от 0.15МГц до 10МГц, которые подтверждены экспериментально.

2. Исследования показали, что при частотах свыше 6-7МГц уровень радиопомех не превышает допустимых норм по ГОСТ.

3. Проведены экспериментальные исследования уровня радиопомех при различных значениях емкостей и индуктивностей, что позволило определить характер изменения уровня радиопомех при различных их включениях.

4. Исследования показали, что требуемое подавление помех при включении тиристорных регуляторов трехфазного тока может быть обеспечено простейшими однозвенными Г-образными и П-образным фильтрами с определенными параметрами Ь и С.

Заключение

В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты и выводы: 1. По результатам анализа литературных данных сформулированы основные проблемы обсуждаемого научно-технического направления: -использование электролизно-водных, генераторов для производства; паяльно-сварочных работ. Определены направления исследований;, успешное продвижение в: которых, существенным; образом1 улучшит технико-экономические показатели оборудования, поднимет технологию производства* работ с использованием электролизно-водных генераторов на качественно новый- уровень и, в; конечном итоге,, расширит, области применения электролизно-водных генераторов; К таким направлениям мы относим, прежде всего, проведение комплекса исследований в области создания оборудования; включая систему датчиков состояния и исполнительных устройств; необходимых для реализации технологических автоматизированных установок с раздельнымшолучением.водорода:и кислорода.

2. Проведен расчет характеристик оптической системы оптоэлектронного датчика давления* с: учетом геометрических^ характеристик его оптоэлектронных элементов. Использование результатов; расчета» позволят оптимизировать конструктивные параметры датчика с учетом специфики конкретных применений (измерение квазистатического давления,: работа датчикам в системе защиты от обратного удара). Результаты расчета сопоставлены с экспериментальными данными и дают достаточно хорошее совпадение;

3. Предложена методика- расчета характеристик датчика давления для одного из его конструктивных вариантов, (плоская металлическая мембрана; защищенная по периметру), применительно; к. расчету . датчика в : системе защиты от обратного удара. В качестве примера проведен расчет характеристик для опытного образца датчика. Получено удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными.

4. Произведен анализ схемных решений системы управления ЭВГ при питании от трехфазной сети, на основании которого выбран рациональный вариант системы с тиристорным регулированием в цепи переменного, обеспечивающий совмещение функций управления, контроля, защиты и коммутации.

5. Проведены исследования по электромагнитной совместимости тиристорных систем управления при работе на ЭВГ, получены аналитические выражения токов и напряжений для анализа системы и выбора элементов электрооборудования, обоснована необходимость применения помехоподавляющих устройств и приведены примеры применения П-образного и Г-образного ЬС-фильтра.

6. Разработана система управления, контроля и защиты ЭВГ с применением микроЭВМ, обеспечивающая управление процессом электролиза при раздельном получении кислорода и водорода.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано:

1. Ларин Е.А., Феоктистов А.Н., Феоктистов H.A. Перспективы применения импульсных электротехнологий. Материалы VIII Межвузовской НТК «Современные средства управления бытовой техникой» под ред.проф.Маслова Ю.Н., ГОУ ВПО «МГУС», М., 2007, с.86-88, 0.1 п.л.

2. Ларин Е.В., Тиканов A.A., Феоктистов H.A. Принципы управления и защиты электротехнологических установок на базе электролизно-водного генератора с применением микроЭВМ. Межвузовский тематический сб. научн. трудов «Инновационные технологии», Mi, НОУ ВПО «ИГУПИТ», НОУ ВПО «РосНОУ», 2007, вып. 1, с. 12-19, 0.5 п.л.

3. Феоктистов H.A., Тиканов A.A., Ларин Е.В., Феоктистов А.Н. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси для сварки^ и пайки. Ж. «Естественные и технические науки», М., 2008, № 6(38), с.292-297, 0.6 п.л.

4. Ларин> Е.В., Феоктистов H.A. Основные принципы автоматизации процессов производства печатных плат с применением программного пакета САМ-350. Межвуз.тематич.сб.научн.трудов «Инновационные технологии» под ред.проф.Феоктистова H.A., Выскуба В.Г., М., 2009, вып.2, с.14-19, 0.4 п.л.

5. Михайлюк Д.А., Ларин Е.В., Феоктистов H.A., Варламов И.В. Режимы работы электронных систем управления электролизно-водным генератором большой мощности. Межвуз.тематич.сб.научн.трудов «Инновационные технологии» под ред.проф.Феоктистова H.A., Выскуба В:Г., М., НОУ ВПО «ИГУПИТ», НОУ ВПО «РосНОУ», 2009, вып.2, с.20-30, 0.3 пл.

6. Феоктистов H.A., Михайлюк Д.Л., Ларин Е.В., Варламов И.В., Кокорин В.В. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси с электронным управлением от микроЭВМ. Ж. «Естественные и технические науки», М., 2009, № 6(44), с.567-570, 0.4 п.л.

7. Ларин Е.В., Ходжаев В.Д., Феоктистов H.A. Исследование режимов и электромагнитной совместимости аппаратов на базе электролизно-водных генераторов большой мощности. Межвуз.тематич.сб.научн.трудов «Инновационные технологии» под ред.проф. Феоктистова H.A., Выскуба В.Г., М., НОУ ВПО «ИГУПИТ», НОУ ВПО «РосНОУ», 2010, вып.З, с.7-17, 0.7 п.л.

8. Феоктистов H.A., Варламов И.В., Ларин Е.В., Михайлюк Д.Л. Перспективы создания и применения бытовых электротехнологических установок на базе электролизно-водного генератора с электронными системами управления, защиты и контроля // Сервис в России и за рубежом. - Том 1 (20). - 2011. - http://rguts.ru/electronicjournal -0421100058\0027,1.5п.л.

Всего по теме диссертации - 8 работ общим объемом 4.5 печатных листа

1. Buneß G. Miniaturgasflamme durch Elektrolyseberührungslosses Schweißverfahren für Kleinteibe. "Schweißtechnik", 1969, № 8.

2. Рекламное сообщение об аппаратах Лига-31, с сайта: http://www.measurement.ru/art/G-85/LIGA-31 .htm

3. Reinsch H.H., Neue Eutwicklungen in der höttechnik. "Metallbetrieb", 1973, № 10.4. «Производство водорода, кислорода и тяжелой воды» в сборнике "Прикладная электрохимия", под ред.проф.Кудрявцева Н.Т., Москва, "Химия", 1975.

4. Корж В.Н., Дыхно С.Л. Обработка1 металлов водородно-кислородным пламенем. — К., "Техника", 1984.

5. В.Н.Хромов и др. Электролизеры для получения водородно-кислородного пламени, применяемого при газопламенной обработке металлов (обзор), "Сварочное производство", 2005, № 5.

6. Nachelfeine Schweißflammen aus Wasserelektrolyse. "Maschinen Anlagen Verführen. Maschine Manager", 1972, № 12.

7. Mikro Schweißgerät für Feinstarbeiten. "Rationalles Handwerk", 1970,10.

8. О.Е.Капустин, Ю.К.Родин. Разработка и испытание защитных устройств, предохраняющих газовые системы от распространения взрыва. "Сварочное производство", 1999, № 6.

9. Mikro-, Schweiß- und Lötgerät" "Elektro-Anzeiger", 1970, № 20.

10. Датчики давления фирмы SenSym — M.: Додека,.2000

11. Андреева JI.E. "Упругие элементы приборов", Машгиз, 1962

12. И;В.Варламов,. А.Н.Феоктистов, Н.А.Феоктистов. К расчету оптоэлектронного' датчика давления бытового электролизно-водного генератора обработки металлов", МГУсервиса, компания АББ.

13. Феоктистов H.A. Тиристорные устройства управления и защиты бытовых аппаратов и электротехнологических установок.- М.: 1996.- 222 с.

14. Феоктистов H.A., Суханов А.И:, Карасев А.В: Применение кольцевой схемы в низковольтных сильноточных агрегатах. — М.: Электротехника, 1978, № 5.

15. Варламов И.В., Феоктистов? HiA., Теодорович HiH. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси в технологии пайки и сварки //Теоретические И'-прикладные-.-проблемы.'сервиса:.— М',,МЕУс,.200;1?,.№> 1-'.:

16. Закс М.И. Сварочные выпрямители. JL, Энергоатомиздат, 1983: г.

17. Розанов Ю .К. Основы силовой электрикш М.: Энергоавтомиздат, 1992.-226 с.23; Розанов К).К. и др: Силовая электроника; М.: Издательский-дом МЭИ, 2007. - 632 с.

18. Родосский Г.А., Зильберман Ä.E., Линев B.1I., Телин B.C. Методы подавления радиопомех в полупроводниковых преобразователях. Сб. «П/п приборы и преобразовательные устройства», вып.4, Саранск, 1974.

19. Кунгс А.Я. Высокочастотные помехи тиристорных регуляторов напряжения «Автоматика, телемеханика, связь», 1972, № 6.

20. Деревянченко A.E., Бочаров В.А., Гернштейн И.Я., Хорт Б.И. Подавление радиопомех создаваемых мощными статическими преобразователями. Электротехника, 1973; № 6.

21. Дембаускас А.П. Радиопомехи от тиристорных коммутаторов и регуляторов. Электротехника, 1976, № 2.

22. Общесоюзные нормы допускаемых индустриальных радиопомех: М., Связь, 1973 (с Изменением №1 от 1995г.)

23. Рогинский В.Ю. Экранирование в радиоустроствах. М., «Энергия»,1970.

24. Турин: Л.С. рекомендации по проектированию, изготовлению; эксплуатации сетевых помехозащитных фильтров. Труды ЛенФНИИФ, выи.1, 1963.

25. Бруфман G.C., Трофимов И.А. Тиристорных переключатели переменного тока. «Энергия»,. 1976.34; Карпинский? М.А. Расчет напряжений периодических импульсных помех «Известия Ленинградского электротехнического института», вып.26, 1955.

26. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. М.: Радио и связь, 1986. - 264 с.

27. Соучек Б. Микропроцессоры и микроЭВМ: пер.с англ./Под ред. А.И.Петренко. М.: Сов.радио, 1979. - 520 с.

28. Mikro Schweiß - und Lötgerät mit eigener Gagerzeugung. - "TK-technische Konsumgüter", 1971, № 1.

29. Mikrolöt-, schweiß- und schmelzgerät mit eigenerzeugung des Gases für nadelfeine Präzisionsflammen "Maschine und Werkzeug", 1972, № 16.

30. Kleingchweißgerät mit eigener Gaserzeugung, "Maschinenmarkt", 1970,65.

31. Autogen Mikro - Schweiß und Lötgerät. - "Feinwerktechnik", 1970, № 10.

32. Авт.свид. № 1754798. Устройство автоматического управления процессом электролиза воды для получения водорода и кислорода. Варламов И.В., Феоктистов H.A. // Бюлл.изобр.- 19921.- № 30.

33. Патент 201485- C1 5В23 К5/100 С25 В 15/02. Устройство для газопламенной обработки металлов / Варламов И.В., Феоктистов H.A. и др. Заявлен 16.07.92, получен 15.06.94.

34. Феоктистов H.A., Варламов И.В. Принципы построения и.схемные решения оптоэлектронных датчиков давления бытового ЭВГ. Материалы 11-й Международной НТК «Наука-сервису»// под ред.проф.Ананьевой Т.Н., М., ГОУ ВПО МГУ с, 2006.

35. Феоктистов H.A., Тиканов A.A., Ларин Е.В., Феоктистов А.Н. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси для сварки и пайки. Ж. «Естественные и технические науки», М., 2008, № 6(38).,

36. Феоктистов H.A. Научные основы создания ЭВГ для сварки и пайки. Ж. «Теоретические и прикладные проблемы сервиса». М., 2001, № 1.

37. Варламов И.В., Душин В.К. Оптоэлектронный клапан защиты газогенераторных установок от обратного удара, в сб."Электронные приборы и устройства в машинах и аппаратах бытового назначения", МТИ, Москва, 1991.