Работа синусоидального источника напряжения на дугу в воде Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

; ч - ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им, С. М. КИРОВА

Том 301 . . 1975

РАБОТА СИНУСОИДАЛЬНОГО ИСТОЧНИКА НАПРЯЖЕНИЯ

НА ДУГУ В ВОДЕ

Б. А. ФРАНКОВСКИИ

«

(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)

Выбор того ;или иного источника энергии для нестационарных злек-трогадравличеашх установок определяется его мобильностью и техническими ¡возможностями с точки зрения получения необходимых величии энергии, частоты повторения генерируемых ймпульсав и гидродинамических характеристик упругой волны давления.

Существующей е эл ектрогидр авличеакие уст ш авии, лр еда азн ачен -ные для .возбуждения сейсмических колебаний, созданные на основе К01нден1сат0р(ных батарей имеют длительность импульса тока в дуге порядка 10~4 сек. При питании душ от ударного генератора длительность горения душ возрастает на порядок, благодаря чему следует ожидать повышенную амплитуду составляющих низких частот (10—300 гц) в частотном спектре генерируемых упругих импульсов давления.

Эффективность преобр азования электромашиной анергии такой установки будет тем выше, чем больше будет процент составляющих низких частот в сформированной упругой волне давления.

¡Процесс электрического пробоя жидкости и формирование дугового канала, с одной стороны, определяются напряжением генератора

: Г и = 4í44wIkwlfФ, .;! (1)

где'! — частота синусоидального напряжения генератора; — 'обмоточный коэффициент статорной обмотки;

Ф— основной поток машины.

w1 — количество витков статорной обмотки генератора.

Этот процесс ¡не представляет затруднений лишь в случае применения высоких напряжений.

С другой стороны, наибольшая амплитуда тока в дуге

1 = 1,8 • 1,05/2~Ц ^ худ

имеет .место при наименьшем значении ударного индуктивного сопротивления генератора

худ = шкХ'^!2, (3)

где %!'— эквивалентная проводимость генератора в сверхперекодном режиме с учетом влияния контуров обмотки возбуждения и демпферной системы ротора;

о— угловая частота э. д. с. генератора;

к — коэффициент пропорциональности.

Величина вводимой энергии в дугу при согласованном сопротивлении Нд(1) определяется квадратом тока

Wд = 11уд° • Ид« . (4)

о

Таюим обр азом, уд арные генер атор ы дл я зл ектрогидр а(влических установок ¡необходимо проектировать на большие токи, что в конечном счете достигается за счет снижения числа витков обмотки статора. Последнее обусловливает снижение напряжения генератора, следовательно, появляется необходимость предварите л ьгаго инициирования межэлектродного водного промежутка вшсшогательными средствами. Наиболее эффективно: инициирование дуги осуществляется с помощью взрывающихся проволочек (проволочных мостиков). Ударный генератор, включенный на взрывающуюся проволочку, до момента ее взрыва накапливает электромагнитную энергию в полях рассеяния статорной обмотки, С момента образования душ генератор передает дуге как электромагнитную энергию нолей рассеяния, так и преобразованную кинетическую энергию ротора.

Регулирование длительности и величины вводимой энергии, в дугу, инициированную проволочкой, можно осуществлять как выбором геометрических параметров взрывающейся проволочки, так и изменением начального угла /включения генератора на проволочку.

¡Критерием оптимальной работы ударного генератора на проволочку являются наибольши-е значения величин амплитуды и длительности импульса сжатия. Известно, что импульс сжатия формируется под действием двух- факторов. [1, 2]: нвпоср едете енно' от электрического взрыва- ¡проволочки и дуговой стадии.

В настоящей работе вопрос оптимизации схемы решается эмпирическим" путем — методом подбора диаметра и длины проволочки и из-мвнши-ем начального угла включения генератора.

'При ^проведении экспериментов источником синусоидального напряжения служил трансформатор на 560 ква, питаемый от городской электросети. Используемый источник энергии служит моделью энергетического блдка с ударным генераторам, так как имеет одинаковую частоту и подобие форм напряжения и тока.

Принципиальная электрическая схема установки представлена на рис. 1. Электроды, соединенные проволочкой 2, помещены в специальный бак 3, заполненный водопроводной водой. На расстоянии 100. мм

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки: 1 — управляемое коммутирующее устройство; 2 — взрывающаяся проволочка; 3 — бак, 4 — датчик давления, 5 — шунт, 6 — делитель напряжения; 7 — коаксиальный измерительный кабель; 8, 9 — первая и вторая пара пластин осциллографа С1-16; 10 — осциллограф С1-29

т

от центра .проволочки нормально к ее оси установлен датчик давления 4. От источника синусоидального напряжения (U—220 в и f—60 гц) подается на проволочку одна полуволна «экстра» тока с помощью управляемого вентильного коммутирующего устройства 1.

Система регистрации содержит осциллограф 8 и 9 типа CI-16, предназначенный для осциллографирования тока и напряжения; осциллограф С1-29 10 для регистрации импульса давления; передающий тракт, выполненный экранированным коаксиальным кабелем РК-75 7, шунт 5 типа 76 ILLGM (75 мву 160 а); делитель напряжения 6, выполненный на безыниуктивньих сопротивлениях ТВО с коэффициентом деления делителя К=0,0034 и датчика давления 4.

iB датчике давления в качестве чувствительного элемента использовалась таблетка титаната .бария диаметром & мм и толщиной 4 мм. Отражение упругой волны от торцовых граней цилиндрического пьезоэле-мента исключалось путем соединения его с длинным стержнем такого же сечения и с таким же акустическим сопротивлением, как и у чувствительного элемента. Пьезоэлемент и стержень помещены в-латунную трубку, которая служит каркасом и экраном от электромагнитных наводок при вврыв-е проводника.

Исследование влияния параметров проволочки с целью выявления связи энергетических характеристик (Wn — полная энергия, выделившаяся ¡в проволочке, дж; Wv — объемная плотность энергии, кдж/смг) с гидродинамической характеристикой .импульса давления (Рт —амплитуда импульса давления) было проведено для медных проволочек диаметром 0,51; 0,69; 0,83 мм при изменении их длины в пределам 20-М10 мм. При анализе влияния начального угла включения в пределах от 0 до 90° использовалась проволочка диаметром 0,72 мм и длиной 32 мм.

Эксперименты показали, "что взрыв ¡проволочки диаметром 0,51 и 0,69 мм генерирует имнулыс сжатия меньшей амплитуды, чем взрыв проволочки диаметром 0,83 лш, когда в!зрыв происходит в максимум тока. Результаты эксперимента для проволочек диаметром 0,72 мм и 0,83 мм сведены ib табл. 1 и 2, где 1п — длина проволочки, мм; dn — диаметр проволочки, мм; Im—амплитуда импульса тока, ка; tB — время накопления энергии в проволочке до взрыва, сек; Wn — полная вводимая анергия в проволочку, дж; WB — энергия, накопленная в проволочке до взрыва, дж; Wv — объемная плотность энергии, кдж/см3, W — начальный угол включения синусоидального источника напряжения на проволочку, град; Рт — амплитудная величина упругого импульса* давления, относительные единицы (от. ед.).

Таблица 1

In, мм Im, ка tb- Ю~Л сек Wn, кдж Wb, кдж Wv, кдж/см Рт» о.т ед.

30 3,85 6,00 2/511 1,792 150 ЗДО

40 4,40 5,50 2,250 1,733 93 3,55

50 4,51 5,50 2,097 1,638 62 2,49

60 4,18 4,75 2,004 1,746 48 1,85

70 4,51 4,50 2,070 1,778 55 1,70

80 4,40 5,00 2,240 1,809 54 1,45

90 4,72 5,00 2,432 1,815 52 1,30

100 4,62 4,50 2,598 1,801 47 1,30

110 4,50 5,50 2,704 1,950 38 1,30

Таблица 2

I Ш) Ъ•10~3

ка сек

3,20 5,25

3,33 4,60

3,33 5,00

3,24 5,30

3,15 6,0

и^п, кдж

. кдж

ЛУу, кдж! см

град

Рпъ

от. ед.

2,774,

1,984

1,720

1,560

1,269

0,429 0,212 0,284 0,236 0,227

210 18 1,83

155 36 2,97

138 45 2,71

122 54 2,34

98 72 1,74

И

■»мили»

щ

а "

{А }С9К —ч

'Л/т —-

Рис. 2. Осциллограммы тока и напряжения взрыва медной проволочки (1п = 32 мм и йп = 0,72 мм) при начальном угле включения синусоидального источника в 36°

На рис. 2 приведены характерные осциллограммы тока ;и напряжения при; дарьиве медных проволочек (/п=0,72 мм, <1П = 32 мм) и угле включения источника 36°. Осциллоюра<м/мы тока и напряжения для других длин и диаметров -взрываемой проволочки ¡носят аналогичный характер и не приводятся. По осциллограммам тока и напряжения можно зафиксировать 4 стадии развития процесса: накопление энергии в проволочке, взрыв, резкое снижение тока а дуговую стадию.

Накопление в проволочке энергии, необходимой для фазового превращения, происходит в среднем за 5-;10~3 сек. К концу этого времени происходит разрыв проводника на мелкие части, появляются локальные места с уменьшенной проводимостью — ток в проводнике плавно падает. В местах с уменьшенной проводимостью идет интенсивное выделение энергии. При достижении энергии порогового значения ШПОр, необходимого для фазового превращения в локальных местах проводника, происходит взрыв проволочки. Как видно из осциллограммы рис. 2„ взрыв проволочки сопровождается редким спадом тока до некоторого минимального значения, близкого к нулю, что соответствует мгновенному уменьшению проводимости.

Резкий спад тока в цепш с большой индуктивностью сопровождается броском э.д.с. самоиндущии (рис. 2 нижняя кривая), превосходящей более чем в 4 раза амплитудное значение напряжения источника. Сравнительно небольшим значением з. д. е., -не превышающем 1,5 кв, пробиваются .межэлектродные промежутки до 150 мм.

Дуговая стадия характеризуется постоянным значением напряжения (рис. 2) и образованием паро-газового пузыря — источника упругой волны сжатия, размеры которого зависят от величины и длительности протекающего тока.

Энергия, выделившаяся в проволочке Wn, объемная плотность энергии Wv и развиваемое давление Рт в функции длины проволочки ln и начального угла включения W представлены соответственно на рис. 3 и рис. 4. Кривые давления Рт имеют явно выраженный экстремум. На рис. 3 экстремум определяется оптимальной длиной проволочки, равном 40 мм, а на рис. 4 определяется начальным углом включения 36е лрм фиксированных геометрических параметрах лроволотки.

Рис. 3. Энергия, выделившаяся в проволочке (кр. — 1), объемная плотность энергии (кр—2) н развиваемое давление (кр—3) в функции от ее длины при постоянном диаметре ,и if = 0. 1 — удельная энергия сублимации меди

ОацйШопрамма импульса давления изображена" нарис. 5/" На рис. 6 показаны характерные изменения сопротивления взрывающиеся праэойотек /во времени, полученные обработкой осциллограмм токами напряжения.

Крйвые сшротивлений взрывающихся проволОчёк при различных начальных углаих ¡включения синусоидального источника имеют инден-тичный вид. В стадии накопления энергии сопротивление ¡проволочёк из-

дж

2600

2200 1800 то

Рт \ ое ч 4

Я (1=0, Сп- II

9 3

{

0

о

кдж см3

190 150

НО

70

30

36 54 72 Угров-

Рис. 4. Энергия, выделившаяся в проволочке (кр—1), объемная плотность энергии (кр—2) и развиваемое давление (кр—3) в функции угла включения синусоидального источника при постоянных геометрических размерах проволочки. 1 — удельная энергия сублимации меди

1 , ! —ь- ! 1 05 к

7

...

¿мксек '—Г .. к_____ ..

Рис. 5. Осциллограмма импульса давления взрыва проволочки (1П = 32 мм и с!п=0,72 мм) при начальном угле включения синусоидального источника в 18°

меняется незначительно и его моисно считать .постоянным. В момент взрыва проводника сопротивление меж,электрода ого ¡промежутка возрастает более чем на порядок. При установившейся дуговой стадии минимум сопротивления ;выше сопротивления проволочки в режиме накопления. К концу импульса тока сопротивление резко возрастает.

Таким, образом,, проведенные эксперименты показали необходимость •согласрвания .внутреннего сопротивления источника ¡питания с сопротивлением. межэлектродиаго промежутка в дуговой стадии.

Rp

ОМ 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 О

1

2

1

1

..... ) /

( /

)

К Jj

.-з

i 2 3 4 5 6 7 8 9110 сек

Рис. 6. Изменение сопротивления взрываю щейся проволочки во времени: 1 — dn=0,83 мм, 1П = 40 мм, 1(3 = 0, 2 — dn=0,72 мм, =32 мм, t|i = 36°

ЛИТЕРАТУРА

1. В. А. воротков, Г. А. Несветайлов. «Физика горения и взрыва»; 1970, № 2, т. 6.

2. F. Н а ш п о п п. Zeischrift für Angewandte Physik. 31, 2, 1971.