Разработка и исследование системы электропитания и управления генератора кислородно-водородной смеси тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Ларин, Евгений Вячеславович

• Ларин, Евгений Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ларин, Евгений Вячеславович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование системы электропитания и управления генератора кислородно-водородной смеси»

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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Ларин, Евгений Вячеславович

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ларин, Евгений Вячеславович, 2011 год

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.