Уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление
Выполнены моделирование и анализ переходных процессов разряда конденсатора на электроискровую нагрузку, электрическое сопротивление которой зависит от тока и изменяется во времени по закону U-образной функции. Исследовано изменение средней импульсной мощности в такой нагрузке с учетом принудительног...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Технічна електродинаміка |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62347 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление / Н.И. Супруновская // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 4. — С. 22–28. — Бібліогр.: 10 назв. — pос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-62347 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Супруновская, Н.И. 2014-05-20T07:29:54Z 2014-05-20T07:29:54Z 2013 Уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление / Н.И. Супруновская // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 4. — С. 22–28. — Бібліогр.: 10 назв. — pос. 1607-7970 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62347 621.3.011:621.372 Выполнены моделирование и анализ переходных процессов разряда конденсатора на электроискровую нагрузку, электрическое сопротивление которой зависит от тока и изменяется во времени по закону U-образной функции. Исследовано изменение средней импульсной мощности в такой нагрузке с учетом принудительного уменьшения длительности протекающих в ней токов за счет шунтирования нагрузки или использования в качестве разрядного коммутатора полностью управляемого полупроводникового ключа. Выполнено сравнение энергетической эффективности применяемых подходов. Виконано моделювання та аналіз перехідних процесів розряду конденсатора на електроіскрове навантаження, електричний опір якого залежить від струму й змінюється у часі за законом U-подібної функції. Досліджено зміну середньої імпульсної потужності в такому навантаженні з урахуванням примусового зменшення тривалості струмів, що протікають у ньому, за рахунок шунтування навантаження або використання повністю керованого напівпровідникового ключа як розрядного комутатора. Виконано порівняння енергетичної ефективності підходів, що застосовуються. Simulation and analysis of transient processes at discharge of capacitor on electro-spark load, resistance of which is a function of current and changes under law U-like function are performed. Fulfilled studies revealed the advisability of decreasing of transient duration in electro-discharge systems, which use discharge of capacitive energy storage on load with nonlinear resistance. The method for forced limitation of duration of discharge currents and increasing pulse power in electro-spark load is substantiated. This method consists in a changing of discharge circuit configuration of capacitive energy storage. The analysis of transient processes at bridging of electro-spark load by additional thyristor commutator, which is switched on at inadmissible discharge currents of overlong-duration in this load is carried out. The investigation of changing of pulse power dissipated in electro-spark load is fulfilled taking into account increasing of this load resistance and duration currents flowing in it. It was also studied the duration changing of pulse currents and pulse power in a load due to using a fully-controllable semi-conductor switch (for example GTO-module). The energy-effectiveness evaluation such method is made. ru Інститут електродинаміки НАН України Технічна електродинаміка Теоретична електротехніка та електрофізика Уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление Зменшення тривалості розрядних струмів і підвищення імпульсної потужності в електроіскровому навантаженні з нелінійним опором Decrease of duration of discharge currents and increase pulse power in electro-spark load with nonlinear resistance Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление |
| spellingShingle |
Уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление Супруновская, Н.И. Теоретична електротехніка та електрофізика |
| title_short |
Уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление |
| title_full |
Уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление |
| title_fullStr |
Уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление |
| title_full_unstemmed |
Уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление |
| title_sort |
уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление |
| author |
Супруновская, Н.И. |
| author_facet |
Супруновская, Н.И. |
| topic |
Теоретична електротехніка та електрофізика |
| topic_facet |
Теоретична електротехніка та електрофізика |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Технічна електродинаміка |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Зменшення тривалості розрядних струмів і підвищення імпульсної потужності в електроіскровому навантаженні з нелінійним опором Decrease of duration of discharge currents and increase pulse power in electro-spark load with nonlinear resistance |
| description |
Выполнены моделирование и анализ переходных процессов разряда конденсатора на электроискровую нагрузку, электрическое сопротивление которой зависит от тока и изменяется во времени по закону U-образной функции. Исследовано изменение средней импульсной мощности в такой нагрузке с учетом принудительного уменьшения длительности протекающих в ней токов за счет шунтирования нагрузки или использования в качестве разрядного коммутатора полностью управляемого полупроводникового ключа. Выполнено сравнение энергетической эффективности применяемых подходов.
Виконано моделювання та аналіз перехідних процесів розряду конденсатора на електроіскрове навантаження, електричний опір якого залежить від струму й змінюється у часі за законом U-подібної функції. Досліджено зміну середньої імпульсної потужності в такому навантаженні з урахуванням примусового зменшення тривалості струмів, що протікають у ньому, за рахунок шунтування навантаження або використання повністю керованого напівпровідникового ключа як розрядного комутатора. Виконано порівняння енергетичної ефективності підходів, що застосовуються.
Simulation and analysis of transient processes at discharge of capacitor on electro-spark load, resistance of which is a function of current and changes under law U-like function are performed. Fulfilled studies revealed the advisability of decreasing of transient duration in electro-discharge systems, which use discharge of capacitive energy storage on load with nonlinear resistance. The method for forced limitation of duration of discharge currents and increasing pulse power in electro-spark load is substantiated. This method consists in a changing of discharge circuit configuration of capacitive energy storage. The analysis of transient processes at bridging of electro-spark load by additional thyristor commutator, which is switched on at inadmissible discharge currents of overlong-duration in this load is carried out. The investigation of changing of pulse power dissipated in electro-spark load is fulfilled taking into account increasing of this load resistance and duration currents flowing in it. It was also studied the duration changing of pulse currents and pulse power in a load due to using a fully-controllable semi-conductor switch (for example GTO-module). The energy-effectiveness evaluation such method is made.
|
| issn |
1607-7970 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62347 |
| citation_txt |
Уменьшение длительности разрядных токов и повышение импульсной мощности в электроискровой нагрузке с нелинейным сопротивление / Н.И. Супруновская // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 4. — С. 22–28. — Бібліогр.: 10 назв. — pос. |
| work_keys_str_mv |
AT suprunovskaâni umenʹšeniedlitelʹnostirazrâdnyhtokovipovyšenieimpulʹsnoimoŝnostivélektroiskrovoinagruzkesnelineinymsoprotivlenie AT suprunovskaâni zmenšennâtrivalostírozrâdnihstrumívípídviŝennâímpulʹsnoípotužnostívelektroískrovomunavantaženníznelíníinimoporom AT suprunovskaâni decreaseofdurationofdischargecurrentsandincreasepulsepowerinelectrosparkloadwithnonlinearresistance |
| first_indexed |
2025-11-25T23:50:48Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:50:48Z |
| _version_ |
1850586469670846464 |
| fulltext |
22 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4
УДК 621.3.011:621.372
УМЕНЬШЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ РАЗРЯДНЫХ ТОКОВ И ПОВЫШЕНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ
МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ НАГРУЗКЕ С НЕЛИНЕЙНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Н.И.Супруновская, канд.техн.наук
Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина, email: iednat1@gmail.com
Выполнены моделирование и анализ переходных процессов разряда конденсатора на электроискровую нагрузку,
электрическое сопротивление которой зависит от тока и изменяется во времени по закону U-образной функ-
ции. Исследовано изменение средней импульсной мощности в такой нагрузке с учетом принудительного умень-
шения длительности протекающих в ней токов за счет шунтирования нагрузки или использования в качестве
разрядного коммутатора полностью управляемого полупроводникового ключа. Выполнено сравнение энергети-
ческой эффективности применяемых подходов. Библ. 10, табл. 2, рис. 6.
Ключевые слова: разряд конденсатора, полупроводниковый ключ, переходный процесс, длительность импульсно-
го тока, электроискровая нагрузка.
Применение емкостных накопителей энергии (ЕНЭ) в системах электропитания технологиче-
ских установок позволяет разрабатывать электроимпульсные технологии, основанные на передаче в
нагрузку импульсной мощности, во много раз превышающей мощность питающей электросети [3, 4,
5, 8–10]. Одной из наиболее сложных научных проблем, возникающих при разработке таких систем
электропитания, является стабилизация параметров разрядных импульсов при изменении нелинейно-
го сопротивления нагрузки во много раз.
При разработке электротехнологических систем объемного электроискрового диспергирова-
ния (ОЭИД) металлов важным является уменьшение длительности разрядных токов в электроискро-
вой нагрузке, которая представляет собой слой металлических гранул в жидкости между электродами
[1, 3, 4, 7, 8]. Особенность такой нагрузки проявляется в том, что ее электрическое сопротивление за-
висит от величины протекающего в ней импульсного тока и может случайным образом увеличиться
во много раз. Как правило, такое увеличение сопротивления происходит после достижения разряд-
ным током максимального значения, что вызывает резкое изменение характера переходных процес-
сов в разрядном контуре и возможное появление так называемых холостых разрядов – апериодичес-
ких разрядов большой длительности, не вызывающих электрических искрений в слое гранул [1,4,5,6].
В работах [1, 3–7] анализ переходных процессов в разрядном контуре систем электропитания
установок ОЭИД проводился при допущении, что в течение длительности одного разрядного импульса
электрическое сопротивление нагрузки являлось постоянным, но могло изменяться скачком от импуль-
са к импульсу. Такое допущение позволяло оценивать энергетические параметры и эффективность па-
раметрических обратных связей в разрабатываемых системах ОЭИД токопроводящих гранул, но не
учитывало того, что при скачкообразном увеличении сопротивления нагрузки длительность импульс-
ных токов в ней могла увеличиться в десятки раз. Многократное увеличение длительности импульсных
разрядных токов ограничивало допустимую частоту зарядно-разрядных циклов в тиристорных систе-
мах импульсного электропитания установок ОЭИД гранул в жидкости, а также увеличивало неста-
бильность электрических и технологических режимов таких установок. Снижение при этом средней
импульсной мощности в нагрузке не позволяло получать мелкоразмерные порошки.
Целью данной работы являлась разработка научных подходов к уменьшению нестабильности
переходных процессов разряда емкостных накопителей энергии на электроискровую нагрузку,
уменьшению длительности импульсных токов и увеличению средней импульсной мощности в такой
нагрузке с учетом зависимости ее сопротивления от величины импульсного тока.
Для ограничения длительности апериодических разрядов, возникающих в электроискровой
нагрузке, ее часто шунтируют активным сопротивлением, в котором может рассеиваться от 25 до
60 % энергии накопительного конденсатора [4, 7]. Применение такого подхода допустимо в установ-
ках малой мощности (не более сотен ватт).
Исследования, проведенные в работах [1, 3, 4], показали возможность ограничения длитель-
ности протекающих в нагрузке импульсных токов при изменении конфигурации разрядного контура
ЕНЭ путем введения дополнительного тиристорного коммутатора, шунтирующего электроискровую
нагрузку при возникновении недопустимо длительных разрядных токов. Для оценки эффективности
© Супруновская Н.И., 2013
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4 23
такого метода был выполнен анализ импульсных процессов в электроискровой нагрузке и разрядном
контуре конденсатора с учетом возможного скачкообразного увеличения ее электрического сопро-
тивления, приводящего к критичным длительным импульсным токам в нагрузке. Сопротивление на-
грузки Rн(t) аппроксимировалось ступенчатой функцией Rн1(t), мгновенно увеличивающей свое зна-
чение в некоторый момент времени.
В данной работе проведен анализ импульсных процессов в нелинейной электроискровой на-
грузке с учетом изменения ее сопротивления во времени по закону U-образной функции, что соответ-
ствует характерному изменению величины сопротивления такой нагрузки (полученному на основании
многочисленных экспериментов [1–4, 7]) за время длительности одного разряда конденсатора при ОЭ-
ИД слоя токопроводящих гранул в жидкости между электродами.
Уменьшение длительности разрядных импульсов при шунтировании электроискровой
нагрузки тиристорным коммутатором. Для ограничения максимальных размеров порошков, полу-
чаемых методом электроискрового диспергирования слоя металлических гранул в жидкости между
электродами, необходимо уменьшать длительность разрядных токов в нагрузке и увеличивать выде-
ляемую в ней среднюю импульсную мощность [1–4, 6]. Это позволяет не только повышать дисперс-
ность получаемых порошков и стабильность технологического процесса, но и повышать частоту раз-
рядных импульсов в нагрузке и, соответственно, производительность электроискрового диспергиро-
вания металлических гранул.
На рис. 1 показана разрядная цепь накопительного конденсатора установки ОЭИД металлов, в ко-
торой в определенный момент времени tвкл электроискровая нагрузка шун-
тируется тиристорным коммутатором VT2.
Разряд конденсатора С на нагрузку Rн начинается в момент
включения тиристора VT1, в то время как тиристор VT2 находится в не-
проводящем состоянии. Тиристор VT2 подключается в момент времени
t= tвкл, которое выбирается таким, чтобы ток в нагрузке к этому времени
практически уже прекратился, если в ней возникло достаточно большое
количество искрений. Если же искрений будет немного и они прекра-
тятся в течение времени t < tвкл с увеличением в несколько раз сопротив-
ления Rн, то добротность разрядного контура в соответствующее число
раз уменьшится, что вызовет возникновение апериодического процесса
длительного разряда конденсатора с малым током. Такой процесс вызы-
вает увеличение в несколько раз длительности зарядно-разрядных циклов конденсатора и соответст-
венно уменьшение частоты разрядных импульсов тока и производительности ОЭИД. Но включение
тиристора VT2 в момент времени t = tвкл шунтирует нагрузку Rн, прекращает протекание в ней тока,
уменьшая при этом длительность импульсного тока через разрядный тиристор VT1 и практически ис-
ключая вышеприведенные нетехнологические режимы.
Исследования процессов разряда накопительного конденсатора на электроискровую нагрузку с
учетом нелинейного характера изменения ее сопротивления было выполнено на математической моде-
ли, разработанной с использованием пакета прикладных программ MATLAB/ SIMULINK/SPS.
Были исследованы переходные процессы разряда конденсатора на нелинейную нагрузку, со-
противление которой изменялось от величины тока в цепи по закону U-образной функции (при уве-
личении тока до максимального значения сопротивление нагрузки уменьшается до минимальной ве-
личины, а после при уменьшении разрядного тока, опять увеличивается). Для этого, как и в работе
[2], использовалась экспоненциальная функция вида
min
I/i
min0н Re)RR()i(R Re +−= − , (1)
где R0 и Rmin – начальное и минимальное сопротивления нагрузки (при нулевом и максимальном раз-
рядном токе соответственно), а IRe – величина тока, при которой нелинейное сопротивление нагрузки
уменьшится в е=2,71 раз. При тех же значениях R0 и Rmin было исследовано несколько экспоненци-
альных кривых с разной степенью кривизны (IRe=var).
Параметры разрядного контура выбраны соответственно параметрам реально действующей
разрядной установки: С=100 мкФ, L1=1 мкГн, R1=0,0075 Ом, начальное напряжение на конденсаторе
U0С =500 В.
VT1
C
L1
+
–
i1(t)
Rн
R1
VT2
iн(t) i2
Рис. 1
24 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4
Было проведено моделирование разряда конденсатора на нагрузку с учетом обоих переход-
ных процессов (первого – до включения тиристора VT2 и второго – после его включения) при сле-
дующих параметрах функции, задающей нелинейное сопротивление нагрузки: R0=1 Ом, Rmin=0,1 Ом,
IRe=200; 500; 700 А. Значения сопротивления нагрузки выбирались в результате обобщения экспери-
ментальных исследований, проводимых на реально действующей разрядной установке. Шунтирую-
щий тиристор включался в момент времени tвкл=32 мкс, когда при выбранных параметрах цепи боль-
шинство технологических колебательных разрядов близки к за-
вершению или уже завершились.
На рис. 2 показаны осциллограммы тока iн(t) и напряжения
uн(t) на нагрузке, а также тока в разрядной цепи i(t) на всем протяже-
нии разрядного процесса (до и после включения шунтирующего ти-
ристора) и зависимость сопротивления нагрузки Rн(t) при трех зна-
чениях IRe=200; 500; 700 А. При таких параметрах разрядной цепи
процесс разряда имеет колебательный характер. Также был прове-
ден сравнительный анализ длительности разряда конденсатора с
использованием шунтирующего тиристорного ключа VT2 и без его
использования при моделировании апериодического и колеба-
тельного разряда конденсатора на нелинейную нагрузку. Пара-
метры функции (1), описывающей изменение Rн(t), задавались таким
образом, чтобы разрядный процесс носил либо апериодический
(R0=1 Ом, Rmin=0,5 Ом, IRe=100; 150; 200 А), либо колебательный
(R0=1 Ом, Rmin=0,1 Ом, IRe=100; 150; 200 А) характер. Время вклю-
чения VT2 также задавалось равным tвкл=32 мкс.
На рис. 3 показаны осциллограммы тока iн(t) и напряжения
uн(t) на нагрузке, а также тока в разрядной цепи i(t) до и после
включения шунтирующего тиристора и зависимость сопротивле-
ния нагрузки Rн(t) при IRe=100 А для апериодического и колеба-
тельного режимов разряда, возникающих соответственно при
R0=1 Ом, Rmin=0,5 Ом и R0=1 Ом, Rmin=0,1 Ом. Результаты анализа
приведены в табл. 1. Кроме длительности всего разрядного процес-
са τразр и значения средней импульсной мощности в нагрузке ( Wн /
t вкл ) с использованием шунтирующего тиристорного ключа VT2 и
без него, в табл. 1 приведены относительные величины энергии, рас-
сеиваемой в нагрузке Wн VT2 / WС нач (где Wн VT2 – энергия, рассеянная
в нагрузке с учетом применения шунтирующего тиристора, WС нач
– энергия, первоначально накопленная в конденсаторе).
В апериодических режимах без использования шунтирую-
щего тиристора принималось, что разрядный процесс заканчивался,
когда ток в цепи становился меньше тока удержания разрядного тиристора во включенном состоянии,
который принимался равным 0,7 А (согласно справочным данным).
Анализ приведенных результатов показал, что включение тиристора VT2 позволяет ограничивать
длительность импульсного тока в электроискровой нагрузке даже при существенно нелинейной зависи-
мости ее сопротивления от тока. При шунтировании нагрузки тиристором VT2 длительность протекания
тока в нагрузке строго фиксирована (моментом включения VT2), а длительность тока в контуре составляет
приблизительно 40–60 мкс.
Таблица 1
без VT2 с VT2
IRe, А
τразр , мкс Рср н, кВт/с τразр , мкс Рср н, кВт/с начC
VTн
W
W
2 , %
100 530 23,01 53,0 230,13 97,58
150 552 22,11 55,1 221,45 97,62
Апериодический разряд
(при R0 =1 Ом, Rmin =0,5 Ом)
200 600 20,35 59,2 204,14 97,67
100 36,35 309,33 38,67 289,56 89,58
150 35,75 315,05 38,52 291,04 89,69 Колебательный разряд
(при R0 =1 Ом, Rmin =0,1 Ом) 200 35,15 321,25 38,13 294,89 89,95
t·10-5, с
iн(t), A
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
1000
2000
3000
tвкл
t·10-5, с
t·10-5, с
x 10
-5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
200
400 uн(t), B
tвкл
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
1000
2000
3000 i(t), A
tвкл
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
0.5
1
1.5 R(t), Ом
t·10-5, с
tвкл
Рис. 2
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4 25
Включение шунтирующего тиристора VT2 уменьшает длительность разряда накопительного
конденсатора при апериодических режимах его разряда в 10 раз и практически не изменяет длитель-
ность разряда накопительного конденсатора при слабо колебательных режимах его разряда, которые
являются оптимальными для исследуемых формирователей разрядных импульсов.
Средняя импульсная мощность в нагрузке при включении шунтирующего тиристора возрас-
тает более чем в 10 раз при апериодических режимах и остается практически неизменной при слабо
колебательных режимах разряда конденсатора на нагрузку. Отметим, что при использовании шунти-
рующего тиристора в колебательных режимах разряда значения средней импульсной мощности на
26–45 % выше по сравнению с апериодическими режимами разряда.
Уменьшение длительности разрядных токовых импульсов до 40–60 мкс дает возможность повы-
шать частоту зарядно-разрядных циклов до 5–10 тысяч за 1 с, а, следовательно, и повышать производи-
тельность получения искроэрозионного порошка. Поскольку время протекания импульса тока через на-
грузку можно регулировать, то появляется возможность регулировать максимальные размеры искроэро-
зионных порошков даже при скачкообразных увеличениях сопротивления нагрузки в несколько раз.
В режимах с использованием шунтирующего тиристора (по сравнению с режимами без его ис-
пользования) рассеиваемая в нагрузке энергия составляет около 90 % в слабо колебательных режимах и
около 98 % − в апериодических режимах.
Необходимо учитывать, что апериодические режимы большой длительности приводят, с од-
ной стороны, к образованию крупноразмерных искроэрозионных порошков, а с другой – имеют низ-
кую энергоэффективность и производительность из-за длительного протекания сравнительно не-
больших токов с малым количеством искрений в нагрузке. Кроме того, слишком длительные аперио-
дические разряды могут приводить к аварийным режимам, если длительность протекания тока через
разрядный тиристор является недопустимо большой. Использование шунтирующего тиристора пред-
отвращает также режимы сквозных токов через зарядный и разрядный тиристоры для случаев воз-
никновения длительных холостых разрядов ЕНЭ на нагрузку.
Ограничение длительности разрядных импульсов при помощи
полностью управляемого полупроводникового ключа. Было проведено
исследование эффективности регулирования длительности разрядного тока
в нагрузке с помощью полностью управляемого полупроводникового ключа
(например, GTO–модуля), применяемого вместо разрядного тиристора VT1.
Использование такого ключа позволяет прерывать разрядный процесс в
требуемый момент времени без применения дополнительного шунтирую-
щего тиристорного коммутатора VT2 (рис. 1).
На рис. 4 показана схема разрядной цепи накопительного кон-
денсатора с полностью управляемым полупроводниковым ключом К,
который в определенный момент времени tвыкл размыкает разрядную цепь. Поскольку при примене-
нии такого метода ограничения длительности разрядного тока в индуктивности L1 остается накоп-
ленная энергия, то в схему было введено дополнительное активное сопротивление R порядка 10 Ом
(в цепь обратного диода VD) для сокращения длительности разряда после размыкания ключа К.
0 1 2 3 4 5 6 7
1000
0
1000
2000
3000
x 10
-5
0 1 2 3 4 5 6 7
-200
0
200
400
600
0 3 5 6 7
x 10
-5
0 1 2 3 4 5 6 7
0
1000
2000
3000
x 10
-5
0 1 2 3 4 5 6 7
0
0.5
1
iн(t), A uн(t), В
R(t), Ом i(t), A
Рис. 3
tвкл
tвкл tвкл
периодический разряд
колебательный раз-
ряд
апериодиче-
ский разряд
колебательный
разряд
апериодиче-
ский разряд
колебательный
разряд
апериодиче-
ский
разряд
колебательный разряд
tвкл
t·10-5, с
K
C
L1
+
–
Rн
R
VD
Рис. 4
26 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
1000
2000
3000
апериодиче-
ский разряд
колебательный
разряд
tвыкл
t·10-5, c
iн(t), А
x 10
-5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
100
200
300
400
колебательный
разряд
апериодиче-
ский разряд
uн(t), B
tвыкл
t·10-5, c
x 10
-5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
0.5
1
R(t), Ом
апериодиче-
ский разряд
колебательный
разряд
tвыкл
t·10-5, c
Риc. 6
Было проведено моделирование (в пакете прикладных программ MATLAB/ SIMULINK/SPS)
разрядного процесса на нагрузку, сопротивление которой изменялось согласно выражению (1), а дли-
тельность разрядного процесса регулировалась выключением GTO–модуля. Время выключения tвыкл
задавалось, как и при предыдущем анализе, таким образом, чтобы колебательные токи в нагрузке
практически уже прекратились (tвыкл =32 мкс).
На рис. 5 показаны осциллограммы токов iн(t), падений напряжений uн(t) на нагрузке и зависи-
мости сопротивления нагрузки Rн(t)=u(t) / i(t) при следующих параметрах моделируемого сопротивле-
ния нагрузки R0=1 Ом, Rmin=0,1 Ом и трех значениях IRe=100; 150; 200 А. При этом параметры элемен-
тов разрядной цепи оставались теми же: U0С =500 В, L1 =1 мкГн, С =100 мкФ. Поскольку сопротивле-
ние R1 << R, то его в расчетах не учитывали. Процесс разряда имеет колебательный характер.
Также были исследованы апериодические (R0 =1 Ом, Rmin=0,5 Ом при IRe=100; 150; 200 А) раз-
ряды в этой схеме. На рис. 6 показаны осциллограммы тока iн(t) и напряжения uн(t) на нагрузке, а также
зависимость сопротивления нагрузки Rн(t) при IRe =100 А для апериодического (R0 =1 Ом, Rmin =0,5 Ом)
и колебательного (R0 =1 Ом, Rmin =0,1 Ом) режимов разряда.
В табл. 2 представлены результаты сравнительного анализа длительностей разрядного процесса
τразр и энергетических характеристик цепи в апериодических и колебательных разрядных режимах при
использовании GTO–модуля. Даны относительные значения энергии, выделившейся в нагрузке
Wн / WСнач. (где Wн – энергия, выделившаяся в нагрузке, WСнач. – энергия, изначально накопленная в кон-
денсаторе), и относительные значения энергии в конденсаторе после окончания разрядного процесса в
цепи – WСконеч. / WСнач. (где WСконеч. – энергия, которая остается в конденсаторе после окончания разряд-
ного процесса). Также даны относительные значения энергии потерь в элементах цепи:
Wпотерь / WСнач. = 1 – (WСконеч.+ Wн) / WСнач и значения средней импульсной мощности в нагрузке
Рср н = Wн / τразр. Для апериодического режима полагаем, что процесс разряда завершается также при то-
ке, равном 0,7 А.
Анализ приведенных результатов показал, что использование полностью управляемого транзи-
сторного ключа позволяет уменьшать длительность протекания импульсного тока в нелинейной электро-
искровой нагрузке до 35–50 мкс.
Таким образом, этот метод, также
как и метод шунтирования нагруз-
ки дополнительным тиристором,
позволяет повысить частоту за-
рядно-разрядных циклов до 5–10
тысяч за 1 с, а, следовательно, и
повысить производительность по-
лучения мелкодисперсных искро-
эрозионных порошков.
При регулировании дли-
тельности разрядного процесса с
помощью GTO–модуля энергия,
передаваемая в нагрузку, состав-
ляет приблизительно 84 % (от пер-
воначальной энергии в конденса-
торе) – в колебательных режимах
и около 66 % – в апериодических
режимах разряда конденсатора.
При этом в конденсаторе после
окончания разрядного процесса
остается примерно 0,5 % от на-
чальной энергии при колебатель-
ных его разрядах и около 30 % –
при апериодических разрядах.
Энергия потерь составляет вели-
чину порядка 16 % – при колеба-
тельных разрядах и 4 % – при апе-
риодических разрядах.
x 10
-5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
0.5
1
R(t), Ом
t·10-5, c
tвыкл
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
1000
2000
3000
t·10-5, c
iн(t), A
tвыкл
x 10
-5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
100
200
300
t·10-5, c
uн(t), В
tвыкл
Рис. 5
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4 27
Средняя импульсная мощность в нагрузке при использовании GTO–модуля по сравнению с
режимами без регулирования длительности разрядных токов увеличивается в апериодических режи-
мах примерно в 8 раз. В колебательных режимах средняя импульсная мощность в нагрузке остается
практически неизменной по сравнению с нерегулируемыми режимами.
Таблица 2
Выводы. 1. Предложенный метод уменьшения длительности разрядных токов путем шунти-
рования электроискровой нагрузки при увеличении ее сопротивления вызывает преобразование дли-
тельного апериодического разряда в колебательный разряд. При этом длительность разрядных токов
в нагрузке уменьшается, а средняя импульсная мощность в нагрузке увеличивается в 9–10 раз. Метод
позволяет увеличивать частоту зарядно-разрядных циклов и производительность получения искро-
эрозионного порошка, а также уменьшать размеры таких порошков.
2. Изменение момента времени включения тиристорного коммутатора, шунтирующего элек-
троискровую нагрузку, может быть положено в основу алгоритма регулирования длительности им-
пульсных токов в нелинейной нагрузке, сопротивление которой при изменении тока изменяется по за-
кону U-образной функции.
3. Уменьшение длительности разрядных импульсов возможно также при использовании в ка-
честве разрядного коммутатора полностью управляемого ключа (например, GTO-модуля). Его приме-
нение позволяет ограничивать длительность импульсного тока в нелинейной электроискровой нагрузке
примерно в 12 раз. Средняя импульсная мощность в нагрузке при использовании GTO–модуля по
сравнению с режимами без регулирования длительности разрядных токов увеличивается в апериоди-
ческих режимах примерно в 8 раз.
При регулировании длительности разрядного процесса с помощью GTO–модуля энергия, рас-
сеянная на сопротивлении нагрузки в установке объемного электроискрового диспергирования метал-
лов, которая рассмотрена в данной работе, составила порядка 84 % (от первоначальной энергии в кон-
денсаторе) – в колебательных режимах и около 66 % – в апериодических режимах разряда конденсато-
ра. При этом в конденсаторе после окончания разрядного процесса остается примерно 0,5 % от началь-
ной энергии при колебательных его разрядах и 30 % – при апериодических разрядах. Энергия потерь
составила величину порядка 16 % – при колебательных разрядах конденсатора и 4 % – при апериодиче-
ских его разрядах.
1. Супруновская Н.И. Переходные процессы при разряде конденсатора на электроискровую нагрузку и ограни-
чении длительности протекающих в ней импульсных токов // Технічна електродинаміка. – 2008. – №5. – С. 20 – 26.
2. Супруновская Н.И., Подольцев А.Д., Шевченко Н.И. Моделирование и анализ импульсных процессов в
электроискровой нагрузке и разрядном контуре конденсатора // Технічна електродинаміка. Тем. вип. „Силова
електроніка та енергоефективність”. – 2008. – Ч.3. – С. 109 – 114.
3. Шидловский А.К., Супруновская Н.И. Энергетические процессы в электрических цепях разрядноим-
пульсных установок с емкостным накопителем энергии при ограничении длительности его разряда на электро-
искровую нагрузку и ненулевых условиях его заряда // Технічна електродинаміка. – 2010. – №1. – С. 42 – 48.
4. Шидловский А.К., Щерба А.А., Супруновская Н.И. Энергетические процессы в цепях заряда и раз-
ряда конденсаторов электроимпульсных установок. – К.: Интерконтиненталь-Украина, 2009. – 208 с.
5. Щерба А.А., Супруновская Н.И. Закономерности повышения скорости нарастания разрядных токов в
нагрузке при ограничении их максимальных значений // Технічна електродинаміка. – 2012. – № 5. – С. 3–9 .
6. Щерба А.А., Супруновская Н.И., Синицин В.К., Иващенко Д.С. Апериодические и колебательные
процессы разряда конденсатора при принудительном ограничении длительности токов в нагрузке // Технічна
електродинаміка. – 2012. – № 3. – С. 9–10.
7. Щерба А.А. Принципы построения и стабилизации параметров полупроводниковых электроим-
пульсных систем электроискрового диспергирования слоя токопроводящих материалов // Cборник научных
трудов. «Стабилизация параметров электрической энергии». – Киев: ИЭД АН Украины, 1991. – С. 12 – 30.
IRe, А τразр, мкс Wн / WСнач, % WСконеч. / WСнач, % Wпотерь, % Рср н, кВт/с
100 47,2 66,4 29,7 3,9 175,93
150 47,2 66,2 30,04 3,76 175,21
Апериодический
разряд с GTO-модулем
(при R0 =1 Ом,
Rmin =0,5 Ом)
200 47,2 65,5 30,81 3,69 173,52
100 33,67 83,58 0,54 15,88 310,27
150 33,67 83,70 0,51 15,79 310,75
Колебательный
разряд с GTO-модулем
(при R0 =1 Ом,
Rmin =0,1 Ом) 200 33,67 84,01 0,46 15,53 311,88
28 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4
8. Casanueva R., Azcondo F.J., Branas C., Bracho S. Analysis, design and experimental results of a high-frequency
power supply for spark erosion // IEEE Transactions on Power Electronics, 2005. – Vol. 20. – Iss 2. – Pp. 361 – 369.
9. Sen B., Kiyawat N., Singh P.K., Mitra S., Ye J.H., Purkait P. Developments in electric power supply
configurations for electrical-discharge-machining (EDM) // The Fifth International Conference on Power Electronics
and Drive Systems, 2003. PEDS 2003. – Vol. 1. – Pp. 659 – 664.
10. Mysinski W. Power supply unit for an electric discharge machine // 13th European Conference on Power
Electronics and Applications, 2009. EPE '09. – Pp. 1–7.
УДК 621.3.011:621.372
ЗМЕНШЕННЯ ТРИВАЛОСТІ РОЗРЯДНИХ СТРУМІВ І ПІДВИЩЕННЯ ІМПУЛЬСНОЇ ПОТУЖНОСТІ
В ЕЛЕКТРОІСКРОВОМУ НАВАНТАЖЕННІ З НЕЛІНІЙНИМ ОПОРОМ
Н.І. Супруновська, канд.техн.наук
Інститут електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна, email: ednat1@gmail.com
Виконано моделювання та аналіз перехідних процесів розряду конденсатора на електроіскрове навантаження, електричний
опір якого залежить від струму й змінюється у часі за законом U-подібної функції. Досліджено зміну середньої імпульсної
потужності в такому навантаженні з урахуванням примусового зменшення тривалості струмів, що протікають у ньому, за
рахунок шунтування навантаження або використання повністю керованого напівпровідникового ключа як розрядного кому-
татора. Виконано порівняння енергетичної ефективності підходів, що застосовуються. Бібл. 10, табл. 2, рис. 6.
Ключові слова: розряд конденсатора, напівпровідниковий ключ, перехідний процес, тривалість імпульсного струму, елект-
роіскрове навантаження.
DECREASE OF DURATION OF DISCHARGE CURRENTS AND INCREASE PULSE POWER IN
ELECTRO-SPARK LOAD WITH NONLINEAR RESISTANCE
N.I. Suprunovska
Institute of Electrodynamics National Academy of Science of Ukraine,
pr. Peremohy, 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine, email: ednat1@gmail.com
Simulation and analysis of transient processes at discharge of capacitor on electro-spark load, resistance of which is a function of
current and changes under law U-like function are performed. Fulfilled studies revealed the advisability of decreasing of transient
duration in electro-discharge systems, which use discharge of capacitive energy storage on load with nonlinear resistance. The
method for forced limitation of duration of discharge currents and increasing pulse power in electro-spark load is substantiated. This
method consists in a changing of discharge circuit configuration of capacitive energy storage. The analysis of transient processes at
bridging of electro-spark load by additional thyristor commutator, which is switched on at inadmissible discharge currents of over-
long-duration in this load is carried out. The investigation of changing of pulse power dissipated in electro-spark load is fulfilled
taking into account increasing of this load resistance and duration currents flowing in it. It was also studied the duration changing
of pulse currents and pulse power in a load due to using a fully-controllable semi-conductor switch (for example GTO-module). The
energy-effectiveness evaluation such method is made. References 10, tables 2, figures 6.
Key words: capacitor discharge, semi-conducting switch, transient process, duration of a pulse current, electro-spark load.
1. Suprunovskaia N.I. Transient processes during capacitor discharge on electro-spark load and duration limitation of pulse
current flowing in it // Tekhnichna elektrodynamika. – 2008. – № 5. – Pp. 20 – 26. (Rus)
2. Suprunovskaia N.I., Podoltsev А.D., Shevchenko N.I. Simulation and analysis of pulse processes in electro-spark load and dis-
charge circuit of capacitor // Tekhnichna elektrodynamika. Tematychnyi vypusk "Sylova elektronika i enerhoefektyvnist". – 2008. –
Vol. 3. – Pp. 109 – 114. (Rus)
3. Shidlovskii A.K., Suprunovskaia N.I. Power processes in electrical circuits of discharge-pulse installations with capaci-
tive energy storage at limitation of its discharge duration on electro-spark load and non-zero conditions its charge // Tekhnichna elek-
trodynamika. – 2010. – №1. – Pp. 42 – 48. (Rus)
4. Shidlovskii A.K., Shcherba A.A., Suprunovskaia N.I. Power processes in the electro-pulse installations with capacitive en-
ergy storages. – Kiev: Interkontinental-Ukraina, 2009. – 208 p. (Rus)
5. Shcherba A.A., Suprunovskaia N.I. Increase regularities of speed of discharge currents rise in a load at limiting of their
maximum values // Tekhnichna elektrodynamika. – 2012. – № 5. – Pp. 3 – 9. (Rus)
6. Shcherba A.A., Suprunovskaia N.I., Sinitsin V.K., Ivashchenko D.S. Aperiodic and oscillatory processes of discharge of
the capacitor at forced limiting of duration of currents in a load // Tekhnichna elektrodynamika. – 2012. – № 3. – Pp. 9 – 10. (Rus)
7. Shcherba A.A. Principles of construction and stabilization of parameters of semi-conductor electro-pulse systems for
electro-spark dispersion of current-conducting materials layer // Sbornik nauchnykh trudov. Stabilizatsiia parametrov elektricheskoi
energii. – Kiev: Institut elektrodimamiki Akademii nauk Ukrainy, 1991. – Pp. 12 – 30. (Rus)
8. Casanueva R., Azcondo F.J., Branas C., Bracho S. Analysis, design and experimental results of a high-frequency power supply
for spark erosion // IEEE Transactions on Power Electronics, 2005. – Vol. 20. – Iss 2. – Pp. 361 – 369.
9. Sen B., Kiyawat N., Singh P.K., Mitra S., Ye J.H., Purkait P. Developments in electric power supply configurations for
electrical-discharge-machining (EDM) // The Fifth International Conference on Power Electronics and Drive Systems, 2003. PEDS
2003. – Vol. 1. – Pp. 659 – 664.
10. Mysinski W. Power supply unit for an electric discharge machine // 13th European Conference on Power Electronics
and Applications, 2009. EPE '09. – Pp. 1–7.
Надійшла 20.12.2012
Received 20.12.2012
|