УДК 621.3.064.4

 

И.А. Бершадский, канд. техн. наук, доц., Е.А. Кравец, студент группи ЭСЭм-11.

(Украина, г.Донецк, Донецкий национальный технический университет)

 

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  ЦЕПЕЙ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ С

ПОМОЩЬЮ МЕТОДА «БЕСКАМЕРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ОЦЕНКИ»

 

Эффективность применения переменных токов высокой частоты определяется тем, что электрические параметры, необходимые для воспламенения газовой смеси, повышаются в цепях с частотами более нескольких кГц [1]. Это в первую очередь связано с интенсивной деионизацией искры при пересечении нулевого уровня тока. Поскольку этот эффект оказался очевидным на частотах до 100 кГц, он был использован для безопасной передачи электрических величин с мощностью, лежащей выше значений, которые могут быть достигнуты на постоянном токе.

Экперименты, проведенные Л.И. Гаврильченко [2], показали, что с увеличением частоты синусоидального напряжения от 30 до 100 кГц искробезопасная мощность цепи увеличивается, а при последующем росте частоты уменьшается.

Рассмотрим влияние частоты на величину искробезопасной мощности в безреактивной цепи при синусоидальном напряжении. Допустим, что независимо от длительности импульса энергия, необходимая для воспламенения газовой смеси при определенных параметрах искрообразующего механизма является неизменной, то есть с увеличением частоты мощность цепи растет при одинаковой энергии, которая передается в течение половины периода. При уменьшении времени до определенного значения полная деионизация плазмы разряда не происходит, а, следовательно, разряд возникает и при изменении полярности напряжения питания. В этом случае в разряде выделяется энергия нескольких импульсов, которая приводит к воспламенению газовой смеси.

Необходимую схему для исследования параметров разряда в искробезопасной цепи синусоидального источника питания высокой частоты  заданной конфигурации можно построить в пакете Simulink - модели программного комплекса MATLAB 6.5. Для каждой модели дугового разряда записывается отдельное дифференциальное уравнение и заносится в редактор DEE.

 

 

Рис. 1 – Расчетная схема для моделирования слаботочной  дуги переменного тока

 

Исследования дуги проводились для следующих параметров, соответствующих экспериментальным данным Гаврильченко [2]: сопротивление цепи R = 85 Ом; индуктивность цепи L = 210, 110, 36, 7 мкГн; скорость размыкания v = 6,5 м/c; исследуемая частота варьируется в пределах от 5000 до 70000 Гц. Один из типовых результатов расчета представлен на цифрограммах (рис.2).

 

 

Рис. 2 – Цифрограммы, полученные при использовании модели model4 для параметров f = 20 кГц, U = 100 B, L = 36 мкГн, imax = 1,87 А

 

 

Рис. 3 – Сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей искробезопасного тока от частоты I(f) в электрической цепи

с индуктивностями а) L=36 мкГн;

 

Из анализа зависимостей рис.3 установлено, что для расчетных схем электрического разряда в переменных высокочастотных и импульсных электрических цепях целесообразно использовать модифицированные модели дуги в виде «черного ящика», учитывающие обобщенные параметры охлаждающей мощности и постоянной времени тепловой ионизации плазмы в зависимости от проводимости дуги. Параметры электрической дуги при питании напряжением высокой частоты показывают, что длительность искрения зависит от числа проходов тока через ноль. Также отмечено, что при одинаковых условиях коммутации dt уменьшается с ростом f.  Начало разряда соответствует tdeb, которое следует за началом коммутации c_break c фазовым сдвигом 202 мкс. С увеличением индуктивности уменьшается частота при которой наступает максимум тока (рис.3). Объяснение этому явлению состоит в том, что при увеличении индуктивности большая часть ее энергии выделяется в искровом разряде и, следовательно, достаточно меньшего количества проходов тока через ноль для достижения энергией разряда опасного значения. Замечено, что при малых значениях индуктивности можно получить десятикратное повышение искробезопасного тока.

 

 

Перечень ссылок

 

1. W. Dill and R. Hauke. Intrinsic safety and high frequency. The ignition behaviour of electrical circuits at frequencies above industrial alternating currents // Ex-Magazine. – 2003. – p. 44-49: [Электр. ресурс] – Режим доступа:

http://www.r-stahl.com/fileadmin/Dateien/ex-zeitschrift/2003/en/11intrinsic_safety_en.pdf.

2.  Гаврильченко Л.И. Искробезопасность при применении токов высокой частоты / Л.И. Гаврильченко // В кн.: Вопросы горной электромеханики. – М.: Углетехиздат, 1959. – С. 51-63.

3. Кравченко В. С. Воспламеняющая способность электрического искрения / В. С. Кравченко // Электричество. – 1952. – №9. – С. 21 –27.