Образовательный форум Филиала УрФУ имени первогого Президента России Б.Н.Ельцина (Краснотурьинск)

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ФОРМЫ ТОКА В АЛЮМИНИЕВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Никонов Г., Бисеров А., Пучнин Д., Белоусов М.
Филиал УГТУ – УПИ в г. Краснотурьинске

Во время проведения экспериментов выяснилось, что если источник тока создаёт ток пилообразной формы, то трансформатор, подключенный к нему через конденсатор, может под действием этих особых импульсов попасть в состояние частичного самопитания при подключенной нагрузке из ламп накаливания. Под самопитанием подразумевается сильное падение численных значений тока, потребляемого от источника тока при почти неизменном значении напряжения. Ток может быть замерен амперметром тепловой системы, имеющим диапазон частот от 50 Гц до 7 мГц, так как в этом случае прибор показывает среднее значение силы тока, независящей, при его применении, от формы тока. В качестве преобразователей могут быть применены схемы, содержащие силовые тиристоры. Как выяснилось, в схеме собственно преобразователя желателен трансформатор на сердечнике из текстурованной, трансформаторной ленточной стали, свёрнутой в виде рулона. Форма тока – «пила» с выбросами.

Если преобразователь выдаёт импульсы переменного направления прямоугольной формы, то их можно преобразовать в пилообразные импульсы двух направлений с помощью включенной цепочки из дросселя и конденсатора соответствующей ёмкости. Пилообразные импульсы можно снимать с конденсатора. Наиболее проста схема, дающая пилообразный ток, это схема параллельного инвертора. Далее речь идёт о параллельных инверторах.
Можно иметь преобразователь тиристорный с коммутирующими конденсаторами, которые включены каждый параллельно двум полуобмоткам двухтактного выходного трансформатора или автотрансформатора (а не один конденсатор, шунтирующий целиком всю обмотку, как это свойственно традиционной схеме параллельного инвертора [1]). Такой преобразователь создаёт пилообразные импульсы, которые и нужны для постановки трансформатора (трансформаторов) на частичное самопитание. Необходимы тиристоры с максимальным обратным напряжением. Тиристоры можно соединять в виде цепочки с целью повышения обратного напряжения. Обратное напряжение должно быть, по крайней мере, в двадцать пять раз быть выше рабочего. Применение шунтирующих защитных диодов не желательно, так как вместо пилообразных получаются трапецеидальные или «заваленные» импульсы, «тупые» импульсы, которые не столь эффективны. В случае если применить трансформатор с малым количеством витков в первичных обмотках, то придётся иметь коммутирующие конденсаторы большой ёмкости и ёмкость их может оказаться значительной величины. Если же применить трансформатор с повышенным количеством витков в первичной обмотке, то ёмкость коммутирующих конденсаторов имеет меньшее значение, поэтому преобразователь будет иметь приемлемые габариты. Но в этом случае несколько возрастают импульсы обратного напряжения на анодах тиристоров. Тиристоры могут иметь класс 12 (1200 Вольт). При этом они могут выйти из строя, если рабочее напряжение преобразователя превысит 55 Вольт, так как при подключении «самопитающегося» трансформатора через конденсатор, и совпадении частоты преобразователя с одной из частот этой подключенной цепочки, импульсы обратного напряжения могут возрасти, что и приведёт к «пробою» тиристоров. Следовательно, нужны были бы тиристоры с обратным напряжением 1800 Вольт (18 класс по напряжению). Но необходим ещё и дополнительный резерв (двукратный). В этом случае нужно будет увеличить количество обмоток трансформатора цепей управления, и, применить, скажем, по два последовательно соединённые тиристора в каждом из плечей параллельного инвертора.
При входном напряжении преобразователя 220 Вольт нужны две тиристорные цепочки по 8 тиристоров в каждой (правое и левое плечо параллельного инвертера) из тиристоров 18 класса напряжения. Отсюда и требования к изоляции отдельных витков и обмотки в целом для инвертерного трансформатора. 220 Вольт * 25 = 5500 Вольт. Таково обратное напряжение. Запас при восьми тиристорах 18 класса составит (1800 * 8) – 5500 = 8900 Вольт. А с тиристорами 12 класса (1200 * 8) – 5500 = 4100 Вольт. Лучше иметь первоначальный повышенный запас по напряжению, чем выбрасывать потом тиристоры. Входные трансформаторы для каждого тиристора маленькие (тиристоры Т – 161), вторичные обмотки необходимо мотать проводом в пластмассовой изоляции (фторопластовой). Необходимо правильно произвести «фазировку» обмоток этих трансформаторов, иначе преобразователь не будет запускаться. В опытах применялся инвертерный тороидальный автотрансформатор с полуобмотками на 125 Вольт, а в качестве «самопитающегося» автотрансформатора применялся РНО – 250 – 5, который подключался через конденсаторы 10 мкф, 5 мкф или 2,5 мкф (в разных опытах) к концам суммарной обмотки тороидального автотрансформатора. Частота инвертора оставалась неизменной, около 250 Герц. К РНО – 250 – 5 была подключена нагрузка в виде ламп накаливания 315 Ватт. Напряжение питания инвертора – около 42 Вольт. Обратное напряжение тиристоров – 1200 Вольт. С ёмкостью 2,5 мкф наблюдались резонансные явления увеличения амплитуды колебаний, так как параллельно двум контурам полуобмоток тороидального трансформатора был подключен последовательный колебательный контур РНО – 250 – 5. Резонанс во втором контуре оказывает влияние на первые два контура. Чтобы работать в подобном режиме, необходим существенный запас по обратному напряжению. Обратное напряжение на тиристорах может быть уменьшено путём включения конденсатора параллельно каждому из тиристоров (1 мкф). Ёмкость каждого из двух коммутаторных конденсаторов, включённых параллельно полуобмоткам тороидального трансформатора, составляла 30 мкф. Отдельная проверка, с помощью генератора Г3 – 7А, автотрансформатора РНО – 250 – 5 с подключенной нагрузкой из ламп накаливания в 315 Ватт и конденсаторами 5 мкф, 2,5 мкф показала соответствующие значения частоты резонанса 135 Гц, 250 Гц. Следовательно, инвертор инициирует феррорезонанс в последовательном силовом колебательном контуре, но контур оказывает влияние на инвертор в виде увеличения амплитуды колебаний при феррорезонансе и это может приводить к пробою тиристоров, если суммарное обратное напряжение для последовательно включённых тиристоров является недостаточным.
Опыты проводились с тиристорами Т – 160, Т – 161, (ТЧ – 50). Первые два типа тиристоров включаются напряжением, всего лишь 0,2 – 0,4 Вольта. Поэтому легко управлять частотой преобразователей, а в качестве управляющего использовать синусоидальное напряжение! Задающий частоту генератор собирается по схеме «биений» между кварцевым высокостабильным генератором и генератором, частота которого может быть изменена с помощью варикапа. То есть, изменяя постоянное напряжение (для варикапа), изменяем, его ёмкость и можем программно или в реальном времени управлять частотой инвертора. Поэтому, для уменьшения габаритов всех устройств, можно перейти от 50-100 Гц к частоте 200 – 450 Гц. Существуют специальные стали для сердечников (лента), которые очень эффективны на частоте 400 Гц (ранее маркировка стали, была, - Э340). Если, предположим, электролизное производство основывать на этом направлении, то все электродвигатели на предприятии можно постепенно заменить 400-герцными электродвигателями. Главное, что уменьшаются габариты и вес не только двигателей, но и трансформаторов, поэтому, понижая напряжение с помощью трансформаторов (400 Гц), двигатели можно применять с низким напряжением питания, вероятность пробоев изоляции в этом случае уменьшается. При частоте 400 Гц, даже, в некоторых случаях применять, возможно, магнетитовые трансформаторы или автотрансформаторы (многовитковые) на ферритах-магнитодиэлектриках с магнитной проницаемостью 4000.
Инвертор работает на токе одного направления, поэтому, после выпрямительного моста Латура желательно установить приемлемую батарею электролитических конденсаторов, для, хотя бы, небольшого сглаживания питающего напряжения. В случае питания выпрямленным током от схемы Ларионова, конденсаторов не потребуется. Таким образом, преобразователь позволит из 220 Вольт получить 800 - 1000 Вольт с помощью тиристорных цепочек, конденсаторов и автотрансформатора (трансформатора).
Предполагается, что на КПП можно взять переменное напряжение 220 Вольт до схемы Ларионова, преобразовать, запустить цепи «самопитания», а затем выпрямить (для всех трёх фаз) с помощью другой схемы Ларионова и «влить», как «ручеёк», в общую «реку» энергопитания электролиза после существующей схемы Ларионова. Снабдить системой защит, так чтобы новые цепи не могли нанести «вреда», существующим на КПП традиционным цепям. Непрерывность основного потока электроэнергии должна быть незыблемой. Поэтому и предлагается подобные новые системы включать не последовательно, а параллельно, с уже существующими энергопитающими цепями.
Чтобы не испортить собранную схему при первом включении, необходимо подключить к ней нагрузку, и входное напряжение питания увеличивать постепенно, начиная с 12-20 Вольт. С помощью осциллографа желательно контролировать форму импульсов, замерять пики обратного напряжения. С целью уменьшения выбросов обратного напряжения на анодах тиристоров, следует зашунтировать тиристоры конденсаторами небольшой ёмкости, по сравнению с ёмкостью коммутирующих конденсаторов (конденсаторов, которые предназначены для принудительного закрывания тиристоров). Напряжение на управляющие электроды тиристоров следует подавать через маломощные диоды для исключения значений отрицательного напряжения на управляющих электродах тиристоров. Недопустимо наличие отрицательных напряжений одновременно на управляющих электродах и анодах тиристоров, так как это приводит к необратимому выходу тиристоров из строя.
«Железные» трансформаторы обеспечивают работу в области низких частот 100 – 500 Гц в схемах параллельных инверторов. Мощные трансформаторы (300 кило-Ватт) могут содержать в преобразованном напряжении компоненту 1000 кило-Герц при частоте входного тока 50 Гц. Люминисцентная лампа ЛБ – 40 запускается без стартера и дросселя через конденсатор 10 мкф от подобного напряжения 230-240 Вольт! И это явление можно использовать для практической «разбраковки» трансформаторных сталей. Если переменный ток 50 Гц с компонентой 1000 килоГерц пропускать через пробный трансформатор, то ЛБ – 40 не запускается, если применена трансформаторная сталь с повышенной магнитной проницаемостью (ХВП, Э – 310, 3416 и другие), но если ЛБ – 40 запускается, то сталь - с обычной магнитной проницаемостью. Первую можно применить для торо-образного инверторного широкополосного трансформатора. Вторую – для «самопитающегося» трансформатора (автотрансформатора). Со сталями второго типа возникающий феррорезонанс имеет более выраженное значение частоты, что легко обнаруживается путём подбора последовательно-включённого конденсатора. Рост нагрузки трансформатора приводит к росту подобной частоты. Поэтому лучше иметь инвертор с возможностью подрегулировки его частоты.
На конференции в бывших «Турьинских рудниках», посвящённой 150-летию со дня рождения Евграфа Степановича Фёдорова, было сделано сообщение об особой форме магнетита местной шахты «Северопесчанская». Часть добываемого магнетита в нераздробленной форме обладает тем свойством, что имеет повышенное электросопротивление из-за примесей по границам зёрен, и, такой магнетит может быть применён в виде более крупных фракций для сердечников трансформаторов.
Поиск в «Интернете» на слово гелий приводит к тому, что на одном из сайтов имеется информация об обнаружении в магнетите небольших количеств гелия. Следовательно, природный ферримагнетик - магнетит должен содержать псевдомезоатомные структуры. Одна из гипотез состоит в том, что, как известно из опубликованных в открытой печати работ «Объединённого института ядерных исследований» (например, симпозиума по холодному синтезу в г. Гатчина), гелий 4 способствует «прилипанию» мюонов к ядрам атомов на время жизни мюонов 2*10-6 сек. Мюоны почти не подвержены сильному взаимодействию, поэтому поле сил сильного взаимодействия не может продлить им существенно время жизни, как это происходит в случае нейтронов и мезонов. В книге учёных Урала «Гипотеза структуры пространства» (Шипицин, Живодеров, Горбич) упоминается, легко протекающий в Субрешётке пространства, механизм ротаций нейтрино (кольцевая диффузия). В этом литературном источнике мюон представлен, как совокупность кварк+антикварк+мюонное нейтрино (аналогично – электрон). Пусть к ядрам железа уже «прилипли» пионы (кварк+антикварк), тогда в магнитном поле возможно кратковременное преобразование пиона в мюон и появление дополнительного не спаренного спина атома. Следовательно, появятся, в возбуждающей магнитное поле катушке, кратковременные сигналы, определяемые временем жизни возникшего мюона. Это и происходит в магнетите (частота ~ 1 мГц).
Аналогичное явление в сталях (сигнал около 1 мГц из стальных сердечников). Но всё предыдущее развитие производства магнитомягких электротехнических сталей направлено на получение более чистых кремнистых сталей с высокой магнитной проницаемостью и пониженной коэрцитивной силой. Таким образом, все усилия направлены были на сужение петли гистерезиса по горизонтали. Площадь петли, как известно, определяет энергетические затраты на перемагничивание ферромагнитного материала. Существуют стали, имеющие более широкую петлю по горизонтали, но более узкую по вертикали, что приводит к одинаковым затратам на перемагничивание. Подобные материалы не применяются в качестве электротехнических. Тем не менее, их применение позволило бы при одинаковых затратах на перемагничивание материала, иметь повышенные спиновые отклики (импульсы энергии) в возбуждающей магнитное поле обмотке.
Опыты показывают, что в особых колебательных режимах (феррорезонансе) происходит увеличение площади под кривой тока (при намотке обмотки «виток к витку») или появление явных дополнительных импульсов (при многослойной намотке ). Важно усилить подобные явления. Этого можно достичь, применив не традиционные материалы для изготовления трансформаторов, что устранит основной недостаток – многокаскадность феррорезонансных систем «сбора» дополнительных спиновых откликов. К одному преобразователю, создающему пилообразный ток, можно будет подключить параллельно, а не последовательно (через конденсаторы), несколько более лёгких и более эффективных трансформаторов, которые могут быть изготовлены с применением стальных сердечников из материалов не традиционного состава. Сталь, прокатываемая при комнатной температуре, может иметь повышенный процент примесей ( марганец и другие). Приведены примеси, которые усиливают отпускную хрупкость II – рода (обратимую отпускную хрупкость). Но более новая мера борьбы с этой хрупкостью – это закалка хромистой стали с температуры 1100ºC без утечки слабых электротоков с изделия на Землю. Следовательно, эти примеси способствуют перераспределению гелия 4 в стали и возникновению дополнительного количества псевдомезоатомов железа и хрома, как чётных элементов Таблицы Д.И.Менделеева. При этом растёт Hc – коэрцитивная сила и ширина петли гистерезиса. После закалки без утечки слабых токов падает Hc, причём так, что образец уже нельзя намагнитить с помощью сильного постоянного магнита. Предлагается, методом подбора выявить соответствующий состав стали, при котором возрастёт, количество псевдомезоатомов в стали, но площадь петли гистерезиса будет иметь приемлемое значение. Собственно, подобные стали – это У9А, У10А. Из этих сталей получают и тонкую проволоку для изготовления пружин. Если эту проволоку снабдить диэлектрическими покрытиями, то «бухту» этой проволоки можно использовать в качестве сердечника особого трансформатора. Здесь также должна быть решена проблема получения благоприятной текстуры для облегчения перемагничивания. В итоге, может быть изготовлен проволочный псевдомонокристальный феррорезонансный автотрансформатор или трансформатор. Несколько таких автотрансформаторов могут быть подключены через конденсаторы к одному преобразователю, содержащему автотрансформатор, но на сердечнике, изготовленном на основе высококачественной традиционной электротехнической стали.
Потери на перемагничивание определяются площадью петли гистерезиса. Если при той же площади петли гистерезиса, произойдёт её расширение по горизонтали и сужение по вертикали, то это отразится на магнитной проницаемости материала сердечника. Магнитная проницаемость уменьшится. Следовательно, диапазон частот расширится. Импульс с крутыми фронтами, выражаемый соответствующей функцией, может быть разложен в ряд Фурье и представлен, как совокупность косинусоид, имеющих всё большую и большую частоту. Понижение магнитной проницаемости может играть положительную роль, так как именно высокочастотные составляющие дают свой вклад в увеличение площади под кривой импульса.
Атомы некоторых элементов, присутствующих в сплавах железа, играют роль, своего рода коллекторов, сборников растворённого в сплавах гелия 4 (например, кремний). Атомы других элементов, наоборот, в этом плане не активны. Способствуют влиянию гелия 4 на атомы железа. Особенно на чётные изотопы железа, которых в природной смеси изотопов железа, содержится очень много в процентном соотношении [2]. Если же железо очищать от гелия 4, то магнитная проницаемость увеличивается, даже, без повышения концентрации в сплаве кремния. Углерод расширяет по горизонтали петлю гистерезиса, но не увеличивает размер петли по вертикали. Хром, наоборот, сильно увеличивает размер петли по вертикали. Это приводит к недопустимому увеличению площади петли гистерезиса. В связи со сказанным, проверке подлежит лента, лист, проволока конструкционной углеродистой стали обыкновенного качества, группы Б, имеющей гарантированный химический состав (ГОСТ 380 – 88). Кипящая сталь содержит кислород в виде закиси железа FeO (антиферромагнетик) [3,4,5]. Поэтому в «откликах» на возбуждающий импульс (если подразумевать создание «импульсного» автотрансформатора) высокочастотных компонент будет больше.
Отметим, что постановка трансформаторов на «самопитание» - это очень наглядное явление. Ток сильно падает. Ввиду этого и возможно к одному преобразователю подключать через конденсаторы несколько «самопитающихся» трансформаторов. Количество их определяется запасом мощности преобразователя, необходимым в момент первоначального старта системы. И если колебания под нагрузкой установились, то мощность для поддержания колебательного режима уменьшается в 5-6 раз. В этом случае требуется пониженная мощность преобразователя.
Чтобы не увеличивать значительно количество последовательно включённых тиристоров в правом и левом плечах параллельного инвертора, можно применить иное решение, а именно: напряжение 220 Вольт «разбить» на четыре напряжения по 55 Вольт и включить входы четырёх инверторов, рассчитанных на напряжение 55 вольт, последовательно! Выходы их, в зависимости от значений получаемого напряжения, можно соединять параллельно (например, дают более 1000 вольт) или последовательно (если каждый под нагрузкой даёт 250 Вольт). Таким образом, создав массу однотипных ячеек (сотовая система), можно из этих ячеек, как из «кубиков», собрать системы для всех трёх фаз (вместе с устройствами регулирования), после чего пропустить полученную энергию через выпрямительный и фильтрующий каскады. Кроме того, вся система может быть включена параллельно основным выпрямительным каскадам по схеме Ларионова, что возможно, необходимо для повышения надёжности.
Электролиз Холла – Эру изучен уже «вдоль» и «поперёк», поэтому ещё одна возможность, - это уменьшать себестоимость продукта за счёт довоспроизводства технологической электроэнергии с использованием процессов «тонкой» энергетики «продольных» и «поперечных» «нитей мироздания» [6] или структуры пространства и времени (тонких кристаллических структур пространства) [7]. Из доклада следует, что немало труда следует затратить на достижение этого. В частности, проблема применения конденсаторов в преобразователях. Форма тока получается треугольной, если применяются неполярные электролитические конденсаторы на 450-500 Вольт (900-1000 Вольт). Это решение требует применения высоковольтных тиристоров и увеличения количества низковольтных ячеек (ячейка – это небольшой, 60 – 100 кило-Ватт, низковольтный инвертор). При этом должна быть обеспечена, как возможность быстрого доступа для ремонта, так и возможность последующей реконструкции. Отсюда следует необходимость возведения отдельного здания (зданий), в которых возможно размещение всех этих систем.
В качестве примера можно привести эксперимент, в котором использован ток от 300 – киловаттного силового трансформатора, имеющего компоненту с частотой вблизи 1000 кГц. Подобный ток обладает особым преимуществом. Он усиливает феррорезонансные явления в подключенных трансформаторах меньшей мощности. В частности, облегчается загорание сварочной дуги на пониженном в два раза напряжении её питания. Для выявления подобного была собрана схема, в которой обмотка сварочного трансформатора (на 240 Вольт) включалась в сеть через конденсатор и простой тиристорный прерыватель (тиристор Т - 50 в диагонали моста из 4-х диодов типа В – 50, класс 14). Вторичная обмотка сварочного трансформатора содержала количество витков, дающее 16 Вольт. Изменяя момент включения тиристора, можно было инициировать феррорезонанс трансформатора. С понижающей обмотки ток поступал на мост из четырёх диодов ВК2-200, класс 2, затем через дроссель на сварочный электрод. Оказалось, что это простой способ сварки на пониженном напряжении. Обладает меньшими потерями энергии. Но этот способ не удаётся реализовать, если входной ток не содержит компоненту 1000 кГц. В данном случае, эта компонента генерировалась без применения электронных ламп или транзисторов, за счёт естественных явлений в обыкновенной трансформаторной стали («промезоненной» стали, не очищенной при её производстве от гелия 4, не достаточно раскисленной, содержащей FeO). Выявить эту компоненту можно с помощью осциллографа, имеющего каналы «Y», «X» и «Z» по способу разрывов [8].
Строительство систем воспроизводства энергии следует производить сразу с учётом дальнейшей реконструкции. Территориально могут сложиться условия, что на одном из предприятий окажется возможным и необходимым создание подобных систем. Этот момент можно использовать, как «плацдарм» для обмена опытом с другими предприятиями отрасли (компании) и оснащением и других предприятий подобными системами.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Билик Р.В. Импульсные схемы на динисторах и тиристорах. М.. «Наука», 1968 г.,
240 стр. с илл.
2. Вонсовский С.В. Магнетизм микрочастиц. М., «Наука», 1973 г., 280 стр. с илл.
3. Бушманов Б.Н. и Хромов Ю.А. Физика твёрдого тела. Учебное пособие для втузов.
М., «Высш. Школа», 1971. 244 с., с илл.
4. Ермаков С.С. Физика металлов, ч. 1. Л., Изд-во Ленинградского ун-та, 1975. 1-176.
5. Смирнов А.Н. Физика металлов. М., 1971 г., 112 стр. с илл.
6. Шримад – Бхагаватам. Изд-во «Бхактиведанта бук траст» ИСККОН.
7. «Гипотеза структуры пространства». Кафедра молекулярной физики, Физико-технический факультет УГТУ-УПИ, г. Екатеринбург, изд-во «УРГУ», 1996, 128 с.
8. Жеребцов И.П. Радиотехника. М., «Связь», 1964. 664 с., с илл.