Устройство для электроимпульсной обработки и дезинтеграции материалов

 

Использование: изобретение относится к электроимпульсной технике и применимо для очистки от поверхностных загрязнений зернистых, порошковых и хлопьеобразных материалов, например нефтешламов, щебня, полиэтилена и других материалов, а также для селективной дезинтетрации руд и горных пород, мульгирования и сверхтонкого измельчения. Устройство обладает повышенной надежностью, увеличенными ресурсами работы и производительностью. Сущность изобретения: основным элементом устройства является трансформатор импульсного напряжения, выполненный по симметричной схеме с двумя разнополярными высоковольтными электродами 1, которые являются вторичными обмотками трансформатора импульсного напряжения. Каждый из электродов 1 пропущен внутри соответствующей секции индукторов, состоящих из замкнутых магнитопроводов 2 с первичными одновитковыми обмотками 3. Обмотки 3 смежных индукторов в двух секциях с одной стороны соединены между собой через импульсный конденсатор 4, а с другой - подключены к двум зарядно-разрядным шинам 5. Последние подключены к силовым выводам симметричного управляемого разрядника 6, и через токоограничивающие дроссели 7 соединены с противофазными выводами высоковольтных обмоток 8 силового трансформатора, а через емкостные накопители 9 энергии с электродами 1. Вторые противофазные выводы обмоток 8 силового трансформатора соединены с первичной обмоткой 10 индукционного формирователя 11 запускающих импульсов гистерезисного типа, навитой на торроидальный магнитопровод 12 и имеющий среднюю заземленную точку 13. Вторичная обмотка 14 формирователя 11 с одной стороны заземлена, а с другой подсоединена к управляющему выводу 15 разрядника 6. 4 з. п. ф - лы, 2 ил.

Изобретение относится к электроимпульсной технологии и может быть использовано для очистки нефтешламов и других зернистых, порошкообразных, хлопьеобразных материалов от поверхностных загрязнений, селективного измельчения руд и горных пород, эмульсирования, а также в других областях, где возможно применение электроимпульсной технологии.

Известна электроимпульсная установка содержащая генератор импульсного напряжения (ГИН), параллельно которому подключены высоковольтный электрод, погруженный в заземленную емкость с технической жидкостью, и последовательно соединенные управляемый коммутатор и генератор импульсных токов (ГИТ) с включенным между управляемым коммутатором и источником высоковольтных импульсов блока селекции и выдачи управляющих импульсов [1] Недостатком такой установки является наличие цепей синхронизации работы двух генераторов, что усложняет установку и снижает ее надежность, большие фронты и малая частота следования импульсов в связи с большими промежутками времени, требующимися для дозаряда накопительных конденсаторов, что ограничивает производительность установки, недолговечность работы конденсаторов в связи с их нагревом, являющаяся основной причиной низкой надежности установки. Особенно низкая надежность работы конденсаторов и цепей синхронизации при формировании мощных импульсов с амплитудой порядка 500 мВ и более.

Ряд указанных недостатков устранен в установке для электроимпульсного разрушения материалов, принятой за прототип, и состоящий из индукционного трансформатора, вторичная обмотка которого, одновременно является высоковольтным электродом, нижнее окончание которого погружено в рабочую камеру для дезинтеграции материалов, а верхнее заземлено через высоковольтный сильноточный диод и индукционный измеритель тока, соединенный через усилитель импульсов с генератором импульсного тока, выход которого подсоединен через сильноточный тиристор ко вторичной обмотке (высоковольтному электроду) индукционного трансформатора со стороны ее заземленного конца [2] Такая установка имеет принципиально новые возможности в отношении вариаций режима энерговклада за счет простого управления уровнем напряжения на индукционном трансформаторе и генераторе импульсного тока. Частота следования импульсов десятки Гц, а продолжительность импульсов может быть уменьшена до десятков наносекунд. Однако и эта установка содержит ненадежные и дорогие элементы: высоковольтные сильноточные диод и тиристор, что снижает ресурс работы установки в целом, особенно при формировании импульсов с амплитудой 500 мВ и более.

Целью изобретения является увеличение надежности, ресурса работы и производительности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для электроимпульсной обработки и дезинтеграции материалов, состоящем из трансформатора импульсного напряжения, вторичной обмоткой которого является высоковольтный электрод, погруженный в заземленную рабочую камеру, имеющую загрузочное и разгрузочное отверстие, трансформатор импульсного напряжения выполнен по симметричной схеме с двумя разнополярными высоковольтными электродами, каждый из которых пропущен внутри секции индукторов, состоящих из одинакового числа замкнутых магнитопроводов с первичными одновитковыми обмотками, причем витки смежных индукторов каждой секции с одной стороны соединены между собой через импульсный конденсатор, а с другой стороны подсоединены к двум зарядно-разрядным шинам, подключенным к силовым выводам симметричного управляемого разрядника, кроме того, зарядно-разрядные шины через токоограничивающие дроссели соединены с противофазными выводами высоковольтных обмоток силового трансформатора, а через емкостные накопители энергии с разнополярными высоковольтными электродами, вторые противофазные выводы высоковольтных обмоток силового трансформатора соединены с первичной обмоткой индукционного формирователя запускающих импульсов гистерезисного типа, навитой на торроидальный магнитопровод и имеющей среднюю заземленную точку, вторичная обмотка индукционного формирователя с одной стороны заземлена, а с другой подсоединена к управляющему выводу симметричного управляемого разрядника. Важно, что в данном устройстве первичные одновитковые обмотки индукторов могут быть параллельно соединены через импульсные индукторы с зарядно-разрядными шинами.

Кроме того, разнополярные высоковольтные электроды могут быть снабжены сменяемыми наконечниками.

В цепь между точками соединения разнополярных высоковольтных электродов с емкостными накопителями энергии параллельно может быть включен зарядный резистор.

Сменяемые наконечники разнополярных высоковольтных электродов могут быть выполнены в виде металлических нитей или пластин, установленных параллельно.

Новизна и изобретательский уровень предложенного устройства заключается в смене в конструкции известных аналогов и прототипов однополярных электродов и источников импульсного высокого напряжения на разнополярные. Это достигается путем выполнения трансформатора импульсного напряжения по симметричной схеме, снабжением его двумя емкостными накопителями энергии, вариантами соединения первичных одновитковых обмоток с зарядно-разрядными шинами, применением в электрической схеме симметричного управляемого разрядника, индукционного формирователя гистерезисного типа и силового трансформатора с противофазными выводами. Кроме того, высоковольтные электроды устройства снабжены сменяемыми наконечниками, которые в зависимости от обрабатываемого материала и по мере электроэрозионного износа могут быть заменены. Выполнение сменяемых наконечников высоковольтных электродов в виде металлических нитей или пластин, установленных параллельно, обеспечит возможность электроимпульсной обработки различных материалов. Например, сыпучих песка, алмазной и стеклянной пыли и т.д. в режиме электрической поляризации. При использовании в качестве рабочей среды непроводящего постоянный ток газа или масла в цепь между разнополярными высоковольтными электродами и емкостными накопителями энергии параллельно может быть включен зарядный резистор.

На фиг. 1 показана общая схема предлагаемого устройства.

Устройство для электроимпульсной обработки и дезинтеграции материалов состоит из трансформатора импульсного напряжения, выполненного по симметричной схеме с двумя разнополярными высоковольтными электродами 1, являющимися вторичными обмотками, и двумя секциями индукторов, состоящих из одинакового числа замкнутых магнитопроводов 2 с первичными обмотками 3. Каждый из разнополярных высоковольтных электродов 1 пропущен внутри соответствующей секции индукторов. Первичные одновитковые обмотки 3, смежных индукторов в двух секциях с одной стороны соединены между собой через импульсный конденсатор 4, а с другой стороны подключены к зарядно-разрядным шинам 5. Зарядно-разрядные шины 5 подключены к силовым выводам симметричного управляемого разрядника 6 и через токоограничивающие дроссели 7 соединены с противофазными выводами высоковольтных обмоток 8 силового трансформатора, а через емкостные накопители 9 энергии с электродами 1. Вторые противофазные выводы обмоток 8 силового трансформатора соединены с первичной обмоткой 10 индукционного формирователя 11 запускающих импульсов гистерезисного типа, навитой на торроидальный магнитопровод 12 и имеющей среднюю заземленную точку 13.

Вторичная обмотка 14 индукционного формирователя 11 с одной стороны заземлена, а с другой стороны подсоединена к управляющему выводу 15 симметричного управляемого разрядника 6.

Рабочие окончания высоковольтных электродов снабжены сменяемыми наконечниками 16, между которыми имеется разрядный промежуток 17, и помещены в камеру 18 обработки и дезинтеграции материала, который подается через загрузочное отверстие 19 и удаляется через разгрузочное отверстие 20.

Дополнительно в предлагаемом устройстве предусмотрено параллельное включение между точками соединения разнополярных высоковольтных электродов 1 с емкостными накопителями 9 энергии зарядного резистора 21. Кроме того, сменяемые наконечники 16 электродов 1 могут быть выполнены нитевидными или пластинообразными.

На фиг. 2 показан вариант параллельного через импульсный конденсатор соединения первичных одновитковых обмоток индукторов в трансформаторе импульсного напряжения с зарядно-разрядными шинами.

Устройство для электроимпульсной обработки и дезинтеграции материалов работает следующим образом.

В рабочую камеру 18 через загрузочное отверстие 19 подается обрабатываемый материал. После подключения к питающей сети напряжение противофазных выводов высоковольтных обмоток 8 силового трансформатора поступает через токоограничивающие дроссели 7 на зарядно-разрядные шины 5. В зависимости от полярности напряжения в первом цикле происходит заряд емкостных накопителей 9 энергии через разнополярные высоковольтные электроды 1 и разрядный водный промежуток 17. Если в камере 18 обработки используется непроводящая постоянный ток рабочая среда, заряд емкостных накопителей 6 происходит через специально включаемый в цепь между высоковольтными электродами 1 и емкостными накопителями 6 зарядный резистор 21. Одновременно с емкостными накопителями 6 заряжаются импульсные конденсаторы 4 установленные в цепи первичных витков 3 трансформатора импульсного напряжения.

В момент, когда напряжение на импульсных конденсаторах 3 и емкостных накопителях 6 достигает максимума и ток заряда меняет свое направление, происходит быстрое перемагничивание торроидального магнитопровода 16 индукционного формирователя 11 и на вторичной его обмотке 14 формируется запускающий импульс, приводящий к срабатыванию симметричного разрядника 6. Ток разряда импульсных конденсаторов 4, протекающий через первичные витки 3 индукторов, перемагничивает кольцевые магнитопроводы 2 и вводит их в насыщение. При этом на разнополярных высоковольтных электродах 1 формируются высоковольтные импульсы напряжения разной полярности с крутыми фронтами. Эти импульсные напряжения, складываясь с напряжением на емкостных накопителях 9 энергии, приводят к пробою разрядного промежутка 17 в камере 18 обработки. В момент пробоя происходит быстрое выделение всей энергии емкостных накопителей в канале образующейся плазмы. Длительность этого процесса определяется формирующей длинной линией с сосредоточенными параметрами и подбирается таким образом, чтобы после завершения процесса электрогидравлической или электроимпульсной обработки прекратилось выделение энергии в канале плазмы. Таким регулированием энерговклада достигается режим минимального шламования, например при селективной дезинтеграции руд.

В следующем цикле описанным процессы повторяются с той лишь разницей, что изменяется полярность зарядного напряжения. При этом в каждом цикле происходит перемагничивание всех замкнутых магнитопроводов 2 с максимальным размахом по петле гистерезиса. Частота работы такого генератора определяется только частотой питающей сети и, в случае питания от промышленной сети 50 Гц, равна 100 Гц за счет чего и повышается производительность.

Нитевидные или пластинообразные электроды применяют для сверхтонкого измельчения материалов, например для получения алмазной пыли. При возникновении в зазоре между нитями сильного импульсного электрического поля с большим градиентом потенциала происходит поляризация частиц вещества, приводящая к их разупрочнению или измельчению, после чего они удаляются через разгрузочное отверстие 20.

Повышение надежности и ресурса работы такого устройства обеспечивается значительным снижением напряжения на емкостных накопительных и импульсных конденсаторах. Например, для формирования импульсов разрядного напряжения 500 кВ и количества кольцевых магнитопроводов в каждой секции по десять, напряжение на емкостных накопителях энергии составит 25 кВ. Это позволит применять конденсаторы при меньшем напряжении по сравнению с предельными паспортными данными.

При соединении первичных одновитковых обмоток 3 индукторов 2 через импульсные конденсаторы 4 параллельно с зарядно-разрядными шинами 5, при том же количестве индукторов возможно получить вдвое большее разрядное напряжение по сравнению с первыми вариантами соединения. Такой эффект возникает за счет того, что удвоенное зарядное напряжение между зарядно-разрядными шинами в режиме разряда полностью приложено на одновитковую обмотку индуктора.

Кроме того, работа импульсных трансформаторов в данном устройстве не требует специальных цепей размагничивания магнитопроводов, как в прототипе.

Указанные преимущества данного устройства позволят широко применять его практически в любых областях, где возможно и целесообразно применение электроимпульсной техники.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ И ДЕЗИНТЕГРАЦИИ МАТЕРИАЛОВ, состоящее из трансформатора импульсного напряжения, вторичной обмоткой которого является высоковольтный электрод, погруженный в заземленную рабочую камеру, имеющую загрузочное и разгрузочное отверстия, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в работе и производительности, трансформатор импульсного напряжения выполнен по симметричной схеме с двумя разнополярными высоковольтными электродами, каждый из которых пропущен внутри секции индукторов, состоящих из одинакового числа замкнутых магнитопроводов с первичными одновитковыми обмотками, причем витки смежных индукторов каждой секции с одной стороны соединены между собой через импульсный конденсатор, а с другой стороны подсоединены к двум зарядно-разрядным шинам, подключенным к силовым выводам симметричного управляемого разрядника, кроме того, зарядно-разрядные шины через токоограничивающие дроссели соединены с противофазными выводами высоковольтных обмоток силового трансформатора, а через емкостные накопители энергии с высоковольтными электродами, вторые противофазные выводы высоковольтных обмоток силового трансформатора соединены с первичной обмоткой индукционного формирователя запускающих импульсов гистерезисного типа, навитой на торроидальный магнитопровод и имеющей среднюю заземленную точку, вторичная обмотка индукционного формирователя с одной стороны заземлена, а с другой подсоединена к управляющему выводу симметричного управляемого разрядка.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первичные одновитковые обмотки индукторов через импульсные конденсаторы параллельно соединены с зарядно-разрядными шинами.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что разнополярные высоковольтные электроды снабжены сменяемыми наконечниками.

4. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что в цепь между точками соединения разнополярных высоковольтных электродов с емкостными накопителями энергии включен зарядный резистор.

5. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что сменяемые наконечники выполнены в виде металлических нитей или пластин, установленных параллельно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2