Автоматизации параметров и режимов работы электролизно-водных генераторов работающих в агрессивных средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Тиканов, Александр Александрович

• Тиканов, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тиканов, Александр Александрович

Введение.

Глава 1 Современное состояние исследований и разработок электролизно-водных генераторов для сварки и пайки. ^

1.1 Состояние исследования и разработки электролизно-водных генераторов.

1.2 Постановка задачи диссертации и ее общая характеристика

Глава 2 Научное обоснование выбора структурной схемы генератора и его элементной базы.

2.1 Автоматизация выбора структурной схемы генератора.

2.2 Обоснование выбора конструкционных параметров и оптимального режима электропитания электролизера ЭВГ

2.3 Научное обоснование системы датчиков и защитных 39 автоматизированных устройств ЭВГ.

2.3.1 Система датчиков давления в ЭВГ.

2.3.2 Система датчиков температуры в ЭВГ.

2.3.3 Комплекс датчиков устройств системы защиты от обратного удара.

2.3.4 Экспериментальная модель элекролизно-водного генератора «АГАТ-П», разработанная при непосредственном участии автора.

Глава 3 Научное обоснование принципов построения и разработки системы автоматического управления и защиты аппаратов на основе ЭВГ большой мощности.

3.1 Разработка системы электропитания и управления ЭВГ большой мощности.

3.2 Исследования электромагнитных процессов в системах электропитания и управления ЭВГ.

3.3 Анализ уровня радиопомех и выбор схемы помехоподавляющего устройства.

3.4 Автоматизация управления электротехнологическими установками на базе ЭВГ с применением микроЭВМ.

3.5 Методика расчета количества пластин и производительности электролизера генератора большой мощности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизации параметров и режимов работы электролизно-водных генераторов работающих в агрессивных средах»

Актуальность проблемы.

Возможность и целесообразность использования электролизно-водных генераторов в технологии газопламенной обработки материалов и, в частности, для сварки и пайки металлов обсуждается в научной и технической литературе уже с 70-х - 80-х годов прошлого века. Повышенный интерес к данному научно-техническому направлению связан, прежде всего, с тем, что горючим материалом в установках в электролизно-водных генераторах (ЭВГ) является не традиционный органический материал (ацетилен, пропан, бензин и др.), а кислородно-водородная смесь, получаемая путем электролитического разложения воды. При сгорании кислородно-водородной смеси вновь образуется вода. Таким образом, в технологическом процессе практически (за исключением случаев использования органических горючих материалов в качестве добавок для изменения характера пламени (окислительный, восстановительный, нейтральный)) исключается использование органических горючих материалов, стоимость которых непрерывно растет. Очень важным социальным фактором является улучшение экологической обстановки в месте проведения паяльно-сварочных работ, поскольку в процессе горения образуются лишь пары воды. Учитывая, что химическая активность среды характерна для многих процессов бытового обслуживания - в жидкостных процессах обработки изделий, на участках подготовки и жидкостной обработки кожевенного сырья, химическая активность рабочих жидкостей вынуждает изготавливать аппараты из нержавеющих материалов и средства автоматики выносят в отдельные помещения, кроме того, в коммунальном хозяйстве приходится выполнять сварочные работа в стесненных условиях - в помещениях малого объема, в текстильном производстве при большой запыленности производственных помещений взвешенными частицами отходов производства. Обращает на себя внимание и чрезвычайно широкий диапазон возможного уменьшения массо-габаритных и улучшения энергетических характеристик установок на базе ЭВГ, поскольку это зависит лишь от величины активной площади электролизера. Известны случаи реализации технологических установок от стационарных до переносных и миниатюрных вариантов, где электролизер совмещен конструктивно с газовой горелкой. Однако, судя по числу научных и практических публикаций, наиболее востребованными в настоящее время являются переносные и передвижные установки мощностью в несколько киловатт. Что касается теплофизических параметров пламени таких установок, то здесь мы имеем значительное расширение возможностей газопламенной обработки материалов и изделий. С помощью установок на базе ЭВГ возможно не только производить все виды работ, которые осуществляются на обычном газосварочном оборудовании, но и значительно продвинуться в область, где необходимо сочетание высоких температур (в факеле такого пламени зафиксированы температуры более 3000°С) и малых размеров активной зоны. Особенность использования ЭВГ в составе газопламенной установки для производства паяльно-сварочных работ состоит в том, что, во-первых, режим его работы должен легко и в широких пределах перестраиваться и, во-вторых, осуществляться это должно с помощью горелки, которая может находиться на большом расстоянии (обычно 5-10 м) от генератора. Так как в ЭВГ мы имеем дело с газовой смесью, отличающейся чрезвычайно высокой взрывоопасностью и рабочей жидкостью электролизера является концентрированный раствор щелочи (КОН или NaOH), то ЭВГ для производства паяльно-сварочных работ должен быть оснащен весьма сложной и надежной системой защиты и автоматического регулирования, включающего ряд датчиков состояния электролизера и газотранспортной системы в целом (температура, давление, взрывоопасность и др.). Последнее обстоятельство ограничивает использование этого сравнительно дешевого и простого способа получения пламени для локального нагрева при пайке и сварке. Поэтому создание и автоматизация управления ЭВГ, обеспечивающих достаточную безопасность работы и охраны окружающей среды при длительной эксплуатации, стабильность и автоматическую регулировку параметров пламени является актуальной.

Целью работы является исследование и повышение качества и надежности разработанных систем автоматизации поддержания заданных параметров и процессов работы электротехнологических установок большой мощности на базе электролизно-водного генератора кислородно-водородной смеси газов.

Методы исследований основаны на анализе и синтезе структурных схем генераторов кислородно-водородной смеси классическим методом, физическом и математическом моделировании систем автоматизации.

Научная новизна. На основании проведенных исследований впервые составлена структурная схема ЭВГ с двухуровневой газотранспортной системой, разработана новая и обширная система датчиков для контроля параметров с целью осуществления автоматизации управления процессом производства газовой смеси и обеспечения защиты оборудования при нарушении технологического процесса, впервые предложено применение трехфазных вариантов схем тиристорного управления и защиты с применением микроЭВМ для установок большой мощности. Разработаны методики анализа схем управления и проектирования ЭВГ большой мощности.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в разработке более совершенных и эффективных методов и средств автоматизации контроля управления режимами ЭВГ, установок на его основе, исследовании и разработке систем управления и защиты установок средней и большой мощности применительно к производству товаров народного потребления, автосервису и ремонту бытовой техники, в условиях, связанных с трудностями обеспечения мер безопасности.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы построения средств контроля параметров ЭВГ и защиты элементов электрооборудования в эксплуатационных и аварийных режимах.

2. Принципы совмещения функций регулирования, коммутации и защиты ЭВГ схемными решениями с использованием одних и тех же элементов полупроводниковой электроники.

3. Разработана новая система управления, контроля и защиты электролизно-водных установок большой мощности с применением микроЭВМ.

4. Методики проектирования элементов электрооборудования ЭВГ, которые могут быть использованы при построении конструкции электролизера.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на VIII межвузовской научной конференции «Современные средства управления бытовой техникой» (2006 г.).

Результаты исследований использованы при разработке лабораторных работ курса «Основы функционирования систем сервиса» в ИГУПИТ, а также в МПО «Гидромаш».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка литературы, включающего 42 наименования и приложения. Работа изложена на 133 страницах текста, содержит 57 рисунков, 14 таблиц, а также результатов практического внедрения научных результатов работы.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Тиканов, Александр Александрович

Выводы по главе 3.

1. Предложен принцип совмещения функций регулирования, коммутации и защиты электролизно-водного генератора одними и теми же элементами полупроводниковой электроники.

2. Произведен анализ схемных решений и электромагнитных процессов в системах управления ЭВГ, получены аналитические выражения токов и напряжений, позволяющие обоснованно выбрать элементы электрооборудования и обеспечить оптимальное управление ЭВГ большой мощности.

3. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что для тиристорных преобразователей при работе с ЭВГ эффективным средством помехоподавления, обеспечивающим требования общесоюзных норм, является П-образный фильтр с электрическими параметрами: L = 20 мкГ, С = 2 мкФ.

4. Предложен принцип управления параметрами ЭВГ и защиты элементов электрооборудования, а также автоматизации режимов работы сварочных аппаратов на базе ЭВГ с применением микроЭВМ.

5. Предложена методика расчета количества пластин и производительности электролизера генератора большой мощности при однофазной и трехфазной сети.

1. На базе анализа литературных данных и результатов ранее нами проведенных исследований составлена структурная схема электролизно-водного генератора, основной функциональной особенностью которой является двухуровневая (по давлению) газотранспортная система.

2. Показана целесообразность питания электролизера постоянным током оптимальной величины с помощью релейной схемы управления.

3. Анализ энергетических преобразований в электролизере позволил определить предельное значение коэффициента полезного действия электролизно-водного генератора, которое соответствует полученным экспериментальным данным.

4. Разработана система датчиков, обеспечивающих контроль параметров электролизно-водного генератора и используемых для управления процессом производства горюче-газовой смеси и для защиты оборудования при нарушении технологического процесса.

5. Показано, что в условиях работы с агрессивной средой (в нашем1 случае КОН и NaOH) и возможным взрывным характером повышения давления оптимальным является использование оптоэлектронных датчиков. Для контроля статического давления целесообразно использовать линейный датчик на базе «абсолютно гибкой» мембраны и цилиндрической возвратной пружины. Для регистрации волны горения (при возникновении обратного удара) целесообразно использовать датчик с плоской металлической мембраной в области больших перемещений.

6. Обоснована целесообразность использования коллекторного перехода биполярного транзистора в качестве датчика температуры. Предложена методика оценки пригодности и градуировки выбранного биполярного транзистора (по конструктивному исполнению) в качестве линейного датчика температуры.

7. Предложен принцип совмещения функций регулирования, коммутации и защиты электролизно-водного генератора одними и теми же элементами полупроводниковой электроники. Произведен анализ схемных решений и электромагнитных процессов в системах управления ЭВГ, получены аналитические выражения токов и напряжений, позволяющие обоснованно выбрать элементы электрооборудования и обеспечить оптимальное управление ЭВГ большой мощности.

8. Предложена методика расчета уровня радиопомех тиристорного преобразователя и разработаны практические рекомендации по подавлению помех для обеспечения требования норм.

9. Предложен принцип управления параметрами ЭВГ и защиты элементов электрооборудования, а также автоматизации режимов работы сварочных аппаратов на базе ЭВГ с применением микроЭВМ.

10. Предложена методика расчета количества пластин и производительность электролизера ЭВГ большой мощности при однофазной и трехфазной сети.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тиканов, Александр Александрович, 2009 год

1. "Прикладная электрохимия", под ред.Н.Т.Кудрявцева. Москва, "Химия", 1975.

2. Корж В.Н., Дыхно С.Л. Обработка металлов водородно-кислородным пламенем. К., "Техника", 1984.

3. В.Н.Хромов и др. Электролизеры для получения водородно-кислородного пламени, применяемого при газопламенной обработке металлов (обзор), "Сварочное производство", 2005, № 5.

4. Варламов И.В., Феоктистов Н.А. Система электропитания, управления и защиты электролизно-водного генератора для пайки и сварки. Журнал «Сварочное производство», М., 1990, № 9.

5. О.Е.Капустин, Ю.К.Родин. Разработка и испытание защитных устройств, предохраняющих газовые системы от распространения взрыва. "Сварочное производство", 1999, № 6.

6. Феоктистов Н.А., Варламов И.В., Теодорович Н.Н. Режимы работы систем управления и источников электропитания бытовых электролизно-водных генераторов. Москва, МГУС, 2004.

7. Варламов И.В, Феоктистов Н.А. и др. Устройство автоматического управления процессом электролиза воды для получения водорода и кислорода. Авт.свид-во № 1754798. Бюлл.изобр. № 30, 1992.

8. Ссылка на отоэлектролизное защитное устройство.

9. Варламов И.В., Феоктистов Н.А., Теодорович Н.Н. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси в технологии пайки и сварки // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. М., МГУс, 2001, № 1.

10. Феоктистов Н.А. Научные основы создания ЭВГ для сварки и пайки. Журнал "Теоретические и прикладные проблемы сервиса", М., 2001, №1.

11. Зане М.И. Сварочные выпрямители. JL, Энергоатомиздат, 1983, 96с.

12. НИИ "Электромера". Полупроводниковые датчики давления, (сайт: www.elektromera.ru).

13. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. Ростов,н/Д.: Феникс, 2005704с.

14. Хренов К.К. Атомно-водородная сварка. Большая Советская Энциклопедия (БСЭ).

15. И.В.Варламов, В.К.Душин "Оптоэлектронный клапан защиты газогенераторных установок от обратного удара" в сб."Электронные приборы и устройства в машинах и аппаратах бытового назначения", МТИ, Москва, 1991.

16. Феоктистов А.Н. "Исследование и разработка систем импульсного и импульсно-фазового управления бытовых электротехнологических установок". Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2006.

17. Андреева JI.E. "Упругие элементы приборов", Машгиз, 1962.

18. И.В.Варламов, А.Н.Феоктистов, Н.А.Феоктистов. К расчету оптоэлектронного датчика давления бытового электролизно-водного генератора обработки металлов", МГУ сервиса, компания АББ.