Электрическая схема генератора импульсов. Схемы простых генераторов импульсов
Требования к генераторам импульсов (ГИ) включают в себя необходимость достижения высокого КПД. Кроме того, они определяются свойствами межэлектродного промежутка (МЭП) – резко нелинейного элемента электрической цепи.
Стабильность импульсов тока – постоянство их длительности зависит от постоянства свойств промежутка и крутизны переднего фронта импульса напряжения. Чем больше эта крутизна, тем стабильнее импульсы тока. Отсюда следует еще одно требование к генераторам импульсов – высокая степень крутизны переднего фронта импульса напряжения.
Подвод импульсов энергии к межэлектродному промежутку при ЭЭО можно осуществить по структурной схеме показанной на рис. 1, а.
Рис.1 Структурные схемы источника питания для установки электроэрозионной обработки и временные диаграммы напряжения и тока
В течение времени τ и коммутатор К замкнут и источник питания отдает нагрузке (МЭМ) мощность Р и, которая в n раз превосходит среднюю мощность за период следования импульсов Т.
Мощность источника питания должна быть равной Р и = I m *U m , где I m и U m – амплитудные значения напряжения и тока в течение импульса. Она расходуется только в промежутке времени τ и.
Если пренебречь потерями в накопителе энергии то отдаваемая накопителем в МЭМ энергия составит A=P и *τ и, а мощность источника P=A/T= P и *τ и /T=P и /n, т.е. при введении в структурную схему накопителя энергии мощность источника может быть уменьшена в n раз.
Схема электроэрозионной установки, обеспечивающая работу с накопителями энергии, приведена на рис. 1, б.
В течение паузы P и *τ и коммутатор К находится в положении 1 и через ограничитель тока накопителем от источника питания потребляется мощность P/n. Накопитель при этом запасает энергию A=P и *τ и, которая при переключении коммутатора К на время импульса τ и в положение 2 отдает мощность P и =A/ τ и.
Работа по этой схеме дает возможность трансформировать мощность источника P=P и /n в мощность, которая расходуется при нагрузке.
Импульсные генераторы различают по принципу действия, конструкции и параметрам импульсов. ГИ условно подразделяют на зависимые, ограниченно-зависимые и независимые. В первых из них параметры генерируемых импульсов определяются физическим состоянием межэлектродного промежутка. В независимых генераторах импульсы не связаны с состоянием МЭП.
Электрическая энергия в накопителе может запасаться в виде электрического поля конденсатора или электромагнитного поля индуктивной катушки. Применяются также комбинированные накопители содержащие активные сопротивления, емкость и индуктивность – релаксационные генераторы (рис. 2).
Рис.2 Принципиальные схемы релаксационных генераторов для установок ЭЭО
В процессе их разрядки расходуется энергия, накопленная в реактивных элементах цепи (конденсаторе или индуктивной катушке).
RC-генератор импульсов (рис. 2, а) состоит из последовательно соединенных источника питания G , ключа К , токоограничивающего сопротивления R 1 и накопительного конденсатора С 1 , подключенного параллельно МЭП.
Емкостной накопитель заряжается от источника питания через ограничивающее сопротивление R 1
благодаря чему заводной ток много меньше тока импульса I
и. Ток зарядки конденсатора определится из соотношения i 1 =(dUc/dτ)*С. Напряжение на конденсаторе 
где U co – начальное напряжение на конденсаторе в момент τ=0. К концу зарядки напряжение U c
будет равно напряжению источника питания. Разрядка происходит в течение времени τ=T
/n
. В случае большой скважности импульсов среднее значение разрядного тока во время прохождения импульса τ и в n
раз больше тока зарядки, поэтому емкостной накопитель является по существу трансформатором тока.
В индуктивном накопителе скорость нарастания тока в индуктивности определяется ее значением и приложенным напряжением. Требуемая сила тока I и
может быть получена и при малых значениях падения напряжения на индуктивности U к < В процессах электроэрозионной обработки более широко применяются генераторы с емкостными накопителем, поскольку индуктивный накопитель уступает емкостному по энергетическим показателям. Схема импульсного LC
-генератора показан на рис. 2, б. Зарядный тока проходит к конденсатору С
от источника питания G
через обмотку вибратора L
. Вначале он притягивает якорь Я
электромагнитного вибратора и увеличивает межэлектродный промежуток, поднимая электрод-инструмент. К концу зарядки конденсатора ток через обмотку вибратора постепенно спадает, удерживающая якорь вибратора электромагнитная сила ослабевает и электроды начинают сближаться, уменьшая МЭП. После пробоя МЭП и прохождения импульса тока цикл работы генератора повторяется. Частота импульсов определяется соотношением L
и C
в цепи генератора. Генераторы, выполненные по такой схеме, имеют высокие КПД и производительность. Введение в зарядную цепь RC-генератора индуктивности (переход к генератору RLC
) повышает КПД генератора, так как в этом случае снижается токограничиваюцее сопротивление. RLC
-генераторы (рис. 2, в) работают при более низком напряжении чем RC-генераторы, так как при наличии резонанса между L
и С
напряжение на конденсаторе-накопителе оказывается больше напряжения источника питания. Уравнение переходного процесса зарядной цепи RLC
-генератора имеет вид Из данного уравнения следует, что заряд конденсатора может происходить по экспоненциальному либо по колебательному закону. Колебательный процесс возникает при . В таком режиме работы зарядной цеп напряжение на конденсаторе в конце зарядного периода τ зар равно почти удвоенной ЭДС. В действительности максимальное напряжение до которого может зарядится конденсатор, зависит от отношения R 1 /(2L 1). В ЭЭО применяется также СС
-генератор импульсов, в котором в качестве токоограничивающего элемента используется конденсатор С 1 . Такой генератор обладает более высоким КПД по сравнению с LC
-генератором с электромагнитным вибратором. Частотные свойства СС
-генераторов определяются в основном частотными характеристиками диодов выпрямителя В
. Основной недостаток релаксационных генераторов – связь частоты импульсов тока с физическим состоянием МЭП. Он может быть устранен, если в разрядную цепь ввести управляемый переключатель, который в заданный момент времени подключал бы к МЭП накопительный конденсатор. Для питания устройств ЭЭО существуют статические генераторы импульсов, регулирующие временные и энергетические параметры в широком диапазоне при отсутствии накопительных элементов. В них легко формируются прямоугольные и униполярные импульсы. По способу генерирования их подразделяют на генераторы с независимым возбуждением, автогенераторы и инверторы. Конструктивно они выполнены в основном на транзисторных или тиристорных приборах. Структурная схема широкодиапазонного генератора импульсов показана на рис. 2.3. Рис.3 Структурная схема широкодиапазонного транзисторного генератора импульсов Она включает в себя источник питания, силовые блоки, число которых может быть равно шести, с разделительным диодом VD, блок поджига, задающий генератор, предварительный усилитель мощности, рабочий промежуток (МЭП), блок защиты от коротких замыканий. В состав силовых блоков и блока поджига включены силовые транзисторы, работающие в ключевом режиме и переключающиеся синхронно от задающего генератора. При включении транзисторов от блока поджига подается маломощный импульс. Он способствует пробою промежутка и формированию низковольтного разряда. До пробоя разделительный диод Д заперт. После пробоя напряжение на промежутке снижается до 40-25 В, диод Д открывается и через промежуток проходит импульс тока, значение которого определяется количеством включенных параллельно силовых блоков. Их синхронное выключение прерывает разряд. При коротком замыкании электродного промежутка МЭП все транзисторы силовых блоков отключаются. Подача импульсов к МЭП возобновляется после ликвидации короткого замыкания. Для ЭЭО металлов импульсами больших энергий с частотой 50-100 Гц используют статические генераторы импульсов – трансформаторы промышленной частоты с вентилем. Импульсы энергии длительностью до миллисекунд получают с помощью генераторов импульсов, которые по принципу работы подразделяют на коммутаторные и индукторные генераторы. Магнитный коммутаторный генератор (МКГ) включает в себя переменно-полюсную магнитную систему на статоре и обмотку на якоре. Обмотка якоря на его окружности распределена неравномерно на узких частях под полюсами, которых у МКГ значительно больше, чем у обычных машин, благодаря чему повышается частота тока генератора. При вращении якоря генератора в его обмотке, расположенной на узком участке напротив полюсов индуктора, в момент прохождения его переменнополюсного индуктора индуцируется симметричная импульсная ЭДС. Униполяризацию импульсов производят с помощью расположенного на одном валу с якорем коллектора (коммутатора), состоящего из двух систем сегментов с наложенными на них щетками. Наличие пауз между импульсами облегчает коммутацию поскольку переход щеток с одной системы сегментов на другую происходит в момент отсутствия напряжения в обмотке якоря. Машинный индукторный генератор импульсов (МТИ) – электрическая машина бесколлекторного типа, вырабатывающая переменное напряжение повышенной частоты. Его основная особенность – отсутствие вращающейся полюсной системы, которая заменена зубчатым индуктором. Обмотка якоря и возбуждение расположены на статоре генератора. Переменный магнитный поток возникает за счет изменения сопротивления магнитной цепи генератора, обусловленного зубчатостью вращающегося индуктора. Вследствие применения зубчатого индуктора получают несимметричную кривую переменного напряжения с различными амплитудами полуволн положительной и отрицательной полярности. При достаточно малой амплитуде обратной полуволны напряжения пробой МЭП происходит только при импульсах напряжений прямой полярности, в результате чего импульсы тока всегда будут униполярными. Промышленные источники питания установок ЭЭО
. Тиристорный генератор импульсов типа TГ-250-0,15М предназначен для преобразования трехфазного переменного тока промышленной частоты в импульсный ток частотой 150 Гц с регилируемой скважностью. Он применяется в качестве источника питания технологическим током электроэрозионных станков моделей 4723, 4А724, 4Д723, 4Д26. Максимальная производительность станка при питании его от тиристорного генератора импульсов составляет 4000 мм 3 /мин в случае обработке стали 45 медными инструментом и 3500 мм 3 /мин при обработке графитовым инструментом. В состав генератора импульсов входят блоки вентилей, поджига, управления, регулятора подоги и сопротивлений, а также трансформаторы и индуктивные балластные сопротивления. Блок вентилей собран по схеме трехфазного полу-управляемого моста на диодах и тиристорах. Блок поджига синхронно с силовыми генерирует высоковольтные импульсы амплитудой 400-500 В, которые пробивают эрозионный промежуток и формируют низковольтный разряд. Для автоматического поддержания рабочего расстояния эрозионного промежутка предусмотрен блок регулирования подачи с обратной связью по напряжению. Конструктивно генератор импульсов выполнен в виде металлического шкафа двухстороннего обслуживания. Охлаждение воздушное принудительное. Изготовитель – ПО «Преобразователь», г. Запорожье. Генератор импульсных токов (ГИТ) предназначен для первичного преобразования электрической энергии. Включает электрическую сеть переменного тока частотой 50 Гц, высоковольтный трансформатор, выпрямитель, токоограничивающее устройство, аппаратуру защиты. В ГИТе выделяют зарядный и разрядный контуры, которые связаны между собой батареей конденсаторов. ГИТ, являющийся источником питания, связан с технологическим блоком через разрядный контур. Импульсные генераторы характеризуются следующими основными параметрами: напряжением на батарее конденсаторов U,
электрической емкостью батареи С, накопленной в конденсаторах энергией W н,
энергией в импульсе W 0
частотой следования импульсов υ. Назначение зарядного контура - заряжание батареи конденсаторов до заданного напряжения. Контур включает токоограничивающее устройство, повышающий трансформаторе и высоковольтный выпрямитель. Для выпрямления зарядного тока применяют селеновые или кремниевые столбы. Высоковольтным трансформатором исходное напряжение питающей сети 380/220 В повышается до (2-70) 10 3 В. В схеме L - С – D
имеем ή 3 > 50 %. При применении генераторов импульсных токов значительны потери энергии на стадии формирования разряда. Этого недостатка лишена распространенная система, в которой сочетаются генераторы импульсных токов и напряжения (рис. 30). В этой системе пробой формирующего промежутка производится за счет энергии конденсаторной батареи генератора напряжения, что создает токопроводящий канал в основном рабочем промежутке и обеспечивает выделение основной энергии разряда в разрядном промежутке генератора импульсных токов. Характерное для такой системы соотношение электрических напряжений и емкостей составляет: » при где индекс 1 соответствует генератору напряжений, а индекс 2 - генератору токов. Так, к примеру
Энергетические и массогабаритные показатели генератора существенно зависят от высоковольтного трансформатора и выпрямителя. Коэффициент полезного действия зарядно-выпрямительного устройства повышается при применении высоковольтных кремниевых столбов. Выпрямители имеют высокие характеристические показатели - удельный объем от 0,03 до 0,28 м 3 /кВт и удельную массу 25-151 кг/кВт. В электроимпульсных установках применяются также единые блоки, включающие трансформатор и выпрямитель, что уменьшает основные размеры и упрощает коммутационную сеть. Импульсные конденсаторы предназначены для накопления электрической энергии. Высоковольтные импульсные конденсаторы должны обладать повышенной удельной энергоемкостью, малой внутренней индуктивностью и малым сопротивлением при больших токах разряда, способностью выдерживать многократные циклы заряд-разряд. Основные технические данные импульсных конденсаторов приведены ниже. Напряжение (номинальное), кВ...................................5-50 Емкость (номинальная), мкФ. . ...................................0,5-800 Частота разряда, число импульсов/мин.......................1-780 Ток разряда, кА...............................................................0,5-300 Энергоемкость, Дж/кг....................................................4,3-30 Ресурс, число импульсов...............................................10 э - 3 10 7 Одной из основных характеристик импульсных конденсаторов, влияющей на размеры батареи и электроимпульсной установки в целом, является показатель удельной объемной энергоемкости где Е н
- накапливаемая энергия; V к
- объем конденсатора. Для существующих конденсаторов ω с
= 20 -г 70 кДж/м 3 , что определяет повышенные размеры накопителей. Так объем батареи для Е н
= 100 кДж составляет 1,5-5,0 м 3 . В накопителях установок конденсаторы соединяют в батареи, что обеспечивает суммирование их электрической емкости, которая равна 100-8000 мкФ. Высоковольтные коммутаторы применяются для мгновенного выделения в технологическом узле электрической энергии, накопленной в батарее конденсаторов. Высоковольтные коммутаторы (разрядники)" выполняют две функции: отключают разрядную цепь от накопителя при его заряжании; мгновенно включают накопитель в цепь нагрузки. Возможны различные конструктивные схемы разрядников и соответствующие этим схемам типы коммутаторов: воздушные, вакуумные, газонаполненные, контактные тарельчатые, игнитронные и тригатронные, с твердым диэлектриком. Основные требования к коммутаторам следующие - выдерживать высоковольтное рабочее напряжение без пробоя, иметь малую индуктивность и малое сопротивление, обеспечивать заданную частоту следования импульса тока. В лабораторных электроимпульсных установках применяются преимущественно разрядники воздушного типа, обеспечивающие коммутацию больших энергий при длительном сроке эксплуатации и имеющие сравнительно простую конструктивную схему (рис. 31). Разрядники этого типа имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение: влияние состояния поверхности и состояния атмосферного воздуха (запыленности, влажности, давления) на стабильность воспроизводимого импульса; образуются оксиды азота, оказывающие воздействие на человека; образуется мощное высокочастотное звуковое давление. В промышленных передвижных установках распространение получили механические тарельчатые коммутаторы (см. рис. 31, а).
Разрядники этого типа просты по электрической схеме и конструктивному исполнению, надежны при транспортировке и работе на участках с пересеченным рельефом, но требуют регулярной очистки поверхности тарельчатых элементов. I В состав электроимпульсной установки входят также блоки управления импульсным генератором и технологическим процессом, системы защиты и блокировок, вспомогательные системы, обеспечивающие механизацию и автоматизацию процессов в технологическом узле. Блок управления включает электрические схемы запуска, блокировки и схему формирования импульса синхронизации. Система блокировки служит для «мгновенного отключения высоковольтного напряжения. Система контроля состоит из вольтметра и киповольтметра, указывающих соответственно напряжение сети и на батарее конденсаторов, из индикаторных ламп, звуковых сигналов, а также частотомера. Технологический узел
Технологический узел предназначен для преобразования электрической энергии в другие виды энергии и для передачи преобразованной энергии на объект обработки. Применительно к специфике разрядно-импульсной технологии разрушения горных пород технологический узел включает: рабочую разрядную камеру, рабочий орган в виде электродной системы или электрогидравлического взрывателя, устройство для впуска и выпуска рабочей жидкости и устройство перемещения электродов или взрывающегося проводника (рис. 32). Рабочая разрядная камера заполняется рабочей жидкостью или специальным диэлектрическим составом. Разрядные (рабочие) камеры делят на открытые и закрытые, заглубленные и поверхностные, стационарные, перемешающиеся и выносные. Камеры могут быть одноразовые и многоразовые; вертикальные, горизонтальные и наклонные. Тип и форма рабочей камеры должны обеспечивать максимальное выделение накопленной электрической энергии, максимальный к л.д. преобразования этой энергии в механическую, передачу этой энергии на объект обработки или в заданную его зону. Рабочий технологический орган предназначен для непосредственного преобразования электрической энергии в механическую и для ввода этой энергии в рабочую среду, а через нее - на объект обработки. Тип рабочего органа зависит от используемой в данном технологическом процессе разновидности электрического разряда в жидкости - при свободном формировании разряда рациональны электродные системы (рис. 33, а);
при инициируемом разряде - электрогидравлический взрыватель с взрывающимся проводником (рис. 33,6). Рабочий орган испытывает динамические нагрузки, действие электромагнитного поля и ультрафиолетовых излучений, а также влияние рабочей жидкости. Электродная система применяется при свободном формировании разряда. По конструктивному фактору выделяют стержневые линейные и коаксиальные системы. Наиболее просты по исполнению линейные (противостоящие или параллельные) системы с сочетаниями форм электродов острие - острие и острие - плоскость. Недостатками линейных систем являются их значительная индуктивность (1-10 мкГн) и ненаправленность действия. Более совершенны коаксиальные системы, имеющие малую собственную индуктивность и большой к.п.д. преобразования накопленной электрической энергии в энергию плазмы. Недостаток коаксиальных систем - их малая надежность и недолговечность. Электродная система является технологичной и высокопроизводительной за счет высокой частоты процесса создания механических нагружающих усилий. По числу повторных разрядов выделяют системы разового и многократного действия. Более экономичны и производительны системы многократного действия. Величина энергии, преобразуемой электродной системой, также влияет на конструктивное исполнение и долговечность. В горной промышленности большее применение получили электродные системы, рассчитанные на с частотой следования импульсов 1-12 в минуту. При электрическом разряде из-за тепловых процессов происходит эрозия электродов, интенсивность которой зависит от материала электродов и рабочей жидкости, а также от количества энергии, выделяющейся в канале разряда. Рабочая часть электродов изготавливается из стали Ст3 или Ст45; диаметр выступающей части должен быть более 8 мм при длине не менее 12 мм. В зоне электрода температура плавления железа достигается за 10 -6 с, а температура кипения за 5 10 -6 с. Вызванное этим интенсивное разрушение электрода сопровождается образованием плазменных струй (паров и жидких капель металла). Ослабленной зоной электрода является изоляционный слой на границе выхода стержня - токовода и воды. Основными требованиями к электродной системе являются: высокий коэффициент преобразования электрической энергии, высокие эксплуатационные и технологические показатели, экономически целесообразная стойкость. Наибольшую эрозионную стойкость имеют электроды из сплава меди, карбида вольфрама и никеля. Площадь поверхности катода должна превышать площадь анода в 60-100 раз, что 6 сочетании с подачей положительного импульса напряжения на анод обеспечит снижение потерь энергии на стадии формирования разряда и повысит к.п.д. системы. Рациональный материал изоляции - стеклопластик, вакуумная резина, полиэтилен. Электрогидравлический взрыватель применяется при инициируемом разряде, воспринимает динамические нагрузки, воздействие сильноточных полей и рабочей жидкости, что приводит к разрушению корпуса, изоляции и электрода. В электрогидравлическом взрывателе положительный электрод изолирован от корпуса; взрывающийся проводник устанавливается между электродом и заземленным корпусом, выполняющим роль отрицательного электрода. В зависимости от решаемых технологических задач применяются проводники из меди, алюминия, вольфрама; размеры проводника в пределах диаметр 0,25-2 мм, длина 60-300 мм. Конструкция электрогидравлического взрывателя должна обеспечивать концентрацию энергии в требуемом направлении и формирование цилиндрического по форме фронта ударной волны, а также технологичность операций по установке и замене взрывающегося проводника. Для выполнения части этих требований необходимо, чтобы корпус электрогидравлического взрывателя служил жесткой преградой Для распространяющегося фронта волн. Это обеспечивается применением специальных кумулятивных выемок в корпусе взрывателя и определенного сочетания линейных размеров корпуса и проводника. Так, диаметр корпуса взрывателя должен в 60 раз и более превышать диаметр взрывающегося проводника. В последние годы разработаны новые конструктивные схемы и специальные устройства, повышающие эффективность действия рабочих органов, обеспечивающие направленность действия на объект обработки образуемых волн и гидропотока. К таким устройствам относят пассивные отражающие поверхности, электроды со сложной геометрией, генераторы расходящихся волн. Имеются также устройства для протяжки взрывающегося проводника, что осложняет конструкцию взрывателя, но повышает технологичность процесса. Для непосредственного преобразования энергии электрического разряда в энергию импульса сжатия применяют специальные электровзрывные патроны (рис. 34). Рабочая жидкость, заполняющая технологический узел, играет весьма существенную роль в процессе электрического разряда. Именно в жидкости воспроизводится разряд с непосредственным преобразованием электрической энергии в механическую. В жидкости наблюдается ионизация, а также газовыделение непрореагировавших кислорода и водорода (до 0,5 10 -6 м 3 /кДж), жидкость вовлекается в движение распространяющимся фронтом волн, что образует в технологическом узле гидропоток, способный совершать механическую работу. В качестве рабочей жидкости применяется вода (техническая, морская, дистиллированная) и водные электролиты; углеводородные (керосин, глицерин, масло трансформаторное) и силиконовые (полиметилсилоксаны) жидкости, а также специальные диэлектрические, жидкие и твердые составы. Большее применение получила техническая вода, удельная электрическая проводимость которой составляет (1- 10) См/м. Электрическая проводимость жидкости существенно влияет на величину энергии, необходимой для формирования разряда, так как определяет величину пробойного напряжения и скорость движения стримеров. Минимальная напряженность, при которой возникают стримеры, оценивается в 3,6 10 3 В/мм. Значения удельной электрической проводимости (См/м) некоторых жидкостей, применяемых для заполнения технологического узла, приведены ниже. Техническая вода (водопроводная).........................................................(1-10) 10 -2 Морская вода.............................................................................................1-10 Дистиллированная вода............................................................................4,3 -10 -4 Глицерин.....................................................................................................6,4 10 -6 Видно, что диэлектрические жидкости имеют малую ионную проводимость. Удельное электрическое сопротивление жидкости (р ж) определяет также величину электрического к.п.д. и зависит от величины энергии, вводимой в единицу объема рабочей жидкости. Так, для воды параметр р ж уменьшается с увеличением до значений 500-1000 кДж/ ; с дальнейшим возрастанием W 0 параметр р ж стабилизируется в пределах 10-25 Ом-м. Электрический разряд в жидкости зависит также от плотности рабочей жидкости - с увеличением плотности уменьшаются пик перенапряжений и крутизна спада тока. Чтобы повысить величину напряжения разрядного контура, а соответственно величину напряжения пробоя, следует применять рабочие жидкости с низкой удельной проводимостью (пример - техническую воду). Применение жидкостей с большей проводимостью облегчает процесс образования скользящих разрядов; увеличивает потери энергии на стадии формирования канала и снижает амплитуду ударной волны. В качестве рабочей жидкости используют также вязкие составы (веретенное масло - 70%, алюминиевый порошок - 20%, мел - 10%), что повышает на 20-25 % амплитуду ударной волны и снижает потери энергии. В качестве диэлектрика применяют также металлизированную диэлектрическую нить и бумажные ленты, пропитанные электролитом. Ввод твердого диэлектрика уменьшает общие затраты энергии на пробой (в 4-5 раз), снижает требуемое число стримеров (в 4-6 раз) , уменьшает термическую радиацию и ультрафиолетовое излучение. Введение в поток рабочей жидкости твердых частиц токопроводящих добавок применяют взамен взрывающихся проводников. В данной статье поговорим про импульсный генератор для ячейки Мэйера. Изучая элементную базу электронных плат, на которых были собраны все устройства входящие в состав сложной установки, применяемой Мэйером в водородном генераторе, установленном им на автомобиль, я собрал «главную часть» устройства – импульсный генератор. Все электронные платы выполняют в Ячейке определённые задачи. Электронная часть мобильной установки генератора водорода Мэйера состоит из двух полноценных устройств, оформленных в виде двух независимых блоков. Это блок управления и контроля ячейки, вырабатывающей кислородно-водородную смесь и блок управления и контроля за подачей этой смеси в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Фотография первого представлена ниже. Блок управления и контроля за работой ячейки состоит из устройства вторичного питания обеспечивающего все платы модуля энергией и одиннадцати модулей – плат, состоящих из генераторов импульсов, схем контроля и управления. В этом же блоке, за платами импульсных генераторов находятся импульсные трансформаторы. Один из одиннадцати комплектов: плата импульсного генератора и импульсного трансформатора используется конкретно только для одной пары трубок Ячейки. А поскольку пар трубок одиннадцать, то и генераторов тоже одиннадцать. . Судя по фотографиям, импульсный генератор собран на простейшей элементной базе цифровых логических элементов. Принципиальные схемы, публикуемые на различных сайтах, посвящённых Ячейке Мэйера, по принципу работы не так далеки от её оригинала, за исключением одного – они упрощены и работают бесконтрольно. Другими словами, импульсы подаются на трубки-электроды до той поры, пока не наступит «пауза», которую по своему усмотрению оперативно с помощью регулировки устанавливает конструктор схемы. У Мэйера «пауза» формируется только тогда, когда сама Ячейка, состоящая из двух трубок, сообщит что пора бы эту паузу сделать. Имеется регулировка чувствительности схемы контроля, уровень которой устанавливается оперативно с помощью регулировки. Кроме того, имеется оперативная регулировка длительности «паузы» — времени, в течение которого на ячейку не поступают импульсы. В схеме генератора Мэйера предусмотрена автоматическая регулировка «паузы» в зависимости от необходимости количества вырабатываемого газа. Эта регулировка осуществляется по сигналу, поступающему от блок управления и контроля за подачей топливной смеси в цилиндры ДВС. Чем быстрее вращается двигатель внутреннего сгорания, тем больше расход кислородно-водородной смеси и тем короче «пауза» у всех одиннадцати генераторов. На переднюю панель генератора Мэйера выведены шлицы подстроечных резисторов осуществляющих регулировку частоты импульсов, длительности паузы между пачками импульсов и ручной установки уровня чувствительности схемы контроля. Для репликации опытного импульсного генератора нет необходимости в автоматическом контроле потребности газа и автоматическом регулировании «паузы». Это упрощает электронную схему импульсного генератора. Кроме того, современная электронная база более развита, чем была 30 лет назад, поэтому при наличии более современных микросхем, нет смысла использовать простейшие логические элементы, которые ранее использовал Мэйер. В настоящей статье публикуется схема импульсного генератора, собранного мной, воссоздающего принцип работы генератора ячейки Мэйера. Это не первая моя конструкция импульсного генератора, до неё было ещё две более сложных схемы, способных генерировать импульсы различной формы, с амплитудной, частотной и временной модуляцией, схемами контроля тока нагрузки в цепях трансформатора и самой Ячейки, схемами стабилизации амплитуд импульсов и формы выходного напряжения на Ячейке. В результате исключения, по моему мнению «ненужных» функций получилась простейшая схема, очень похожая на схемы, публикуемые на различных сайтах, но отличающаяся от них наличием схемы контроля тока Ячейки. Как и в других публикуемых схемах, в ячейке имеются два генератора. Первый является генератором – модулятором, формирующим пачки импульсов, а второй генератором импульсов. Особенностью схемы является то, что первый генератор — модулятор работает не в режиме автогенератора, как у других разработчиков схем Ячейки Мейера, а в режиме ждущего генератора. Модулятор работает по следующему принципу: На начальном этапе он разрешает работу генератора, а по достижении непосредственно на пластинах Ячейки определённой амплитуды тока, происходит запрет генерации. В мобильной установке Мэйера в качестве импульсного трансформатора используется тонкий сердечник, а количество витков всех обмоток огромное. Ни в одном патенте не указаны ни размеры сердечника, ни количество витков. В стационарной установке у Мэйера замкнутый торроид с известными размерами и количеством витков. Именно его и решено было использовать. Но поскольку тратить энергию впустую на намагничивание в однотактной схеме генератора это – расточительство, было решено использовать трансформатор с зазором, взяв за основу ферритовый сердечник от строчного трансформатора ТВС-90 применяемого в транзисторных чёрно-белых телевизорах. Он наиболее подходит под параметры, указанные в патентах Мэйера для стационарной установки. Принципиальная электрическая схема Ячейки Мэйера в моём исполнении представлена на рисунке. . Никакой сложности в конструкции генератора импульсов нет. Он собран на банальных микросхемах – таймерах LM555. По причине того, что генератор экспериментальный и неизвестно какие токи нагрузки нас могут ожидать, для надёжности в качестве выходного транзистора VT3 используется IRF. Когда ток Ячейки достигнет определённого порога, при котором происходит разрыв молекул воды, необходимо сделать паузу в подаче импульсов на Ячейку. Для этого служит кремниевый транзистор VT1 — КТ315Б, который запрещает работу генератора. Резистор R13 «Ток срыва генерации» предназначен для установки чувствительности схемы контроля. Переключатель S1 «Длительность грубо» и резистор R2 «Длительность точно» являются оперативными регулировками длительности паузы между пачками импульсов. В соответствии с патентами Мэйера трансформатор имеет две обмотки: первичная содержит 100 витков (для 13 вольт питания) провода ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм, вторичная содержит 600 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,18 мм. При указанных параметрах трансформатора оптимальная частота следования импульсов – 10 кГц. Катушка индуктивности L1 намотана на картонной оправке диаметром 25 мм, и содержит 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм. Теперь, когда вы всё это «проглотили», произведём разбор полётов этой схемы. С данной схемой я не применял дополнительных схем повышающих выход газа, потому что в мобильной Ячейке Мэйера их не наблюдается, конечно не считая лазерной стимуляции. Или я забыл сходить со своей Ячейкой к «бабке – шептунье», чтобы она нашептала высокую производительность Ячейки, или не правильно выбрал трансформатор, но КПД установки получился очень низкий, а сам трансформатор сильно нагревался. Учитывая, что сопротивление воды мало, сама Ячейка не способна выступать в качестве накопительного конденсатора. Ячейка просто не работала по тому «сценарию» который описывал Мэйер. Поэтому я добавил в схему дополнительный конденсатор С11. Только в этом случае на осциллограмме выходного напряжения появилась форма сигнала, с выраженным процессом накопления. Почему я поставил его не параллельно Ячейке, а через дроссель? Схема контроля тока ячейки должна отслеживать резкое повышение этого тока, а конденсатор будет препятствовать этому своим зарядом. Катушка уменьшает влияние С11 на схему контроля. Я использовал простую воду из под крана, использовал и свежее дистиллированную. Как я только не извращался, но затраты энергии при фиксированной производительности были в три — четыре раза выше, чем напрямую от аккумулятора через ограничительный резистор. Сопротивление воды в ячейке настолько мало, что повышение импульсного напряжения трансформатором, с лёгкостью гасилось на малом сопротивлении, заставляя магнитопровод трансформатора сильно нагреваться. Возможно, предположить, что вся причина в том, что я использовал трансформатор на феррите, а в мобильной версии Ячейки Мэйера стоят трансформаторы, у которых сердечник почти отсутствует. Он больше выполняет функцию каркаса. Не трудно понять, что Мэйер компенсировал малую толщину сердечника большим количеством витков, тем самым увеличив индуктивность обмоток. Но сопротивление воды от этого не увеличится, поэтому и напряжение, о котором пишет Мэйер, не поднимется до описываемого в патентах значения. С целью повышения КПД я решил «выкинуть» из схемы трансформатор, на котором происходит потеря энергии. Принципиальная электрическая схема Ячейки Мэйера без трансформатора представлена на рисунке. . Так как индуктивность катушки L1 очень маленькая, я так же исключил её из схемы. И «о чудо» установка стала выдавать сравнительно высокий КПД. Я провёл эксперименты и пришел к выводу, что на заданный объём газа установка затрачивает ту же самую энергию, что и при электролизе постоянным током, плюс-минус погрешность измерений. То есть я наконец собрал установку, в которой не происходит потерь энергии. Но зачем она нужна, если напрямую от аккумулятора точно такие же затраты энергии? Завершим тему очень маленького сопротивления воды. Сама Ячейка не способна работать в качестве накопительного конденсатора потому, что вода, которая выступает в качестве диэлектрика конденсатора, быть им не может – она проводит ток. Для того, чтобы над ней совершался процесс электролиза – разложения на кислород и водород, она должна быть проводящей. Получается неразрешимое противоречие, которое возможно разрешить только по одному пути: Отказаться от версии «Ячейка-конденсатор». Накопления в Ячейке подобно конденсатору происходить не может, это Миф! Если учитывать площадь обкладок конденсатора образованного поверхностями трубок, то даже при воздушном диэлектрике ёмкость ничтожно мала, а здесь в качестве диэлектрика выступает вода со своим малым активным сопротивлением. Не верите? Возьмите учебник физики и посчитайте ёмкость. Можно предположить, что накопление происходит на катушке L1, но этого также не может быть по той причине, что её индуктивность также очень мала для частоты порядка 10 кГц. Индуктивность трансформатора на несколько порядков выше. Можно даже задуматься над тем, зачем её с малой индуктивностью вообще «воткнули» в схему. Кто-то скажет, что всё чудо в бифилярной намотке. В том виде, в каком она представлена в патентах Мэйером, толку от неё не будет. Бифилярная намотка применяется в защитных фильтрах питания, не одного и того же проводника, а противоположных по фазе и предназначена для подавления высоких частот. Она даже имеется во всех без исключения блоках питания компьютеров и ноутбуков. А для одного и того же проводника, бифилярная намотка делается в проволочном резисторе, для подавления индуктивных свойств самого резистора. Бифилярная намотка может использоваться в качестве фильтра, защищающего выходной транзистор, не пропускающего мощные СВЧ-импульсы в схему генератора, подаваемые от источника этих импульсов непосредственно на Ячейку. Кстати и катушка L1 является отличным фильтром для СВЧ. Первая схема импульсного генератора, которая использует повышающий трансформатор – правильная, только чего-то не хватает между транзистором VT3 и самой Ячейкой. Этому я посвящу следующую статью. Импульсный генератор тока Импульсный генератор тока – это аппарат, генерирующий импульсы тока большой силы. Импульсные генераторы тока применяются при испытании высоковольтной техники и при изучении электрических разрядов. Также при соединении импульсного генератора тока с импульсным генератором напряжения получается прибор, способный создать искусственную молнию. В состав импульсного генератора тока входят параллельно соединенные конденсаторы, выпрямитель и искровой зарядник. Сначала конденсаторы медленно заряжают до такого напряжения, величина которого не превосходит величины напряжения пробоя разрядника. После этого на поджигающий электрод разрядника происходит подача импульса напряжения, вследствие чего происходит пробой разрядника. Затем конденсаторы разряжаются на испытуемый объект. Для увеличения значения тока нужно снизить индуктивность и увеличить емкость, для этого необходимо максимально приблизить конденсаторы к испытуемому прибору. Приложение 5
Кривые предельных кратностей тока трансформаторов тока 10 кВ и 35 кВ
На рис. П5.1, а показаны кривые предельных кратностей тока ТТ типа ТПЛ-10 при допустимой погрешности 10 %: 1 - для ТТ с коэффициентами трансформации от 5/5 до 300/5 класса Р; 2 - для ТТ с коэффициентами Генератор постоянного тока
Генератор постоянного тока – это машина, способная преобразовывать механическую энергию вращения в электрическую энергию постоянного тока.История создания генераторов постоянного токаВ 1831 г. Майкл Фарадей открыл закон магнитной индукции, Импульсный генератор напряжения
Импульсный генератор напряжения – это аппарат, в задачи которого входит создание электрических импульсов высокого напряжения и их генерирование с амплитудой до 10 000 000 В.В состав импульсного генератора напряжения входит группа Импульсный модулятор
Импульсный модулятор – это специальный прибор какой-либо импульсной станции, в задачи которого входит контролирование работы генератора высокочастотных колебаний.Импульсный модулятор состоит из высоковольтного выпрямителя, катушки Импульсный трансформатор
Импульсный трансформатор – это высокочастотный трансформатор. Используется для передачи сигналов малой мощности в широком диапазоне частот без искажения формы импульса, для создания импульсов высокого напряжения, изменения полярности Источники тока
Источники тока – это особые аппараты, способные создать электрическое поле в проводнике, а также электрическую сеть.В 1786 г. итальянский ученый Л. Гальвано выпустил книгу, в которой рассматривал воздействие электрического тока на живые организмы. Книга Импульсный ракетный двигатель
Импульсный ракетный двигатель – ракетный двигатель, который сообщает аппарату импульс, обусловленный кратковременным созданием значительной тяги. Режим работы такого двигателя состоит из многочисленных коротких по времени импульсов, Генератор, в зависимости от напряжения источника питания, вырабатывает высоковольтные импульсы амплитудой до 25 кВ. Он может работать от гальванической батареи на 6В (четыре элемента типа "А"), аккумуляторной батареи на 6... 12В, бортовой сети автомобиля, лабораторного источника питания до 15В. Диапазон применения достаточно широк: электроизгороди на ферме для животных, зажигалка для газа, электрошоковое средство защиты, и др. При изготовлении подобных устройств наибольшие трудности вызывает высоковольтный трансформатор. Даже при удачном изготовлении он не отличается надежностью и часто выходит из строя от сырости или из-за пробоя изоляции между катушками. Попытка сделать высоковольтный генератор на основе диодного умножителя напряжения тоже не всегда дает положительный результат. Проще всего использовать готовый высоковольтный трансформатор - автомобильную катушку зажигания от автомобиля с классической системой зажигания. Этот трансформатор отличается высокой надежностью и может работать даже в самых не благоприятных полевых условиях. Конструкция катушки зажигания рассчитана на жесткую эксплуатацию в любых погодных условиях. Принципиальная схема генератора показана на рисунке. На транзисторах VT1 и VT2 сделан несимметричный мультивибратор, он вырабатывает импульсы частотой около 500 Гц. Эти импульсы протекают через коллекторную нагрузку транзистора VT2 - первичную обмотку катушки зажигания. В результате в её вторичной обмотке, имеющей значительно большее число витков, наводится переменное импульсное высоковольтное напряжение. Это напряжение поступает на разрядник, если это средство самозащиты или зажигалка для газа, или на электроизгородь. В этом случае на изгородь подается напряжение с центрального вывода катушки зажигания (с того вывода, с которого напряжение поступает на распределитель и свечи), а общий плюс схемы нужно заземлить. Если генератор будет использоваться как средство самозащиты, его удобнее всего сделать в виде палки. Взять пластмассовую или металлическую трубку такого диаметра, чтобы в неё туго вставлялась катушка зажигания своим металлическим корпусом. В остальном пространстве трубы расположить батареи питания и транзисторы. S1 в этом случае - приборная кнопка. Верхнюю часть корпуса катушки придется переделать. Удобнее всего взять штепсельную вилку старого образца для сети 220В, с вывинчивающимися контактами. Отверстие под провод в ней нужно рассверлить так, чтобы в него плотно входила часть катушки зажигания с высоковольтным контактом. Затем нужно вывести монтажные провода от этого контакта и от общего плюса схемы и по самым краям вилки их подвести к штыревым контактами вилки. Затем эту вилку нужно промазать эпоксидным клеем в рассверленном отверстии под провод и туго насадить на пластмассовый корпус высоковольтного контакта катушки. Под штыревые контакты вилки нужно привинтить разрядные лепестки, расстояние между которыми должно быть около 15 мм. Катушка зажигания может быть любая от контактной системы зажигания (от электронной не подходит), желательно импортная, - она меньше по размерам и лете. Настройка заключается в подборе номинала R1 таким образом, чтобы между разрядными лепестками был надежный электрический разряд.
(3.23)
Завершение
Послесловие
Статьи по теме
