ELEKTRYKA 2012 Zeszyt 1 (221) Rok LVIII Andrzej KANDYBA, Marian HYLA Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki, Politechnika Śląska w Gliwicach PLAZMOTRON TYPU GLIDARC ZASILANY Z PRZEKSZTAŁTNIKA NAPIĘCIA PRZEMIENNEGO ANALIZA NUMERYCZNA Streszczenie. W artykule opisano strukturę modelu energoelektronicznego układu zasilania plazmotronu typu GlidArc. Przedstawiono elementy składowe modelu oraz wybrane wyniki symulacji komputerowej. Przedstawiono również wnioski wspomagające proces realizacji praktycznej takiego układu. Słowa kluczowe: energoelektronika, układy zasilania, ślizgający się łuk elektryczny GLIDARC TYPE PLASMATRON FED BY AC VOLTAGE SOURCE CONVERTER NUMERICAL ANALYSIS Abstract. In the paper there is described the structure of the energoelectronic power system model of a GlidArc plasmatron. There are presented the model components and some results of computer simulations. There are also given conclusions that support the process of practical implementation of such a system. Keywords: energoelectronics, power system, gliding electrical arc 1. WSTĘP Próby stosowania łuku elektrycznego w inżynierii ochrony środowiska, mimo szerokich możliwości zastosowań, są wciąż na etapie badań. Rozważane są możliwości stosowania plazmy do unieszkodliwiania odpadów stałych, ciekłych i gazowych, a w związku z tym potrzeba konstruowania nowych typów plazmotronów i układów ich zasilania. Usuwanie niepożądanych związków chemicznych z powietrza jest szczególnie kłopotliwe ze względu na ich niewielkie stężenia (często na poziomie kilkuset ppm). W takich przypadkach można zastosować generatory plazmy nierównowagowej, w których wysokonapięciowa plazma o małej gęstości mocy wypełnia całą przestrzeń roboczą plazmotronu, przez którą przepływa oczyszczany gaz. Taki typ plazmotronu można zastosować w procesie usuwania z powietrza par lakierów i rozpuszczalników w lakierniach, usuwania toksycznych związków ze spalin
64 A. Kandyda, M. Hyla dużych silników, np. w generatorach prądotwórczych oraz usuwać niebezpieczne związki chemiczne, jakie powstają w procesie utylizacji środków bojowych [1], [2], [3]. Skuteczność tych procesów wymaga utrzymania właściwej temperatury, a w związku z tym układy zasilania takich plazmotronów powinny być wyposażone w regulatory temperatury, prądu lub mocy łuku. Proponowany model układu zasilania umożliwia analizę (przez symulację komputerową) pracy różnych struktur układów regulacji oraz konfiguracji obwodów mocy. 2. STRUKTURA, MODEL I DZIAŁANIE UKŁADU ZASILANIA Energoelektroniczny układ zasilania plazmotronu zbudowano wykorzystując zintegrowany układ zasilania przedstawiony w pracy [4] i [5], uzupełniony o impulsowy regulator napięcia przemiennego po stronie niskiego napięcia. Podstawowy schemat układu przedstawiono na rysunku 1. Układ składa się z trzech niezależnych regulatorów napięcia zbudowanych z kluczy K1-K4, K2-K5 i K3-K6. Klucze w gałęzi podłużnej i poprzecznej są sterowane impulsowo tak, że zamykając klucz w gałęzi poprzecznej jednocześnie jest otwierany klucz w gałęzi podłużnej i odwrotnie. Regulacja wybranej wielkości jest realizowana przez zmianę wypełnienia impulsów sterujących. Regulator napięcia zasila generator plazmy GP przez trzy jednofazowe transformatory nieliniowe TR (lub alternatywnie nieliniowy transformator trójfazowy). W chwili zgaśnięcia łuku elektrycznego płonącego pomiędzy elektrodami roboczymi E1, E2, E3 (obciążenie połączone jest w trójkąt) transformatory robocze nasycają się i generują trzecią harmoniczną prądu, który zasila wysokonapięciowy transformator zapłonowy TZ inicjujący ponowny zapłon łuku. Trzecia harmoniczna prądu zanika w chwili ponownego zapłonu łuku. Cykl pracy generatora plazmy zależy od długości elektrod roboczych, kąta rozwarcia elektrod i prędkości przepływu gazu. L1 K1 K4 TR GP L2 K2 K5 TR E2 E1 Ez E3 L3 K3 K6 TR RN TZ N Rys. 1. Struktura układu zasilania Fig. 1. Power system structure
Plazmotron typu GLIDARC 65 Model struktury z rysunku 1 składa się z dwóch podsystemów: RN - energoelektronicznego regulatora napięcia przemiennego, składającego się z trzech jednofazowych regulatorów pracujących niezależnie, GP - modelu plazmotronu oraz trzech transformatorów roboczych TR, układ uzupełnia transformator zapłonowy TZ. Na rysunku nie zaznaczono punktów pomiarowych. 2.1. Model układu zasilania Model układu zbudowano w środowisku Matlab Simulink z elementów zawartych w bibliotekach. Na rysunku 2 przedstawiono strukturę jednofazowego regulatora napięcia. K1 Lwe Lwy K4 Nwe Nwy Rys. 2. Model jednofazowego regulatora napięcia Fig. 2. Model of single phase voltage regulator Do budowy regulatora napięcia przemiennego zastosowano idealne klucze (Ideal Switch) oraz model diody (Diode). Model z rysunku 2 odpowiada parom kluczy K1-K4, K2-K5 i K3- K6 z rysunku 1. Sterowanie kluczami jest doprowadzone w miejsce strzałek. Taki model pozwala w łatwy sposób (bez zmiany sterowania) zmienić konfigurację zamieniając idealne klucze modelami tranzystorów. Model ten nie uwzględnia dynamiki zaworów, a przełączanie jest natychmiastowe. Wejście Lwe jest przyłączone do odpowiedniej fazy L1, L2 lub L3, wejście Nwe do przewodu zerowego, odpowiednie Lwy są przyłączone do wejść transformatorów, a wyjście Nwy do transformatora zapłonowego, zgodnie z rysunkiem 1. Transformatory opracowano korzystając z gotowego modelu, wprowadzając odpowiednie parametry. 2.2. Modelowanie plazmotronu Plazmotron GP jest zbudowany z trzech elektrod roboczych E1, E2 i E3, pomiędzy którymi płonie łuk elektryczny, oraz elektrody zapłonowej Ez pracującej tylko podczas
66 A. Kandyda, M. Hyla kolejnych zapłonów łuku w obwodzie głównym. Łuk pomiędzy elektrodami roboczymi płonie zmieniając swoją długość. Za długość początkową przyjęto odległość pomiędzy elektrodami w miejscu zapłonu (najmniejsza odległość). Długość końcowa (w chwili zgaśnięcia łuku) jest ograniczona napięciem źródła. Ponadto, założono stały przepływ gazu oraz liniową zmianę długości łuku [3]. Do modelowania plazmotronu przyjęto model Cassie, w którym założono stałość energii w jednostce objętości i stałość przewodności łuku w jednostce długości. Podstawowym elementem modelu jest blok DEE [6], w którym jest rozwiązywane równanie Cassie na podstawie informacji zewnętrznych o aktualnym napięciu łuku, aktualnej długości łuku oraz informacji o wartości napięcia uzyskanej z bloku sterowania zapłonem (Uz1). Wielkości wprowadzane do modelu łuku są wypracowywane w bloku sterowania plazmotronem. Model trójelektrodowego plazmotronu z elektrodą zapłonową jest przedstawiony na rysunku 3, nie uwzględniono pomiaru prądu na wejściach elektrod roboczych E1 do E3 i zapłonowej Ez. I łuk 1 V U łuk 1 U łuk 3 V I łuk 3 i praca 1 E1 praca 3 i S1 we wy Łuk 1 wy Łuk 3 we S3 S4 Zap 2 Zap 1 Zap 3 E2 E3 S5 S6 Ez U łuk 2 I łuk 2 i praca2 V S2 we wy Łuk 2 Rys. 3. Model plazmotronu Fig. 3. Model of plasmatron Aby odwzorować cykl pracy plazmotronu uwzględniając zapłon, oprócz modelu łuku, zastosowano również idealne klucze sterowane. Zasada działania plazmotronu dla elektrod E1 i E2 jest następująca: w chwili gdy napięcie łuku osiągnie wartość równą napięciu źródła, jest otwierany łącznik S1, co symuluje zgaśnięcie łuku pomiędzy elektrodami E1 i E2. W przewodzie zerowym (rysunek 1) pojawia się trzecia harmoniczna prądu, która zasila transformator zapłonowy. Napięcie transformatora zapłonowego jest mierzone przez moduł sterowania plazmotronem. Pojawienie się trzeciej harmonicznej powoduje zamknięcie kluczy
Plazmotron typu GLIDARC 67 S4 i S5, a klucz S1 dalej pozostaje otwarty. Gdy napięcie pomiędzy elektrodą roboczą E1 i elektrodą zapłonową Ez oraz elektrodą roboczą E2 i elektrodą zapłonową Ez osiągnie wartość zadaną, jest zamykany klucz S1, a otwierane są klucze S4 i S5, co symuluje początek nowego cyklu pracy plazmotronu i zakończenie procesu zapłonu. Dla par elektrod E1-E3 oraz E3-E2 proces przebiega w sposób analogiczny jak dla par elektrod E1-E2. Pracą plazmotronu steruje układ sterowania przedstawiony na rysunku 4. W bloku długość łuku jest zawarta funkcja liniowa odwzorowująca zmianę długości łuku w czasie. Aktualna wartość długości łuku poprzez wyjście (dług 1) jest podawana na wejście podsystemu Łuk1, rysunek 3. dług 1 P Uz 1 długość łuk Zap 1 NOT praca 1 Rys.4. Schemat układu sterowania plazmotronem Fig. 4. Diagram of the control system plasmatron Do następnych faz W bloku długość łuku jest zawarta funkcja liniowa odwzorowująca zmianę długości łuku w czasie. Aktualna wartość długości łuku poprzez wyjście (dług 1) jest podawana na wejście podsystemu Łuk1 rysunek 3. Gdy zostaną spełnione warunki zadane, zostanie uruchomiony proces zapłonu i pracy. W podobny sposób są sterowane kolejne fazy plazmotronu. Podsystemy z rysunków 3 i 4 są połączone w jeden subsystem GP (rysunek 1), w którym można zadać długość elektrod, kąt rozwarcia elektrod oraz prędkość przepływu gazu plazmotwórczego. 3. WYNIKI SYMULACJI Symulacje zostały przeprowadzone w środowisku Matlab 6a metodą ode23tb, ze zmiennym krokiem całkowania. Wybrane wyniki symulacji są przedstawione na rysunku 5a i 5b. Na rysunku 5a przedstawiono: Isf prąd fazowy widziany od strony sieci z zastosowaniem filtrów pojemnościowo-rezystancyjnych, Is prąd fazowy widziany od strony sieci bez zastosowania filtrów pojemnościowo-rezystancyjnych, Itp prąd fazowy strony pierwotnej transformatora za impulsowym regulatorem napięcia, Itw prąd fazowy strony wtórnej transformatora. Na rysunku można zauważyć wpływ filtrów, RC na kształt prądu widzianego od strony sieci. Zmieniając wartości pojemności i rezystancji filtrów, można wpływać na kształt tych prądów. Prądy transformatorów roboczych za przekształtnikiem energoelektronicznym mają kształt zbliżony do sinusoidalnego, a ich
68 A. Kandyda, M. Hyla wartości zależą od wypełnienia impulsów sterujących. Rysunek 5b przedstawia cykl pracy plazmotronu z uwzględnieniem procesu zapłonu, gdzie: U12 napięcie łuku pomiędzy elektrodami 1 i 2, I12 prąd łuku pomiędzy elektrodami 1 i 2, Uz napięcie zapłonu generowane przez transformator zapłonowy, Iz prąd zasilający transformator zapłonowy, generowany w chwili zgaśnięcia łuku roboczego. Obserwując przebiegi napięcia i prądu łuku, widać, że zwiększa się wartość skuteczna napięcia, a wartość skuteczna prądu zmniejsza w każdym okresie. Jest to efekt wydłużania się łuku związany z kątem rozwarcia elektrod. Długość cyklu pracy zależy od długości elektrod oraz wspomnianego kąta rozwarcia. Transformator zapłonowy pracuje tylko wtedy, gdy gaśnie łuk w obwodzie głównym. Pojawia się trzecia harmoniczna prądu w przewodzie zerowym, a transformator zapłonowy zaczyna generować napięcie o częstotliwości 150 Hz wystarczająco wysokie do ponownego zapłonu łuku. a) b) Rys. 5. Wybrane wyniki symulacji Fig. 5. Selected of simulation results
Plazmotron typu GLIDARC 69 4. WNIOSKI Z wyników prac związanych z budową modelu układu zasilania obciążonego plazmotronem można wyciągnąć następujące wioski. Opracowany model pozwala na wykonanie analizy pracy układu w różnych warunkach pracy. Symulacje realizowano w celu określenia wpływu układu na sieć zasilającą, przy czym zmieniano częstotliwość impulsów sterujących w granicach od 500 Hz do 4 khz oraz wypełnienie tych impulsów rozumiane jako wypełnienie impulsów sterujących kluczami w gałęzi podłużnej (K1, K2, K3). Im większe wypełnienie, tym wyższe napięcie robocze układu i większa moc w obwodzie łuku. Dobre wyniki uzyskiwano dla wypełnień w zakresie 60 do 100%. Dla takich wypełnień układ pracował poprawnie. Łuk płonął stabilnie, cykl pracy wynikał z parametrów zadanych, a regulację można było realizować w całym zakresie wypełnień (60 100)%. Kształt prądu po stronie pierwotnej zależał od częstotliwości impulsów sterujących, ale powyżej 2 khz wpływ częstotliwości na kształt prądu zmniejszał się niezależnie od wypełnienia. Dla wypełnień poniżej 60% pojawiały się prądy przerywane po stronie pierwotnej i wtórnej transformatora, co uniemożliwiało stabilną pracę układu. Niestabilność pracy układu wynikała również ze zbyt niskiego napięcia, co ograniczało możliwość pracy transformatora zapłonowego. Zastosowanie wejściowych filtrów RC poprawia kształt prądów pobieranych z sieci, jest więc celowe ich wprowadzenie. Parametry tych filtrów zależą od częstotliwości pracy układu, wypełnienia oraz od indukcyjności obwodu. Do modelowania plazmotronu zastosowano matematyczny model łuku Cassie, który w wystarczającym stopniu odwzorowywał łuk w przeprowadzanych analizach układu. W modelu można symulować zmianę długości elektrod, kąt ich rozwarcia oraz prędkość przepływu gazu. Wydaje się jednak, że do dokładniejszej analizy pracy plazmotronu lepszy byłby model Mayra lub zmodyfikowany model Cassie - Mayra. Model Cassie lepiej odwzorowuje zjawiska w pobliżu maksimum prądu, a model Mayra będzie lepszy dla małych wartości prądu i w okolicach przejścia prądu przez zero. Proces zapłonu łuku jest procesem trudnym do modelowania ze względu na krótki czas inicjacji łuku i krótkie stałe czasowe łuku. Proces zapłonu należy powiązać z energią niezbędną do zapłonu, aby lepiej odwzorowywał zjawiska fizyczne występujące podczas zapłonu. BIBLIOGRAFIA 1 Ferenc Z., Kandyba A.: Unieszkodliwianie zanieczyszczeń gazowych w reaktorach plazmowych. Efektywne zarządzanie gospodarką odpadami. VII Międzynarodowe Forum Gospodarki Odpadami. Wydawnictwo Futura, Kalisz-Poznań 2007, s. 659-668.
70 A. Kandyda, M. Hyla 2 Czernichowski A., Czernichowski P., Ferenc Z., Hnatiuc B., Pastva P.: Glidarc-I Assisted destruction of toluene vapors from effluvia, oral and poster presentation, 14th Int. Symp. on Plasma Chemistry, Prague, Czech Republic, August 2-6, 1999, p. 76-80. 3 Stryczeska H. D.: Technologie plazmowe w energetyce i inżynierii środowiska, monografia. Komitet Elektrotechniki PAN, Lublin 2009. 4 Stryczewska H. D.: Elektromagnetyczny układ zasilania reaktorów plazmowych ze ślizgającym się wyładowaniem łukowym Wydawnictwo Uczelniane, Lublin 1998. 5 Komarzyniec G., Stryczewska H. D., Diatczyk J.: Wpływ parametrów źródła zasilającego na charakterystyki reaktora plazmowego ze ślizgającym się łukiem elektrycznym. Przegląd Elektrotechniczny 2008, nr 7, s. 60-63. 6 Schavemaker P. H., Van Der Sluis l.: The arc model blockset. Power and Energy Systems International Conference Crete. Greece 2002, p. 644-648. Wpłynęło do Redakcji dnia 14 stycznia 2012 r. Recenzent: Prof. dr hab. inż. Igor Kurytnik Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2010-2012 jako projekt badawczy nr N N510 214338 Dr inż. Andrzej KANDYBA Dr inż. Marian HYLA Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny Katedra Energoelektroniki Napędu Elektrycznego i Robotyki ul. Krzywoustego 2, 44-100 GLIWICE tel. (032) 2371220; e-mail: adnrzej.kandyba@polsl.pl tel. (032) 2371831; e-mail: marian.hyla@polsl.pl