СИЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ УСТАНОВКИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА

POWER CONVERTER FOR PRODUCTION METAL POWDERS BY EXPLODING WIRE METHOD

Dmitry Titov

candidate of Science, assistant professor, Institute of Electric Power Engineering, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

Evgeniy Titov

postgraduate student, Institute of Physical and Chemical Technologies and Material Science, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

Artem Ermolaev

postgraduate student, Institute of Electric Power Engineering, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

Представленные результаты научно-исследовательской работы получены при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых (МК-590.2018.8).

АННОТАЦИЯ

В статье предложена модель силового преобразователя для установки, предназначенной для получения нанопорошков методом электровзрыва. Приведены осциллограммы напряжений и токов при электрическом взрыве проводника полученные при моделировании и эксперименте.

ABSTRACT

The article proposes a model of a power converter to produce nanopowders by the method of electric explosion. The oscillograms of voltages and currents are show in the electrical explosion of the conductor in the simulation and experiment.

Ключевые слова: моделирование; силовой преобразователь; электрический взрыв проводника.

Keywords: modeling; power converter; exploding wire method.

Нанонаука и нанотехнология в настоящее время представляют собой одну из наиболее быстро развивающихся областей науки и техники. В последние годы высокодисперсные металлические нано­частицы привлекают большое внимание из-за своих свойств и широко использа, микрожидкостные устройства, биомедицинские и т. д. [1, 2]. Значи­тельные успехи достигнуты в получении наночастиц металлов за счёт примеописывается модель силового преобразователя для экспериментальной установки, предназначенной для получения нанопорошков методом электрического взрыва. На рис. 1 показана функциональная схема установки.

Рисунок 1. Функциональная схема установки

На рис. 2 показано: СУ – система управления, СП – силовой преобразователь, С – емтока, Р – реактор, МПП – механизм подачи проводника, К – силовой ключ.

Алгоритм работы установки следующий: проводник подается МПП в реактор Р, в котором замыкает электроды Э1 и Э2. После замыкания электродов система управления разрешает работу силового преобразователя, который заряжает накопитель С до заранее заданного уровня напряжения. При достижении заданного напряжения на кон­денсаторе система управления замыкает ключ К при этом происходит электрический взрыв проводника в реакторе Р.

Модель силового преобразователя показана на рис. 2.

Рисунок 2. Модель силового преобразователя

На рис. 2 показано: Ugrid – однофазное сетевое напряжение;

T1 – повышающий трансформатор 220/1500 В; элементы D1, D2, C1 и C2 образуют удвоитель напряжения; R – токоограничивающий резистор; C3 – емкостной накопитель энергии 160 мкФ; R_Wire – активное сопротивление взрываемого проводника; VT1- IGTB транзистор; U_goal – задание напряжения при котором происходит разряд; ControlSys – система управления.

Модель позволяет получить осциллограммы тока и напряжения при разном сопротивлении R_Wire, которое зависит от геометрических размеров проводника. При этом максимальная длина проводника для осуществления электрического взрыва определяется по формуле [4, с. 69]:

                                                             (1)

где:   l — длина проводника, мм;

d — диаметр проводника, мм;

e_s — удельная энергия сублимации проводника, Дж/г;

ρ — плотность проводника;

С — ёмкость накопительного элемента, Ф;

U — напряжение на накопительном элементе, В;

Kз — коэффициент запаса от 1 до 3.

На рис. 3-4 изображены осциллограммы напряжения и тока во время процесса электрического взрыва проводника при различных установлен­ных напряжениях разряда, полученные как при моделировании (рис. 3а, 4а), так и в ходе эксперимента (рис. 3б, 4б). Напряжение заряда конденсатора составляло 500 В и 1000 В. В качестве проводника исполь­зовался сплав AISI 316. Длина проводника в реакторе составляла ~ 3 см.

Рисунок 3. Осциллограммы напряжения и тока при напряжении на емкостном накопителе 500В: а) моделирование; б) эксперимент

Рисунок 4. Осциллограммы напряжения и тока при напряжении на емкостном накопителе 1000В а) моделирование; б) эксперимент

Осциллограммы тока и напряжения записаны осциллографом Tektronix TDS2014B. Ток измерялся на токовом шунте, а напряжение - на делителе напряжения. Полученные экспериментальные данные сов­падаюса составляет ~ 10^‑4 с, а мощность - находится в пределах от 1,5 МВт до 4 МВт.

Разработанная модель может использоваться как для определения введенной в проводник энергии, так и для определения токов и напряжений на элементах преобразователя напряжения, чтобы опти­мально выбрать компоненты схемы на этапе проектирования.

Список литературы:

1. Котов Ю.А. Электрический взрыв проволоки - метод получения слабоагрегированных нанопорошков // Российские нанотехнологии. – 2009. – Т. 4. – № 1-2. – С. 40–51.
2. Иванов В.В. Высокопроизводительное получение наноразмерных частиц в импульсно-периодическом многозазорном газоразрядном генераторе // Письма в ЖТФ. – 2016. – Т. 42. – № 16. – С. 95–100.
3. Vollath D. Plasma Synthesis of Nanopowders // Journal of Nanoparticle Research. –2008. - № 10. – P. 39-57.
4. Назаренко О.Б. Формирование наночастиц в условиях электрического взрыва проводников / О.Б. Назаренко, Д.В. Тихонов. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 87 с.