Система прожига.
Высоковольтный трансформатор (бамбардер)
Высоковольтный однофазный трансформатор предназначен для проведения ионноплазменной обработки неоновых трубок на откачном посту. Суть этой обработк обезгаживание внутренних стенок стеклянной трубки и электродов и активирование рабочей поверхности электродов путем нагрева их в плазме тлеющего разряда в среде остаточных, или технологических газов. Отсюда и основные требования в таким трансформаторам. Для зажигания разряда в технологической среде требуется высокое напряжение холостого хода на уровне 10÷20кВ. При этом, чем меньше это напряжение, тем меньше длина лампы (ламп), которые можно обрабатывать с помощью этого трансформатора. 10кВ позволяют обрабатывать лампы с длиной не более 3п.м. 15÷20кВ обеспечивают общую длину обрабатываемых ламп порядка 4п.м. Практически, длина неоновых ламп не превышает 1,5÷ 1,7п.м. Лампы большей длины трудно перевозить и монтировать. Кроме того, в условиях низких температур, длинные лампы дольше «разгораются» и в них чаще возникает явление, носящее название катафорез (ярко выраженная неравномерность яркости горения). Разумеется, из общего правила всегда есть исключения - так называемые прописи. Длина прописей может достигать трех и более метров. Однако, эти лампы, как правило, обрабатывают «по одной». Таким образом реально величину напряжения холостого хода трансформатора можно ограничить величиной 10÷ 15кВ.
Вторым важнейшим параметром высоковольтного трансформатора является мощность. Величина максимальной мощности зависит от геометрических параметров стеклянных трубок и электродов. Трубки больших диаметров 18мм и более с электродными узлами, рассчитанными на рабочий ток 100÷ 200мА, требуют мощности не менее 4÷ 5кВт. В реальности, кроме активных потерь (расходуемых на нагрев стекла и электродов), при обработке ламп наблюдается большой уровень индуктивных потерь. Поэтому большинство производителей предпочитает использовать трансформаторы с мощностью не менее 10кВт. В этом случае трансформатор при длительной работе меньше греется и все. При небольшой (до 40п.м.) норме выработки ламп, когда трансформатор успевает охладиться между двумя «заправками» ламп, использование мощных трансформаторов нельзя признать оправданным.
Кроме того, трубки больших диаметров используются, в основном, при создании «крышных» установок, которые изготавливаются ограниченным количеством рекламных фирм, да и количество таких установок весьма ограничено. В остальных сегментах неоновых установок используют трубки с диаметром не больше 15мм, а электродные узлы рассчитаны на работу при токах не больше 50мА. В этом случае величину максимальной мощности высоковольтного трансформатора (бомбардера) можно ограничить 2,5÷ 4кВт. Это делает возможным использование недорогих отечественных высоковольтных трансформаторов серии ОМ, ОМП, либо ОЛ. Например, ОМ-1,25, ОЛ-1,25 (1,25кВт), или ОМ-4, ОМП-4 (4кВт), ОМ-10, ОМП-10 (10кВт). Остановимся подробнее на характеристиках трансформаторов этих серий.
Трансформаторы серий ОМ, ОМП, ОЛ это понижающие высоковольтные трансформаторы, предназначенные для работы на железных дорогах. Они позволяют снижать входное напряжение 6÷ 10кВ до сетевого напряжения 220В. Токовые характеристики позволяют использовать эти трансформаторы, как повышающие. Серии ОМ и ОМП это масляные трансформаторы в металлическом корпусе. Они отличаются большой надежностью, и ремонтоспособностью, но имеют относительно большие габариты и вес. Трансформаторы серии ОЛ являются сухими и залиты компаундом. Весогабаритные параметры трансформаторов этой серии значительно меньше, но ремонт таких трансформаторов, практически не возможен. Электрические параметры трансформаторов, указанных серий, практически, идентичны. Каковы же эти параметры? С мощностью все уже ясно. Остается выяснить вопрос с напряжением холостого хода. Большинство трансформаторов указанных серий имеют напряжение холостого хода 10кВ. Для относительно небольшого выпуска ламп (не более 300÷ 800п.м. в месяц) этого вполне достаточно. При большей производительности можно применить схему соединения двух аналогичных трансформаторов. Как видно из приведенного рисунка, если подключить два одинаковых трансформатора параллельно по вторичным обмоткам и последовательно по вторичным, тогда общее напряжение будет 20кВ. Обратите внимание на то, что подключение обмоток обязательно должно быть синфазным.
Схемы управления током в нагрузке
Важным моментом в выборе трансформатора является возможность управления током в нагрузке (неоновой лампе). Необходимость регулирования тока связана с логикой технологического процесса. Задача управления током в нагрузке не совсем тривиальна. Во-первых, как указывалось выше трансформатор и сама нагрузка имеют большую индуктивную составляющую сопротивления. Поэтому, кроме активной составляющей мощности (расходуемой на нагрев и поддержания плазмы в лампе), приходится иметь дело с большой индуктивной составляющей мощности, которая является не только бесполезной, но и вредной. К примеру, она расходуется на нагрев проводов обмоток и на нагрев магнитопровода. Сопротивление лампы носит отрицательный характер, поэтому вся схема становится неустойчивой, особенно в моменты максимальной нагрузки, что выражается в мерцании и срыве газового разряда. Чем выше мощность бомбардера тем сложнее реализация управления током. Это заставляет большинство производителей неонового оборудования прибегать к использованию морально устаревшим техническим средствам, таким, как дроссели с выдвижным сердечником (чок), либо дросселям насыщения (суперчок), в котором комплексное сопротивление дросселя меняется при подаче постоянного напряжения на специальную управляющую обмотку. По существу, чок, либо суперчок образуют с первичной обмоткой трансформатора делитель напряжения переменного тока. При изменении комплексного сопротивления регулирующих элементов (чока или суперчока) меняется напряжение на первичной обмотке, а следовательно и ток в нагрузке. Описанные схемы регулирования имеют ряд недостатков. Во-первых, динамический диапазон регулирования тока достаточно мал, что создает проблемы с обработкой ламп малой длины. Во-вторых, использование регулирующих дросселей увеличивает индуктивную составляющую потерь мощности.
От этих недостатков свободна схема использующая мощный тиристорный регулятор мощности в первичной обмотке трансформатора . Однако, как хорошо известно, такая схема плохо работает на индуктивную нагрузку. Проявляется это в следующем. Во-первых, тиристорный регулятор «портит» форму синусоидального сигнала. Наряду с основной составляющей в спектре входного напряжения наблюдаются так же и более высокочастотные составляющие, способные привести сердечник трансформатора в насыщенное состояние. Поэтому в нагрузке может наблюдаться постоянная составляющая, которая приводит к неравномерности прогрева электродов и, соответственно, к неполному активированию рабочей поверхности одного из них. Во-вторых, может наблюдаться самопроизвольное полное открытие тиристоров. Практика показывает, что эта схема достаточно хорошо работает при мощности трансформатора до 4кВт. При большей мощности в схему приходится включать сглаживающий дроссель, снижающий амплитуду высокочастотных составляющих. Еще большую эффективность показывает схема , в которой используется высоковольтный трансформатор со специальной выходной характеристикой. Примером является трансформатор чешского производства мощностью 5кВт, изготовленный по нашему техзаданию, и показавший прекрасную управляемость при полном отсутствии неравномерности прогрева электродов.
Электронный бомбардер
Описанные выше схемы объединяет использование трансформаторов сетевой частоты 50Гц. Любая модернизация подобных высоковольтных систем не способна кардинально изменить характер протекания физико-химических процессов в неоновой лампе, а следовательно эффективность обработки и операционное время. Для решения проблем увеличения эффективности проведения основных операций электровакуумного цикла, в конце 90-тых годов автором этих строк была предложена идея использовать напряжение повышенной промышленной частоты (20÷ 40кГц). В чем тут, собственно, дело?
Во-первых, высоковольтное напряжение промышленной частоты получают при помощи мощного конвертора (преобразователя напряжения). В этом случае форма выходного напряжения, в отличии от трансформаторов сетевого напряжения, максимально приближена к синусоидальной, то есть реактивная составляющая расходуемой мощности существенно ниже. Поэтому нет необходимости в использовании трансформаторов большой мощности (более 5кВт).
Во-вторых, при увеличении частоты растет скорость распространения волны ионизации вдоль трубки, поэтому для зажигания ламп на посту требуется более низкий уровень напряжения холостого хода.
В-третьих, увеличение частоты способствует росту радиальной составляющей электрического поля в трубке, что увеличивает эффективность ионной бомбардировки обрабатываемых поверхностей. При этом скорость обезгаживания существенно растет, соответственно, время обработки сокращается.
В-четвертых, изменяется кинетика протекания плазмохимических реакций, протекающих в плазме разряда. В частности, снижается скорость полимеризационных процессов, приводящих к росту алмазоподобных пленок и, наоборот, скорость разрушения углеводородных соединений увеличивается. Опыт использования мощных конверторов (электронных) полностью подтвердил теоретические предположения. В настоящий момент электронные бомбардеры конструкции инженера Алексея Трердохлеба выпускаются в ограниченных количествах по спец.заказам. Эти бомбардеры имеют (по сравнению с традиционными трансформаторами) существенно меньшие размеры и вес. Выходной ток очень плавно и, практически от нуля, изменяется с помощью встроенной системы регулирования. Бомбардер снабжен различными системами защиты, безопасен в эксплуатации.
На главную
