Выберите ваш филиал:
ул. Иркутская, д.3 стр. 20
+7 (495) 788-11-33
пн-пт 9:30-18:00
сб 10:00-17:00
Ярославское ш., д.146, к.1
+7 (495) 788-93-33
пн-пт 9:30-18:00
ул Складочная, 1, стр. 31
+7 (495) 788-07-80
пн-пт 9:30-18:00
МО, п. Трехгорка,
ул. Трехгорная, дом 12
+7 (495) 788-15-16
пн-пт 9:30-18:00
МО, Подольск, пр-т Юных
Ленинцев, д.70, стр. 3
+7 (495) 788-04-80
пн-пт 9:30-18:00
Миллибар - единица давления, равная 0,001 бар или 0,75 мм ртутного столба [...]
ЗЕНОН - Рекламные Поставки
Статьи

Высоковольтные системы откачных постов

Виктор Марков

Высоковольтные системы откачных постов необходимы для проведения основных операций электровакуумного цикла изготовления неоновых ламп, таких как обезгаживание стекла и электродов, а также высокотемпературного нагрева электродов, при котором формируется структура эмиссионного слоя (операция активирования). Очевидно, что технические возможности высоковольтной системы во многом определяют качество неоновой продукции. Поэтому интерес многих специалистов к принципам построения подобных систем отнюдь не случаен.

Проведем анализ существующих решений с целью:

  • оценить их уровень, достоинства и недостатки;
  • выявить новые прогрессивные тенденции в технологии неонового производства.

Высоковольтные системы должны решать следующие функциональные задачи:

  • создание высоковольтного напряжения переменного тока в пределах 10-20 кВ;
  • поддержание тока в нагрузке (неоновой лампе) в пределах от 0 до 1А;
  • дистанционное управление технологическим процессом, включая плавное изменение тока в нагрузке;
  • зашита элементов системы от короткого замыкания и холостого хода;
  • защита откачника от поражения электрическим током.

Дадим краткую характеристику перечисленным задачам.

 

Фото1. Бомбардер фирмы DACO
В большинстве известных систем первые две функции выполняет однофазный электромеханический высоковольтный Трансформатор>трансформатор, работающий на частоте 50 Гц (бомбардер). Конструктивно различают сухие трансформаторы и масляные. Последние более надежны, поскольку масло препятствует перегреву обмотки и снижает опасность высоковольтных пробоев. Основными параметрами таких трансформаторов являются мощность и выходное напряжение холостого хода. Считается, что чем выше значения этих параметров, тем лучше. Однако это не совсем так.

Увеличение мощности позволяет качественно изготавливать трубки больших диаметров, что для большинства производителей не является профильной продукцией. С увеличением мощности появляются также негативные последствия: возрастают индуктивные потери, увеличивается перекос фаз и, как следствие, ухудшается управляемость технологическим процессом при изготовлении трубок малой длины и малого диаметра. Кроме того, такие трансформаторы имеют большие размеры и вес, что вызывает неудобства в эксплуатации. Поэтому для производства трубок с диаметром до 18 мм достаточно мощности не более 10 кВт.

Высокие значения напряжения холостого хода необходимы для изготовления длинных (свыше 3 м) ламп либо одновременно двух ламп с обшей длиной 4 м. Однако использование напряжений свыше 15 кВ увеличивает опасность пробоя стенок лампы. В некоторых случаях (например, сложная конфигурация лампы) даже слюда является слабой зашитой от высоковольтного разряда.

Большинство потребителей отдает предпочтение трансформаторам иностранных фирм ОАСО и ЕС 1_. Однако и в России серийно выпускаются однофазные масляные трансформаторы типа ОМ или ОМП мощностью от 1,25 до 10 кВт и выходным напряжением от 6 до 10 кВ. Они имеют полностью герметичный корпус, работают в любых природно-климатических условиях и предназначены для эксплуатации на электрических линиях железных дорог. Низкое значение напряжения холостого хода легко компенсируется возможностью последовательного соединения вторичных обмоток трансформаторов. При этом происходит удвоение напряжения. По своим технологическим параметрам трансформаторы этой серии, хотя и не уступают импортным аналогам, не являются дефицитными. При этом они имеют более низкую стоимость, что делает их привлекательными для комплектации недорогих отечественных откачных постов.

Фото 2. Бомбардер фирмы EGL

Дистанционное управление технологическим процессом объединяет включение-выключение высокого напряжения и регулировку тока в нагрузке.

Включение-выключение высокого напряжения осуществляется с помощью контакторов, через которые к первичной обмотке трансформаторов подводится напряжение 220 В. Способы управления контакторами относятся к реализации защиты откачника и будут рассмотрены ниже.

В качестве регуляторов тока используют известные в электротехнике решения:

  • дроссель с выдвижным сердечником (choke);
  • дроссель насыщения (Variable-controlled choke);
  • тиристорный регулятор мощности.

Дроссели с выдвижным сердечником, предлагаемые фирмой DACO, представляют собой переменные индуктивные сопротивления в цепи переменного тока. Конструктивно эти дроссели состоят из катушки и стального сердечника. Величина индуктивного сопротивления дросселя прямо пропорциональна магнитному потоку и обратно пропорциональна току. Регулирование достигается изменением магнитного потока при выдвижении сердечника из катушки. Оно требует мышечного напряжения и сопровождается неприятным звуком. Кроме того, диапазон регулирования тока весьма ограничен, что создает трудности при прогреве коротких ламп.

Дроссели насыщения также являются переменными индуктивными сопротивлениями. Их принцип действия основан на изменении индуктивности под действием магнитного потока, создаваемого постоянным током в дополнительной (управляющей) обмотке. Ток управления значительно меньше регулируемого. Изменение тока управления осуществляется относительно маломощными и малогабаритными устройствами, такими как автотрансформаторы и тиристорные регуляторы (диммеры). Дроссели насыщения более удобны в эксплуатации, не шумные и имеют более широкий диапазон регулирования. Подобными регуляторами

комплектуются откачные посты фирмы ЕОТ. Однако описанное решение является более дорогим по сравнению с первым, а преимущества не столь велики.

Оба технических решения являются морально устаревшими и отличаются такими общими недостатками, как большой вес и габариты, ограниченный диапазон регулировки тока и повышенный рабочий шум.

Использование мощных электронных (тиристорных) регуляторов вместо дросселей решает многие проблемы. Существенно уменьшается вес и габариты регуляторов, увеличивается диапазон и плавность регулировки, снижается стоимость. Однако известно, что подобные электронные устройства плохо работают с индуктивной нагрузкой. Наблюдаются большие индуктивные потери в первичной обмотке бомбардера и его магнитопроводе. Вследствие эффекта насыщения магнитопровода наблюдается неравномерный прогрев электродов неоновой лампы, что ухудшает ее качество. Однако эта проблема вполне разрешима. Для нормализации работы электронного регулятора с мощными высоковольтными Трансформаторы>трансформаторами достаточно обеспечить условие ненасыщаемости магнитопровода.

Для этого могут быть использованы: 

  • магнитный шунт или воздушный зазор в магнитопроводе трансформатора;
  • сглаживающий ненасыщаюшийся дроссель.

Фото 3. Сглаживающий дроссель
Регулировка тока с помощью тиристорных регуляторов используется в российских разработках уже в течение 10 лет. Аналогичные системы иностранного производства (например, бомбардер фирмы Siet в России появились значительно позже, поэтому не стоит их воспринимать с точки зрения исключительной новизны.

В большинстве предлагаемых на рынке откачных постов иностранного производства защитные устройства отдельных элементов поста отсутствуют (например, автоматы зашиты: токовые и тепловые), что может привести к выходу их из строя. Отечественные посты снабжены электрической системой управления, исключающей подобные случаи.

Способы защиты откачника от высокого напряжения имеют свое отражение в конструкции высоковольтной системы. Идея защиты проста. Руки откачника должны быть заняты в процессе проведения технологических операций, чтобы исключить малейшую возможность касания оголенных концов высоковольтных проводов.

Фото 4. Бомбардер фирмы Siet
В случае использования чока одна рука лежит на ручке этого устройства, а другая на одном из кранов манифольда. Отсюда следует, что контактор бомбардера может включаться лишь с помощью педального кнопочного устройства. Поэтому комплектовать этим устройством высоковольтные системы с другими видами регуляторов тока нерационально. В случае использования дросселя насыщения и тиристорного регулятора место руки - на регулирующем потенциометре, рядом с которым расположен выключатель высокого напряжения. В каталогах иностранных фирм представлен широкий ассортимент элементов автоматики, но использовать их нужно, руководствуясь принципом целесообразности.

Все сказанное выше относится к области низкочастотной (сетевой) электроники, элементы которой давно не испытывают серьезных изменений. С одной стороны, это хорошо: стандартные технические решения надежны и широко распространены. Однако они имеют слабый потенциал развития. Анализ высоковольтных источников питания лазерных устройств подсказывает, что высоковольтные системы откачных неоновых постов могут и должны создаваться на принципах электроники повышенной промышленной частоты. Речь идет об электронных преобразователях (инверторах). Примерами, понятными для специалистов наружной рекламы, могут служить электронные сварочные аппараты и электронные газосветные трансформаторы.

Фото 5
Прямым аналогом могут служить блоки питания некоторых типов газоразрядных лазеров. Идея использования инверторов для изготовления неоновых ламп принадлежит автору этой статьи и была высказана еще в середине 90-х годов. Спустя несколько лет заработал первый опытный образец, на котором был проверен принцип ионно-плазменной обработки неоновых трубок в разряде повышенной промышленной частоты, отработаны технологические режимы и осмыслены принципы построения подобных систем. Во-первых, электронное устройство должно совмещать все функции высоковольтной системы, описанные в начале статьи. Во-вторых, иметь малые габариты и вес. В-третьих, регулировать выходной ток в широком диапазоне. На основе первого опытного образца инженер Алексей Твердохлеб разработал так называемый электронный бомбардер, который в настоящее время используют ряд московских фирм.

Электронный бамбадер

Конструктивно бомбардер выполнен в виде основного силового блока, измерителя тока и малогабаритного выносного блока управления. Силовой блок содержит источник питания (трехфазный), генератор, инвертор, выходной высокочастотный повышающий трансформатор и приборный вентилятор охлаждения. Выносной блок содержит элементы включения-выключения высокого напряжения и резистор регулировки. Причем коммутирующие элементы выносного блока выполняют и защитную функцию. Дополнительные элементы защиты расположены в силовом блоке. В частности, имеется защита источника питания, а также автоматическая защита от напряжения холостого хода, которая уменьшает опасность пробоя в стенках неоновой лампы. Улучшенная плавность и повышенный диапазон регулировки делают работу откачника намного более комфортной, что уменьшает усталость за долгие часы работы.

Весовые и габаритные параметры бомбардера предельно малы. Вся силовая часть умещается в корпусе системного блока компьютера (фото 5) и может быть без всяких усилий переставлена с места на место. Но не это главное.

В процессе производственной апробации были выявлены особенности, связанные с протеканием физико-химических процессов в плазме газового разряда, что позволяет говорить о коренных изменениях в технологии производства неоновых ламп.

Процесс обезгаживания внутренней полости лампы определяется следующими элементарными процессами:

  • десорбцией газообразных примесей под действием температуры;
  • ионно-плазменным распылением;
  • миграцией органических молекул в пределах обрабатываемой поверхности;
  • деструкцией (разрушением) сложных органических молекул под действием ионной бомбардировки;
  • полимеризацией низкомолекулярных примесей с образованием полимерных, к примеру алмазоподобных, пленок.

Последние два процесса часто называют плазмохимическими реакциями.

Нагрев стекла связан с бомбардировкой ионами и их рекомбинацией (перезарядкой) на внутренней поверхности трубки, а не с теплопередачей. Скорость процесса бомбардировки зависит от частоты разрядного тока, поэтому использование повышенных частот увеличивает скорость нагрева и, следовательно, ускоряет десорбцию примесей с них.

Плазмохимические реакции (деструкция и полимеризация) имеют противоположную направленность. При медленном нагреве в отсутствие кислорода скорость деструкции замедляется практически до нуля, а скорость полимеризации, наоборот, возрастает. Это приводит к тому, что тяжелые молекулы вместо того, чтобы удаляться насосом из лампы, лишь мигрируют с места на место, скапливаясь в зонах с относительно низкой температурой. При этом либо происходит отравление люминофорного слоя, либо образуются темные пятна и кольца алмазоподобных пленок на прозрачном стекле.

При бомбардировке внутренней поверхности лампы ионами разряда повышенной частоты суммарная скорость плазмохимических реакций смешается в сторону деструкции, в результате чего молекулы, обладая большей летучестью, легко удаляются во время откачки.

Бомбардировка положительными ионами электродов происходит под действием электрического поля. В этом случае ионы, ускоренные прикатодной разностью потенциалов, способны выбивать примесные молекулы с поверхности электродов (эффект ионной очистки). В поле разряда повышенной частоты процесс ионной очистки значительно ускоряется. При этом электроды начинают разогреваться и обезгаживаться при меньших значениях тока.

Таким образом, использование разряда повышенной частоты приводит к интенсификации всех элементарных процессов, что способствует улучшению обработки ламп при одновременном уменьшении времени ее проведения.

Рассмотрим влияние высокой частоты на выходные параметры электронного бамбардера.

Зажигание разряда происходит при меньших значениях напряжения, поскольку при увеличении частоты растет скорость распространения стриммерного разряда.

Сопротивление разрядного промежутка при повышенной частоте носит в основном активный характер, поэтому индуктивные потери существенно уменьшаются. Следовательно, мощность высоковольтной системы может быть уменьшена до 5-6 кВт.

Процессы плазменной обработки носят стабильный и управляемый характер в очень широком диапазоне давлений от 0,1 до 15 мм. рт. ст. и токов от 30 до 600 мА.

Итоги

В настоящее время на большинстве неоновых заводов используется высоковольтное оборудование, основанное на морально устаревших технических решениях. Это ограничивает возможности повышения качества, и снижения операционного времени технологического процесса изготовления неоновой продукции.

Потенциал развития сохраняют системы с электронной регулировкой тока, которые могут потеснить с рынка существующее высоковольтное оборудование. Сдерживающим фактором является отсутствие серийного производства.

Высоковольтные системы на основе электронных инверторов - новое перспективное направление в неоновой технологии. Повышение частоты газового разряда интенсифицирует все процессы ионно-плазменной обработки без увеличения потребляемой мощности, что делает высоковольтную систему весьма экономичной.