Системы электропитания и управления электролизно-водными генераторами

Российская академия естественных наук 
 
 
 
 
И. В. Варламов, Н. А. Феоктистов 
 
 
 
 
 
 
 
 
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ  
И УПРАВЛЕНИЯ  
ЭЛЕКТРОЛИЗНО-ВОДНЫМИ 
ГЕНЕРАТОРАМИ  
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°» 
2012 

УДК 621.79 
ББК 34.64 
В18 
 
Авторы: 
И. В. Варламов — доктор технических наук, профессор; 
Н. А. Феоктистов — заслуженный работник высшей школы РФ,  
доктор технических наук, профессор. 
 
 
Рецензенты: 

В. В. Сторожев — доктор технических наук, профессор, заслуженный 
деятель науки и техники, заведующий кафедрой машин и аппаратов легкой 
промышленности МГУТД; 

М. С. Ершов — доктор технических наук, профессор, заведующий кафед- 
рой теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой про- 
мышленности РГУ нефти и газа. 

 

 
Варламов И. В.  
Системы электропитания и управления электролизно-водными гене- 
раторами: Монография / И. В. Варламов, Н. А. Феоктистов. — М.: Изда- 
тельско-торговая корпорация «Дашков и Ко», 2012. — 202 с. 

ISBN 978-5-394-01576-2 

В монографии изложены принципы построения систем электропи- 
тания, управления и защиты электролизно-водных генераторов бытового 
и производственного назначения, основные схемы систем на современ- 
ной элементной базе, в том числе и с применением микроЭВМ, датчиков 
для автоматизации контроля и защиты электролизера, узлов и элементов 
электрооборудования.  
Книга предназначена для инженерно-технических работников, 
связанных с разработкой и применением сварочных аппаратов, а также 
студентов старших курсов и аспирантов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© Варламов И. В., Феоктистов Н. А., 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ……………………………………………………………… 
5 
Введение ………………………………………………………………….. 
7 

Глава первая. Электролиз как основа создания генераторов смеси 
кислорода и водорода ……………………………………………………. 
 
9 
1.1. Электрохимический метод получения водорода и кислорода ... 
9 
1.2.  Регулировка характера пламени при использовании 
электролизно-водных генераторов кислородно-водородной смеси .. 
 
17 
1.3.  Технология сварки, пайки и резки кислородно-водородным 
пламенем ……………………………………………………………… 
 
21 
1.4. Система контролируемых параметров электролизно-водного 
генератора ……………………………………………………………… 
 
25 
Глава вторая. Перспективы создания и применения 
электротехнологических установок на базе электролизно-водного 
генератора ………………………………………………………………… 

 
 
29 

Глава третья. Электролизно-водные генераторы бытового 
назначения ………………………………………………………………... 
 
40 
3.1. Системы управления и защиты бытового электролизноводного генератора для пайки и сварки изделий …………………… 
 
40 

3.2. Методика расчета схемы управления бытового ЭВГ при 
кусочно-линейной аппроксимации вольтамперной характеристики 
электролизера ………………………………………………………… 

 
 
56 

3.3. Система импульсно-фазового управления регулятором 
давления генератора кислородно-водородной смеси ……………….. 
 
60 

3.4. Электронная система управления электролизно-водного 
генератора импульсным током ………………………………………. 
 
66 

3.5. Особенности конструкции электролизера и коэффициент 
полезного действия генераторов бытовых аппаратов ……………. 
 
73 

Глава четвертая. Принципы построения и разработка систем 
автоматического управления и защиты аппаратов на основе 
электролизно-водных генераторов большой мощности …………….. 

 
 
82 

4.1. Системы электропитания и управления ЭВГ большой 
мощности ……………………………………………………………… 
 
82 

4.2. Электромагнитные процессы в мостовой и кольцевой схеме 
управления электролизно-водных генераторов большой мощности  
 
91 

4.3. Исследование целесообразности параллельного включения 
генераторов многопостовых установок …………………………….. 
 
99 

4.4. Режимы работы трансформаторного оборудования при 
включении тиристорных блоков управления и защиты на 
первичной стороне ……………………………………………………. 

 
 
103 

Глава пятая. Система управления и автоматического регулирования 
режимов работы электролизно-водного генератора с применением 
микро-ЭВМ ………………………………………………………………. 

 
 
108 

5.1. Система управления электролизно-водного генератора с 
применением микро-ЭВМ ……………………………………………. 
 
108 

5.2.  Функциональная схема технологической автоматизированной 
установки для производства паяльно-сварочных работ …………. 
 
110 

5.3. Алгоритма работы схемы системы управления ЭВГ в 
эксплуатационных и аварийных режимах ………………………….. 
 
118 

Глава шестая. Разработка датчика давления, расхода воды и 
индикации выхода газов электролизно-водного генератора ……….. 
 
125 

6.1. Оптоэлектронный датчик давления как полифункциональный 
узел системы управления ЭВГ ……………………………………… 
 
127 
6.2. Построение схем светодиодной индикации с аналоговым 
оптоэлектронным датчиком давления ……………………………… 
 
159 
6.3. Измерение расхода воды и индикации выхода газов ……….. 
161 
6.4. Контроль температуры в системе управления ЭВГ …………. 
168 
Глава седьмая. Исследования уровней радиопомех тиристорных 
систем электропитания и управления кислородно-водородными 
генераторами большой мощности ……………………………………. 

 
 
171 

Глава восьмая. Образцы аппаратов на базе электролизно-водных 
генераторов ……………………………………………………………… 
 
185 

Список литературы …………………………………………………….. 
199 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

Внедрение 
в 
различных 
областях 
электронных 
устройств 
и 

информационных 
технологий 
позволило 
в 
значительной 
степени 

автоматизировать технологические процессы, существенно сократить потери 

энергии, обеспечить безопасные условия работы. 

В России основным сырьем для производства водорода является 

природный газ. Однако в программе развития водородной энергетики наиболее 

перспективным сырьевым источником получения водорода является вода. 

Испытываемый в настоящее время дефицит карбида кальция и дороговизна 

получения из него ацетилена, а также необходимость газобаллонного хозяйства 

вызвали необходимость получения газов-заменителей ацетилена. В качестве 

заменителей ацетилена может быть использовано кислородно-водородное 

пламя, получаемое электролизно-водным генератором (ЭВГ). Такая замена, как 

показывает 
эксплуатация 
таких 
генераторов, 
позволяет 
экономить 

материальные и трудовые ресурсы, уменьшить загрязненность окружающей 

среды. Однако использование "гремучего газа" как в бытовых, так и 

производственных условиях требует создания эффективных методов и средств 

защиты 
и 
управления 
ЭВГ, 
обеспечивающих 
безопасность 
работы, 

стабильность и автоматическую регулировку целого ряда параметров. 

В монографии предложены принципы и схемные решения систем 

электропитания, управления и защиты ЭВГ, которые позволяют обеспечить 

практическое применение электролизно-водных генераторов в различных 

областях техники и технологии. 

Авторы выражают благодарность бывшим аспирантам, кандидатам 

технических 
наук 
Н.Н.Теодорович, 
А.Н.Феоктистову, 
А.А.Тиканову, 

инженерам Е.В.Ларину, В.В.Кокорину за существенный вклад в разработку 

отдельных вопросов, ректору ИГУПИТ профессору В.Ю. Бархатову за 

предоставленную 
возможность 
организации 
учебно-исследовательской 

лаборатории по данному научному направлению. 

Большую 
признательность 
авторы 
выражают 
д.т.н., 
профессору 

В.В.Сторожеву и д.т.н., профессору М.С.Ершову за полезные советы и 

замечания по ряду разделов рукописи. 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Для 
производства 
водорода 
нашли 
применение 
химические 
и 

электрохимические способы. В последние годы получили распространение 

электрохимические способы получения водорода, на основе которых все более 

широкое применение получают электролизно-водные генераторы (ЭВГ), 

основным элементом которых является электролизер. Установки на основе ЭВГ 

уже сегодня находят применение в различных областях: производство и ремонт 

ювелирных изделий, зубопротезное производство, ремонт холодильников, 

автосервис, 
сварка 
цветных 
металлов, 
стекла 
и 
металлокерамики, 

микроэлектроника и т.д. Тепловые и технологические характеристики пламени 

указывают на возможность и целесообразность использования при газовой 

резке металлов малой толщины, правке, резке и гибке тонколистовых 

конструкций, огневой зачистке, поверхностной закалке, напылении, нанесении 

неметаллических покрытий и т.д. 

Сварка и пайка с использованием смеси газов, получаемой путем 

электролиза воды, имеет по сравнению с другими способами ряд преимуществ: 

локальность нагрева, возможность пайки в широком диапазоне высоких и 

низких температур, восстановительный характер пламени при введении паров 

метилового спирта в смесь водорода с кислородом, возможность газового 

флюсования, стабильность и точное регулирование пламени, удобное и простое 

управление, обеспечение постоянного давления газа, ненадобность тонких 

регуляторов смещения, отсутствие выделения вредных газов, бесшумность 

работы, портативность и малая стоимость установки и ее эксплуатации. 

Так 
как 
в 
результате 
электролитического 
разложении 
водного 

электролита образуется взрывоопасный и ядовитый "гремучий газ", то это 

требует обеспечения высокой надежности всех узлов ЭВГ. Последнее 

обстоятельство резко ограничивает использование этого сравнительно простого 

и недорогого способа получения пламени для локального нагрева при пайке и 

сварке, особенно в бытовых условиях. 

Для использования "гремучего газа" в бытовых и производственных 

условиях возникает необходимость разработки эффективных методов и средств 

защиты и управления ЭВГ, обеспечивающих достаточную безопасность работы 

и охраны окружающей среды при длительной эксплуатации, стабильность и 

автоматическую регулировку параметров пламени. 

В настоящей книге изложены принципы управления и защиты ЭВГ 

малой и средней мощности, специфические особенности, которые проявляются 

при выборе систем управления и регулирования, требования и принципы 

построения датчиков контроля параметров электролизера, режимы систем 

электропитания и регулирования, особенности газотранспортной системы, 

алгоритмы управления ЭВГ с применением микроЭВМ. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I.   Электролиз как основа создания генераторов смеси кислорода и водорода.  

1.1.   Электрохимический метод получения водорода и кислорода 

Для промышленного производства водорода, как мы уже отмечали, 

находят применение химические и электрохимические способы. В последние 

годы все больший объем производства и применения приходится на установки 

с электрохимическим способом получения водорода. Связано это, во-первых, с 

тем, что при электрохимическом способе отсутствует необходимость в 

дополнительной очистке водорода от вредных примесей (таких как СО, СО2, 

N2, CH4, H2S и др.), сопровождающих химические способы получения водорода 

и, во-вторых, с достигнутым в последние годы значительным прогрессом в 

снижении 
энергопотребления 
и 
повышения 
КПД 
электрохимических 

генераторов водорода (что было основным сдерживающим фактором их 

применения). 
В 
технологических 
установках, 
предназначенных 
для 

производства паяльно-сварочных работ и родственных операций используется 

исключительно электрохимический метод получения водорода и водородно
кислородной смеси. Этот способ получения водорода и кислорода основан на 

электрохимическом разложении воды [1]. Впервые он был использован в     

1789 г. Труствиком и Диманном. Первый электролизер для электрохимического 

разложения воды был разработан Д.А. Лачиновым в 1888 г. 

Преимуществом электрохимического способа получения водорода по 

сравнению с химическими способами является то, что получаемый газ не 

содержит каталитических ядов. Однако, электролитическое производство 

водорода требует большого расхода электроэнергии, что, как мы уже отмечали, 

являлось до последнего времени существенным сдерживающим фактором в 

расширении сферы использования этого способа. 

Удельная электропроводность дистиллированной воды не превышает 

2·10-6 - 6·10-8 Ом-1·см-1. Поэтому для электролиза используют водные растворы 

электролитов – кислот, щелочей, солей. Чаще всего применяются растворы 

КОН и NaОН. Данное обстоятельство позволяет использовать сталь в качестве 

конструкционного материала для изготовления электродов электролизера. При 

протекании электрического тока между электродами электролизера на катоде 

выделяется водород, а на аноде – кислород. Это сопровождается следующими 

реакциями: 

на катоде – 2 Н2О + 2е →Н2 + 2ОН, 

а на аноде – 2 ОН→ 
1

2О2 + Н2О + 2е. 

Одновременно при электролизе воды наблюдается восстановление на 

катоде растворенного в электролите кислорода и окисление на аноде 

растворенного водорода. В результате каждого из этих процессов образуется 

вода. Ввиду малой растворимости водорода и кислорода при повышенных 

температурах эти реакции практически не отражаются на выходе продуктов 

электролиза по току. В современных электролизерах выход по току составляет 

примерно 98%. 

При разработке конструкции электролизера, а также системы питания и 

управления газогенераторной установки в целом, необходимо знать величину 

разности потенциалов, приходящуюся на каждую пару электродов (анод + 

катод) в процессе электролиза. Эта разность потенциалов складывается из 

алгебраической суммы стандартных потенциалов катода и анода, что принято 

считать теоретическим напряжением разложение воды, суммы перенапряжений 

на катоде и аноде, а также из суммы падений напряжения на токоведущих 

участках цепи питания (сопротивление межэлектродного пространства, 

заполненного электролитом, сопротивление металлических проводников, 

сопротивление контактов). Теоретическое напряжение разложения воды в 

нормальных условиях (105 Па, 25ºС) составляет Up = 1,23 В и при повышении 

температуры до 80ºС снижается до 1,18 В. Практически в силу указанных выше 

причин, электролиз воды осуществляется при напряжении 2.1 – 2.6 В на одну 

пару электродов (анод – катод). Опыт показывает, что большая часть потерь 

электрической энергии приходится на сопротивление электролита и на 

перенапряжение на электродах. Потери на перенапряжение зависят от 

материала электродов, состояние их поверхности, плотности тока, температуры