CC BY
66
УДК 621.38
05.00.00 Технические науки
БЛОКИ ПИТАНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ОЗОНА, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Шевченко Андрей Андреевич к.т.н., доцент SPIN-код: 3348-9421
Ефимкин Ярослав Сергеевич студент
ФГБОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
Многочисленные исследования, подтверждающие эффективность использования озоновоздушной смеси в различных областях сельскохозяйственного производства приводят к увеличению спроса на устройства генерирующие озон. С увеличением спроса возрастают и требования, предъявляемые к данным устройствам. Требования, предъявляемые заказчиками можно объединить в следующий ряд: мобильность, простота эксплуатации, способность плавного регулирования производительности. Решение поставленных задач является важной научно-технической задачей. В данной статье описываются возможные варианты блоков питания генераторов озона, и предлагается схема блока питания с возможностью регулировать: частоту, скважность и амплитуду сигнала поступающего на разрядный промежуток озонатора. Использование данной схемы позволит снизить массогабаритные показатели озонатора, тем самым повысив его мобильность, помимо этого появится возможность с достаточно высокой точностью регулировать его производительность и повысить коэффициент полезного действия. При необходимости с помощью предлагаемой схемы можно ввести генератор озона в режим электрического резонанса, что позволит получить максимальную производительность озонатора. Таким образом, озонатор, оснащенный предлагаемой схемой питания, можно будет использовать в различных технологических процессах одного и того же предприятия
Ключевые слова: ГЕНЕРАТОР ОЗОНА, БЛОК ПИТАНИЯ, ПЛАВНАЯ РЕГУЛИРОВКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Рок 10.21515/1990-4665-130-008
UDC 621.38 Engineering
POWER SUPPLY UNITS OF OZONE GENERATORS USED IN AGRICULTURAL MANUFACTURING
Shevchenko Andrei Andreevich Cand.Tech.Sci., Associate Professor, SPIN-code: 3348-9421
Efimkin Yaroslav Sergeyevich student
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
Numerous studies confirming the effectiveness of the use of the ozone-air mixture in various fields of agricultural production lead to an increase in demand for devices that generate ozone. With the increase in demand, the requirements for these devices also increase. Requirements from customers can be combined in the following series: mobility, ease of operation, ability to smoothly control performance. The solution of these tasks is an important scientific and technical task. This article describes possible options for power supplies for ozone generators, and offers a power supply circuit with the ability to adjust the frequency, the duty cycle and the amplitude of the signal arriving at the discharge gap of the ozonizer. Using this scheme will reduce the mass-size indicators of the ozonizer, thereby increasing its mobility, in addition, it will be possible to accurately regulate its performance and improve efficiency. If necessary, with the help of the proposed scheme, it is possible to introduce the ozone generator into the electric resonance mode, which will allow obtaining the maximum productivity of the ozonator. Thus, the ozonizer, equipped with the proposed power scheme, can be used in various technological processes of the same enterprise
Keywords: OZONE GENERATOR, POWER SUPPLY, SMOOTH PERFORMANCE
В настоящее время значительно увеличилось количество технологических процессов, в которых применяются электроозонаторы. В
большинстве случаев использование озонаторов связано с дезинфекционными мероприятиями. Так озон используется для очистки питьевой воды, для дезинфекции сточных вод, для стерилизации производственного оборудования и т.д. [1, 5] Непосредственно в сельскохозяйственном производстве озоновоздушную смесь применяют для стимуляции ростовых процессов семенного материала, для очистки зерна от вредителей и вредоносных микроорганизмов [2]. Но применение электроозонаторов в производственных целях осложняется тем, что каждый технологический процесс обусловлен индивидуальными технологическими параметрами. То есть каждая технология требует соблюдения определенных концентраций озона в подаваемой смеси. Поэтому применять одно и то же устройство для разных целей невозможно, потому что известные электроозонаторы выпускаются с определенными характеристиками (производительность по озону, концентрация озона на выходе, скорость воздушного потока) изменить которые в процессе эксплуатации не представляется возможным [4].
Таким образом, создание универсального электроозонатора с возможностью регулирования выходных параметров остается актуальной научно-технической задачей. В связи с этим рассмотрим возможные варианты регулирования производительности озонатора.
Регулировать производительность пластинчатого электроозонатора, можно корректируя площадь разрядного промежутка, изменяя количество подключенных пластин. Данный способ является наиболее простым и малозатратным, но использование данного способа регулирования, при длительной работе озонатора, приводит к перегреву газоразрядного блока и как следствие к его разрушению [1]. Поэтому применять данный способ регулирования можно при непродолжительных режимах работы, что не всегда соответствует технологическим требованиям. Помимо этого необходимо отметить, что при данном способе регулирования
производительность будет изменяться ступенчато, то есть получаемые в этом случае концентрации не всегда будут соответствовать задаваемым технологическим параметрам.
Плавного регулирования выходных параметров электроозонатора можно добиться, изменяя параметры или конструкцию блока питания. Конструкция блока питания зависит от рода тока. Так при использовании синусоидального напряжения для питания генератора озона необходимо устанавливать повышающий трансформатор, например ТГ-1020К [2]. В этом случае генератор озона будет работать при одном уровне напряжения 10 кВ, что также не позволит производить регулирование выходных параметров, но если перед трансформатором установить ЛАТР то диапазон питающего напряжения составит 7-10 кВ, что в свою очередь позволит плавно изменять производительность электроозонатора. Но необходимо отметить, что эффективность применения трансформаторной схемы питания генератора озона на основе трансформатора ТГ-1020К, ограничивается уровнем выходного тока, который в номинальном режиме составляет 0,02 А, таким образом максимальная мощность генератора озона составит 200 ВА [6], что ограничивает его область применения. При использовании более мощных трансформаторов, например НОЛ.08-10, принцип регулирования остается прежним, но максимальная мощность озонатора возрастает до 630 ВА, что более приемлемо для применения в сельскохозяйственной сфере.
Описанные выше схемы не находят широкого применения у сельхозтоваропроизводителей, так как обладают низкой мобильностью и высокой стоимостью. Для увеличения мобильности генераторов озона в качестве источника питания используют импульсные блоки питания, основой которых является симисторный регулятор, работающий в паре с импульсным трансформатором. Один из примеров такой схемы приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Генератор озона с импульсным блоком питания где 1 - симисторный регулятор; 2 - блок конденсаторов; 3 - импульсный трансформатор; 4 - схема замещения разрядного блока.
Принцип действия приведенной схемы состоит в следующем: при прохождении питающего сигнала, через симисторный регулятор 1 мы получаем пилообразные импульсы, форма которых представленные на рисунке 2.
Преобразованный сигнал поступает на батарею конденсаторов 2, при прохождении, через которые сигнал преобразуется, и на выходе конденсатора мы имеем форму сигнала, показанную на рисунке 3.
После чего сигнал поступает на импульсный трансформатор 3, где усиливается до напряжений 7-10 кВ, и поступает на генерирующий блок озонатора 4. Форма тока протекающего через генерирующий блок соответствует форме падения напряжения на активном сопротивлении, включенном последовательно с генерирующим блоком. Форма падения напряжения на активном сопротивлении показана на рисунке 4.
Проанализировав приведенную временную диаграмму (рисунок 4) можно сказать, что импульсы, возникающие каждые 10 мс (частота 100 Гц), соответствуют времени зажигания стримеров в газоразрядном промежутке, следовательно, схема позволяет управлять процессом производства озоновоздушной смеси.
и,мВ А
200
400
■200
■400
0
40
Рисунок 2 - Форма сигнала после симисторного регулятора
и,В
15
10
5
0
2
4^8 10 12 ^МС
5
10
15
Рисунок 3 - Форма сигнала после конденсаторов Ь«р://д .kubagro.ru/2017/06/рёШ8 .рёГ
Таким образом, представленная схема позволяет снизить массогабаритные показатели блока питания как минимум в 2 раза, увеличить надежность работы блока питания генератора озона на 30%, и установить регулировку производительности от 40 до 80 % от номинальной.
Но необходимо отметить, что описанная выше схема не позволяет использовать весь ресурс мощности озонатора, а, следовательно, необходимо создать схему питания разрядным блоком с большим количеством регулируемых параметров. Поставленную задачу можно решить, если источник импульсного питания позволит одновременно регулировать частоту, скважность и амплитуду сигнала в большом диапазоне, что в свою очередь позволит добиваться более полного использования мощностей импульсного трансформатора. При определенных частотах генератор озона входит в режим электрического резонанса, что позволяет повысить производительность и КПД устройства. На основании вышесказанного нами разработана схема источника питания удовлетворяющая предъявленным требованиям.
Описание работы разработанной схемы источника питания электроозонатора, прежде всего, следует начать с пояснения работы микросхемы КР1006ВИ1. Её структурная схема представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Структурная схема таймера КР1006ВИ1 где К1=К2=Я3=5 кОм; Б1, Б2 - компараторы; Т - триггер
Таймер содержит два основных входа: вход запуска (вывод 2) и вход срабатывания (вывод 6). На этих входах производится сравнение внешних напряжений с опорными значениями, составляющими для
1тт 2тт
указанных выводов соответственно —и и —и .
3 пит з пит
Для создания автоколебательного генератора эти выводы соединяются между собой. Если на входе иЗАП (2) действует напряжение 1
меньше —и пит, это приводит к установке таймера в состояние, когда на
выходе (3) имеется напряжение высокого уровня. При этом последующее
повышение напряжения на входе 2 до значения 1U и выше не меняет
3 пит
2
состояния таймера. Когда на входе ПС (6) напряжение превышает —Uпит,
срабатывает компаратор и сбрасывает триггер, а на выходе устанавливается напряжение низкого уровня, которое сохраняется при любых последующих изменениях напряжения на входе 6.
Транзистор VT служит для разрядки времязадающего конденсатора. При установлении на выходе 3 напряжения высокого уровня он открывается и соединяет конденсатор с общим выводом. Когда
напряжение на времязадающем конденсаторе станет меньше —ипит,
транзистор закроется, и цикл работы генератора повторится.
С триггера выходной сигнал усиливается комплементарной парой транзисторов, что позволяет получить выходной ток до 100 мА.
Далее, сформированные автоколебательным генератором, импульсы прямоугольной формы через резистор R4 попадают в базу транзистора VT1. В данном транзисторе происходит усиление сигнала по току для того, чтобы ввести транзистор VT2 в режим насыщения.
При высоком уровне напряжения управляющего сигнала транзистор VT2 открывается и замыкает на общий провод катушку зажигания, которая другим выводом подключена к источнику постоянного напряжения +30 В. В этот момент через автомобильную катушку зажигания начинает течь ток и накапливаться энергия индуктивности. После отсечки транзистора и размыкания цепи питания катушки, благодаря энергии, запасённой в ней, за счёт ЭДС самоиндукции происходит резкий всплеск амплитуды ЭДС, что вызывает барьерный разряд в разрядном устройстве генератора озона. Резистором R5 осуществляется регулирование скважности за счёт изменения постоянной
времени заряда времязадающей цепи и, как следствие, частоты работы источника питания, что соответственно влечёт за собой регулирование производительности генератора озона.
Принципиальная схема разработанного блока питания представлена на рисунке 6 [3, 6].
Рисунок 6 - Принципиальная электрическая схема источника питания электроозонатора
где Т - трансформатор ТА196-127/220; БЛ1 - таймер КР1006ВИ1; БЛ2 - стабилизатор напряжения КР142ЕН5А; УТ1 - транзистор КТ972А; УТ2 - транзистор КТ839А; С1 - конденсатор К73-17 68нФ; С2 - конденсатор К73-17 10нФ; С3 - конденсатор К50-16 4400х50В; С4 - конденсатор К50-16 2000х16В; С5 - конденсатор К50-16 100х16В;
Я1 - резистор МЛТ0,125 22кОм; Я2 - резистор МЛТ0,125 5,1кОм; Я3 - резистор 2ЬТ5Ш 4.3 Ом; Я4 - резистор МЛТ0,125 2,4кОм; Я5 - резистор СП4-1 0,5Вт 68кОм; Я6 - резистор МЛТ0,125 1кОм; УБ1 - диод КД226А; УБ2 - мостовой выпрямитель Я8 607; УБ3 - мостовой выпрямитель КВР 210; БШ - предохранитель 5 А; БШ - предохранитель 1 А; Ь - катушка зажигания БК117 А.
Представленная схема позволяет в полном объеме использовать ресурсы генератора озона, а также производить плавную регулировку электрической мощности подаваемой на зажимы разрядного устройства, что в свою очередь обеспечивает плавное изменение производительности генератора озона. Использование данной схемы позволит применять генератор озона в технологических процессах имеющих различные требования к количеству подаваемой озоновоздушной смеси.
Литература
1. Григораш О.В. Установка для предпосевной обработки семян / О.В. Григораш, А.Е. Усков, С.Н. Бегдай, П.М. Харченко, И.А. Потапенко, Ю.М. Пертенко / патент на изобретение RUS 2457653 от 20.10.2010.
2. Нормов Д.А. Схема питания электроозонатора /Д.А. Нормов, А.А. Шевченко, А.В. Квитко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. -Краснодар: КубГАУ, 2008. - №14. - С. 192-194.
3. Нормов Д.А. Генератор озона / Д.А. Нормов, А.А. Шевченко, А.В. Квитко, Е.А. Попов, Е.А. Федоренко / патент на изобретение RUS 2331577 от 28.02.2007.
4. Потапенко И.А. Устройство для предпосевной обработки семян / И.А. Потапенко, А.В. Богдан, Р.А. Амерханов, И.Г. Стрижков, Е.А. Ададуров, П.М. Харченко, А.В. Винников, К.А. Гарькавый, А.И. Чернышев / патент на изобретение RUS 2290775 от 25.07.2005.
5. Потапенко И.А. Устройство для обеззараживания навозных стоков / И.А. Потапенко, М.В. Лепетухин, К.В. Перекопский, К.А. Гаркавый, П.М. Харченко / патент на изобретение RUS 2332827 от 20.02.2007
6. Шевченко А. А. Параметры электроозонирования для предпосевной обработки семян кукурузы /Шевченко А.А./ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Краснодар: КубГАУ, 2005. - 137 с.
References
1. Grigorash O.V. Ustanovka dlja predposevnoj obrabotki semjan / O.V. Grigorash, A.E. Uskov, S.N. Begdaj, P.M. Harchenko, I.A. Potapenko, Ju.M. Pertenko / patent na izobretenie RUS 2457653 ot 20.10.2010.
2. Normov D.A. Shema pitanija jelektroozonatora /D.A. Normov, A.A. Shevchenko, A.V. Kvitko // Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - Krasnodar: KubGAU, 2008. - №14. - S. 192-194.
3. Normov D.A. Generator ozona / D.A. Normov, A.A. Shevchenko, A.V. Kvitko, E.A. Popov, E.A. Fedorenko / patent na izobretenie RUS 2331577 ot 28.02.2007.
4. Potapenko I.A. Ustrojstvo dlja predposevnoj obrabotki semjan / I.A. Potapenko, A.V. Bogdan, R.A. Amerhanov, I.G. Strizhkov, E.A. Adadurov, P.M. Harchenko, A.V. Vinnikov, K.A. Gar'kavyj, A.I. Chernyshev / patent na izobretenie RUS 2290775 ot 25.07.2005.
5. Potapenko I.A. Ustrojstvo dlja obezzarazhivanija navoznyh stokov / I.A. Potapenko, M.V. Lepetuhin, K.V. Perekopskij, K.A. Garkavyj, P.M. Harchenko / patent na izobretenie RUS 2332827 ot 20.02.2007
6. Shevchenko A.A. Parametry jelektroozonirovanija dlja predposevnoj obrabotki semjan kukuruzy /Shevchenko A.A./ dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. - Krasnodar: KubGAU, 2005. - 137 s.
