CC BY
173
ЭНЕРГЕТИКА • ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.314.5
И. В. БЛИНОВ, К. Ю. КУЗНЕЦОВ, Д.А.СОСНОВСКИЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ОЗОНАТОРОВ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
Рассмотрена математическая модель комплекса источник питания — генератор озона. Ее применение нацелено на оптимизацию электромагнитных режимов и определение установленных мощностей электрооборудования. Представлены характеристики амплитудного и частотного управления. Использованное в модели математическое описание кинематики физико-химических процессов в разрядной камере позволяет исследовать процессы в озонаторах, снабженных замкнутой системой управления. Источники питания; математическое моделирование; озонатор; реактивная энергия
В технике производства озона сформировалось перспективное направление, связанное с необходимостью исследования и разработки частотно-регулируемых озонаторных установок, работающих на повышенных частотах. При создании озонаторов на стадии НИР используется математическое моделирование. Несмотря на большое количество работ, посвященных моделированию электромагнитных и электрохимических процессов в озонаторах, вопросы разработки компьютерных моделей, позволяющих исследовать влияние параметров источника питания (ИП) на производительность генератора озона (ГО) являются актуальными.
В УГАТУ и НГТУ на базе математических моделей выполнены исследования электромагнитных и физико-химических процессов в электротехническом комплексе [1,2], образованном каскадным соединением первичного ИП, трехфазного выпрямителя, электрического фильтра, резонансного инвертора, канала циркуляции энергии, высоковольтного трансформатора (ВТ) и ГО.
Схемотехническая компьютерная модель комплекса, разработанная в среде интегрированного пакета MATLAB, которая ориентирована на оптимизацию электромагнитных режимов и определение установленных мощностей электрооборудования озонатора, состоит (см. рис. 1) из субсистемы «высоковольтный трансформатор-генератор озона» и математических блоков библиотеки Simulink. В субсистеме (см. рис. 2) блок Active & Reactive Power измеряет активную мощность р, расходуемую в разрядной камере ГО.
Компьютерная модель позволяет исследовать влияние уровня возврата энергии в ИП на интегральные характеристики озонатора, электрическая схема которого предложена в [3]. Модель является развитием системы моделирования, приведенной в [4], и отличается тем, что между выходом (-) блока «Диодный мост» и входом (+) блока «Инвертор» включен регулируемый источник постоянного напряжения !)С. Варьированием напряжения ВС осуществляется изменение состояния канала циркуляции реактивной энергии между фильтром и ГО.
Результаты моделирования приведены на рис. 3. На первых двух графиках представлены диаграммы ЭДС и напряжения на высоковольтной обмотке трансформатора. Существенное отличие между ними объясняется тем, что коммутирующая индуктивность конструктивно представляет собой индуктивность рассеяния трансформатора, поэтому форма ЭДС близка к прямоугольной, а напряжение имеет заостренную форму. На следующих графиках показано распределение напряжения между емкостями барьера и газового промежутка Ср. Так как Ср -С Сь, то Ср быстро зарядится до величины, необходимой для инициализации разряда . Далее происходит пробой газового промежутка, и емкость Ср шунтируется напряжением, равным ЭДС разряда. Заряд Сь продолжается по контору ВТ-С&-^д. После заряда конденсатора Сь напряжение на нем превысит (за счет энергии, запасенной в индуктивности) суммарное напряжение на и на вторичной обмотке ВТ. Далее начнет разряжаться через газовый
промежуток, трансформатор, диодный мост и DС на емкость фильтра. При этом процессе также происходит синтез озона. Варьируя таким образом напряжение DC, можно регулировать производительность ГО. На следующих графиках представлены временные диаграммы токов через и разрядный промежуток соответственно. Из рис. 3 видно, что график тока проходит два максимума за полови-
ну периода. Меньший из пиков соответствует возврату запасенной в ГО энергии.
Регулирование производительности ГО можно осуществить как за счет изменения напряжения на выходе выпрямителя, в звене постоянного тока, так и введением пауз в цикл работы инвертора, задавая при этом необходимую частоту [5].
Рис. 1. Структурная схема имитационной математической модели электромагнитных процессов в озонаторах
Рис. 2. Имитационная модель субсистемы «высоковольтный трансформатор-генератор озона»
Рис. 3. Временные диаграммы токов и напряжений
На рис. 4 представлены характеристики частотного (а) и амплитудного (б) регулирования.
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
Р, Вт; Q.BA И
_ ' :
3 * і
# * *
ЕГ Jk * і
_3>
ОТ* f. Гц
14000 -г
12000
2000
Р. Вт; Q, Б А □ * •
/ , * ; * !
* Г '
* *
ш' 1 і 1
Г *
Ud, В |
375 400 425 450 475 500
б
Рис. 4. Регулировочные характеристики:
О — активная мощность; □ — реактивная мощность
Моделирование позволяет получить данные для выбора полупроводниковых и электромагнитных элементов, конденсаторов и определить области существования устойчивых электрических режимов ИП при проектировании комплекса. Приведенная на рис. 1 модель предназначена для исследования процессов в озонаторах с разомкнутой системой автоматического управления. Вследствие этого, расчеты озонатора проводятся с некоторой степенью неопределенности, поскольку модели не имеют узлов, генерирующих информацию о производительности ГО.
Предпочтительным режимом работы озонатора является тот, при котором одновременно достигается оптимизация электрического режима и производительности озонатора. С этой целью в состав блоков управления промышленных озонаторов вводится датчик производительности ГО, который измеряет концентрацию озона и генерирует сигнал обратной связи в систему управления.
В [4] сообщается о разработке модели комплекса, которая содержит математический
блок, имеющий выходной сигнал, пропорциональный производительности ГО. Она предусматривает не только анализ электрических режимов системы, но и расчет физикохимических процессов в разрядной камере ГО. Новое качество математической модели достигнуто за счет введения в структурную схему Simulink-модели субсистемы «Датчик», содержащей математическое описание кинетики физико-химических процессов в разрядной камере ГО. Модель отражает соотношение между электрической энергией р, затрачиваемой в ГО в единице объема исходного газа, и производительностью озонатора, представленное следующим аналитическим выражением [6]:
х =
ко • а
Е Г:»-Г!
ki.TieR T-'Ti
к0
охр
ki.Ti
Е Т-у-Тл еЯ То - Ті
где р — активная мощность разряда, Вт; V — объемная скорость потока газа, л/час; а — эмпирическая константа образования озона; Т1 — температура жидкости, охлаждающей электроды (20оС); Т2 — температура газа в зоне реакции; И, Т1 — константа разложения озона при температуре 20 С;
кал/моль — энергия активации реакции разложения озона; R = 1180 — число Рейнольдса.
Сигнал р поступает в субсистему «Датчик» от измерительного блока Active & Reactive Power, расположенного в субмодели «высоковольтный трансформатор-генератор озона» (см. рис. 2). Также на вход субсистемы подаются сигналы, описанные в аналитическом выражении.
Таким образом, в математической модели электромагнитных и физико-химических процессов озонатора интегрированы модель электромагнитных процессов в озонаторе, имеющем каналы регулируемого возврата энергии, и модель физико-химического преобразования в ГО. Полученные с помощью компьютерного моделирования зависимости относительной удельной производительности ГО от емкости и индуктивности частотного фильтра, отражающие оптимальные соотношения измеряемых величин, представлены на рис. 5.
Разработка модели открывает возможность математического моделирования процессов в озонаторах, снабженных замкнутыми системами автоматического управления.
а
Рис. 5. Зависимость удельной производительности комплекса «ПЧ-ГО» от параметров частотного фильтра
Адекватность разработанной схемотехнической модели подтверждается результатами испытаний опытно-экспериментальных образцов озонаторов мощностью 10 и 30 кВт и частотой 500 и 1000 Гц.
Компьютерное моделирование позволило сформировать базу данных, которая использована при разработке серии озонаторов ТМ и ТС [2]. Потребляемая ими мощность находится в пределах от 5 до 50 кВт, частота 500-1000 Гц. Озонаторы реализованы по схеме с нерегулируемым возвратом энергии. Результаты, полученные при моделировании предложенных вариантов ИП с регулируемым возвратом реактивной энергии, будут внедрены при проектировании новой серии озонаторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Костюкова, Т.П. Электромагнитные процессы в системе тиристорный регулятор напряжения — высоковольтный трансформатор-озонатор / Т. П. Костюкова, Л. Э. Рогин-ская // Электротехника. 2000. № 3. С. 28-32.
2. Кириенко, В. П. Промышленные озонаторы серий ТМ и ТС с источниками питания повышенной частоты / В. П. Кириенко, К. Ю. Кузнецов, Ю. И. Махин, В. И. Семенов // Известия Академии инженерных наук им. А. М. Прохорова. М.—Н. Новгород : НГ-ТУ, 2005. Т. 15. С. 52-53.
3. Кириенко, В. П. Патент на полезную модель № 58524, С 01 В 13/11. Озонатор с импульсным источником электропитания / В. П. Кириенко, К. Ю. Кузнецов, С. В. Ваняев. Заяв. 20.06.2006 ; Опубл. 27.11.2006.
4. Кириенко, В. П. Свид. о рег. программы для ЭВМ № 2005612589. Имитационная математическая модель электротехнологической установки «Генератор импульсного напряжения — электрохимический преобразователь» / В. П. Кириенко, К. Ю. Кузнецов, С. В. Ваняев. Заяв. 09.08.2005 ; Зарег. 05.10.2005 // Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем. ФГУ ФИПС, 2006. № 1. С. 10.
5. Сосновский, Д. А. Выбор параметров источника питания повышенной частоты для генератора озона / Д. А. Сосновский // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2007» : матер. Всерос. науч. конф. 18-20 апреля 2007 г. Астрахань : Астраханск. ун-т, 2007.
Ч. 1. С. 242-245.
6. Филиппов, Ю. В. Электросинтез озона / Ю. В. Филиппов, В. А. Вобликова, В. И. Пантелеев. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. 237 с.
ОБ АВТОРАХ
Блинов Илья Витальевич,
доц., проф. Нижегородск. гос. техн. ун-та. Дипл. инж-электромех. (Горьковск. политехн. ин-т, 1960). Канд. техн. наук по преобраз. технике (там же, 1965). Иссл. в обл. преобразования параметров электр. энергии.
Кузнецов Кирилл Юрьевич,
соиск. каф. электрооборуд. судов Нижегородск. гос. техн. ун-та. Дипл. инж.-си-стемотехн. по ЭВМ, компл., системам и сетям (Нижего-родск. гос. техн. ун-т, 1995). Готовит дис. по имульсн. электроп. частотнорегулируемых озонаторов.
Сосновский Денис Александрович, асп. каф. электромеханики УГАТУ. Дипл. инж.-электромех. (УГАТУ, 2005). Готовит дис. в обл. источн. электропит. установок раз-рядно-имп. технологий.
