Научная статья на тему 'Моделирование процесса синтеза озона в интегрированном пакете MathCad'

Моделирование процесса синтеза озона в интегрированном пакете MathCad Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
24
5
Поделиться
Ключевые слова
газовый промежуток / газоразрядный реактор / диэлектрический барьер / нелинейная емкостная нагрузка / озонатор / пакет MATLAB / тиристорный регулятор / трубчатые и пластинчатые озонаторы / электрический разряд / электрическое поле / электронно-ионные технологии / электросинтез озона. / gas gap / gas-discharge reactor / dielectric barrier / nonlinear capacitive load / ozonizer / MATLAB package / thyristor regulator / tubular and plate ozonators / electric discharge / electric field / electron-ion technologies / ozone elec- tro synthesis.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Анатолий Евгеньевич Шамин, Александр Сергеевич Серебряков, Владимир Леонидович Осокин, Павел Николаевич Романов

Введение: в данной статье рассмотрен один из способов синтеза озона, для случаев, когда необходимы незначительные концентрации озона, например, для устранения запахов. Озон вырабатывается в более экономичных и более надежных, так называемых, безбарьерных озонаторах. В таких озонаторах отсутствует диэлектрический барьер и разряд происходит между двумя металлическими электродами, на которые подают высокое напряжение. Электрический разряд в таких озонаторах может быть получен как на постоянном, так и на переменном токе. Материалы и методы: описана необходимость в строгом соблюдении установленных норм допустимого содержания озона в производственных помещениях и в атмосферном воздухе. Результаты: приведена зависимость качества работы устройств электронно-ионной технологии, в том числе и озонаторов, от параметров вторичных источников их питания, которые должны быть регулируемыми. Приведены варианты использования силовых полупроводниковых приборов – тиристоров, указано на открытие широких возможностей для создания совершенных агрегатов питания аппаратов электронно-ионной технологии. При использовании в регуляторах переменного напряжения тиристоров в системе «источник питания – нелинейная емкостная нагрузка описаны специфические явления, которые необходимо учитывать при проектировании как самих источников питания, так и газоразрядных реакторов. Обсуждение: представлено аналитическое решение нелинейных уравнений, описывающих процессы в рассматриваемой системе, достаточно сложное. Поэтому изложенный в данной статье материал представляет интерес в виде имитационного моделирования такой системы в интегрированном пакете MATLAB с использованием библиотеки блоков SimPowerSystems, предназначенной для моделирования электротехнических систем и устройств. В качестве нагрузки источника напряжения служит озонатор – электрогазоразрядный реактор переменного напряжения, в котором под действием сильного электрического поля происходит электросинтез озона. Заключение: доказано влияние сложной специфической нелинейной емкостной нагрузки на процессы в озонаторе, исследованы режимы работы при питании озонатора от источника синусоидального напряжения и от тиристорного регулятора. Приведена SPS-модель озонатора с источником синусоидального напряжения. Собрана модель с помощью дополнительной библиотеки блоков SuimPowerSystems, являющейся расширением операционной среды Simulink пакета MATLAB.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Анатолий Евгеньевич Шамин, Александр Сергеевич Серебряков, Владимир Леонидович Осокин, Павел Николаевич Романов

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

MODELING OF THE PROCESS OF OZONE SYNTHESIS IN AN INTEGRATED PACKAGE MATHCAD

Introduction: this article describes one of the methods of ozone synthesis, for cases where small concentrations of ozone are necessary, for example, to eliminate odors. Ozone is produced in more economical and more reliable, socalled barrier-free ozonators. In such ozonizer there is no dielectric barrier and the discharge occurs between two metal electrodes, which are supplied with high voltage. Electric discharge in such ozonators can be obtained both at direct and alternating current. Materials and methods: the necessity of strict compliance with the established norms of permissible ozone content in industrial premises and in the air is described. Results: the dependence of quality of operation of the devices of electron-ion technology, including the computer, parameters of the secondary sources of supply that must be regulated. The variants of the use of power semiconductor devices – thyristors are given; the opening of wide opportunities for the creation of perfect power units of devices of electron-ion technology is indicated. When using thyristors in the system «power supply – nonlinear capacitive load» in AC voltage regulators, specific phenomena are described that must be taken into account when designing both the power sources themselves and the gas-discharge reactors. Discussion: the analytical solution of nonlinear equations describing the processes in the system under consideration is rather complex. Therefore, the material presented in this article is of interest in the form of simulation of such a system in an integrated package MATLAB using Sim Power Systems block library designed for modeling electrical systems and devices. As the load of the voltage source is the ozonators – an electric-gas-discharge reactor of alternating voltage, in which under the action of a strong electric field, ozone electro-synthesis occurs. Conclusion: the effect of a complex specific nonlinear capacitive load on the processes in the ozonizer is proved, the modes of operation when the ozonizer is fed from a sinusoidal voltage source and from a thyristor regulator is investigated. A model of an ozonizer with a sinusoidal voltage source is presented. The model was built with the help of an additional library of Sim Power Systems blocks, which is an extension of the operating environment Simulink of MATLAB package.

Текст научной работы на тему «Моделирование процесса синтеза озона в интегрированном пакете MathCad»

__ 05.20.02 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ _

05.20.02 УДК537.521

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА ОЗОНА В ИНТЕГРИРОВАННОМ ПАКЕТЕ MATHCAD

© 2019

Анатолий Евгеньевич Шамин, доктор экономических наук, профессор Александр Сергеевич Серебряков, доктор технических наук, профессор кафедры «Электрификация и автоматизация» Владимир Леонидович Осокин, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электрификация и автоматизация» Павел Николаевич Романов, старший преподаватель кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино (Россия)

Аннотация

Введение: в данной статье рассмотрен один из способов синтеза озона, для случаев, когда необходимы незначительные концентрации озона, например, для устранения запахов. Озон вырабатывается в более экономичных и более надежных, так называемых, безбарьерных озонаторах. В таких озонаторах отсутствует диэлектрический барьер и разряд происходит между двумя металлическими электродами, на которые подают высокое напряжение. Электрический разряд в таких озонаторах может быть получен как на постоянном, так и на переменном токе.

Материалы и методы: описана необходимость в строгом соблюдении установленных норм допустимого содержания озона в производственных помещениях и в атмосферном воздухе.

Результаты: приведена зависимость качества работы устройств электронно-ионной технологии, в том числе и озонаторов, от параметров вторичных источников их питания, которые должны быть регулируемыми. Приведены варианты использования силовых полупроводниковых приборов - тиристоров, указано на открытие широких возможностей для создания совершенных агрегатов питания аппаратов электронно-ионной технологии. При использовании в регуляторах переменного напряжения тиристоров в системе «источник питания - нелинейная емкостная нагрузка описаны специфические явления, которые необходимо учитывать при проектировании как самих источников питания, так и газоразрядных реакторов.

Обсуждение: представлено аналитическое решение нелинейных уравнений, описывающих процессы в рассматриваемой системе, достаточно сложное. Поэтому изложенный в данной статье материал представляет интерес в виде имитационного моделирования такой системы в интегрированном пакете MATLAB с использованием библиотеки блоков SimPowerSystems, предназначенной для моделирования электротехнических систем и устройств. В качестве нагрузки источника напряжения служит озонатор - электрогазоразрядный реактор переменного напряжения, в котором под действием сильного электрического поля происходит электросинтез озона.

Заключение: доказано влияние сложной специфической нелинейной емкостной нагрузки на процессы в озонаторе, исследованы режимы работы при питании озонатора от источника синусоидального напряжения и от тиристорного регулятора. Приведена SPS-модель озонатора с источником синусоидального напряжения. Собрана модель с помощью дополнительной библиотеки блоков SuimPowerSystems, являющейся расширением операционной среды Simulink пакета MATLAB.

Ключевые слова:газовый промежуток, газоразрядный реактор, диэлектрический барьер, нелинейная емкостная нагрузка, озонатор, пакет MATLAB, тиристорный регулятор, трубчатые и пластинчатые озонаторы, электрический разряд, электрическое поле, электронно-ионные технологии, электросинтез озона.

Для цитирования: Шамин А. Е., Серебряков А. С., Осокин В. Л., Романов П. Н. Моделирование процесса синтеза озона в интегрированном пакете MATHCAD // Вестник НГИЭИ. 2019. № 5 (96). С. 48-60.

MODELING OF THE PROCESS OF OZONE SYNTHESIS IN AN INTEGRATED PACKAGE MATHCAD

© 2019

Anatoliy Evgenievich Shamin, Dr. Sci. (Economy), professor Alexander Sergeevich Serebryakov, Dr. Sci. (Engineering), professor of the chair «Electrification and automation» Vladimir Leonidovich Osokin, Ph. D. (Engineering), associate professor, the head of the chair «Electrification and automation» Pavel Nikolaevich Romanov, senior lecturer of the chair «Info communicational technologies and connection systems» Nizhniy Novgorod state engineering and economic university, Knyaginino (Russia)

Introduction: this article describes one of the methods of ozone synthesis, for cases where small concentrations of ozone are necessary, for example, to eliminate odors. Ozone is produced in more economical and more reliable, so-called barrier-free ozonators. In such ozonizer there is no dielectric barrier and the discharge occurs between two metal electrodes, which are supplied with high voltage. Electric discharge in such ozonators can be obtained both at direct and alternating current.

Materials and methods: the necessity of strict compliance with the established norms of permissible ozone content in industrial premises and in the air is described.

Results: the dependence of quality of operation of the devices of electron-ion technology, including the computer, parameters of the secondary sources of supply that must be regulated. The variants of the use of power semiconductor devices - thyristors are given; the opening of wide opportunities for the creation of perfect power units of devices of electron-ion technology is indicated. When using thyristors in the system «power supply - nonlinear capacitive load» in AC voltage regulators, specific phenomena are described that must be taken into account when designing both the power sources themselves and the gas-discharge reactors.

Discussion: the analytical solution of nonlinear equations describing the processes in the system under consideration is rather complex. Therefore, the material presented in this article is of interest in the form of simulation of such a system in an integrated package MATLAB using Sim Power Systems block library designed for modeling electrical systems and devices. As the load of the voltage source is the ozonators - an electric-gas-discharge reactor of alternating voltage, in which under the action of a strong electric field, ozone electro-synthesis occurs.

Conclusion: the effect of a complex specific nonlinear capacitive load on the processes in the ozonizer is proved, the modes of operation when the ozonizer is fed from a sinusoidal voltage source and from a thyristor regulator is investigated. A model of an ozonizer with a sinusoidal voltage source is presented. The model was built with the help of an additional library of Sim Power Systems blocks, which is an extension of the operating environment Simulink of MATLAB package.

Key words: gas gap, gas-discharge reactor, dielectric barrier, nonlinear capacitive load, ozonizer, MATLAB package, thyristor regulator, tubular and plate ozonators, electric discharge, electric field, electron-ion technologies, ozone electro synthesis.

For citation: Shamin A. E., Serebryakov A. S., Osokin V. L., Romanov P. N. Modeling of the process of ozone synthesis in an integrated package MATHCAD // Bulletin of NGIEI. 2019. № 5 (96). P. 48-60.

Abstract

Эффективным средством для очистки сточных вод промышленных предприятий является использование трехатомарного кислорода - озона (О3), который обладает сильным окислительным действием [1; 3]. Особенно широко озонирование используется при очистке промышленных цианистых и фенольных сточных вод, для обезвреживания и дезодорации отработанных газов на заводах, выпускающих азотную кислоту, устранения ртутных паров из воздуха. Широкое применение озон нашел и для озонирования питьевой воды взамен ее хлорирования, а также для

Введение

очистки воды в плавательных бассейнах. В настоящее время озон применяют в медицине для борьбы с болезнетворными бактериями, а также для хранения пищевых продуктов и во многих других отраслях народного хозяйства. Вопросами применения процесса озонирования в сельском хозяйстве занимались многие ученые Российской Федерации [5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18].

Озон вырабатывается высоковольтными газоразрядными реакторами, называемыми генераторами озона или просто озонаторами. Озонатор, так же, как и электрофильтр, основан на использовании

электрического коронного разряда. Коронный разряд в озонаторе более интенсивный, поэтому между электродами устанавливают диэлектрик и питают озонатор переменным напряжением. Электросинтез озона, т. е. получение озона при электрическом разряде, является одной из классических и наиболее простых химических реакций, использующих электрический разряд. Это один из первых и до сих пор единственный экономически выгодный способ промышленного производства озона. Поэтому изучение электросинтеза озона имеет не только теоретическое, но и практическое значение.

Первый озонатор был предложен Сименсом в 1857 году. С тех пор основной принцип конструкции озонатора практически не изменился. Один из разработчиков предлагает на рынке большой перечень озонаторов [20]. Принципиальные схемы простейших озонаторов приведены на рисунке 1. Кон-

структивно простейший озонатор представляет собой два электрода 1 цилиндрической (рис. 1, а) или плоской (рис. 1, б) формы, между которыми находится воздушный промежуток 2 и диэлектрический слой 3 из стекла или эмали. Диэлектрический слой 3 или, как его называют, диэлектрический барьер стабилизирует электрический разряд в воздушном промежутке и придает разряду равномерный характер. В зоне электрического разряда и происходит электросинтез озона из воздуха или кислорода, подаваемого в озонатор. Расстояние между электродами в трубчатых и пластинчатых озонаторах составляет 2-4 мм, из них около половины занимает диэлектрик, а другую половину - газовый промежуток. Напряжение, подаваемое на электроды озонатора, зависит от расстояния между электродами, материала диэлектрика и составляет от 5 до 20 кВ [4, с. 108-109].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 1. Конструкция цилиндрического (а) и пластинчатого (б) простейшего озонатора: 1 - электрод; 2 - воздушный промежуток; 3 - диэлектрический слой Fig. 1. Design of cylindrical (a) and lamellar (b) elementary ozonizer: 1 - electrode; 2 - air gap; 3 - dielectric layer

Как приемник электрической энергии озонатор является нелинейным активно-емкостным сопротивлением. Вольт-амперная характеристика озонатора, т. е. зависимость между средним значением тока и действующим значением напряжения, достаточно точно можно представить в виде двух прямолинейных отрезков (рис. 2, а). Первый отрезок - ОА соответствует зависимости между напряжением и током, текущим через озонатор при отсутствии разряда в газовом промежутке озонатора. В этом случае озонатор представляет собой простой конденсатор и, следовательно, наклон отрезка ОА определяется общей электрической емкостью С озонатора, т. е. емкостью последовательно соединенных емкостей разрядного промежутка Сп и диэлектрического барьера Сб. Общая емкость озонатора С определяется по известной формуле:

С г • С

C =

СБ + СИ

Схема замещения озонатора для этого случая приведена на рисунке 3, а.

После возникновения разряда (участок АВ) напряжение на разрядном газовом промежутке остается постоянным и не зависит от тока, текущего через озонатор. Этот факт был установлен Т. Менли в 1944 г. на основании изучения вольт-кулонной характеристики озонатора, имеющей вид параллелограмма (рис. 2, б). Менли показал, что параллельность боковых сторон параллелограмма говорит о постоянстве напряжения на разрядном промежутке во время горения разряда. Позже этот факт был подтвержден методом

осциллографирования. Вывод о постоянстве напряжения на разрядном промежутке после возникновения разряда и независимости его от силы тока имеет важное значение для электрической теории озонаторов. На основании этого факта разрядный промежуток во время горения разряда может быть представлен источником ЭДС с внутренним сопротивлением, равным нулю и включенным встречно по отношению к протекающему через него току.

Рис. 2. Вольт-амперная (а) и вольт-кулонная (б) характеристики озонатора Fig. 2. Volt-ampere (a) and volt-Coulomb (b) characteristics of the ozonizer

После возникновения разряда напряжение на озонаторе складывается из падения напряжения на диэлектрическом барьере иБ и напряжения горения на разрядном промежутке иГ. Схема замещения озонатора для этого случая приведена на рисунке 3, б. Она представлена последовательно соединенными конденсатором СБ и источником ЭДС, величина которого иГ равна напряжению горения газового промежутка. Напряжение иГ может быть приближенно определено по вольт-амперной характеристике озонатора (рис. 2, а). Наклон участка АВ вольт-амперной характеристики в первом приближении определяется емкостью диэлектрического барьера озонатора.

Материалы и методы

Аналитическое решение методом стадий нелинейных уравнений, описывающих процессы в озонаторе, довольно трудоемко и затрудняет анализ процессов в зависимости от параметров озонатора и источника питания. Поэтому целесообразно рассмотреть метод решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих весь процесс в целом, с помощью прикладных математических пакетов, таких как MATHCAD и MATLAB. Рассмотрим сначала анализ процессов в интегрированном пакете MATHCAD [2].

Начнем анализ процессов в озонаторе, используя схему замещения, приведенную на рис. 3, а, при питании озонатора от источника синусоидального напряжения с внутренним сопротивлением R.

а б

Рис. 3. Универсальные схемы замещения при отсутствии и возникновении разряда (а, б) Fig. 3. Universal equivalent circuit in the absence and occurrence of discharge (a, b)

Индуктивность источника питания примем равной нулю. Уравнение для схемы замещения, составленное по второму закону Кирхгофа, запишется: Ш + исП + иСБ = ы(г) = ит ?). (1)

Отсюда ток будет равен:

и($)" иСБ - иСП

i = ■

R

(2)

Решение дифференциальных уравнений в пакете MATHCAD производится методом Рунге -

Кутта четвертого порядка. Для этого необходимо задать выражения для производных искомых величин - напряжения на газовом промежутке исп и

напряжения на диэлектрическом барьере исБ . Ток в цепи определяется по формуле:

i = С

du,

СБ

Б '

dt

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(3)

Отсюда напряжение на диэлектрическом барьере с учетом (2) будет равно:

du

СБ

dt

-—i-

1 f u(t) - исБ - иСИ 1

С

с

Б

R

(4)

Выражение для напряжения на газовом промежутке при отсутствии разряда будет аналогичным выражению (4) после замены СБ на СП:

du

СИ

1

1

dt

С

-г = ■

и

C

и

u(t) - иСБ - иСИ

R

(5)

\

/

Рис. 4. SPS-модель озонатора при питании его от источника синусоидального напряжения Fig. 4. SPS-model of the ozonizer when it is powered from a sinusoidal voltage source

Когда произойдет пробой газового промежутка, напряжение на нем в течение горения разряда будет оставаться постоянным. Следовательно, его производная будет равна нулю. Программа решения дифференциальных уравнений в форме Коши в интегрированном пакете MathCad приведена на рисунке 5. Здесь емкости конденсаторов СБ и СП обозначены как СЬ и Ср. Начальные условия приняты нулевыми, т. е. напряжения на конденсаторах в начальный момент времени равны нулю. Решение производится с помощью функции rkfixed (интегрирование методом Рунге - Кутта с фиксированным шагом). В скобках функции rkfixed через запятую перечисляются: начальные условия, начальная и конечная точки интервала интегрирования, число точек, не считая нулевой точки, и функция D первых производных искомых величин.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В функции первых производных D(t,x) искомых величин сначала указываются переменная, по

которой берутся производные, и через запятую указываются функции, от которых берутся производные. Решение получается в виде матрицы Ъ из трех

столбцов. Первый столбец содержит точки, в которых ищется решение дифференциальных уравнений, а второй Х и третий содержат результаты решения - значения напряжений и^

(компьютерная переменная х0) и исп (компьютерная переменная х^ на конденсаторах СБ и СП.

Производная напряжения иСП записана с применением функции с условием if. В скобках функции if указывается сначала проверяемое условие, затем после запятой выражение функции, если это условие соблюдается, и после второй запятой -выражение функции, если проверяемое условие не соблюдается.

Рис. 5. Программа решения дифференциальных уравнений напряженийна конденсаторах СБ и СП озонатора Fig. 5. Program for solving differential equations of the voltages on the capacitors of SB and SP of the ozonator

Результаты

На рисунке 6 приведены результаты расчета в виде графиков. Значение тока определяется по формуле (2). Графики приведены для 3-х значений амплитуды питающего напряжения: Uml = 6 кВ, Um2 = 8 кВ, Um3 = 10 кВ. Зависимости на рисунке 6 совпадают с такими же зависимостями, полученными ранее при аналитическом решении уравнений методом стадий.

На рисунке 7 приведены вольт-амперные характеристики озонатора (а, б, в) и зависимость

напряжения на диэлектрическом барьере от напряжения на газовом промежутке (г).

Во всех четырех зависимостях на рисунке 6 наблюдается разница в фазах исследуемых величин. Зависимость тока от времени имеет несинусоидальный характер. Улучшить форму тока, протекающего через озонатор, можно за счет включения последовательно с ним индуктивной катушки. Проанализируем процессы в этом случае.

Рис. 6. Результаты расчетов в интегрированном пакете MathCad напряжений и токов в озонаторе при разных значениях питающего напряжения

Fig. 6. Results of calculations in the integrated package MathCad of voltages and currents in the ozonizer at different supply voltage values

Рис. 7. Вольт-амперные характеристики озонатора (а, б, в) и зависимость напряжения на диэлектрическом барьере от напряжения на газовом промежутке (г) Fig. 7. Current-voltage characteristics of the ozonizer (a, b, v) and the dependence of the voltage on the dielectric barrier from the voltage at the gas gap (g)

Если последовательно с озонатором включена индуктивная катушка, то в этом случае в схеме будут три накопителя энергии - индуктивная катушка и два конденсатора. Уравнение для схемы замещения, составленное по второму закону Кирхгофа, с учетом индуктивности L запишется:

Ld + Ri + uCn + иСБ = u(t) = Um sin(p t). (6) Отсюда производная тока будет равна:

di _ u(t)- Ri -1

иСП - u

СБ

dt

L

(7)

Решение дифференциальных уравнений озонатора с индуктивной катушкой

Um :— 8000 Амплитуда питающего напряжения В Т : 0.1 Ug := 4000 Напряжение горения, Б

R := 80 Cp := l io " СЬ := 4-10~ 6 L := 0.4 ч(Г) := Uni- sin (314- r)

Начальные vî-ловия

D(t,x) :=

n(t) - R-xo ~~ X1 ~~

сь

*f-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(t) - x2 - X1

R

f ! u(t)-s 2-Х! "j j

> 0 , if xi < Ug,---, 0 , if xi

' 1 ' Cp R 1 1 *

J \

1 "(t)-x2-X!

> -Ug,---,0

Cp R

Z := rkfixed(x, 0 , T, 10000 , I>) 11 := 0 .. 10000

Tn

10000 ubn :=Z,, 2 upn :=Z,lj3 in := д Рис. 8. Программа решения дифференциальных уравнений тока озонатора и напряжений на конденсаторах СБ и СП при включении индуктивной катушки Fig. 8. Program for solving differential equations of ozonizer current and voltage on capacitors and SP when the inductive coil

Производные напряжений на конденсаторах СБ и СП такие же, как и ранее. Программа решения дифференциальных уравнений тока озонатора и напряжений на конденсаторах СБ и СП при включении индуктивной катушки приведена на рисунке 6. Результаты расчетов в интегрированном пакете MathCad напряжений и токов в озонаторе при включении индуктивной катушки и разных значениях питающего напряжения.

Как видно из рисунка 9, форма тока озонатора улучшается за счет демпфирования индуктив-

ной катушкой высших гармонических составляющих. Гармонический анализ проведен по тем же формулам, которые были приведены ранее (рис. 10). Расчет производился включая 41 -ю гармонику.

Амплитудно-частотная характеристика тока озонатора с индуктивной катушкой приведена на рисунке 11, а коэффициенты гармоник - в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что практически в этом случае остаются лишь две гармоники - третья и пятая.

Рис. 9. Результаты расчетов в интегрированном пакете MathCad напряжений и токов в озонаторе

при включении индуктивной катушки и разных значениях питающего напряжения Fig. 9. Results of calculations in the integrated package MathCad of voltages and currents in the ozonizer when the inductive coil and different supply voltage values

Рис. 10. Программа Фурье-анализа тока озонатора с индуктивной катушкой Fig. 10. Program Fourier analysis of the current of the ozonizer with an inductive coil

Рис. 11. Амплитудно-частотная характеристика тока озонатора с индуктивной катушкой Fig. 11. Amplitude-frequency characteristic of the current of the ozonizer with an inductive coil

Таблица 1. Коэффициенты гармоник тока озонатора с индуктивной катушкой при разных значениях амплитуды питающего напряжения

Table 1. Harmonic coefficients of the current of the ozonizer with an inductive coil at different values of the amplitude of the supply voltage

Urn В Коэффициент гармоник, % / Harmonic distortion, %

K3 K5 K7 K9 K„ K

6 000 24,01 4,4 0,806 0,647 0,16 2464

8 000 22,69 3,325 1,011 0,407 0,265 23

10 000 21,64 2,56 1,08 0,223 0,287 2168

Заключение

В тех случаях, когда требуется получить незначительные концентрации озона, например, для устранения запахов, озон получают в более экономичных и более надежных, так называемых, безбарьерных озонаторах. В таких озонаторах отсутствует диэлектрический барьер и разряд происходит между двумя металлическими электродами, на которые подают высокое напряжение. Электрический разряд в таких озонаторах может быть получен как на постоянном, так и на переменном токе.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Отметим, что озон обладает токсическими свойствами. Концентрация озона 1-10 мг/м3 вызывает изменения в живом организме [1]. Длительное воздействие озона с концентрацией 2 мг/м3 может вызвать усталость и головную боль, а также снижение остроты зрения. Развивается нарушение нервной, сердечно-сосудистой и кроветворной систем. При больших концентрациях озона наблюдается значительное поражение дыхательных органов, носящее необратимый характер. В связи с этим необходимо строго соблюдать установленные нормы допустимого содержания озона в производственных помещениях и в атмосферном воздухе.

Качество работы устройств электронно-ионной технологии, в том числе и озонаторов, существенно зависит от параметров вторичных источников их питания, которые должны быть регулируемыми [19]. Использование силовых полупроводниковых приборов - тиристоров открывает ши-

рокие возможности для создания совершенных агрегатов питания аппаратов электронно-ионной технологии. При использовании в регуляторах переменного напряжения тиристоров в системе «источник питания - нелинейная емкостная нагрузка возникают специфические явления, которые необходимо учитывать при проектировании как самих источников питания, так и газоразрядных реакторов. Аналитическое решение нелинейных уравнений, описывающих процессы в рассматриваемой системе, достаточно сложное. Поэтому изложенный в данной статье материал представляет интерес в виде имитационного моделирования такой системы в интегрированном пакете МА^АВ с использованием библиотеки блоков SimPowerSystems, предназначенной для моделирования электротехнических систем и устройств. В качестве нагрузки источника напряжения служит озонатор - электрогазоразрядный реактор переменного напряжения, в котором под действием сильного электрического поля происходит электросинтез озона.

Доказано влияние сложной специфической нелинейной емкостной нагрузки на процессы в озонаторе, исследованы режимы работы при питании озонатора от источника синусоидального напряжения и от тиристорного регулятора. SPS-модель озонатора с источником синусоидального напряжения приведена на рисунке 4. Модель собрана с помощью дополнительной библиотеки блоков SuimPow-erSystems, являющейся расширением операционной среды Simulink пакета МА^АВ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бамдас А. М., Разуваев Ю. П., Шапиро С. В. Аналоговое моделирование исполнительных ферромагнитных устройств. М. : Наука. 1975. 440 с.

2. Булгаков А. А. Основы динамики вентильных схем. М. : Изд-во АН СССР, 1963. 362 с.

3. Демидов П. В., Улезько А. В. Результативность использования продуктивных земель в сельском хозяйстве Воронежской области // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2018. Т. 80. № 2. С. 398-406. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-2-398-406.

4. Серебряков А. С., Осокин В. Л. Полупроводниковые источники питания аппаратов электронно-ионной технологии : монография. Княгинино : НГИЭУ, 2015. 216 с.

5. Авдеева В. Н., Стародубцева Г. П., Любая С. И. Предпосевная обработка семян пшеницы озоном // Аграрная наука. 2008. № 5. С. 19-20.

6. Баскаков И. В., Оробинский В. И., Тарасенко А. П., Чернышов А. В., Чернова О. В. Применение процесса озонирования в сельском хозяйстве // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2016. № 3 (50). С. 120-126.

7. Баскаков И. В., Тарасенко А. П., Чишко Р. Л. Преимущества использования процесса озонирования в растениеводстве // Наука и образование в современных условиях : матер. науч. конф. Воронеж : ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ, 2016. С. 173-178.

8. Васильчук Н. С., Эпштейн В. А. Влияние предпосевной обработки семян системными протравителями и озономна начальные ростовые процессы и продуктивность озимой пшеницы // Агро XXI. 2007. № 4-6. С. 49-50.

9. Вербицкая С. В. Предпосевная обработка семян фасоли озоном и магнитным полем : дис. ... канд. техн. наук : 05.20.02. Зерноград, 2001. 167 с.

10. Горский И. В. Обработка семян пшеницы озонированным воздухом : дис. ... канд. техн. наук : 05.20.02. Москва, 2004. 202 с.

11. Ксенз Н. В. Электроозонирование воздушной среды животноводческих помещений : автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.02. Москва, 1992. 27 с.

12. Баскаков И. В., Тарасенко А. П., Гиевский А. М., Оробинский В. И. Механизация садоводства : учеб. пособие. Воронеж : ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ, 2011. 100 с.

13. Нормов Д. А. Озон в отраслях АПК // Научное обеспечение агропромышленногокомплекса: сб. науч. тр. Краснодар : КубГАУ, 2002. С. 86-89.

14. Нормов Д. А. Электроозонные технологии в семеноводстве и пчеловодстве : дис. ... д-ра техн. наук : 05.20.02. Краснодар, 2009. 307 с.

15. Огнев В. Н., Корепанова Л. В. Применение экологически безопасных способов предпосевной обработки семяндля защиты ярового ячменя против корневых гнилей // Научный потенциал - аграрному производству : матер. Всерос. науч.-практ. конф. (26-29 февраля 2008 г.). Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2008. Т. I. С. 172-176.

16. Саеед Е. К. М. Биологическая активность озона как средства дезинсекции хранящегося зерна : дис. ... канд. биол. наук : 06.01.11. Москва, 2004. 134 с.

17. Сигачёва М. А. Влияние предпосевного озонирования семян на урожайность и качество зернаяровой мягкой пшеницы в Кузнецкой лесостепи : дис. ... канд. с.-х. наук : 06.01.01. Красноярск, 2015. 152 с.

18. Сторчевой В. Ф. Ионизация и озонирование воздушной среды в птицеводстве : дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.02. Москва, 2004. 283 с.

19. Серебряков А. С., Осокин В. Л., Романов П. Н. Анализ магнитно-тиристорных и тиристорных регуляторов агрегатов питания электрофильтров // Вестник ВИЭСХ. 2016. № 1 (22). С. 48-52.

20. Применение озона в сельском хозяйстве // Институт озонотерапии и медоборудования [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.medozone.com.ua/primenenije-ozona-v-s-h-i-promyshlennosty/24-primenenie-ozonnyh-tehnologiy-v-selskom-hozyaystve.html (дата обращения 14.05.2019).

Дата поступления статьи в редакцию 11.02.2019, принята к публикации 11.03.2019.

Информация об авторах: Шамин Анатолий Евгеньевич, доктор экономических наук, профессор

Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: ngiei-126@mail.ru Spin-код: 4772-3987

Серебряков Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Электрификация и автоматизация»

Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: a.sereb@mail.ru Spin-код: 3422-1792

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Осокин Владимир Леонидович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электрификация и автоматизация»

Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: osokinvl@mail.ru Spin-код: 4573-1339

Романов Павел Николаевич, старший преподаватель кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Княгинино,

ул. Октябрьская, 22а

E-mail: pavel.romanov011@gmail.com

Spin-код: 6076-3030

Заявленный вклад авторов:

Шамин Анатолий Евгеньевич: формулирование основной концепции исследования, обеспечение ресурсами. Серебряков Александр Сергеевич: проведение критического анализа материалов и формирование выводов, анализ полученных результатов.

Осокин Владимир Леонидович: написание окончательного варианта текста, участие в обсуждении материалов статьи.

Романов Павел Николаевич: сбор и обработка материалов, подготовка первоначального варианта текста.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

REFERENCES

1. Bamdas A. M., Razuvaev Yu. P., Shapiro S. V. Analogovoe modelirovanie ispolnitel'nyh ferromagnitnyh ustrojstv [Analog modeling of Executive ferromagnetic devices], Moscow: Nauka. 1975. 440 p.

2. Bulgakov A. A. Osnovy dinamiki ventil'nyh skhem [Basics of valve circuit dynamics], Moscow: Publ. AN SSSR, 1963. 362 p.

3. Demidov P. V., Ulezko A. V. Rezul'tativnost' ispol'zovaniya produktivnyh zemel' v sel'skom hozyajstve Vo-ronezhskoj oblasti [The effectiveness of the use of productive land in agriculture of the Voronezh region], Vestnik Vo-ronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij [Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2018, Vol. 80, No. 2, pp. 398-406. (In Russ.) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-2-398-406

4. Serebryakov A. S., Osokin V. L. Poluprovodnikovye istochniki pitaniya apparatov elektronno-ionnoj tekhnologii [Semiconductor power devices of electron-ion technology], monografiya. Knyaginino : NGIEU, 2015. 216 p.

5. Avdeeva V. N., Starodubtseva G. P., Lyubaya S. I. Predposevnaya obrabotka semyan pshenitsy ozonom [Presowing treatment of wheat seeds with ozone], Agrarnaya nauka [Agricultural science], 2008. No. 5. pp. 19-20.

6. Baskakov I. V., Orobinskij V. I., Tarasenko A. P., Chernyshov A. V., Chernova O. V. Primenenie processa ozon-irovaniya v sel'skom hozyajstve [Application of ozonation process in agriculture], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of Voronezh state agrarian University], 2016. No. 3 (50). pp. 120-126.

7. Baskakov I. V., Tarasenko A. P., Chishko R. L. Preimushchestva ispol'zovaniya processa ozonirovaniya v rastenievodstve [Advantages of using the ozonation process in crop production], Nauka i obrazovanie v sovremennyh usloviyah [Science and education in modern conditions], mater. nauch. konf. Voronezh : FGBOU VO Voronezhskij GAU, 2016. pp. 173-178.

8. Vasil'chuk N. S., Epshtejn V. A. Vliyanie predposevnoj obrabotki semyan sistemnymi protravitelyami i ozo-nom na nachal'nye rostovye process i produktivnost' ozimoj pshenitsy [Influence of presowing treatment of seeds with systemic protectants and ozone on the initial growth processes and productivity of winter wheat], Agro XXI [Agro XXI], 2007. No. 4-6. pp. 49-50.

9. Verbitskaya S. V. Predposevnaya obrabotkas emyan fasoli ozonom i magnitnym polem [Pre-sowing treatment of bean seeds with ozone and magnetic field. Ph. D. (Engineering) diss.], Zernograd, 2001.167 p.

10. Gorskij I. V. Obrabotka semyan pshenitsy ozonirovannym vozduhom [Treatment of wheat seeds with ozo-nated air. Dr. Sci. (Engineering) diss.], Moscow, 2004. 202 p.

11. Ksenz N. V. Elektroozonirovanie vozdushnoj sredy zhivotnovodcheskih pomeshchenij [Electric ozonization of air environment in livestock buildings. Dr. Sci. (Engineering) thesis], Moscow, 1992.27 p.

12. Baskakov I. V., Tarasenko A. P., Gievskij A. M., Orobinskij V. I. Mekhanizatsiya sadovodstva [Mechanization of gardening], ucheb. posobie. Voronezh : FGBOU VPO Voronezhskij GAU, 2011. 100 p.

13. Normov D. A. Ozon v otraslyah APK [Ozone in agriculture], Nauchnoe obespechenie agropromyshlennogo kompleksa [Scientific support of agro-industrial complex], sb. nauch. tr. Krasnodar : KubGAU, 2002. pp. 86-89.

14. Normov D. A. Elektroozonnye tekhnologii v semenovodstve i pchelovodstve [Electrozone technologies in seed and beekeeping. Dr. Sci. (Engineering) diss.], Krasnodar, 2009. 307 p.

15. Ognev V. N., Korepanova L. V. Primenenie ekologicheski bezopasnyh sposobov predposevnoj obrabotki semyan dlya zashchity yarovogo yachmenya protiv kornevyh gnilej [Application of environmentally safe methods of seed pre-sowing treatment to protect spring barley against root rot], Nauchnyj potencial - agrarnomu proizvodstvu [Scientific potential - agricultural production], mater. Vseros. nauch.-prakt. konf. (26-29 fevralya 2008 g.). Izhevsk : FGOU VPO Izhevskaya GSKHA, 2008. Vol. I. pp. 172-176.

16. Saeed E. K. M. Biologicheskaya aktivnost' ozona kak sredstva dezinsekcii hranyashchegosya zerna [Biological activity of ozone as a means of disinsection of stored grain. Dr. Sci. (Biology) diss.], Moscow, 2004. 134 p.

17. Sigachyova M. A. Vliyanie predposevnogo ozonirovaniya semyan na urozhajnost' i kachestvo zerna yarovoj myagkoj pshenitsy v Kuzneckoj lesostepi [Influence of pre-ozonation of the seeds on the yield and quality of grain of spring soft wheat in the Kuznetsk forest-steppe. Dr. Sci. (Agricultura) diss.], 06.01.01. Krasnoyarsk, 2015. 152 p.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

18. Storchevoj V. F. Ionizatsiya iozonirovanie vozdushnoj sredy v pticevodstve [The ionization and ozonization of air environment in the poultry industry. Dr. Sci. (Engineering) diss.], 05.20.02. Moscow, 2004. 283 p.

19. Serebryakov A. S., Osokin V. L., Romanov P. N. Analiz magnitno-tiristornyh i tiristornyh regulyatorov agregatov pitaniya elektro fil'trov [Analysis of magnetic-thyristor and thyristor controllers, power units of electrofil-ters], Vestnik VIESKH [Bulletin of VIESH], 2016. No. 1 (22). pp. 48-52.

20. Primenenie ozona v sel'skom hozyajstve [The use of ozone in agriculture], Institut ozonoterapii i med obo-rudovaniya [Jelektronnyj resurs]. Available at: http://www.medozone.com.ua/primenenije-ozona-v-s-h-i-promyshlennosty/24-primenenie-ozonnyh-tehnologiy-v-selskom-hozyaystve.html (Accessed 14.05.2019).

Submitted 11.02.2019; revised 11.03.2019.

Anatoliy E. Shamin, Dr. Sci. (Economy), professor

Address: Nizhny Novgorod State of engineering and economic university, 606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a E-mail: ngiei-126@mail.ru Spin-code: 4772-3987

Alexander S. Serebryakov, Dr. Sci. (Engineering), professor of the chair «Electrification and automation» Address: Nizhny Novgorod State of engineering and economic university, 606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a E-mail: a.sereb@mail.ru Spin-code: 3422-1792

Vladimir L. Osokin, Ph. D. (Engineering), associate professor, the head of the chair «Electrification and automation» Address: Nizhny Novgorod State of engineering and economic university, 606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a E-mail: osokinvl@mail.ru Spin-code: 4573-1339

Pavel N. Romanov, senior lecturer of the chair «Info communicational technologies and connection systems»

Address: Nizhny Novgorod State of engineering and economic university, 606340, Russia, Knyaginino,

Oktyabrskaya Str., 22a

E-mail: pavel.romanov011@gmail.com

Spin-code: 6076-3030

Contribution of the authors: Anatoliy E. Shamin: developed the theoretical framework, provision of resources. Alexander S. Serebryakov: critical analysis of materials; formulated conclusions, analyzed data. Vladimir L. Osokin: writing the final text, participation in the discussion on topic of the article. Pavel N. Romanov: collection and processing of materials, preparation of the initial version of the text.

All authors have read and approved the final version of the manuscript.