CC BY
17
Радмир Рифович Афлятунов Radmir R. Aflyatunov
аспирант кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Петр Игоревич Васильев Petr I. Vasilyev
аспирант, ассистент кафедры
«Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Роман Вячеславович Кириллов Roman V Kirillov
доцент базовой кафедры «Электроэнергетика и электротехнологии» в составе «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Регина Тагировна Хазиева Regina T. Khazieva
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
DOI: 10.17122/1999-5458-2022-18-3-4-5-12
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ
ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
Актуальность
Рост и развитие растений напрямую зависит от полива их водными растворами, которые содержат достаточное количество микроэлементов. В статье авторы предлагают эффективный источник питания для электротехнологической установки, предназначенной для водных растворов. Данная установка позволяет увеличивать полезные вещества и стимулирует их усваиваемость растениями. Цель исследования
Основной задачей является разработка эффективного устройства для электрогид-роимпульсной обработки водных растворов. Методы исследования
В данном исследовании использованы следующие методы: патентный обзор и анализ научной литературы. Результаты
Авторы предлагают использовать источник напряжения на основе многофункционального интегрированного элемента. В статье представлена схема питания электротехнологической установки на основе двухсекционного единого конструкторско-технологического компонента. Своей многофункциональностью источник питания
- 5
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3-4, т. 18, 2022
УДК 621.3
на основе представленного компонента позволит в широких пределах изменять напряжение и во много раз снизить массу и габариты существующих установок. Одна из секций многофункционального компонента будет использоваться в качестве трансформатора, а вторая — в качестве конденсатора.
Ключевые слова: многофункциональный интегральный электромагнитный компонент, фильтрокомпенсирующее устройство, устройство для электрогидроим-пульсной обработки водных растворов, аналитический расчет параметров
Благодарности: Исследования выполнены на средства гранта Стипендии Президента Российской Федерации в 2022-2024 годах для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетнымнаправлениям модернизации российскойэкономики. Грантополучатель Хазиева Регина Тагировна.
Приоритетное направление модернизации российской экономики (направление конкурса № СП-2022 Совета по грантам Президента Российской Федерации) «Энергоэффективность и энергосбережение, в том числе вопросы разработки новых видов топлива». Тема исследований «Разработка и исследование фильтрокомпенси-рующего устройства для повышения качества электроэнергии».
DEVELOPMENT OF AN EFFICIENT DEVICE FOR ELECTROHYDRO-PULSED PROCESSING OF AQUEOUS SOLUTIONS
Relevance
The growth and development of plants directly depends on watering them with aqueous solutions that contain a sufficient amount of trace elements. In the article, the authors propose an efficient power source for an electrotechnological installation designed for aqueous solutions. This installation allows you to increase nutrients and stimulates their absorption by plants.
Aim of research
The main task is to develop an efficient device for electrohydropulse treatment of aqueous solutions.
Research methods
In this study, the following methods were used: patent review and study of scientific literature.
Results
The authors propose to use a voltage source based on a multifunctional integrated element. The article presents a power supply circuit for an electrotechnological installation based on a two-section single design and technological component. With its versatility, the power supply based on the presented component will allow changing the voltage over a wide range and reducing the weight and dimensions of existing installations many times over. One of the sections of the multifunctional component will be used as a transformer, and the second as a capacitor.
Keywords: multifunctional integral electromagnetic component, filter-compensating device, device for electrohydropulse treatment of aqueous solutions, analytical calculation of parameters
Acknowledgments: The research was funded by a grant from the President of the Russian Federation Scholarship in 2022-2024 for young scientists and graduate students carrying out promising research and development in priority areas of modernization of the Russian economy. Grantee Khazieva Regina T.
The priority direction of the modernization of the Russian economy (the direction of the competition No. SP-2022 of the Council for Grants of the President of the Russian Federation) «Energy efficiency and energy saving, including the development of new types of fuel». Research topic «Development and research of a filter-compensating device to improve the quality of electricity».
Электрогидроимпульсный метод обработки позволяет с высокой эффективностью получать продукт на выходе с минимальным воздействием на окружающую среду [1]. Современные сельскохозяйственные производства проявляют большой интерес к электрогидро-импульсным технологиям. Это связано с тем, что из года в год плодородие почв снижается, так как почвенный покров подвержен загрязнению [2, 3]. Существует много методов повышения питательных веществ в почве с использованием электрогидравлических установок, например, обеззараживание почвы, электрогидравлическая обработка торфа, почвы и воды.
Авторами предлагается использовать разработанный источник питания для вышеуказанных установок с целью повышения эффективности процессов производства. Данный источник питания позволит повысить энергетическую эффективность, мощность и КПД всей установки, снизить массу и габариты [4]. Источник питания на основе гибридного элемента позволит улучшить надежность благодаря тому, что заменит одним элементом несколько в существующей схеме питания установки.
Авторами обоснована актуальность исследования источника питания установки для обработки водных растворов в силу того, что известные устройства имеют ряд недостатков [5-8]. Эти недостатки заключаются в том, что источники питания для устройства данного типа имеют большие габариты и крупную массу.
Авторами предлагается заменить источник питания, в качестве которого в
устройстве предлагается однофазный повышающий трансформатор [9, 10], на источник питания, в котором резонансный контур и повышающий трансформатор выполнены в виде единого конструк-торско-технологического компонента, состоящего из первой и второй проводящих обкладок, свернутых в спираль и разделенных диэлектриком; обкладки выполняют роль первичной обмотки трансформатора, первая обкладка имеет вывод в начале обкладки, вторая обкладка имеет вывод в конце обкладки, вывод первой обкладки и вывод второй обкладки подключены в диагональ инвертора и проволочной обмотки, имеющей магнитную связь с обкладками, выполняющей роль вторичной обмотки трансформатора [11].
Таким образом, в результате изменений, которые предлагают авторы, произойдут существенное улучшение энергетических показателей и уменьшение массы и габаритов известного технологического устройства.
В известном устройстве для электрогидравлической обработки воды в качестве источника питания используется однофазный повышающий трансформатор [12].
На рисунке 1 изображена принципиальная электрическая схема известного устройства электрогидравлической обработки водных растворов. Питание в схеме известного устройства, показанной на рисунке 1, производится следующим образом: питание подается на магнитный пускатель, который замыкает контакты КМ1.1 и КМ1.2. Но для замыкания данных контактов нужно включить автомат QF, который выполняет функцию ограничивающего устройства. В составе извест-
ной установки помимо повышающего трансформатора имеются выпрямляющий диод, высоковольтный конденсатор, вольтметр, резистивный делитель и соответственно сам искровой промежуток, который формирует гидроудар.
В известном устройстве при подаче напряжения на повышающий однофазный трансформатор происходит заряд конденсатора. После процесса заряда емкостного накопителя происходит его разряд в искровом промежутке [13].
Авторами предлагается заменить устройство заряда емкостного накопителя [14], в результате чего процесс заряда будет происходить с высоким КПД, а на выходе можно будет получить требуемое напряжение и ток для произведения гидроудара.
На рисунке 2 представлена предлагаемая авторами схема питания для устройства электрогидравлической обработки водных растворов. Источник питания состоит из следующих компонентов: генераторный блок в составе выпрямителя, сглаживающего фильтра, ШИМ инвертора, системы управления и единого конструкторско-технологического компонента, состоящего из двух магни-тосвязанных секций. Единый конструк-торско-технологический компонент выполнен из двух магнитосвязанных секций, он будет использоваться в качестве повышающего трансформатора и конденсатора, что позволит заменить в существующей схеме повышающий однофазный трансформатор и конденсатор, объединив их в один компонент.
QF
KM1.1
Сеть
Рисунок 1. Принципиальная схема известного устройства электрогидравлической
обработки водных растворов
Figure 1. Schematic diagram of a well-known device for electro-hydraulic treatment
of aqueous solutions
Рисунок 2. Установка для электрогидравлической обработки водных растворов на основе гибридного электромагнитного элемента
Figure 2. Installation for electrohydraulic treatment of aqueous solutions based on a hybrid electromagnetic element
Работает предлагаемое устройство источника питания на основе гибридного элемента следующим образом: переменное напряжение от сети поступает на выпрямитель, с которого выпрямленное напряжение, сглаживаемое фильтром, поступает на вход ШИМ инвертора. С выхода инвертора ШИМ поступает сигнал, который усиливается за счет резонанса в резонансном контуре, образованным проводящими обкладками единого конструкторско-технологического компонента, рассчитанного и изготовленного для работы в режиме резонанса. Использование двухсекционного единого конструкторско-технологического компонента позволяет получить большее напряжение (определяемое добротностью резонансного контура) и снизить массу и габариты существующих установок. Вторая секция многофункционального компонента будет использоваться в качестве конденсатора [15]. Конденсатор после накопления энергии будет отдавать на разряд для образования гидроудара.
В процессе исследования установки электрогидравлической обработки водных растворов была построена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению.
Коэффициент усиления напряжения на обкладках многофункционального интегрированного электромагнитного компонента (МИЭК) вычисляется как отношение напряжения на нагрузке к напряжению от источника питания МИЭК:
^вых
ки —
где ивых — напряжение на нагрузке;
и — напряжение на источнике пита-
вх г
ния.
На рисунке 3 представлен график зависимости коэффициента усиления на МИЭК в составе установки для электрогидравлической обработки водных растворов от частоты в относительных единицах. Из графика видно, что МИЭК позволяет в 20 раз увеличить напряжение на выходе в режиме резонанса.
В результате проведения исследований авторами предложена схема питания для электротехнологической установки обработки водных растворов. Замещение однофазного повышающего трансформатора и конденсатора в существующей схеме установки на многофункциональный компонент, который будет выполнять их функции, позволит уменьшить массогабарит-ные показатели и повысит суммарное КПД установки. Благодаря замене, описанной
Рисунок 3. Амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления
по напряжению
Figure 3. Amplitude-frequency characteristic of coefficient voltage gain
ранее, процесс обработки растворов позволит экономить потребление электроэнергии и снизить затраты на эксплуатацию оборудования; будет поддерживаться требуемый уровень напряжения на выходе, КПД заряда конденсатора на основе многофункционального компонента будет максимальным.
Выводы
В результате исследований авторами предложен эффективный вариант источника питания для установки электроги-дроимпульсной обработки водных растворов в сельскохозяйственной промыш-
1. Юткин Л.А. Электрогидрав-лический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986. 253 с.
2. Held M. Similarities of Shock Wave Damage in Air and in Water // Propellents, Esplos., Pyrotechn. 1990. Vol. 15. No. 4. P. 149-156.
3. Legowski Z., Wlodarczyk E. Acou-stic Theory of Shock Waves in Perfect Gas // J. Techn. Phys. 1988. Vol. 29. No. 3-4. P. 365-375.
4. Ким К.К. Использование электрогидро-импульсного эффекта в железнодорожной отрасли. Саратов, 2019. 203 с.
5. Булкаирова Г.А., Айтпаева З.К., Дюсем-баева А.Н., Тлеубергенова А.Ж., Токтаболат Г. Исследование влияния электрогидроимпульс-ных ударных волн на дробление природного минерала кварца // Наука, новые технологии и инновации Кыргызстана. 2017. № 1. С. 86-90.
6. Сакипова С.Е., Ахмерова К.Е., Куса-иынова А.К. Влияние электрогидроимпульс-ного разрушения и дробления на структуру и свойства природных материалов // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: сб. матер. VII Междунар. конф. 2017. С. 696698.
7. Kusaiynov K., Sakipova S.E., Satybal-din N.M. Dynamics of Pulsed Electric Discharge Development in the Hetero-geneous Environment // Eurasian Physical Technical Journal. 2006. Vol. 3, No. 1 (5). P. 31-34.
8. Кусаиынов К., Нусупбеков Б.Р., Сакипова С.Е., Хасенов А.К. и др. Электроимпульсный способ избирательного разрушения мате-
ленности. Приведена схема устройства питания на основе многофункционального компонента, представляющего собой конденсатор и повышающий трансформатор в одном конструкторско-технологическом виде. Замена существующих источников питания на источники питания, построенные на основе многофункциональных интегрированных компонентов, позволит повысить надежность и эффективность электротехнологической установки.
Список источников
риалов в жидкой среде // Инновационный Патент РК, № 12-3/3737 от 31.07.2014.
9. Kussaiynov К., Sakipova S.E., Nussup-bekov B.R., Khassennov A.K., Akhmerova K.E. Electro-Pulse Processing Metal Containing Raw Materials for Extraction of Valuable Components // International Scientific Colloquium «Modeling for Electromagnetic Processing — MEP». 2014, Hannover, P. 289-295.
10. Кусаиынов К., Хасенов А.К., Сакипова С.Е. Радиационно-термические явления и гидромеханические эффекты, сопровождающие электрический разряд в многокомпонентных неорганических средах // Известия высших учебных заведений. Физика. 2013. Т. 56. № 1-2. С. 126-128.
11. Хазиева Р.Т., Бочкарева Т.А. Исследование разрядной цепи электрогидроимпульс-ной очистительной системы // Энергия молодежи для нефтегазовой индустрии: сб. Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых, 27-29 сентября 2017. Альметьевск: Изд-во АГНИ, 2017. С. 74-80.
12. Хазиева Р.Т., Бочкарева Т.А. Математическое моделирование электрогидроим-пульсной очистительной системы // Информационные технологии в моделировании и управлении: подходы, методы, решения: сб. матер. I Всеросс. науч. конф., 12-14 декабря 2017. Тольятти: Изд-во Тольяттинского государственного университета, 2017. Т. 1. С. 320-328.
13. Хазиева Р.Т., Бочкарева Т.А. Исследование циклического перезаряда электроги-дроимпульсной очистительной системы //
Энергетические и электротехнические системы: междунар. сб. науч. тр. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2017. Вып. 4. С. 258-263.
14. Хазиева Р.Т., Бочкарева Т.А. Электро-гидроимпульсная очистительная система с индуктивно-емкостным преобразователем // Булатовские чтения: сб. матер. II Междунар. науч.-практ. конф., 31 марта 2018. Краснодар: Издательский Дом — Юг, 2018. Т. 6. С. 242-245.
15. Хазиева Р.Т., Тимерьянов А.З. Электро-гидроимпульсная очистительная система на основе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сб. науч. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф., 14-17 апреля 2021. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2021. С. 106-111.
References
1. Yutkin L.A. Elektrogidravlicheskii effekt i ego primenenie v promyshlennosti [Electro-hydraulic Effect and Its Application in Industry]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1986. 253 p. [in Russian].
2. Held M. Similarities of Shock Wave Damage in Air and in Water. Propellents, Esplos., Pyrotechn., 1990, Vol. 15, No. 4, pp. 149-156.
3. Legowski Z., Wlodarczyk E. Acoustic Theory of Shock Waves in Perfect Gas. J. Techn. Phys, 1988, Vol. 29, No. 3-4, pp. 365-375.
4. Kim K.K. Ispol'zovanie elektrogidro-impul 'snogo effekta v zheleznodorozhnoi otrasli [The Use of Electrohydroimpulse Effect in the Railway Industry]. Saratov, 2019. 203 p. [in Russian].
5. Bulkairova G.A., Aitpaeva Z.K., Dyusem-baeva A.N., Tleubergenova A.Zh., Toktabolat G. Issledovanie vliyaniya elektrogidroimpul'snykh udarnykh voln na droblenie prirodnogo minerala kvartsa [Investigation of the Effect of Electrohydroimpulse Shock Waves on the Crushing of the Natural Quartz Mineral]. Nauka, novye tekhnologii i innovatsii Kyrgyzstana — Science, New Technologies and Innovations of Kyrgyzstan, 2017, No. 1, pp. 86-90. [in Russian].
6. Sakipova S.E., Akhmerova K.E., Kusaiy-nova A.K. Vliyanie elektrogidroimpul'snogo razrusheniya i drobleniya na strukturu i svoistva prirodnykh materialov [Influence of Electro-hydroimpulsive Destruction and Crushing on the
Structure and Properties of Natural Materials]. Sbornik materialov VII Mezhdunarodnoi konfe-rentsii «Deformatsiya i razrushenie materialov i nanomaterialov». [Proceedings of the VII International Conference «Deformation and Destruction of Materials and Nanomaterials»]. 2017, pp. 696-698. [in Russian].
7. Kusaiynov K., Sakipova S.E., Satybal-din N.M. Dynamics of Pulsed Electric Discharge Development in the Hetero-geneous Environment. Eurasian Physical Technical Journal, 2006, Vol. 3, No. 1 (5), pp. 31-34.
8. Kusaiynov K., Nusupbekov B.R., Sakipova S.E., Khasenov A.K. e.a. Elektroimpul 'snyi sposob izbiratel 'nogo razrusheniya materialov v zhidkoi srede [Electro-Pulse Method of Selective Destruction of Materials in a Liquid Medium]. Innovation Patent of the Republic of Kazakhstan, No. 12-3/37 dated 31.07.2014. [in Russian].
9. Kussaiynov K., Sakipova S.E., Nussup-bekov B.R., Khassennov A.K., Akhmerova K.E. Electro-Pulse Processing Metal Containing Raw Materials for Extraction of Valuable Components [Electro-Pulse Processing Metal Containing Raw Materials for Extraction of Valuable Components.] International Scientific Colloquium «Modeling for Electromagnetic Processing» (MEP-2014). [International Scientific Colloquium «Modeling for Electromagnetic Processing» (MEP-2014). 2014, Hannover, pp. 289-295.
10. Kusaiynov K., Khasenov A.K., Sakipova S.E. Radiatsionno-termicheskie yavleniya i gidromekhanicheskie effekty, soprovozhdayu-shchie elektricheskii razryad v mnogokompo-nentnykh neorganicheskikh sredakh [Radiation-Thermal Phenomena and Hydromechanical Effects Accompanying an Electric Discharge in Multicomponent Inorganic Media]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Fizika — Izvestia of Higher Educational Institutions. Physics, 2013, Vol. 56, No. 1-2, pp. 126-128. [in Russian].
11. Khazieva R.T., Bochkareva T.A. Issledovanie razryadnoi tsepi elektrogidroimpul'snoi ochistitel'noi sistemy [Investigation of the Discharge Circuit of an Electrohydroimpulse Purification System]. Sbornik Mezhdunarodnoi nauchno-prak-ticheskoi konferentsii molodykh uchenykh «Energiya molodezhi dlya neftegazovoi industrii», September 27-29, 2017. [Collection of the International Scientific and Practical Conference of Young Scientists «Youth Energy for the Oil and Gas Industry», 27-29 sentyabrya 2017.
Al'met'evsk, Izd-vo AGNI, 2017, pp. 74-80. [in Russian].
12. Khazieva R.T., Bochkareva T.A. Matema-ticheskoe modelirovanie elektrogidrolmpul'snol ochlstltel'nol sistemy [Mathematical Modeling of Electrohydroimpulse Purification System]. Sbornik materialov I Vserossiiskoi nauchnoi konferentsii «Informatsionnye tekhnologii v modelirovanii i upravlenii: podkhody, metody, resheniya», 12-14 dekabrya 2017. [Collection of Materials of the I All-Russian Scientific Conference «Information Technologies in Modeling and Management: Approaches, Methods, Solutions», December 12-14, 2017]. Tol'yatti, Izd-vo Tol'yattlnskogo gosudarstvennogo universiteta, 2017, Vol. 1, pp. 320-328. [in Russian].
13. Khazieva R.T., Bochkareva T.A. Issledo-vanie tsiklicheskogo perezaryada elektrogidro-impul'snol ochlstltel'nol sistemy [Investigation of Cyclic Recharge of Electrohydroimpulse Purification System]. Mezhdunarodnyi sbornik nauchnykh trudov «Energeticheskie i Elektrotekh-nicheskie Sistemy». [International Collection of Scientific Papers «Energy and Electrical Systems»]. Magnitogorsk, Izd-vo Magnltogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova, 2017, Issue 4, pp. 258-263. [in Russian].
14. Khazieva R.T., Bochkareva T.A. Elektro-gidroimpul'snaya ochistitel'naya sistema s induktivno-emkostnym preobrazovatelem [Electrohydroimpulse Purification System with an Inductive-Capacitive Converter]. Sbornik materialov IIMezhdunarodnoi nauchno-prakti-cheskoi konferentsii «Bulatovskie chteniya», 31 marta 2018. [Collection of Materials of the II International Scientific and Practical Conference «Bula-tov Readings», March 31 2018. Krasnodar, Izdatel'skii Dom — Yug, 2018, Vol. 6, pp. 242245. [in Russian].
15. Khazieva R.T., Timer'yanov A.Z. Elektro-gidroimpul'snaya ochistitel'naya sistema na osnove mnogofunktsional'nogo integrirovannogo elektromagnitnogo komponenta [Electrohydroimpulse Cleaning System Based on a Multifunctional Integrated Electromagnetic Component]. Sbornik nauchnykh trudov VI Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «Elektroprivod, elektrotekhnologii i elektrooboru-dovanie predpriyatii», 14-17 aprelya 2021. [Collection of Scientific Papers of the VI International Scientific and Technical Conference «Electric Drive, Electrical Technologies and Electrical Equipment of Enterprises», April 14-17 2021]. Ufa, UGNTU Publ., 2021, pp. 106-111. [in Russian].
