Научная статья на тему 'Снижение энергоемкости работы электроозонатора при использовании явления электрического резонанса'

Снижение энергоемкости работы электроозонатора при использовании явления электрического резонанса Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
17
4
Поделиться

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Амерханов Р. А., Нормов А. Д.

Предложено для снижения энергоемкости производства озона использовать явление элек-трического резонанса. Определена функцио-нальная зависимость между конструктивными параметрами разрядного блока электроозонатора и частотой резонанса токов устройства. Показана возможность применения предложенной зависи-мости для практических расчетов.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Амерханов Р. А., Нормов А. Д.

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

Текст научной работы на тему «Снижение энергоемкости работы электроозонатора при использовании явления электрического резонанса»

УДК 620.9.:621.384.52

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРООЗОНАТОРА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА

© 2008 г. Р.А. Амерханов, Д.А Нормов

В настоящее время одним из перспективных электрофизических методов предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур, позволяющим значительно повысить их посевные характеристики, является применение для этих целей озона [1]. Однако у современных электроозонирующих устройств существует ряд недостатков, основным из которых является то, что КПД генераторов озона очень мал (до 10 %), что осложняет широкое внедрение электро-озонирующей техники в сельскохозяйственном производстве. Для снижения потерь электрической энергии при производстве озоновоздушной смеси предлагается использовать частоты питающего тока, при которых пластинчатый генерирующий блок войдет в режим электрического резонанса [2].

Подбор частоты в зависимости от размеров разрядного устройства и трансформатора позволит без проведения специальных электрических измерений рассчитывать частоту резонанса. Частоту резонанса можно будет рассчитать, зная размеры диэлектрических барьеров, воздушного промежутка и паспортных данных трансформатора [3].

Этот расчет позволит уменьшить затраты энергии обыкновенного пользователя, что является актуальным вопросом, так как электроозонаторы в последнее время находят применение в быту и сельском хозяйстве.

Для того, чтобы исследовать явление резонанса в озонаторе, воспользуемся электрической эквивалентной схемой замещения устройства (рис. 1) где £ = Я1 + - комплекс полного сопротивления

первичной обмотки трансформатора; £2 = Я'2 + ]<&Ь'2 -комплекс полного сопротивления вторичной обмотки трансформатора; £_т = Ят + ]'ю1т - комплекс полного сопротивления контура намагничивания; 11

1 г =- J

mC г

1 б =- J

mC б

эквивалентные сопро-

Ii

o^db

Рис. 1. Эквивалентная схема замещения генератора озона

Напряжение и б, и г и ток, протекающий через озонирующий блок, определяются по формулам

U б =121 б;

и г = 121 г;

12 =-

U 3

(i)

(2)

(3)

ние

-2~ / 12

Исходя из метода узловых потенциалов, напряже-

U3

U3 =-

U -1 11

1

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

-1 1 2 + 1 б + 1 г

U

1+

1

+

1

(4)

Подставив в выражение (4) значения эквивалентных сопротивлений и питающего напряжения, получим зависимость

тивления газового промежутка и диэлектрических барьеров озонирующего блока генератора озона; 11, 12, 13- комплексные токи в электрических ветвях эквивалентной схемы замещения; и3,, иб, иг -падение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, на барьерах электрозонотора и в газовом промежутке; и - напряжение питающей сети в комплексном выражении.

u з = 1

UmeJф 0

V2 ь

Ri + JmLi

R'2 + jm

_+ Ri + JmLi , C б + С г ^ Rm + JmL m

L'2 -

C бС г

Таким образом, зная значение напряжения и3, определяется ток, проходящий через озонирующий блок озоногенератора

2

m

12 =

U 3

2 " (

1 + -

z 2 + z б + z г

(z' 2 + z б + z г )

-. (5)

Подставив в уравнение (5) значения комплексных сопротивлений, получим

12 =-

U 3

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

R2 + j®L'2 - j® U

í C б + С г Л

С б С г

R 2 + j®

Í , Сб + С V

L2 -

С бС г

U г =

1 U Jr 2 +Ю2 L 2 0 -90+arctg -arctg ^ 1 w m V^m m Rm А

юС J А2 + ю2 В2

(10)

Введем в расчет величину фь имеющую значение

тЬ 3 тВ Ф1 =-90 + агС£—- - arctg-.

Яз А

Перейдя к мгновенным значениям напряжения, получим

u б (,) = UJRrn 2 +®2 Lm 2 sin ( +ф0 +ф1 ). (11)

®C бТА~2 +ю2 В2

Следовательно, падение напряжения на емкости диэлектрических барьеров и воздушного промежутка

* =72=

Ume^° -U -j90 (Rm + j®Lm) юС,

R2+j®

Í С +С Л

г'_Сб + Сг l2

V

СбСг

[Rm + R + j®(Lm + A)](Rl + j®L)

(6)

* TT=

U,^0 -С- e-j90 (Rm + j®Lm)

R2+j®

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

, Сб +С

L2 -

СбСг

[Rm + R1 + j®(Lm + L1 ))R1 + j®L)

Для упрощения расчетов введем коэффициенты А и В, равные

А=

Í

R1 + RR + R2 R3-ю'

L2 --

С б + С Сб Сг

Л

+ (L3 + L2 )

(7)

В=

R2 (L3 + L2 )+ R3

L2 -

Сб + Сг

Сб Сг

+R1

L2 -

Сб + Сг

СбСг

+L1

Таким образом

__юВ

I " ~ jarctg-

Л + jmB = V А2 + В2 е ^

(8)

(t ) =

Umfcm 2 +®2 Lm '

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

юС гл/ А2 +ю2 В2

sin(®t + ф0 +ф1). (12)

Таким образом, используя уравнения (6), (11) и (12), можно определить токи и напряжения озонирующего блока генератора озона. Следовательно, можно рассчитать величину электрических параметров, при которых озонатор войдет в режим резонанса до зажигания разряда. Электрический резонанс в озонаторе можно получить, если будет соблюдаться условие XL = XC.

Как известно, до зажигания разряда озонирующий блок можно описать следующими уравнениями [4]

и = иб ,

3 Соб . ' —^ sin mí

С б

U = иг , 3 Соб . ' —^ sin mí С г

где U3 - действующее значение напряжения на озонаторе; иб - мгновенное значение напряжения на барьере; иг - мгновенное значение напряжения в газовом промежутке; Соб - общая емкость озонирующего блока; Сб - емкость диэлектрического барьера; Сг - емкость газового промежутка.

Приравняв правые части уравнений (2) и (3), можно определить емкость Соб

Соб = Ч¡сг СгСб = Сг .

Подставив полученное выражение в уравнения (7) и (8), получим выражение для иб , и'г в комплексной форме

С учетом (1) резонансная частота озонатора до зажигания разряда, если озонирующий блок состоит из двух пластин, будет равна

_ 1 U Jr 2 +®2 L 2 'ф 0 -90+arctg -arctg U = 1 = m' ш m Rm А

U f, i — e •

®С бл1 А2 +ю2 В2

1

® рез

l. 0 ^

(13)

г

В случае, когда озонирующий блок состоит более чем из двух диэлектрических пластин, формула приобретает вид

1

Ю рез =

Le 0 (п -1)

е г S г

d г

где п - количество диэлектрических барьеров.

Приведенное значение Ь'2 вторичной обмотки трансформатора может быть рассчитано по следующей формуле

L =

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

ц о w

d

D +

^/Dт-

d2

где Цо - магнитная проницаемость сердечника трансформатора; V - число витков обмотки трансформатора; ё - диметр проволоки обмотки трансформатора; Б - диметр витка обмотки трансформатора.

Подставив значение индуктивности в выражение (2), получим формулу для определения резонансной частоты электроозонатора до момента зажигания разряда

1

Ю рез

Ц о w

D +

S2-

d2

>(п -1)

е г S г

1 + № г R г

Изменение сопротивления газового промежутка приведет к изменению напряжения и3, подаваемого на озонирующий блок

U-

1

U =-

Ri+j roLj

R i+jmLi R3+jmL3 R2+jvL,

юСб 1+jmCTRj,

U

л R1 + jmL1 1 + ——--L + -

R1 + jroL!

R3+3 R2+jmL2 -j

1

R г

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

юСб 1 + jrnC г R г

Значение тока при этом определяется по формуле

72 =-

и 3

U

R 2 + jюL 2 - +

R г

А + jmB

юС б 1 + уюС г R г

Зная ток I , протекающий через озонирующий

блок и напряжение 113, приложенное к разрядному промежутку, можем рассчитать падение напряжения на диэлектрических барьерах и газовом промежутке озонирующего блока при горящем разряде. Выполнив преобразования, получим

;(* ) =

Um

■Ja? +ю2 в12 юС б

sin (юt + ф 1 -90);

() =

umR г

^Aj2 + ю2 В2^ + ю2С г2 R г2 х sin (ю/ + ф 1 - arctgroC г R г). В формулах (13), (14) коэффициент ф1 равен

юВ

ф 1 =ф о - arctg-

А

При горящем разряде в озонирующем блоке появляется активная составляющая, представленная на схеме замещения (рис. 1) в виде сопротивления. В связи с появлением активной составляющей, изменятся электрические параметры, необходимые для расчета частоты резонанса при горящем разряде в озонаторе, поэтому сопротивление газоразрядного промежутка £ примет следующий вид:

R г

Полученные данные позволяют выполнить расчет резонансной частоты для питания электроозонатора при горящем разряде.

Применение эффекта резонанса в озоногенерато-рах позволит добиться повышения эффективности работы озонатора: снизить энергозатраты, повысить cos ф, уменьшить реактивное сопротивление и, как следствие, увеличить активную мощность.

При горящем разряде озонирующий блок описывается следующей зависимостью:

I = U 0C б ю cos ю/,

где I - текущее значение тока; U0 - напряжение питания озонирующего блока.

По утверждению Ю.В. Филиппова, на практике более важно не мгновенное значение тока, а средний ток [5]. Его можно получить, интегрируя предыдущее уравнение за полупериод

T/2

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

IСр =(2/T) J Idt.

При интегрировании надо учесть, что функция тока от времени имеет разрывы в точках зажигания и погасания разряда. Они экспериментально наблюдаются на осциллограммах тока. Расчет среднего тока сделан в работе [6].

I ср =-тС б (и о - и г ) = - тС би о. п п

При горящем разряде емкостью озонатора является емкость диэлектрического барьера, которая равна

2

2

2

г

£г =

Сб =

4 fU 0

® рез =-

1

L

4 f^ 1 ср

З U о

Зная, что —можно выразить как

'ср

sin (®t + ф1 - 90)

Выведем уравнение для определения резонансной частоты озонирующего блока при горящем разряде

sin (®t + ф 1 - arctg®R г С г) -cos(®t+ф1)

sin(mí+ф1 ^os^ctgmR Сг )-cos(mí +ф ^(arctgmR Сг)

=_1_

sin (arctgmR г C г)-tg (mí + ф 1 )cos (arctgmR г C г)

Таким образом, получим преобразованное соотношение напряжений газового промежутка

u г (í ) = ^/ 1 +(mR г С г )2

;(<)

®R г С б

U0

R 2 -

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

юС

об

где R - эквивалентное сопротивление озонирующего блока.

Следовательно, получим

1

® рез

4f

R 2 -

юС

об

Зная Соб и L, получим выражение

®рез =-

1

.(14)

Ц pw

d 2

2 D W D 2 - d 2 1

4f

R 2 -

2f0(n-1) .Л

0 J dg dr U6

Используя выражения (9) и (10) определим величину соотношения действующих значений напряже-

ний озонирующего блока

u

(t)

u б (t)

имеют большее практическое значение

(t ) = yj 1 + (®RrC г)

2

i(t)

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

®R гС б

x-

sin (®t + ф1 - 90)

sin (mí + ф 1 - arctgmRгСг) Рассмотрим соотношение углов сдвига фаз

sin (arctgmRгCг)- tg (mí + ф 1 )cos (arctgmRгCг)

При горящем разряде в газоразрядном промежутке появляется активная составляющая сопротивления Rг. Таким образом, значение активной составляющей всего озонирующего блока примет вид R = Rís + R^ Однако величина R(5 будет незначительной, так как диэлектрические барьеры в момент разряда работают как конденсатор. Следовательно, можно сделать вывод, что R ~ Rj-.

В момент зажигания разряда емкостную составляющую разрядного устройства следует описывать емкостью диэлектрических барьеров, это происходит из-за того, что при разряде возрастает активная составляющая газоразрядного промежутка (появляется стример), а емкостная составляющая стремится к нулю.

Сделав допущение, что Сг стремится к нулю, имеем

(t) J

Í

1+

ю

U

Л2

ср

;(t) ® ^

Сб

sin (arctgmR г С г)- tg (mí + ф 1 )cos (arctgmR г С г)

Введем переменную ф2, равную отношению углов отклонения напряжений разрядного устройства

1

так как их величины

ф2 sin (arctgmR г С г)- tg (mí + ф 1 )cos (arctgmR г С г)

Подставив переменную ф2 в уравнение (13), получим следующую зависимость

2

Í U з Л

ю—3

1+

I

(t)

Át) ю U3

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

ср

-ф2 .

(15)

ю—- С б I

ср

Полученное выражение (15) подставим в уравнение (14) и получим формулу для вычисления резо-

I

ср

1

ср

1

L

x

I

ср

1

нансной частоты для озонирующего блока пластинчатого типа

1

ц,0w

2 D W D 2 -d 2

2fe 0(и-1)

1+(ю^ )2 £б SÄ Sr 1 с

d6 dr юСб ^ 1 ср

По итогам расчета получены следующие зависимости

Я

^ 2,5

§

к о

СП <Ц

¡s [2 о

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

1,5

0,5 0 -I

меньше частота, при которой генератор озона войдет в режим резонанса.

1 3 6 9 12 15 Ширина воздушного промежутка, мм

Рис. 3. Влияние изменения ширины воздушного зазора между диэлектрическими пластинами озонатора на частоту резонанса разрядного промежутка

Таким образом, проведенные исследования определяют функциональную зависимость конструктивных параметров озонатора и частоту резонанса тока озонирующего блока, что позволит разрабатывать электроозонаторы с пониженной энергоемкостью работы или соответственно с повышенным значением КПД.

0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 Площадь пластин

Рис. 2. Изменение частоты резонанса от площади диэлектрических барьеров и воздушного промежутка

Из графика можно сделать следующий вывод, что при увеличении площади пластин и постоянном воздушном зазоре 3 мм, частота, на которой разрядный промежуток войдет в режим резонанса, снижается. Так, при площади 0,02 м2 резонансная частота составляет 1,8 кГц, а при площади пластин 0,1 м2 она снижается до значения 0,8 кГц. На рис. 3 представлена зависимость частоты резонанса от ширины воздушного промежутка.

Кроме того, анализируя этот график, можно сказать, что, чем меньше воздушный промежуток, тем

Литература

1. Нормов Д.А. Озон в отраслях АПК // Научное обеспечение агропромышленного комплекса.: Сб. науч. тр. / Куб-ГАУ. Краснодар, 2002. С. 86-89.

2. Ксенз Н.В., Рудик О.В. Исследование процесса генерирования озона при коронном разряде // Механизация и электрификация производственных процессов в животноводстве: Сб. науч. тр. // ВНИПТИМЭСХ. Зерноград, 1969. С. 115-119.

3. Шхалахов Р.С., Пантелеев Е.В. Оптимизация конструкции озонаторов // Четвертая Южнорос. науч. конф. «Энерго- и ресурсосберегающие установки»: Материалы / КВВАУЛ. Краснодар, 2005. С. 159-163.

4. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. М., 1989.

5. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. М., 1987.

6. Ксенз Н.В. Оптимизация коронных озонаторов. // Сб. науч. тр. ВНИПТИМЭСХ. Зерноград, 1987.

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

14 февраля 2007 г

1

х

2

1