Влияние электрического резонанса на работу генератора озона Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

1

УДК 621.384

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА НА РАБОТУ ГЕНЕРАТОРА ОЗОНА

Шевченко Андрей Андреевич доцент, [email protected]

Кожокарь Александр Г еннадьевич студент, [email protected]

Федоров Игорь Игоревич студент, [email protected] Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия

В статье рассмотрены представленные вопросы теоретического исследования процессов электрического резонанса генератора озона и определено их влияние на производительность и КПД электроозонатора

Ключевые слова: ГЕНЕРАТОР ОЗОНА, КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС

UDC 621.384

INFLUENCE OF ELECTRIC RESONANCE ON A GENERATOR OF OZONE

Shevchenko AndreyAndreevich associate professor, [email protected]

Kozhokar Alexander Gennadevich student, [email protected]

Fedorov Igor Igorevich

student, [email protected]

Kuban state agrarian university, Krasnodar, Russia

In the article the presented questions of theoretical research of processes of the electric resonance of the generator of ozone were discussed and their influence on productivity and electro-ozonizer efficiency was also defined

Keywords: OZONE GENERATOR, EFFICIENCY, ELECTRIC RESONANCE

Явление резонанса в электрических цепях весьма широко используется в современной электротехнике и, особенно в технике высокой частоты.

Г енераторы высокой частоты, применяемые в радиотехнике, содержат в себе в качестве основного элемента колебательный контур, колебания тока и напряжения в котором происходят с резонансной частотой или с частотой, весьма близкой к резонансной. Антенны передающих и приемных радиостанций вместе с включенными в их цепь катушками или конденсаторами также представляют собой колебательные контуры [2].

Электрический резонанс можно так же использовать и в электроозонаторах, например, прибегая к эффекту резонансной частоты.

Подбор резонансной частоты позволит вводить в резонанс электроозонаторы любых размеров и, как следствие, повышать их коэффициент полезного действия и производительность [4]. Эта проблема

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/127.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

2

актуальна, так как коэффициент полезного действия генераторов озона очень мал (до 10%) [1].

Рассмотрим теоретические положения электрического резонанса для электрического контура. Резонанс в контуре наступает при совпадении входного тока и напряжения по фазе, при этом емкостная и индуктивная составляющая равны между собой. Это говорит о том, что резонанса можно достичь, подобрав емкость или индуктивность [5]. Но емкость и индуктивность, как известно, зависят от геометрических размеров, однако конструкция озонирующего блока не всегда позволяет варьировать размером диэлектрических пластин и воздушного зазора. Подбор емкости усложняется также и тем, что озонатор работает на напряжениях от 7 до 10 кВ. Трансформатор с небольшим изменением индуктивности при таких напряжениях значительно увеличивается в размерах, что нежелательно, так как снижается мобильность установки [6].

Одним из выходов из этого положения, как было сказано выше, является подбор частоты, при которой ток и напряжение совпали бы по фазе. Это позволит добиваться эффекта резонанса без существенного изменения конструкции устройства. Современная радиоэлектроника позволяет собрать генератор частоты небольшого размера, который без труда можно установить в блок управления генератора озона [3].

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.

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

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/127.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

3

Для того, что бы исследовать явление резонанса в озонаторе, необходимо рассмотреть электрическую схему устройства [1]. Составим схему замещения электроозонатора (рисунок 1):

Повышающий трансформатор напряжения ТГ 1010

Рисунок 1 - Схема замещения электроозонатора где R1 - активное сопротивление рассеяния первичной обмотки

трансформатора; R2 - приведенное активное сопротивление рассеяния вторичной обмотки трансформатора; Rm - активная сопротивление рассеяния контура намагничивания; L1 - индуктивность рассеяния первичной обмотки трансформатора; L2 - приведенная индуктивность рассеяния вторичной обмотки трансформатора; L3 - индуктивность рассеяния контура намагничивания; Сб - емкость барьеров пластинчатого озонатора;

Сг - емкость газового промежутка электроозонатора; Rг - активная составляющая газового промежутка электроозонатора; u(t) - напряжение питающей сети.

Представленная схема содержит трансформатор, емкостные составляющие газоразрядного промежутка и диэлектрических барьеров.

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/127.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

4

Активное сопротивление газоразрядного промежутка изображено пунктирной линией (рисунок 1), потому что оно появляется в момент зажигания разряда.

Для проведения расчетов схема замещения электроозонатора преобразуется в эквивалентную электрическую схему (рисунок 2) [6]:

I

i

z,

/

Z2

L

Z б

z.

Рисунок 2 - Эквивалентная схема замещения генератора озона где Zi = R1 + jwL1 - комплекс полного сопротивления первичной обмотки трансформатора; z2 = r/ + jwL, - комплекс полного сопротивления

вторичной обмотки трансформатора; zт = Rm + jwLm - комплекс полного

сопротивления контура намагничивания;

Z г = - J

соС,

Z б = - J

оСб

1

1

эквивалентные сопротивления газового промежутка и диэлектрических барьеров озонирующего блока генератора озона; I1,12,13 - комплексные токи в электрических ветвях эквивалентной схемы замещения; и 3, и б, и г -падение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, на барьерах электроозонотора и в газовом промежутке; и - напряжение питающей сети в комплексном выражении.

Генератор озона питается сетевым напряжением, следовательно, питающее напряжение в формульном выражении имеет вид:

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/127.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

5

u(t) = Um ■ sin(ot + j0), (i)

где Um - амплитудное значение питающего напряжения.

Напряжение иб, йг и ток, протекающий через озонирующий блок, определяются по формулам:

U б = I2 • z б,

Uг = I2 •

z_

I2 =

U3

Z2 + z б + z г

(2)

(3)

(4)

Исходя из метода узловых потенциалов, напряжение и3

1

U •

U3

z,

U

1

— + ■

1

+ ■

1

1 +

1

+

1

(5)

z2 + z б + z г zm

zi z2 + z б + z г zm

Подставив в выражение (5) значения эквивалентных сопротивлений и питающего напряжения, получим зависимость

U3 =Т2

и • e

jjo

1 +

R1 + jwL1

R2 + jw

( с + C л L 2

+

V

C • C

W '-'г У

R1 + jwL

Rm + jWLr,

1,

(6)

Таким образом, зная значение напряжения U3, определяется ток, проходящий через озонирующий блок озоногенератора

L =

2 Г

1 +

z,

+

z,

V Z2 + zб + zг zm J

•(z2 + zб + zг )

(7)

Подставив в уравнение (4) значения комплексных сопротивлений, получим

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/127.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

6

h =

R2 + jwL'2 — jw

C6 + C, ' C •Cг У

R2 + jw

( C + C Л

г' _ ^г

L2

V

Сб • C г У

(8)

Следовательно, падение напряжения на емкости диэлектрических барьеров и воздушного промежутка

U... ■ ej° 1

1

иб 42 ' '

w-С

■ e—9° -(R + jwLm)

R'+ jw ■

C + C

L' —

C C

^б ^г J

1

U ■-e}

■ (Rm + R1 + jw ■ \-Lm + L1 ])+ (R1 + jwL1 )

1 ■ e~j 9° ■ (R + jwLm)

, (9)

U 42''

wC

R2 + jw

C +C

бг

L' —

C C

бг

■ (Rm + R1 + jw \Lm + L1]) + (R1 + jaL1 )

Для упрощения расчетов введем коэффициенты А и В, равные

А=

R1 + R1 • R2 + R2' R3 — w ■

^ C + C ^ Ь2 — C^C

2 C C

V Чб C

+ {L3 + L2 )

(10)

(11)

В=

R2 ■ (L3 +L1)+R3'

f

L

C+C

C6 ■ C у

r

+R1

C +C

L —c-C +L

V

Сб ■ Сг у

Таким образом, знаменатель уравнения (9), (10) примет вид

wB

(12)

А + jwB = VA2 + B2 ■ г*™18A , (13)

Подставив полученное выражение в уравнения (9) и (10), получим выражение для иб, и' в комплексной форме

- 1 U Jr 2 +w2L 2

j j 1 m V m m

Uб = ^

V2 w■ Сб-4лГ+ш2ВТ

е

aLm aB

j j°—9°+arctg—arctg

(14)

U = 1 Um^Rm2 +w2L

2 , 2 T 2 oLm a£

+w L jj° —9°+arctg—--arctg—

m \ m m Rm A

V2 w■ Сг Ja2 +w2в2

е

(15)

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/127.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

7

Введем в расчет величину ф1, имеющую значение:

coL, wB

jj = - 90 + arctg

R:

arctg

A

Перейдя к мгновенным значениям напряжения, получим:

• sin (wt + j0 + j1),

и б (t) = m v m o- C б -VA

U • Jr 2

иг(t) = m V m

2 +o2Lm 2

2 +w2B2

О

o-

2 +o2B2

• sin (Ot + jo +jj ),

(16)

(17)

(18)

m

г

Таким образом, используя уравнения (8), (17) и 18), 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, при этом резонансная частота будет равна:

W рез.

1

4lc ’

(19)

где юрез. - частота резонанса; L - индуктивность контура; C - полная емкость контура.

Как известно, до зажигания разряда озонирующий блок можно описать следующими уравнениями:

U3 = C

и..

об

sin О

(20)

и3 = C

и

об

C,

sin ot

(21)

где U3 - действующее значение напряжения на озонаторе; иб - мгновенное значение напряжения на барьере; ^ - мгновенное значение напряжения в

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/127.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

8

газовом промежутке; Соб - общая емкость озонирующего блока; Сб -емкость диэлектрического барьера; Сг - емкость газового промежутка.

Приравняв правые части уравнений (20) и (21), можно определить емкость Соб:

C =

^об ■

С

С ' ^ ' Сб = С ,

(22)

Поскольку величина конденсатора зависит от геометрических размеров, емкость его можно определять по формуле

С=

e

£' S ~d~

(23)

12

где е0 - электрическая постоянная, 8,85*10" Ф/м; е - диэлектрическая проницаемость; S - площадь диэлектрика; d - расстояние между диэлектриками.

С учетом (23) резонансная частота озонатора до зажигания разряда, если озонирующий блок состоит из двух пластин, будет равна

w =

рез.

1

L '£п

e г • S г

(24)

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

1

US — рез , , e • S

i L e0 • (n -1) '-^ dг

(25)

где n - количество диэлектрических барьеров.

Приведенное значение L2 вторичной обмотки трансформатора может быть рассчитано по следующей формуле:

L' d

2 D WD2 - d2

(26)

где p0 - магнитная проницаемость сердечника трансформатора; w - число

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/127.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

9

витков обмотки трансформатора; d - диметр проволоки обмотки трансформатора; D - диметр витка обмотки трансформатора.

Подставив значение индуктивности в выражение (26), получим формулу для определения резонансной частоты электроозонатора до момента зажигания разряда:

рез.

то ■ w

d2

2 D+Jd2

-d2

■e ■ (n -1)

eS

d.

1

(27)

При горящем разряде в озонирующем блоке появляется активная составляющая представленная на схеме замещения (рисунок 2) 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 z примет следующий вид:

R

Z г =

1 + jwC г R,

(28)

Что приведет к изменению формулы для определения резонансной частоты:

W =-

* d2

2 D+D-d2

4* f*

e e *S U 2*p* f*e0 *(n-1)1 *-—г *—

V 1 d6 dr U6 j

1

1

*

(29)

Расчет данного выражения позволит определить величину частоты питающего сигнала электроозонатора, при которой данное устройство будет входить в режим электрического резонанса.

Литература

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/127.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

10

1. Андрейчук В.К. Озонатор / В.К. Андрейчук, Д.А. Нормов, С.В. Вербицкая, Д.А. Овсянников, В.В. Лисицин, А.А. Шевченко, Т.А. Нормова/ патент на изобретение RUS 2198134 30.10.2001.

2. Григораш О.В. Особенности расчета КПД и массогабаритных показателей статических преобразователей /О.В. Григораш, А.А. Шевченко, А.Е. Усков, В.В. Энговатова/ Труды Кубанского государственного аграрного университета. -Краснодар: КубГАУ, 2011. Т. 1. № 30. С. 248-252.

3. Нормов Д.А. Расчет резонансной частоты электроразрядного промежутка озонатора /Д.А. Нормов, А.А. Шевченко, Р.С. Шхалахов, А.В. Квитко/ Механизация и электрификация сельского хозяйства. - М.: 2007. - №8, С. 23-24.

4. Степура Ю.П. Расчет показателей надежности электротехнических устройств /Ю.П. Степура, А.А. Шевченко, А.В. Квитко, Д.В. Солодкий/ Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар: КубГАУ, 2011. Т. 1. № 31. С. 246-249.

5. Шевченко А.А. Влияние диэлектрических барьеров на электрические параметры электроозонатора / А.А. Шевченко, А.В. Квитко / Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар: КубГАУ, 2008. - № 1, С. 92-94.

6. Шевченко А. А. Параметры электроозонирования для предпосевной обработки семян кукурузы /А.А. Шевченко/ автореферат на соискание ученой степени кандидат технических наук. - Краснодар: КубГАУ, 2005

References

1. Andrejchuk V.K. Ozonator / V.K. Andrejchuk, D.A. Normov, S.V. Verbickaja, D.A. Ovsjannikov, V.V. Lisicin, A.A. Shevchenko, T.A. Normova/ patent na izobretenie RUS 2198134 30.10.2001.

2. Grigorash O.V. Osobennosti rascheta KPD i massogabaritnyh pokazatelej staticheskih preobrazovatelej /O.V. Grigorash, A.A. Shevchenko, A.E. Uskov, V.V. Jengovatova/ Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. -Krasnodar: KubGAU, 2011. T. 1. № 30. S. 248-252.

3. Normov D.A. Raschet rezonansnoj chastoty jelektrorazrjadnogo promezhutka ozonatora /D.A. Normov, A.A. Shevchenko, R.S. Shhalahov, A.V. Kvitko/ Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva. - M.: 2007. - №8, S. 23-24.

4. Stepura Ju.P. Raschet pokazatelej nadezhnosti jelektrotehnicheskih ustrojstv /Ju.P. Stepura, A.A. Shevchenko, A.V. Kvitko, D.V. Solodkij/ Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - Krasnodar: KubGAU, 2011. T. 1. № 31. S. 246249.

5. Shevchenko A.A. Vlijanie dijelektricheskih bar'erov na jelektricheskie parametry jelektroozonatora / A.A. Shevchenko, A.V. Kvitko / Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - Krasnodar: KubGAU, 2008. - № 1, S. 92-94.

6. Shevchenko A.A. Parametry jelektroozonirovanija dlja predposevnoj obrabotki semjan kukuruzy /A.A. Shevchenko/ avtoreferat na soiskanie uchenoj stepeni kandidat tehnicheskih nauk. - Krasnodar: KubGAU, 2005

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/127.pdf