Моделирование переходных процессов в цепях формирования высоковольтных импульсов

Бесплатный доступ

В статье рассмотрено решение проблемы наличия в цепях создания высоковольтных импульсов формирующих разрядных промежутков. Такие цепи используются в установках электрогидравлического удара, которые используются для приготовления питательных растворов, очистки сточных вод, разрушения горных пород и т. д. Наличие формирующих разрядных промежутков создает опасность эксплуатации установки, что накладывает ограничения по использованию данной технологии. Целью работы является изучение возможности формирования импульсов без использования формирующих разрядных промежутков. В результате работы проведено моделирование цепей без формирующих разрядных промежутков с использованием различных источников питания и сделаны выводы о достоинствах и недостатках использования в схеме тех или иных источников питания, а также сообщены планы дальнейшего исследования на экспериментальной установке.

Еще

Цифровое моделирование, формирование импульсов, электрогидравлический удар, питательный раствор

Короткий адрес: https://sciup.org/147241377

IDR: 147241377

Текст научной статьи Моделирование переходных процессов в цепях формирования высоковольтных импульсов

Введение. На данный момент существуют разработки высоковольтных импульсных установок для приготовления питательного раствора [1], [5], [6], [7], [10], [11]. Cпомощью таких установок, возможно приготовление питательных растворов для полива культурных растений. Во время прохождения высоковольтного электрического разряда через воду возникает резкое повышение температуры в области разряда, что вызывает мгновенное испарение жидкости, которое влечет за собой появление большой разницы между атмосферным давлением и давлением в области разряда, что обеспечивает обогащение воды азотом и озоном [9]. Использование полученного при таком способе изготовления питательного раствора должно повысить урожайность с/х культур. Основной проблемой данных установок является небезопасность эксплуатации из-за наличия формирующих разрядников. Они служат для увеличения крутизны фронта и уменьшения длительности получаемого разряда. Решением данной проблемы может стать разработка установки с новой схемой цепи формирования высоковольтных импульсов, основанной на использовании катушки зажигания.

Работа посвящена цифровому моделированию переходных процессов в цепи формирования высоковольтных импульсов установки электрогидравлического удара. Целью работы является изучение возможности создания высоковольтных импульсов стабильных по амплитуде и частоте без использования формирующих разрядников.

Анализ литературных источников по проблеме исследования.

Советский ученый Л. А. Юткин изучил явления, происходящие в воде во время прохождения через нее электрического разряда, назвав их в 1950 году В 29

электрогидравлическим эффектом (ЭГЭ) [2]. Он нашел множество способов применения этого эффекта в промышленности и разработал большое количество установок на его основе. В последствии, особую популярность исследования на эту тему получили в странах Европы и Африки [12], [13], [14], [15]. Были разработаны образцы установок для очистки сточных вод и приготовления питательных растворов, но до сих пор не появилось готового решения данной установки, которое могло бы пойти в массовое производство.

Основным недостатком стандартных схем электрогидравлического удара является наличие формирующего разрядного промежутка, что создает опасность эксплуатации данных установок (Рис. 1) [1].

TDKS32-04

Е - источник питания, TV - высоковольтный трансформатор, VD - диодный мост, R -ограничивающий резистор, С - высоковольтный конденсатор, F - формирующий разрядный промежуток, W - рабочий разрядный промежуток

Рисунок 1 - Стандартная схема установки электрогидравлического удара

От источника питания подаётся напряжение на обмотку высоковольтного трансформатора, с этой обмотки на повышающий трансформатор, предназначенный для увеличения энергии импульса. После напряжение проходит через выпрямитель и появляется на ограничивающем резисторе. Формирующий разрядный промежуток функционирует как высоковольтный ограничитель и сокращает продолжительность разряда. Длительность разряда не превышает десятка миллисекунд. За это время электрическая энергия переходит в тепловую и механическую. Для формирования ударного импульса необходимо подавать ступенчатое напряжение, то есть нужно управлять напряжением на электродах. Проблемой данной установки является наличие формирующих разрядных промежутков, что приводит к невозможности использования ее в быту из-за повышенной опасности эксплуатации.

Была начата разработка усовершенствованной установки чтобы добиться уменьшения габаритных размеров и повышения безопасности за счет избавления схемы от формирующего разрядного промежутка. В следствии этого, появилась необходимость в моделировании переходных процессов, происходящих в данной цепи формирования высоковольтных импульсных разрядов, в результате которого необходимо определить возможность возникновения искрового разряда на рабочем разрядном промежутке. Для этого была использована программа Matlab и ее расширение Simulink для цифрового моделирования.

Цель исследования:

  • -    Изучить возможность создания разряда в схеме без формирующего разрядного промежутка с различными источниками питания.

  • -    Изучить возможность использования источников напряжения постоянного и

  • переменного тока, а также возможность использования в качестве источника питания генератора импульсов.
  • -    Изучить возможность создания разряда в схеме без формирующего разрядного промежутка и размыкателя в первичной цепи в случае использования в качестве источника питания генератора импульсов.

Проведение моделирования переходных процессов в цепи формирования высоковольтных импульсов установки электрогидравлического удара

Цифровая модель электрической схемы установки электрогидравлического удара включает в себя две цепи – первичную и вторичную (рис. 2). Первичная цепь состоит из источника питания AC , первичной обмотки взаимного индуктора TV индуктивностью 3,7 мГн, конденсатора C емкостью 100 пФ и параллельно подключенного к нему размыкателя, который управляется генератором импульсов. Вторичная цепь состоит из вторичной обмотки взаимного индуктора TV индуктивностью 23,5 мГн и нагрузочного сопротивления R сопротивлением 100 кОм, которое симулирует нагрузку на рабочих разрядных промежутках и было использовано из-за отсутствия в библиотеке Simulink разрядных промежутков [9]. На данный момент эта неточность не является критичной, так как в следствии моделирования, на данный момент, необходимо определить параметры импульса во вторичной цепи, а также увидеть происходящие в цепи переходные процессы. Итоги моделирования выводятся на осциллографы с помощью амперметров, включенных в первичную и вторичную цепь, и вольтметров, подключенных к первичной цепи, взаимному индуктору и нагрузочному сопротивлению.

Первое моделирование было проведено с использованием источника напряжения переменного тока амплитудой 12В (Рис. 2). Режим работы генератора импульсов настроен так, чтобы обеспечивать нормально открытый контакт размыкателя и частоту выходных импульсов 1 Гц.

AC – источник напряжения переменного тока, TV – взаимный индуктор, R – нагрузочное сопротивление, С – конденсатор, S – управляемый размыкатель, G – генератор импульсов, P1 - P2 – амперметры, P3 - P5 – вольтметры, PS1 - PS2 – осциллографы.

Рисунок 2 - Принципиальная усовершенствованная схема установки электрогидравлического удара с источником напряжения переменного тока амплитудой 12В

В результате моделирования работы данной схемы были получены импульсы силы тока с одинаковой амплитудой и фронтом, которые не менялись с увеличением числа разрядов. Амплитуда импульсов в первичной цепи составила 2,8 А (рис. 2.1), а во вторичной 0,15 А (рис. 2.2).

Рисунок 2.1 - Графическое изображение силы тока импульса в первичной цепи

Рисунок 2.2 - Графическое изображение силы тока импульса во вторичной цепи

Сила тока импульсов в первичной цепи является очень важным показателем, так как катушка зажигания имеет допустимые значения длительного протекания тока, которые зависят от модели катушки [8].

Также было получено значение напряжения импульса во вторичной цепи (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 - Графическое изображение напряжения импульса во вторичной цепи

При использовании источника питания напряжением переменного тока 12 В амплитуда напряжения на нагрузке составила 16000 В (рис. 2.3). От этого напряжения зависит возможность возникновения разряда на рабочем разрядном промежутке и какой

зазор можно выставить на нем. Так же важным критерием пробоя разрядного промежутка является скорость нарастания напряжения до максимального значения, что называется крутизной фронта [4]. В нашем случае она составила минимальное значение, стремящееся к нулю, что является наилучшим результатом.

Полученные данные позволяют сказать об эффективности использования данной схемы с источником напряжения переменного тока. Обеспечивается стабильность величины и длительности импульсов, которая требуется для нормальной работы установки.

Второй опыт был проведен с использованием в качестве источника питания источника напряжения постоянного тока 12 В (Рис. 3). Генератор импульсов работает в режиме, позволяющем обеспечивать нормально закрытый контакт. Частота выходных импульсов 1 Гц.

DC – источник напряжения постоянного тока, TV – взаимный индуктор, R – нагрузочное сопротивление, С – конденсатор, S – управляемый размыкатель, G – генератор импульсов, P1 - P2 – амперметры, P3 - P5 – вольтметры, PS1 - PS2 – осциллографы.

Рисунок 3 - Принципиальная усовершенствованная схема установки электрогидравлического удара с источником напряжения постоянного тока амплитудой 12В

Амплитуда напряжения на нагрузке при использовании в качестве источника питания источника напряжения постоянного тока 12 В составила 14000 В (рис. 3.1). Время нарастания напряжения с нуля до максимального значения, как и при использовании источника переменного напряжения, стремится к нулю.

Рисунок 3.1 - Графическое изображение напряжения импульса на нагрузке

Длительность импульса t, с

Рисунок 3.2 - Графическое изображение силы тока импульса в первичной цепи 0.2 0.1 0 о

-0.1

-0.2

0.985                   0.99                   0.995                     1                    1.005

Длительность импульса t, с

Рисунок 3.3 - Графическое изображение силы тока импульса во вторичной цепи

Полученные значения амплитуды силы тока составляют 2,4 А в первичной цепи и 0,14 А во вторичной. После получения результатов второго моделирования нельзя однозначно выделить достоинства и недостатки использования иточников напряжения постоянного или переменного напряжения.

Третий опыт проводился при использовании в качестве источника питания генератора импульсов. Так же из первичной цепи схемы был исключен размыкатель, а конденсатор подключен последовательно источнику питания и первичной обмотке катушки зажигания.

G – генератор импульсов, TV – взаимный индуктор, R – нагрузочное сопротивление, С – конденсатор, P1 - P2 - амперметры, P3 - P4 - вольтметры, PS1 - PS2 - осциллографы.

Рисунок 4 - Принципиальная усовершенствованная схема установки электрогидравлического удара с использованием генератора импульсов в качестве источника питания

  • 34                 Агротехника и энергообеспечение. – 2023. – № 2 (39)

В результате моделирования амплитуда силы тока в импульсе в первичной цепи составила 10 А (рис. 4.1), а во вторичной – 0,011 А (рис. 4.2).

Рисунок 4.1 - Графическое изображение силы тока импульса в первичной цепи

Рисунок 4.2 - Графическое изображение силы тока импульса во вторичной цепи

Значение амплитуды напряжения составило 33 В (рис. 4.3), что является недостаточным для возникновения разряда, но получение импульса во вторичной цепи является удовлетворительным результатом. Из-за отсутствия возможности вносить все параметры катушки в стандартный блок Simulink нельзя получить достоверные данные напряжения и токов [3].

Длительность импульса t, с

Рисунок 4.3 - Графическое изображение напряжения импульса на нагрузке

Вывод. По результатам проведенного моделирования, можно сделать вывод о возможности возникновения импульса напряжения во вторичной цепи с любым из предложенных источников питания. Невозможность получения точных данных с помощью стандартных блоков Simulink на данный момент не является критичной, так как выбор источника будет основываться на требованиях к технологическому процессу производства питательного раствора, а точные параметры напряжения и тока будут установлены во время экспериментального исследования.

Наиболее интересной является схема с использованием генератора импульсов, несмотря на получение неудовлетворительного значения напряжения во вторичной цепи. С таким источником питания появляется возможность легко управлять режимами работы установки, а также происходит уменьшение количества переходных процессов из-за отсутствия размыкателя.

Необходимо определить при каком режиме обработки воды электрическими разрядами наблюдается наилучший эффект. Так же, будет осуществлен выбор катушки зажигания с подходящими параметрами коэффициента трансформации и значениями максимально допустимого длительного тока в первичной и вторичной обмотке.

36 Агротехника и энергообеспечение. – 2023. – № 2 (39)

American Chemical Society. — 2006. — vol. 45. — No 3. — pp. 882—905.

SIMULATION OF TRANSIENT PROCESSES IN HIGH-VOLTAGE PULSES

Список литературы Моделирование переходных процессов в цепях формирования высоковольтных импульсов

  • Топорков В.Н., Белов А.А., Мусенко А.А. Разработка лабораторной установки для ЭГ-обработки водных растворов // Инновации в сельском хозяйстве. — 2019. — № 1(30). — С. 23—33.
  • Валеев М.Д., Ахметгалиев Р.З., Ахметгалиев А.Р., Грехов И.В., Тарасевич С.А., Богданов А.В. Экспериментальные исследования воздействия электрогидравлических ударов на водонефтяные эмульсии // Нефтегазовое дело. — 2020. Т. 18. — № 4. — С. 74—79.
  • Бровин А. В. Использование эффекта электрогидравлического удара в борьбе с подводным терроризмом // Морской сборник. — 2010. —№ 3 (1956). —. С 26—30.
  • Глотова И.А., Яровой М.Н., Шахов С.В., Балабаев В.С., Измайлов В.Н. получение хитина и хитозана с использованием электрогидравлических ударов // Международный студенческий научный вестник. — 2017. — № 4-8. — с. 1207—1209.
  • Мартынов Н.В., Добромиров В.Н., Барсуков В.О., Аврамов Д.В. Электрогидравлическая технология разрушения монолитных объектов // Горная промышленность. — 2021. — № 2. — с. 132—136.
  • Сагимбаева Ш.Ж., Тарковский В.В., Шункеев К.Ш., Мясникова Л.Н. Электрогидравлический метод обогащения диатомического сырья // Вестник гродненского государственного университета имени Янки Купалы. Серия 6. Техника. — 2020. т. 10. — № 2. — с. 20—31.
  • Чеснокова Е.В., Сауткина Т.Н., Рогаткин А.Ю. Применение метода анализа размерностей для определения давления при электрогидравлическом разряде в жидкости. Совершенствование методов гидравлических расчетов водопропускных и очистных сооружений. — 2019. Т. 1. — № 1 (44). — с. 79—82.
  • Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект. — М.-Л.: Машгиз, 1955. — 51 с.
  • Колосовская Н.А. Расчет характеристик и кпд электрогидравлического удара on the problem of calculation of characteristics and efficiency factor of electro-hydraulic impact. // Известия петербургского университета путей сообщения. — 2007. — № 3 (12). — с. 57—69.
  • Браммер Ю. А., Пащук И. Н. Импульсная техника. —: Высшая школа, Москва, 1965. — 281 с.
  • [Электронный ресурс]. — URL: https://www.mathworks.com/help/?s_tid=gn_supp
  • Jones H.M., Kunhardt E.E. The influence of pressure and conductivity on the pulsed breakdown of water // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 1994, — vol. 1, — pp. 1016—1025.
  • Locke B.R., Sato M., Sunka P., Hoffmann M.R., Chang J.-S. Electrohydraulic discharge and nonthermal plasma for water treatment, Industrial and engineering chemistry research: American Chemical Society. — 2006. — vol. 45. — No 3. — pp. 882—905.
  • Mackersie J.W., Timoshkin I.V., Mac.Gregor S.J. Generation of high-power ultrasound by spark discharges in water // IEEE Transactions on Plasma Science. — 2005. — vol. 33. — pp. 1715—1724.
  • Akiyama H. Streamer discharges in liquids and their applications // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2000. — vol. 7. — No. 5 — pp. 646—653.
Еще
Статья научная