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