Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ANALYSIS OF POWER SUPPLIES OF ELECTROPHYSICAL DEVICES OF THE ELECTROTECHNICAL COMPLEX OF WATER PURIFICATION

Akhmedova O.O. 1 Soshinov A.G. 1 Stepanov S.F. 1 Bakhtiarov K.N. 1
1 Kamyshin technological institute (branch) of the federal state budgetary educational institution of higher professional education “Volgograd state technical university”
High-voltage power supplies of electrotechnological installations existing now in most cases morally and technically became outdated and don´t meet modern technical and economic requirements for size efficiency, massogabaritny indicators and some other indicators. In particular, it belongs and to power supplies of industrial microwave ovens, BONDS and UF of installations. The main contribution to massogabaritny indicators is brought by power supplies. The effective direction of improvement of technical and economic indicators of industrial microwave ovens of installations is creation of power supplies of these devices according to the scheme with an intermediate link of the increased frequency (PZPCh). Creation of highly effective power supplies possibly at the expense of application of modern power semi-conductor and magnetic materials with low losses on magnetic reversal, and also highly intellectual integrated schemes of management, control and protection. Thanks to creation of the high-speed power transistors, special integrated schemes for management, control and protection, high-speed diodes, ferrite with low losses on magnetic reversal, amorphous and nanocrystal alloys, condensers with small dielectric losses were created and power supplies with PZPCh for electroinstallations of low power found wide application.
ozonization
microwave oven influence
ultrasonic
ultra-violet
electrophysical devices
power supplies

В статье предложено использовать схему источника питания с промежуточным звеном повышенной частоты для питания устройства СВЧ-воздействия (рис. 1).

Рис. 1. Схема источника питания с промежуточным звеном повышенной частоты.

Оценка поглощающей способности сточной воды объемом 100 см3 и потери энергии за счет теплопередачи окружающему воздуху и теплового излучения показывает, что суммарные потери энергии намного меньше подводимой к образцу СВЧ-энергии (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость мощности потерь энергии СВЧ от напряженности электрического поля: 1) мощность, поглощенная микроорганизмами; 2) потери энергии за счет теплопередачи с площади поверхности микроорганизмов.

В электрическом поле при напряженности 150–300 В/см не происходит губительный нагрев одиночных микроорганизмов. Для обеспечения существенного нагрева микроорганизмов в электрическом поле СВЧ-диапазона необходимо повысить его напряженность, в соответствии формулой для нахождения Е, не менее чем в десять раз. Такая напряженность электрического поля для микроорганизмов позволяет добиться примерного равенства между поглощаемой и отдаваемой за счет теплопередачи и теплового излучения энергии, т.е. в таком электрическом поле становится возможным сильный нагрев микроорганизмов.

Согласование основных конструктивно-технологических параметров установки для СВЧ-обеззараживания сточных вод осуществляется следующим образом.

Определим общую полезную мощность СВЧ генератора:

где: λ – длина волны равна 12,24 см; ε – диэлектрическая проницаемость сточных вод равна соответственно (64…60);  – тангенс угла диэлектрических потерь сточных вод (0,22–0,16); k – коэффициент сопротивляемости бактерий к воздействию ЭМИ, находящихся в сточных водах, Вт∙с/см2, для палочек Коли составляет k = 2500∙10-6 Вт ∙с/см2; ОМЧ – общее микробное число в обеззараженной сточной воде 500 тыс. КОЕ/см3 (задано); ОМЧисх. – общее микробное число в исходной сточной воде, КОЕ/см3; ηген – КПД генератора; Q – производительность СВЧ установки, см3/с; d – внутренний диаметр трубопровода, см.

Условие выравнивания поглощаемой энергии и потерь энергии за счет теплопередачи с площади поверхности микроорганизма, а также за счет теплового излучения:

где λ1 – коэффициент теплопроводности воздуха (0,023 Вт/м∙°С); – превышение температуры образца, °С; f – частота электромагнитного поля, Гц; ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85 10-12 Ф/м).

Определим удельную мощность:

Найдем продолжительность воздействия ЭМП СВЧ в резонаторе:

Удельные энергетические затраты составят:

Также отмечено, что для питания ультразвуковой колебательной системы применяются три основные схемы с независимым возбуждением, с самовозбуждением, с автоматической подстройкой частоты. В генераторах на транзисторах при мощностях 100-250 Вт применяется полумостовая схема (рис. 3).

Рис. 3. Полумостовая схема генератора.

Полезная мощность

откуда по заданному питающему напряжению Е и полезной мощности P1 можно определить эквивалентное сопротивление нагрузки:

Амплитуда тока в цепи первичной обмотки трансформатора:

Потребляемая каскадом мощность:

Здесь I0 – постоянная составляющая тока питания. Можно показать, что I1 = πI0 ≤ Iк. доп, где Iк. доп – допустимый ток коллектора, а КПД можно представить выражением:

Приведенная формула не учитывает потерь в трансформаторе и фильтре, поэтому КПД генератора с учетом КПД трансформатора ηт и фильтра ηф можно записать как η= ηг ηт ηф.

Барьерные генераторы озона представляют собой электрический прибор, конструктивно подобный многослойному конденсатору, имеющему два или более последовательно соединенных диэлектрических слоя (барьеры и разрядный промежуток) с различной диэлектрической проницаемостью.

Рис. 4. Эквивалентная схема генератора озона барьерного разряда.

При горении разряда генератор озона потребляет активную мощность Р. Формула Мэнли через действующие значения питающего напряжения и напряжения горения выражается в следующем виде:

где f – частота питающего напряжения.

При проектировании источников питания генераторов озона важно также знать отношение активной мощности к полной (вольт-амперной) мощности, потребляемой генератором в различных режимах его работы, то есть коэффициент мощности ср и его зависимости от различных факторов. Установление этих зависимостей позволяет находить сочетания параметров, которые соответствуют наиболее эффективному использованию подводимой к генератору озона мощности. Загрузка элементов источника питания, в частности высоковольтного трансформатора, реактивной мощностью снижает КПД установок электросинтеза озона и приводит к росту их материалоемкости. Для источника питания генератор озона представляет собой емкостную нагрузку с максимальным коэффициентом мощности (в практически реализуемых системах) 0,3–0,7. Коэффициент мощности φ зависит от режима работы генератора и от его параметров и конструкции. Точнее, имеют место зависимости φ от отношения напряжения горения к рабочему напряжению (UГЭ/UРЭ) и отношения емкостей разрядного промежутка и барьера (С2/С1). Если выразить коэффициент мощности как отношение активной мощности к полной мощности генератора следующим образом:

то можно путем преобразований получить приближенное выражение для φ вида:

или

Анализ последнего выражения показывает, что φ уменьшается с ростом отношения С2/С1. Из вида зависимости φ от отношения С2/С1 следуют важные практические выводы. В частности, переход на конструкции генераторов озона с малыми разрядными промежутками должен сопровождаться применением диэлектрических слоев с большей диэлектрической проницаемостью ε. Зависимость φ от отношения UГЭ/UРЭ имеет экстремальный вид. Как уже отмечалось выше, при рабочих напряжениях UРЭ < UКЭ коэффициент мощности равен нулю. Представив общий коэффициент мощности в виде произведения коэффициента сдвига φС на коэффициент искажения φИ:

можно определить следующее. Коэффициент мощности φ при возникновении разряда (UРЭ > UКЭ) сначала достаточно быстро возрастает от нуля до максимального значения, за счет роста φИ, а затем монотонно уменьшается, за счет уменьшения φС. В пределе для больших рабочих напряжений UРЭ коэффициент мощности φ стремится к нулю. Для заданного отношения С2/С1 максимальный коэффициент мощности φ имеет место при:

При постоянном напряжении (режим стабилизации напряжения) коэффициент мощности φ генератора озона не зависит от частоты f питающего напряжения. При постоянной силе тока (режим стабилизации тока) коэффициент мощности φ зависит от частоты неоднозначно и может как возрастать, так и уменьшаться с ростом частоты f питающего напряжения (для различных сочетаний параметров и режимов).

Рецензенты:

Артюхов Иван Иванович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий», Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина, г. Саратов.

Угаров Геннадий Григорьевич, д.т.н., профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина, г. Саратов.