Анализом переходных процессов двух схем питания разрядных технологических промежутков определено, что предельная частота следования импульсов зависит от параметров схемы питания и емкости разрядного промежутка. Выявлено, что при использовании стримерной формы коронного разряда можно повысить эффективность процесса электрогазоочистки за счет стабилизации разрядного тока и рассматривать технологический разрядный промежуток как элемент электрической цепи.
Повысить эффективность очистки газов от твердых и жидких аэрозольных частиц можно осуществит при использовании стримерной формы коронного разряда. Неотъемлемым условием создания этого вида разряда является применение униполярных импульсов высокого напряжения с крутым фронтом возрастания напряжения. При этом амплитуда напряжения должно превышать пробивной порог разрядного промежутка при питании постоянным напряжением [1,2]
Схема генерирования униполярных импульсов высокого напряжения для питания электрофильтров должна удовлетворять следующим условиям:
- обеспечивать стабильность частоты, формы и амплитуды импульсов напряжения;
- иметь минимальные габариты, простоту и надежность при минимальной стоимости;
- устранять переход в искровой и дуговой формы разрядов;
- удовлетворять требованиям электробезопасности, пожарной безопасности, производственной санитарии;
- не создавать радиопомех.
Генерирование униполярных импульсов высокого напряжения можно осуществить по схеме приведенной на рис.1, где генерируемые машинным генератором G периодические импульсы напряжения повышаются трансформатором Т и выпрямляются выпрямителем, собранном по схеме умножения напряжения, без накопительного конденсатора на выходе схемы (С1,V1,V2). К выходу схемы подключается технологический разрядный промежуток электрофильтра РП имеющий собственную емкость С2. Осциллограмма напряжения на выходе генератора приведена на рис.2, а осциллограмма напряжения на входе электрофильтра на рис.3.
Одно из преимуществ предлагаемого способа очистки газов с использованием стримерной формы коронного разряда над существующим способом очистки в электрических полях коронного разряда постоянного напряжения заключается в возможности рассматривания технологического разрядного промежутка как элемента питающей цепи.
Одним из параметров импульсного напряжения является частота следования импульсов, которая определяется процессами переноса объемных зарядов, образовав- шимися под действием импульса напряжения, в разрядном промежутке. Очевидно, что для стабилизации разрядных процессов, в паузе между импульсами плотность объемных зарядов в разрядном промежутке должна быть уменьшена до величины, при которой не возникнут вторичные ионизационные процессы от воздействия повторного импульса.
После приложения импульса напряжения и стримерного пробоя в разрядном промежутке образуются объемные заряды плотностью σ (число объемных зарядов на единицу объема разрядного промежутка). Так как в объеме газа вследствие рекомбинации и переноса объемных зарядов уменьшается их плотность, то, соответственно, уменьшается плотность тока через разрядный промежуток:
Рисунок 1 - Принципиальная схема питания электрофильтров униполярными импульсами высокого напряжения.
j = ebEg(t), (1)
где e – элементарный заряд; b - подвижность ионов;
E – напряженность электрического поля;
g(t) – уменьшающаяся во времени плотность объемных зарядов.
Рисунок 2 - Осциллограмма напряжения на выходе машинного генератора периодических импульсов напряжения
Таким образом, в разрядном промежутке плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля, т.е. проводимость линейная. Изменение плотности зарядов будет определяться изменением плотности тока и характеризоваться параметрами источника питания.
Рисунок 3 - Осциллограмма напряжения на входе электрофильтра.
Проанализируем переходный процесс в электрической цепи источника высоковольтных импульсов напряжения в паузе между импульсами. По схеме замещения (рис.4) имеем замкнутый контур последовательно включенных формирующей емкости С1, емкости разрядного промежутка С2, активного R1 и индуктивного L сопротивлений вторичной обмотки повышающего трансформатора, прямого сопротивления диода R2.
Ввиду С1>С2, примем допущение, что напряжение на конденсаторе С1 UС1 равно амплитуде напряжения на выходе трансформатора Uа и остается постоянным в паузе между импульсами.
Для определения закона изменения напряжения и тока разрядного промежутка в паузе между импульсами составим характеристическое уравнение цепи в комплексной форме:
Z = R1+R2+jωL+1/(jωC1)+1/(jωC2). (2)
Заменим сомножитель jω на оператор Р и полученное выражение Z(p) приравняем нулю
или
Z(р) = R1+R2+рL+1/(рC1)+1/(рC2) = 0,
р2(C1C2L)+рC1C2(R1 +R2)+C1+С2 = 0. (3)
Рисунок 4 - Схема замещения источника импульсов высокого напряжения в паузе между импульсами:
Корни характеристического уравнения (1) определяются равенством:
р1,2 = {-C1 C2 R±[(C1C2R)2-4(C1C2L)(C1+C2))]0,5}/(2C1 C2L), (4)
где R=R1+R2.
Отсюда свободная составляющая напряжения на конденсаторе С2:
UС2св = (A1eр1t +A2 eр2t )+Uа , (5)
а ток в цепи
где С = С1 + С2.
iсв = [Cd(UС2св –Uа)]/dt = C(A1p1ep1t +A2p2eр2t), (6)
Ввиду С1>С2, примем допущение, что напряжение на конденсаторе С1
UС1 равно амплитуде напряжения на выходе трансформатора Uа и остается постоянным в паузе между импульсами.
Начальные условия для расчетов:
Uс2 = 2Uа , Uс1 = Uа , iа = i0 , t = 0,
где Uс2 – амплитуда напряжения на разрядном промежутке емкостью С2; Uа - амплитуда напряжения на выходе повышающего трансфоратора; Uс1 – напряжение на конденсаторе С1;
iа - амплитуда разрядного тока; iсв.0 – начальный ток цепи;
t - время интегрирования.
С учетом принятых допущений и начальных условий получаем: Uа =A1 +A2, iа =A1p1 +A2p2,
Отсюда
A1 = (p2Uа iа)/(p2 –p1), (7)
A2 = (p1 Uа iа)/(p2 –p1). (8)
При этих значениях постоянных интегрирования законы изменения напряжение и тока разрядного промежутка в паузе между импульсами имеют вид:
UC2.св = [1/(р2-р1)] [(р2Ua-ia)р1eР1t-(р1Ua-ia)р2eP2t]+Ua, (9)
iсв = [С/(р2-р1)] [(р2Ua-ia)р1eР1t-(р1Ua-ia)р2eP2t]. (10)
Задача решалась на ПК для следующих значений параметров цепи: L=100 Гн; R1 = 35х103
Ом; R2 = 2х108 Ом; C1 = 10-9, 10-10 Ф; C2 = 10-11, 10-12 ; Uа = 2х104 В; iа = 10-4 А. Шаг
интегрирования 0,001 с. По результатам расчетов построены графики изменения напряжения и тока разрядного промежутка в паузе между импульсами (рис.5).
Uс2,103В
40
30
25
20
15
0,002 0,004 0,006 0,008 t,c
а.
I,10-4 А
8
6
4
2
0,002 0,004 0,006 0,008 t,c
б.
Рисунок 5 - Процесс изменения напряжения (а) и тока в контуре (б) разрядного промежутка в паузе между импульсами: 1 - С1 = 10-10Ф, С2 = 10-12Ф; 2 - С1 = 10-9 Ф, С2 = 10-
12 Ф; 3 - С1 = 10-10Ф, С2 = 10-11Ф; 4 - С1 = 10-9 Ф, С2 = 10-11Ф.
Анализ кривых указывает на одинаковый закон изменения UC2.св и iсв .Характер переходного процесса зависит от параметров цепи R1, R2, L, C1 и C2, т.е. от вида корней характеристического уравнения. При этом определяющим является величина емкости разрядного промежутка С2. С увеличением емкости разрядного промежутка увеличивается время компенсации зарядов накопленных в нем. Таки, при емкости C2=10-11 Ф время полной компенсации зарядов составляет 0,006 с, а при C2=10-12 Ф - 0,001 с. Отсюда максимальная частота следования импульсов составляет соответственно 166 имп-- 1 и 1000 имп-1.
Частота следования импульсов может быть увеличена при уменьшением эквивалентного сопротивления источника питания. Для этого можно использовать схему с двухсторонним питанием (рис. 6). В схеме для создания постоянной составляющей импульсного напряжения используется повышающий трансформатор Т1, с помощью которого повышается напряжение сети. Повышенное напряжение сети выпрямляется схемой с умножением напряжения (С1, V1 и V2) и подается на разрядный промежуток РП (С2). Импульсное периодическое напряжение после повышения на трансформаторе Т2, выпрямляется вентилем V3 и накладывается на постоянную составляющую.
Как и для предыдущей схемы определим закон изменения напряжения и тока разрядного промежутка в паузе между импульсами. Для этого составим характеристическое уравнение цепи в комплексной форме согласно эквивалентной схемы (рис.8):
Z=R1+R2+jωL+1/jωC2. (11)
Решение этого уравнения проведем аналогично предыдущей задаче. В результате получим следующие соотношения:
Корни характеристического уравнения (9) определяются равенством: р1,2 = {-C2 (R1+R2) ±[( C2 (R1+R2))2-4(C2L)]0,5}/2C2L) (12)
Отсюда свободная составляющая напряжения разрядного промежутка:
Рисунок 6 - Принципиальная схема генерирования униполярных импульсов высокого напряжения с двухсторонним питанием.
Рисунок 7 - Схема замещения источника импульсов высокого напряжения с двухсторонним питанием в паузе между импульсами.
Напряжение разрядного промежутка и ток цепи в паузе между импульсами будут изменяться по закону:
UС2 = {1/ (p2-p1)[(p2Ua-ia)ep1t-(p1Ua-iat)ep2t]+U0 , (13)
iсв = С2/ (p2-p1)[(p2Ua-ia)р1ep1t-(p1Ua-iat)р2ep2t]. (14)
Uс2,103В
40
30
Рисунок 8 - Процесс изменения напряжения разрядного промежутка в паузе между импульсами для схемы выпрямления с умножением напряжения (1) и для схемы с двухсторонним питанием (2).
Для сравнения двух схем питания разрядных промежутков электрофильтров уравнения (9) и (13) решались на ПК для следующих значений параметров цепи: L=100 Гн; R1=35х103 Ом; R2= 2х106 Ом; С1=10-8 Ф; С2=10-10 Ф. Шаг интегрирования 0,0001с. Ввиду одинакового характера изменения напряжения и тока расчеты производились только для напряжения. Результаты расчетов представлены в виде графика на рис. 8.
При одинаковых параметрах элементов цепи для схемы выпрямления с умножением напряжения максимальная частота, при которой обеспечивается стабильный процесс стримерной формы коронного разряда, не должна превышать 140 имп-1, а для схемы с двухсторонним питанием - 232 имп-1.
Схема с двухсторонним питанием дает возможность регулировать постоянную составляющую импульсного напряжения в необходимых пределах. Кроме этого при использовании двухполупериодной схемы выпрямления получать удвоенную частоту импульсов по отношения к частоте периодических импульсов напряжения. Недостатком этой схемы является необходимость двух изолированных источников высокого напряжения.
Результаты проведенного анализа адекватны результатам проведенной серией экспериментальных исследования по изучения характеристик стримерной формы коронного разряда.
Выводы
- Частота импульсного напряжения определяется временем полной компенсации объемных зарядов промежутка, образовавшихся под действием импульса напряжения, параметрами элементов схемы питания и емкостью разрядного промежутка.
- При питании униполярными импульсами высокого напряжения с перенапряжением технологические разрядные промежутки можно рассматривается как элемент электрической цепи.
- Если при коронном разряде постоянного напряжения ток разряда представляет собой функцию дискретного случайного процесса, то при питании униполярными импульсами высокого напряжения токи разряда стабильные по частоте и амплитуде.
- В схемах с двухсторонним питанием частота импульсов может быть увеличена по сравнению со схемами выпрямления с умножением напряжения. При этом, появляется возможность регулировать технологическими процессами осуществляемыми в электрических полях изменением постоянной составляющей импульсного напряжения.
Литература
- Абдулла Ахмед Саид Моршед. Электрофильтр для очистки воздуха в цехах хлопкоочистительных заводов.: Дис. …канд. тех. наук. –Т.,1999. 123 с.
- Музафаров Ш.М., Абдулла Ахмед Саид Моршед. Анализ возможности стабилизации процессов униполярного коронного разряда.//Узбекский журнал Проблемы информатики и энергетика.-1999, № 2, С. 30-33.