Розроблено діючу модель високочастотного резонансного трансформатора для дослідження процесів, що виникають під впливом високочастотних випромінювань, надано опис конструктивних особливостей та принципів його дії

Данильченко, Дмитро Олексійович

Довгалюк, Оксана Миколаївна

Лухтура, Микола Іванович

Шутенко, Олег Володимирович

Яковенко, І. С.

Ukrainian

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

УДК 621.311   ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА МОДЕЛЬ РЕЗОНАНСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА   Довгалюк О. М., Шутенко О. В., Данильченко Д. О., Лухтура М. І., Яковенко І. С.  Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"  Розроблено діючу модель високочастотного резонансного трансформатора для дослідження процесів, що виника-ють під впливом високочастотних випромінювань, надано опис конструктивних особливостей та принципів його дії.  Постановка проблеми. Дослідження процесу поширення електромагнітних хвиль високої частоти принципово не можливо без наявності відповідної лабораторної бази. В умовах відсутності стандартизо-ваних пристроїв для отримання електромагнітних ко-ливань високих частот виникає об'єктивна необхід-ність в розробці, створенні та дослідженні можливос-тей таких установок. На кафедрі передачі електричної енергії Націона-льного технічного університету "Харківський політе-хнічний інститут" розроблена і створена експеримен-тальна модель високочастотного резонансного транс-форматора (ВРТ), який використовується як у навча-льних цілях, так і в наукових розробках співробітників кафедри. Аналіз останніх досліджень і публікацій. Вико-наний аналіз літературних джерел показав, що подібні установки розробляються і використовуються в осно-вному для дослідження можливостей безпровідної передачі електричної енергії на відстань [1, 2]. У роботах [3, 4] розглядаються можливості засто-сування ВРТ для вирішення ряду практичних задач в медицині, металургії, у деревообробній промисловос-ті, сільському господарстві та ін. Однак, не дивлячись на велику кількість публіка-цій, конструктивні особливості ВРТ та умови їх функ-ціонування практично не розглядаються, через що виникають об'єктивні складнощі під час створення та експлуатації таких установок. Мета статті. У статті викладені принципи роботи, особливості конструктивного виконання і основні сфери використання ВРТ. Основні матеріали дослідження. Принцип дії ВРТ заснований на явищі резонансу двох індуктивно зв'язаних коливальних контурів. Схема ВРТ представ-лена на рис. 1.    Рисунок 1 – Електрична схема ВРТ  Первинний коливальний контур складається з конденсатора С1, первинної обмотки L1 і комутується високочастотним розрядником, в результаті чого утворюється замкнений контур. Вторинний коливаль-ний контур утворений вторинною обмоткою L2 і кон-денсатором С2 (тороїд, що має ємність). Один з кінців вторинної обмотки заземлений. Ці два коливальних контури повинні бути налаштовані на одну резонанс-ну частоту. Розроблений трансформатор функціонує в імпу-льсному режимі, під час якого в першій фазі від тран-сформатора Т1 заряджається конденсатор С1 до напру-ги пробою розрядника, а в другій фазі – генеруються високочастотні коливання в первинному контурі. Роз-рядник, що включений паралельно, замикає джерело живлення (трансформатор Т1) і вимикає його з конту-ру. Під час досягнення напруги пробою між електро-дами розрядника виникає електричний пробій газу. Конденсатор С1 розряджається через розрядник на котушку L1, після чого напруга пробою розрядника різко зменшується, що пов'язано з наявністю в газі носіїв заряду (іонів). Тому ланцюг коливального кон-туру, що складається з первинної котушки L1 і кон-денсатора C1, залишається замкненим через розряд-ник, і в ньому виникають високочастотні коливання. Енергія, що запасена в ємностях C1 та C2 двох ре-зонансних контурів відповідно, визначається за спів-відношенням [5]:   2 21 1 2 21 2,2 2C U C UW W  .   (1)  Виходячи з рівності цих енергій, знаходимо вели-чину напруги вторинного контуру:   12 12CU UC  .  (2)  Під час збігу власної частоти первинного колива-льного контуру з частотою вторинного відбувається різке зростання амплітуди напруги і струму у вторин-ному ланцюзі. Для запобігання пробою на первинну обмотку було прийнято рішення встановити захисне кільце. Резонансні частоти первинного та вторинного ко-нтурів при мінімальному значенні коефіцієнта зв'язку одинакові, звідки отримаємо:  17 1 1 2 21 12 2резfL C L C   .  (3)  Співвідношення (3) визначає необхідну умову що-до залежностей параметрів для первинного та вторин-ного контурів ВРТ, які забезпечать максимальну пере-дачу енергії від первинного контуру до вторинного:     (4) 1 1 2 2L C L C Згідно з другим законом Кірхгофа для первинного і вторинного контурів, зображених на рис. 2, маємо такі рівняння балансу напруги [5]:   1 21 111 0di dii dt L MC dt dt    ,(5)   2 12 221 0di dii dt L MC dt d   t , (6)  де М – взаємна індуктивність між первинною та вторинною обмотками трансформатора.    Рисунок 2 – Електрична схема контурів ВРТ   Для отримання значення напруги на виводах вто-ринного контуру U2 необхідно розв’язати вказану сис-тему рівнянь (5, 6):   1 22 2 212 1 2 12( )(1 ) 4sin sin ,2 2kU LU tLT k Tw w w wt t             (7)  де k – коефіцієнт зв'язку між первинною та вто-ринною обмотками трансформатора; w1, w2 – кутові резонансні частоти первинного та вторинного контурів з урахуванням взаємної індукти-вності; Т – коефіцієнт настроювання.  Таким чином, отримана за допомогою розробле-ної установки висока напруга U2 дозволяє поширюва-ти електромагнітні коливання на відстань. В результа-практичного використання резонансного трансформа- тора для вирішення актуальних завдань електроенер-гетики. Вид експериментальної установки, створеної на кафедрі передачі електричної енергії Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут", показаний на рис. 3.    Рисунок 3 – Зовнішній вигляд експериментальної  установки з ВРТ До основних технічних характеристик ВРТ відно-сяться: - вхідна напруга Uвх; - частота мережі, що живить установку fвх; - робоча напруга Uроб; - потужність установки Руст; - вихідна напруга Uвих; - вихідна частота fрез. Значення основних технічних характеристик ство ериментальн иреної експ ої установк  представлено в табл. 1.  Таблиця 1 – Параметри створеної експеримента-льнfвх, L1, м  C1, C2, L2, fрез, k Uвх/Uроб, ої установки  Гц кГн нФ мкФ мГн кГц кВ 50 7,5 75 0,1 250 220 0,3 0,22/4  Для розрахунку величини власної частоти ко-коливань вторинного контуру необхідно враховувати, що вторинна обмотка крім індуктивності має деяку ємність, величина якої визначається геометричними розмірами обмотки. Ця ємність складається з ємністю тороїда, що впливає на результуючу ємність вторин-ного контуру. Ємність конденсатора первинного кон-туру С1 становить 75 нФ, з урахуванням чого було визначено кількість витків первинної обмотки. В яко-сті конденсатора С1 була використана батарея конден-ті з'являється можливість проводити дослідження 18- оцінка впливу високочастотних випромінювань на якість електричної енергії; саторів з послідовно і паралельно з'єднаних високово-льтних високочастотних конденсаторів. Для досяг-нення резонансу варіювалася величина індуктивності первинної обмотки за рахунок зміни кількості витків. Джерелом живлення для зарядки конденсаторів є трансформатор Т1, в якості якого використовується трансформатор напруги НОМ-6 номінальною потуж-ністю 400 ВА. Для регулювання напруги зарядки контурного конденсатора С1 в установці паралельно з первинною обмоткою трансформатора було встановлено автотра-нсформатор АОМН-400-220-75 У4. Фільтр низьких частот призначений для виключен-ня можливості потрапляння високочастотних імпульсів первинного контуру у вторинну обмотку трансформа-тора. Фільтр виконаний у вигляді П-подібної схеми. Частота зрізу фільтра обрана на порядок менше резона-нсної частоти коливальних контурів і в той саме час більшою за частоту спрацьовування розрядника. Для випрямлення струму в установці використані діод се-реди типу Д1008А, номінальний струм яких більше струму вторинної обмотки трансформатора Т1. Для досліджуваної установки в програмномуовищі Matlab/Simulink розроблена імітаційна мо-дель, за допомогою якої визначено величину напруги в первинному та вторинному контурах. Результати моделювання представлені на рис. 4.    Рисунок 4 – Напруга первинної та вторинної  остовірність розрахунку параметрів ВРТ з вико-рис виконувати до-слідагностика високовольтного обладнання; юван-ня на організм людини та навколишнє середовище; ння електротехнічного облі сфери викори-стан джерел  ые методы передачи электрической энергии / Д. С. Стребков, А. И. Некра-сов . – 17 с. мии / М. А оВ. Ва : ЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ РЕЗОНАНСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА Дов ., Лухтура Н. И., Яковенко И. С. Разрабо высокочас-тотного резонансного трансформатора для исследо-ваниt EXPERIMENTAL MODEL OF RESONANT TRANSFORMER O. Do nko,  N. Lukhtura, I. akovenko  The current ant transformer for research of processes taking place under the influence of high- оцінка впливу високочастотних випромінювань на особливості функціонувааднання, на стан матеріалів тощо. Висновки. Представлено опис принципів роботи, конструктивного виконання та основння створеної експериментальної установки з ВРТ, наведено методику та результати розрахунків її осно-вних параметрів. Виконано моделювання процесів у ВРТ для дослідження особливостей функціонування зазначеної установки.   Список використаних 1. Стребков Д. С. Резонансн– М.: ГНУ ВНЭСХ, 2006. – 304 с. 2. Tesla N. Apparatus for transmission of electrical energy US Patent № 649621 / 15.05.19003. Сафаров М. А. Применение резонансного трансформатора для изучения физики и хи. Сафаров // Молодежный научн -технический вестник. – http://sntbul.bmstu.ru/doc/712372.html 4. Диденко А. Н. СВЧ-энергетика. Теория и прак-тика. / А. Н. Диденко. – М.: Наука, 2003. – 446 с. 5. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротех-ники / Л. А. Бессонов. – М.: Высш. шк., 1986. – 212 c. 6. Василенко В. В. Математична модель електро-магнітних процесів у трансформаторі Тесли / . Василенко, В. М. Комаров // Науковий вісник НУБіП Укр їни. Серія Техніка та енергетика АПК. – 2013. – №184. – С. 88-94.  Аннотация  ЭКСП галюк О. Н., Шутенко О. В., Данильченко Д. А тана действующая модель я процессов, имеющих место при воздействии высокочастотных излучений, приведено описание конструктивных особенностей и принципов его дей-ствия.  Abstrac обмоток ВРТ  Дvgalyuk, O. Shutenko, D. Danylcheтанням побудованої моделі підтверджується ре-зультатами, що наведені в роботі [6]. Представлена установка дозволяє Y model of high-frequency resonження можливостей ВРТ не тільки в описаних вище напрямках, але й для вирішення наступних за-вдань: - ді-frequency radiation is developed. Description of the design features and principles of its operation is shown.  - аналіз впливу високочастотного випромін19

Експериментальна модель резонансного трансформатора

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/40512/1/2016_Dovhaliuk_Eksperyment_model.pdf

Експериментальна модель резонансного трансформатора

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository