Об энергосбережении в импульсных технологических процессах
Пропонується принцип енергозбереження в iмпульсному технологiчному процесi. Цей принцип оснований на неповному розрядi накопичувального конденсатора. The principle of power saving in impulse technological processes is offered. This principle is based on the incomplete discharging of a storage capaci...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8518 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Об энергосбережении в импульсных технологических процессах / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 105-109. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860157291703042048 |
|---|---|
| author | Божко, А.Е. |
| author_facet | Божко, А.Е. |
| citation_txt | Об энергосбережении в импульсных технологических процессах / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 105-109. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Пропонується принцип енергозбереження в iмпульсному технологiчному процесi. Цей принцип оснований на неповному розрядi накопичувального конденсатора.
The principle of power saving in impulse technological processes is offered. This principle is based on the incomplete discharging of a storage capacitor.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:53:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.3(0758)
© 2009
Член-корреспондент НАН Украины А.Е. Божко
Об энергосбережении в импульсных технологических
процессах
Пропонується принцип енергозбереження в iмпульсному технологiчному процесi. Цей
принцип оснований на неповному розрядi накопичувального конденсатора.
В импульсных технологиях, таких, как точечная сварка и пайка, очистка жидкостей от
примесей, импульсное формообразование деталей, очистка литых деталей электрогидро-
воздействием в реакторах с жидкостью и др., используется принцип разряда накопитель-
ной электрической емкости на заданную технологическую нагрузку. Обычно в таких про-
цессах применяется разряд конденсатора с последующим его зарядом. На взгляд автора,
разряд емкости до нулевого напряжения (емкостный ток iC становится равным нулю) не
всегда целесообразен, поскольку импульсный технологический процесс осуществляется при
емкостном токе до определенной его величины. Если этот ток ниже действующей вели-
чины емкостного тока, то технологический процесс прекращается. Из этого следует, что
процесс разряда накопительной емкости необходимо ограничить во времени (tU ), при кото-
ром импульсный технологический процесс может происходить. Для убедительности сделаем
акцент на накопительной схеме, представленной на рис. 1, где C — электрическая емкость;
Rн — сопротивление нагрузки; Кл — выключатель.
В данной схеме ключ Кл замыкается на время tU , в течение которого емкостный ток
осуществляет протекание технологического процесса. Здесь энергия заряженной емкости C,
равная WC = (1/2)CU2
C0, передается на резистор Rн в виде
Wp =
tU
∫
0
i2CRнdt, (1)
где UC0 — начальное напряжение на емкости C; iC — емкостный ток, возникший после
включения Кл.
В этом случае баланс энергии с учетом (1) определяется выражением
1
2
CU2
C0 =
tU
∫
0
i2CRнdt +
1
2
CU2
CtU
+ Wп, (2)
Рис. 1
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №5 105
Рис. 2
где U2
CtU — напряжение на емкости C при закрывании ключа Кл (в конце длительности
импульса tU ); Wп — энергия потерь.
Емкостный ток iC при разряде конденсатора C равен
iC = C
dUC
dt
=
UC0
Rн
e−t/(RнC), (3)
где e — основание натурального логарифма.
Импульсный технологический процесс протекает при токе
iC >
UC0
Rн
e−tU /(RнC). (4)
Выражение (4) объясняется графиком, изображенным на рис. 2, где
iCtU =
UC0
Rн
e−tU /(RнC).
Из (2) видно, что энергия, затраченная на протекание импульсного технологического
процесса, равна
1
2
C(U2
C0 − U2
CtU ) =
tU
∫
0
i2CRнdt + Wп (5)
и выражение (5) четко показывает, что при ограничении разряда емкости C в течение време-
ни tU для протекания импульсного технологического процесса необходима энергия не WC ,
а C(U2
C0 − U2
CtU )/2. После разряда C до величины UCtU ключ Кл размыкается и этот кон-
денсатор заряжается до величины UC0 при начальном напряжении UCtU , т. е. не от UC = 0,
а от UCtU > 0. А это значит, что как при разряде емкости C, так и при ее заряде проис-
ходит экономия электроэнергии и, в принципе, при импульсном технологическом процессе
осуществляется энергосбережение. Энергия, непосредственно формирующая импульсный
технологический процесс, выражается соотношением
Wтп =
1
2
CU2
C0
(
1 − e−2tU /(RнC)
)
. (6)
С учетом (5) и (6) видим, что энергия потерь за один импульс tU имеет вид
Wп =
1
2
C
(
U2
C0e
−2tU /(RнC) − U2
CtU
)
. (7)
106 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №5
Если считать, что при разряде емкости C напряжение на ней изменяется по закону
UC(t) = UC0e
−t/(RнC), то UC(tU ) = UCtU − UC0e
−t/(RнC) и из (7) получается Wп = 0.
В принципе, при длительности 0 − tU потери реально малы. В этом случае энергия W0 =
= (1/2)CU2
CtU представляет собой энергию сбережения. Длительность импульса можно по-
лучить на основании формулы (4) в виде
tU = RнC ln
UC0
RнiCtU
. (8)
При этом связь tU с энергией записывается выражением
tU =
RнC
2
ln
CU2
C0
2
1
CU2
C0
2
− Wтп
=
RнC
2
ln
W0
W0 − Wтп
, (9)
где W0 = (1/2)CU2
C0.
Заметим, что при таком методе разряда и заряда накопительной емкости C увеличи-
вается частота воздействия электроэнергии на импульсный технологический процесс, так
как сокращается время заряда конденсатора от напряжения UCtU до UC0. Время заряда
емкости C до напряжения UC0 определяется выражением
tЗ = RЗC ln
E − UCtU
E − UC0
, (10)
где RЗ — активное сопротивление в зарядной цепи; E — напряжение, заряжающее конден-
сатор C.
Из (10) видно, что с увеличением UCtU время заряда уменьшается и в общем технологи-
ческом процессе уменьшается время tЗ + tU , а значит, увеличивается частота воздействия
электроэнергии на технологический объект. Представленные решения были осуществлены
классическими методами. Однако, как показано в работе [1], при включении ключа Кл на-
пряжение UC0 является скачкообразным UC0 = |UC0|1(t), где 1(t) =
{
1 при t > 0
0 при t < 0
}
—
единичная скачкообразная функция. В соответствии с новой концепцией о переходных про-
цессах напряжения |UC0|1(t) можно представить в виде сингуларисного разложения [2]
UC0 = UC0(1 − e−αt) + UC0e
−αt
n
∑
k=1
Uak cos ωkt, (11)
где Ua1 = 1/π; ωk/ω1 = k; Uak = Ua1/k;
n
∑
k=1
Uak = 1; α — коэффициент затухания; Uak, ωk —
амплитуда и круговая частота k-й гармоники, n ≈ 12.
Ориентируясь на (3) и (11), изменение напряжения на конденсаторе C при его разряде
запишем в математическом виде
UCP (t) = UC0(1 − e−αt)e−δt + UC0e
−(α+δ)t
n
∑
k=1
Uak cos ωkt, (12)
где δ = 1/(RнC).
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №5 107
Рис. 3
Электрический ток разряда равен [2]
iCP (t) = CUC0[−δe−δt + (α + δ)e−(α+δ)t] −
− C(α + δ)e−(α+δ)t
n
∑
k=1
Uak cos ωkt − Ce−(α+δ)t
n
∑
k=1
ωkUak sinωkt. (13)
Заметим, что α ≫ δ. При α = ∞
UCP (t) = UC0e
−δt, iCP (t) =
UC0
Rн
e−δt.
С учетом того, что α ≫ δ, составляющие в (12) и (13) с сомножителями e−(α+δ)t затухают
в начале разряда емкости за время, меньше tU . Электрический ток разряда конденсатора,
согласно (13), включает в себя 2n затухающих гармоник Uak cos ωkt и Uak sin ωkt, которые
в одну полуволну разряжают, а в другую — заряжают конденсатор C. В каждой полуволне
амплитудное напряжение гармоники Uake
−(α+δ)t, из чего следует, что последующая полу-
волна имеет амплитудное напряжение Uake
−(α+δ)tTk/2, где Tk — период изменения k-й гар-
моники. Действие на конденсатор этих гармоник затягивает переходный процесс разряда,
а поэтому, с учетом (4), энергосбережение в импульсном технологическом процессе осуще-
ствляется при длительности импульса включения ключа Кл больше, чем tU , описываемой
выражениями (8), (9). Частоту повторения действующих импульсов тока в технологиче-
ском процессе можно увеличить в два раза с помощью схемного решения, представленного
на рис. 3, где E — источник напряжения; R1, R2 — резисторы; Д 1, Д 2 — диоды; C1, C2 —
конденсаторы; Rн — резистор нагрузки (сопротивление технологического процесса); Кл1,
Кл2 — выключатели.
В этой схеме предусмотрено время заряда C1 и C2 должно равняться tU . Тогда по
окончании разряда C1 срабатывает (включается) Кл2, выключается Кл1 и конденсатор
C2 разряжается на Rн. После разряда C2 включается Кл1, выключается Кл2 и разряжа-
ется на Rн конденсатор C1. Таким образом, процесс воздействия разрядных токов от C1
и C2 повторяется. Если необходимо время заряда емкостей увеличить без изменения по-
вторения разрядных токов, действующих на технологический процесс, то можно построить
схему с несколькими цепочками R → C → Кл → Rн, например, такую, какая изображена
на рис. 4. Здесь имеется n резисторов R1, Rm, диодов Д 1,Д m, емкостей C1, Cm, ключей
Кл1,Клm и одно сопротивление Rн. Ключи Кл1–Клm включают поочередно на время tU .
Время заряда каждой емкости C1–Cm равно (m − 1)tU , т. е. в этой схеме накопительный
заряд каждой емкости осуществляется медленнее, чем разряд, что обусловлено необходимо-
стью иметь большую емкость для осуществления импульсного технологического процесса.
108 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №5
Рис. 4
Ключи Кл1–Клm в этой схеме должны работать от специального управляющего устройства,
которое поочередно включает и выключает Кл1–Клm, соблюдая заданную логику. В каж-
дой отдельной цепочке RkДkCkКлkRн, k = 1,m, этой схемы (см. рис. 4) осуществляется
экономия энергии (см. рис. 1), причем это происходит при каждом разряде емкости Ck и ее
заряда. Такое энергосбережение может быть существенным в общей сумме разнообразных
импульсных технологических процессов.
1. Божко А. Е. Новая интерпретация переходных процессов в электрических цепях // Доп. НАН Укра-
їни. – 2004. – № 9. – С. 83–87.
2. Божко А.Е. О новых решениях задач по переходным процессам разряда конденсаторов // Там само. –
2007. – № 7. – С. 87–92.
Поступило в редакцию 04.03.2008Институт проблем машиностроения
им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков
Corresponding Member of the NAS of Ukraine A.E. Bozhko
On power saving in impulse technological processes
The principle of power saving in impulse technological processes is offered. This principle is based
on the incomplete discharging of a storage capacitor.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №5 109
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8518 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:53:53Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Божко, А.Е. 2010-06-04T15:10:31Z 2010-06-04T15:10:31Z 2009 Об энергосбережении в импульсных технологических процессах / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 105-109. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8518 621.3(0758) Пропонується принцип енергозбереження в iмпульсному технологiчному процесi. Цей принцип оснований на неповному розрядi накопичувального конденсатора. The principle of power saving in impulse technological processes is offered. This principle is based on the incomplete discharging of a storage capacitor. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Енергетика Об энергосбережении в импульсных технологических процессах On power saving in impulse technological processes Article published earlier |
| spellingShingle | Об энергосбережении в импульсных технологических процессах Божко, А.Е. Енергетика |
| title | Об энергосбережении в импульсных технологических процессах |
| title_alt | On power saving in impulse technological processes |
| title_full | Об энергосбережении в импульсных технологических процессах |
| title_fullStr | Об энергосбережении в импульсных технологических процессах |
| title_full_unstemmed | Об энергосбережении в импульсных технологических процессах |
| title_short | Об энергосбережении в импульсных технологических процессах |
| title_sort | об энергосбережении в импульсных технологических процессах |
| topic | Енергетика |
| topic_facet | Енергетика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8518 |
| work_keys_str_mv | AT božkoae obénergosbereženiivimpulʹsnyhtehnologičeskihprocessah AT božkoae onpowersavinginimpulsetechnologicalprocesses |