Основні поняття та види подільників напруги

1 КВІД-технологія

      Високовольтні технології є дуже перспективними. Сьогодні розвиваються як традиційні технології (наприклад, магнітно-імпульсна  обробка металів (матеріалів), технології озонування повітря і води, технології на основі електрогідравлічного ефекту (ЕГЕ), електроерозійна обробка матеріалів, електротехнології на основі електровибуху  в конденсованому середовищі (які  містять ЕГЕ-технології), в основному  у твердих утвореннях (гірських породах, рудах тощо, які належать за питомою  електропровідністю до діелектриків або  напівпровідників, тобто таких речовин, які забезпечують можливість електричного пробою)), так і нові (наприклад, КВІД-технології (КВІД – комплекс високовольтних імпульсних дій), ШЕМІТ-технологія (ШЕМІТ – широкосмугова  електромагнітна імпульсна терапія)).

      Зосередимо  увагу на технології обробки харчових продуктів за допомогою комплексу високовольтних імпульсних дій (КВІД) [3].

      Використання  електрики в технологічних цілях  нараховує третю сотню років. Однак високовольтні імпульси з  метою інактивації мікроорганізмів  у різних електрофізичних технологіях  систематично почали застосовуватися  з початку 60-х років 20-го століття. При цьому інтенсивність розвитку електроімпульсних технологій, досліджень фундаментальних процесів при впливі сильних імпульсних електричних  полів (з напруженістю 1¸100 кВ/см і більше) на живі клітини (від мікроорганізмів до клітин людського організму) неухильно зростає. Незважаючи на це, серійний випуск комерційних КВІД-установок для інактивації мікроорганізмів у різних середовищах поки що ніде у світі не здійснюється .

      1.1. Основні поняття  і визначення

      Основним (первинним, початковим) діючим фактором у комплексі високовольтних імпульсних дій є імпульсне електричне (електромагнітне) поле. Тому, мабуть, у західній науковій літературі обробку різних продуктів, середовищ, що містять мікроорганізми, за допомогою високовольтних імпульсів називають PEF-treatment (ІЕП – обробка, обробка за допомогою імпульсних електричних полів). У загальному ж випадку комплекс високовольтних імпульсних дій (КВІД) містить кілька діючих факторів, вплив яких на мікроорганізми може бути як інактивуючим (у тому числі необоротно), тобто таким, що призводить до повної й остаточної загибелі мікроорганізмів, так і активуючим залежно від розміру та інтенсивності дії факторів.

      1.1.1 Діючі фактори  КВІД- установки:

      - напруженість імпульсного електричного  поля і напруженість зв'язаного  з ним імпульсного магнітного  поля;

      - температура;

      - швидкість підйому температури  в середовищі (речовині), яке піддається  обробці;

      - час обробки;

      - тривалість імпульсу;

      - густина струму;

      - спектр частот, закладений у кожному  імпульсі;

      - форма імпульсів;

      - тиск у робочій камері;

      - випромінювання від іскрового  та імпульсного коронного розряду,  якщо як комутуючі енергію  елементи використовуються високовольтні  іскрові розрядники;

      - діючі фактори від електрогідравлічного  ефекту, коли для КВІД-обробки  застосовується іскровий розряд  у рідині.

      При використанні іскрового розряду  для КВІД-обробки харчових продуктів  неприпустиме потрапляння продуктів  іскрового розряду в оброблюване  середовище через різке погіршення в цьому випадку споживчих  якостей (у тому числі органолептичних) останнього. 

      1.1.2 Галузі застосування  КВІД-технології:

      - обробка харчових продуктів з  метою продовження термінів їх  зберігання без погіршення (зменшення)  початкової біологічної цінності;

      - обробка природної і стічної  води з метою усунення біозабруднень;

      - обробка біопрепаратів з метою  інактивації мікроорганізмів;

      - обробка добрив та інших речовин  для підвищення їх якості.

      Одна  з центральних проблем при  створенні КВІД-технології -це забезпечення взаємодії зовнішнього імпульсного  електромагнітного поля, з одного боку, і живої матерії, біомолекул, біологічних живих клітин, органічних речовин – з іншого. Базовими галузями науки для створення  КВІД-технології є такі: фізика і  техніка сильних електричних  і магнітних полів; фізика діелектриків і напівпровідників; техніка високих  напруг; радіофізика й електроніка; біологія (зокрема, мікробіологія); біофізика; біохімія; хімія координаційних сполук; медицина.

      Можна виділити три основних варіанти КВІД-обробки  різних продуктів, речовин:

      1 проточний;

      2 стаціонарний (обидва ці варіанти допускають наявність гальванічного контакту з оброблюваною речовиною, продуктом);

      3 безконтактний варіант (імпульсне електромагнітне поле створюється в об’ємі оброблюваного продукту без гальванічного контакту останнього з електродами (електродом) – джерелом поля).

      В усіх варіантах КВІД-обробки намагаються  створити в оброблюваному об’ємі продукту однорідне поле для рівномірної  обробки.

      Пристрій, у якому відбувається КВІД-обробка  продуктів, може бути названо робочою  камерою, або пристроєм полеутворення  й енерговиділення. Саме в цьому  пристрої в оброблюваному об’ємі продукту виділяється електромагнітна енергія, попередньо запасена в нагромаджувальних елементах генератора імпульсів. При цьому частота проходження імпульсів від генератора має бути узгоджена з кількістю енергії цих імпульсів, що виділяється в одиниці об'єму оброблюваного продукту. Це необхідно для того щоб, з одного боку, не допустити надлишкових питомих енерговитрат, і, з іншого боку, забезпечити достатній ступінь інактивації мікроорганізмів.

      Напруженість  електричного поля при КВІД-обробці  – один з основних діючих факторів – повинна підтримуватися в контактному  варіанті на предпробойному рівні (для  двохекспоненціальних імпульсів тривалістю в діапазоні 100¸500 нс при напруженості »100 кВ/см) без доведення до пробоїв з метою досягнення максимального інактивуючого ефекту.

      1.2  Будова  КВІД-установок

      Установки для КВІД-обробки продуктів складаються  з наступних основних елементів: 1 – генератора потужних високовольтних електромагнітних імпульсів з джерелом живлення; 2 – системи полеутворення, що складається, принаймні, з однієї робочої камери з оброблюваним продуктом, що є навантаженням для генератора, у якій виділяється енергія, що запасається  в нагромаджувачах генератора; 3 – системи підготовки і подачі оброблюваного продукту в робочу камеру; 4 – системи керування  і вимірювання. Обробка продукту в робочій камері може вестися  проточно і порціонно, у тому числі  в укупореній діелектричній тарі. На цей час майже готовим до широкомасштабного  застосування в  промисловості є проточний варіант  КВІД-обробки - значно простіший за технічними рішеннями, на яких він грунтується.

      На  рис. 1.1 представлена схема КВІД-установки з проточним варіантом обробки різних рідин і текучих продуктів. 
 
 
 
 
 

      Рис. 1.1 – Схема КВІД-установки для обробки рідин у потоці

      1.3  Переваги і недоліки  КВІД-технології

      Переваги  КВІД-технології:

1. у результаті КВІД-обробки зберігаються початкова біологічна і харчова цінність в оброблених продуктах, причому патогенні мікроорганізми можуть бути інактивовані цілком, а термін зберігання істотно зростає;
2. питомі енерговитрати при КВІД-обробці менші, ніж при тепловій (пастеризації і високотемпературній стерилізації), завдяки односпрямованій дії при КВІД-обробці цілого ряду факторів, у тому числі напруженості імпульсного електричного поля і підвищеної температури, яка, проте, є нижчою, ніж при тепловій обробці. Тому КВІД-обробку (у термінах західних вчених обробку імпульсним електромагнітним полем) часто називають нетепловою, не термальною;
3. розробки в галузі КВІД-технології патентоспроможні. Тільки в НТУ «Харківський політехнічний інститут» з 1997 по 2000 р. запатентовано чотири винаходи, причому вони запатентовані як в Україні, так і в Росії;
4. немає негативних якостей, притаманних конкуруючим технологіям, а саме: виключені будь-які хімічні добавки; немає принципових обмежень щодо глибини проникнення в продукт для запропонованих електромагнітних імпульсів, але властивих НВЧ-обробці; немає тіньових зон, властивих променевим (радіаційним) методам обробки (ультрафіолетовій, рентгенівській та ін.), тобто в запропонованій технології обробка є більш однорідною; відсутня залишкова радіоактивність, можлива при радіаційних методах обробки; краще зберігаються початкові біологічна і харчова цінність КВІД-оброблених продуктів у порівнянні з продуктами, обробленими тепловими методами;
5. дуже широка галузь застосування;
6. гнучкість – КВІД-установки легко вмонтувати у вже існуючі технологічні лінії. Крім того, можна створити зовсім автономні лінії з КВІД-технологією;
7. можливість подальшого розвитку і впровадження в нові галузі застосування, наприклад, у фізіотерапію;
8. немає необхідності в додаткових джерелах енергії і додатковому устаткуванні.

      Недоліки  КВІД-технології:

1. необхідність строгого дотримання встановлених режимів КВІД-обробки;
2. використання високовольтного устаткування, що підвищує вимоги з техніки безпеки;
3. відсутність у світовій практиці досвіду широкого застосування КВІД-технології і пов’язана з цією відсутністю недовіра й обережність реальних і потенційних споживачів;
4. конкуренція з боку існуючих технологій.

     2 НИЗЬКООМНИЙ ОМІЧНИЙ ПОДІЛЬНИК НАПРУГИ

     2.1 Основні поняття  та види подільників  напруги

     Подільник напруги (ПН) – пристрій для розподілу постійного або змінного напруги, тобто отримання частини від вихідної напруги. Основні вимоги, пропоновані до подільнику напруги: напруга на низьковольтному плечі ПН повинно за формою повторювати вимірювальну напругу, а коефіцієнт розподілу не повинен залежати від частоти і рівня вимірюваної напруги.

     Подільник напруги будується на основі активних або реактивних опорів. У подільнику опори включаються послідовно, вихідною напругою є напруга на окремій ділянці ланцюга подільника. Ділянки, розташовані між напругою живлення і точкою зняття вихідної напруги називають плечима подільника. Плече між виходом і нульовим потенціалом харчування зазвичай називають нижнім. Інше плече при цьому називають верхнім. У будь-якому подільнику два плеча .

     Подільник напруги, побудований виключно на активних опорах (рис. 2.1, а), називається резистивним дільником напруги. Відмінною особливістю є те, що коефіцієнт ділення таких дільників не залежить від частоти прикладеної напруги. Однак паразитні ємності елементів дільника по відношенню до заземлених частин призводять до спотворення форми вихідного сигналу по відношенню до вхідної напруги, і найбільші спотворення мають місце на передньому і задньому фронті імпульсу (збільшення тривалості фронтів).

     Подільники  напруги виготовлені на основі конденсаторів  називаються ємнісними (рис. 2.1, б). Ці подільники добре працюють в ланцюгах з періодичним напруженням незмінною частоти, для яких вони і призначені. Для роботи в ланцюгах з комутаційними перенапругами вони малопридатні, внаслідок неминучого спотворення кривої, що характеризує процес, так як коефіцієнт розподілу істотно змінюється при дії високочастотного імпульсу перехідного процесу. Так як реактивні опори є частотно-залежними елементами. Так само на форму вихідного сигналу впливає власне активний опір елементів дільника.

     Існують індуктивні подільники напругами (рис. 2.1, в), які можна розглядати як окремий випадок трансформатора напруги з тими ж недоліками.

     Рис. 2.1 а) резистивний дільник напруги, б) ємнісний дільник напруги, в) індуктивний дільник напруги

     У програмі Multisim 8 були змодельовані резистивний, ємнісний, індуктивний і резистивної-ємнісний подільник напруги, для дослідження впливу паразитних ємностей і власних активних і реактивних опорів. Як і передбачалося, у резистивного ПН форму вихідного сигналу спотворює паразитна ємність, на передній і задній частині фронту тим самі збільшуючи тривалість фронтів. Дослідження ємнісного і індуктивного ПН так само показало значне спотворення форми вихідного сигналу через частотну залежність реактивних опорів.

     В результаті аналізу з існуючих типів  подільників (активних, ємнісних і т.д.), при дослідженні перенапруг в ланцюгах середнього класу напруги найкращих результатів можна досягти при використанні резистивно – ємнісних подільників напруги (рис. 2.2). У яких за рахунок правильно розрахованих співвідношення величин ємностей і опорів виключається вплив паразитної ємності і власного активного опору елементів дільника. Тим самим отримуємо подільник частото компенсований, тобто опір якого не залежить від частоти сигналу, що дозволяє вимірювати перенапруження перехідних процесів при комутації навантаження вакуумними вимикачами без спотворення сигналу. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 2.2 Резистивної-ємнісний подільник напруги

2.2 Загальні відомості, конструкція та розрахунки омічного       розподільника напруги

     В даний час активно розвиваються високовольтні технології обробки  продуктів і речовин за допомогою  комплексу імпульсних впливів. Метою  обробки є мікробіологічне знезараження харчових продуктів, інших речовин, очищення газових викидів від  небажаних домішок, водопідготовка і інші.

     Завдання  вимірювання високих імпульсних напруг стоїть не тільки при випробуваннях  електротехнічного обладнання, але  і при багатьох фізичних дослідженнях, при цьому важливо знати не тільки максимальне значення, але  й точну форму імпульсу, яка  не повинна спотворюватися вимірювального ланцюга. До дільника напруги висуваються  жорсткі вимоги, щоб виключити  його вплив на джерело напруги. Особливо це необхідно при вимірах косокутних імпульсів, при наносекундних тривалостях  фронту, наприклад, у прискорювачах, іскрових камерах і багатьох інших  електрофізичних дослідних установках. Ці вимоги вдалося задовольнити тільки лише в розроблених останнім часом  конструкціях.

     Для вимірювання імпульсів напруги  в робочій камері КВІД - установки, генератор, який розглянуто в роботі [4], був розроблений дільник напруги, спрощена схема якого наведена на рис. 2.3,

     де - S - об'єкт виміру;

• Rc - узгоджувальний резистор,
• Rc = 48 Ом;
• Rн - узгоджене резистивне навантаження вимірювального кабелю, Rн = Z = 50 Ом;
• l - довжина коаксіального вимірювального кабелю;
• z - хвильовий опір кабелю,
• z = 50 Ом;
• C₁ - подовжня ємкість високовольтного плеча дільника напруги;
• C₂ - ємкість низьковольтного плеча відносно землі;
• C₃ - еквівалентна ємкість високовольтного плеча дільника відносно землі;
• L₁, L₂ - паразитні індуктивності високовольтного і низьковольтного плеча дільника відповідно;
• L_п - індуктивність під'єднання дільника до об'єкту виміру;
• ЕО – електронний осцилограф (С8-12, С8-14, С7-19).

Рисунок 2.3 – Спрощена схема дільника напруги

     Ця  схема справедлива також і  для ряду варіантів ємкісного, і  для змішаного дільника напруги  з врахуванням різної ролі його елементів  в різних варіантах.

     На  рис.2.4 приведений зовнішній вигляд дільника з вимірювальним кабелем, розміщеним в додатковому гнучкому металевому екрані ("обплетенню"). Дільник є резистивним, низькоомним. Опір R₁ його високовольтного плеча виконаний з резисторів ТВО-10 і складає R₁ = 4000 Ом, а опір низьковольтного плеча R₂ виконаний з резисторів ТВО-1 і складає R₂ = 2 Ом.

     Рисунок 2.4 – Дільник напруги з вимірювальним кабелем

     Коефіцієнт  ділення: 

                        К_д =

К_д  » 4000.                

     Погрішність у визначенні коефіцієнта ділення  з врахуванням впливу паразитних елементів не перевищує 15 відс. при вимірі імпульсів з фронтом 5 нс. Із збільшенням тривалості фронту імпульсів погрішність виміру зменшується.

     У даному дільнику ємкості С₁ і С₂ (дивитись рис.2.3) є паразитними елементами.

     Для роботи будь-якого резистивного дільника напруги з малою погрішністю  в передачі форми вимірюваного сигналу  або повинні дотримуватися співвідношення: 

                                                      ,                                            (2.2) 

або впливом  всіх паразитних елементів можна  нехтувати. Останнє забезпечується виконанням умов: 

                             t_r > С₁R₁, C₂R₂, C₃R₁, ((L_п+L₁)/R₁, L₂/R₂),                            (2.3) 

де t_r - характерна постійна часу встановлення перехідної характеристики резистивного дільника.

     У описуваному дільнику реалізований варіант відповідно до нерівностей (2.3), оскільки, через співвідношення геометричних розмірів високовольтного і низьковольтного плеча, варіант відповідно до умов (2.2) складно здійснити практично.

     Дільник призначений для вимірів імпульсів  з тривалістю фронту не менше 5 нс. Це означає, що для вимірів з прийнятною погрішністю тривалість його перехідної характеристики tр не повинна перевищувати 1,8 нс.

     Найважче  здійснимим з умов (2.3) є: 

                                                           t_r > C_зR₁                                                                                (2.4) 

із-за досить високої ємкості одиниці довжини  дільника C₃ відносно землі в порівнянні з питомою подовжньою ємкістю.

     Низьковольтне плече дільника екрановане за допомогою  розміщення його в металевому корпусі  циліндрової форми. За рахунок виконання  дільника коротким (його довжина l_д » 0,23 м) і тонким (характерний поперечний розмір складає менше 0,01 м) з екранованим низьковольтним плечем його ємкість відносно землі можна оцінити в  C_з » 0,2 пФ. Тоді t_р » 2,2t_r = 2,2•0,2•10^-12•4•10³ = 1,76•10^-9 с.

     Відмінною рисою даного дільника є досить довгий вимірювальний кабель (довжиною l_ик ³ 10 м). Кабель такої довжини може внести істотну добавку до загальної тривалості перехідної характеристики дільника напруги [5]. Для зменшення цієї добавки як вимірник слід вибирати кабель типа РК з мінімальним загасанням (діаметр ізоляції не менше 4 мм).

     Згідно (2.3) дільник неістотно впливає на вимірюваний імпульс, якщо імпеданс об'єкту виміру не перевищує 1000 Ом.

     Використання  однотипних резисторів ТВО у високовольтному  і низьковольтному плечах дільника зменшують погрішність вимірів  при нагріві дільника в процесі  вимірів. При цьому слід врахувати, що резистори високовольтного плеча  дільника нагріваються більше, ніж  резистори в низьковольтному  плечі. Допустимий час роботи дільника без перегріву при частоті  дотримання імпульсів (з характерною  тривалістю 1 мкс) 200 Гц і їх амплітуді 100 кВ не перевищує 10 хвилин. На рис. 2.5-а. і рис. 2.5-б. представлені типові осцилограми імпульсів напруга, отримані за допомогою розглянутого дільника, на робочій камері, заповненою водопровідною водою, установки, описаної в [4]. 

а 

б

Рисунок 2.5 – Типові осцилограми імпульсів напруги

     2.3 Модернізований варіант розподільника напруги

     Модернізований  варіант представленого дільника був  застосований для виміру імпульсів  напруги на робочій камері КВІД-установки, в якій (камері) обидва крайні електроди  мають високий (по різній полярності) потенціал відносно землі. Схема  вимірів за допомогою модернізованого  дільника представлена на рис.1.4, де – R₃ » R₁ = 4 кОм; C₃ » C₁; L₃ » L₁; S – об'єкт виміру, навантаження з високовольтними виводами різної полярності. Останні позначення відповідають позначенням на рис. 2.3.

     Індуктивність L_п (див. рис.2.3) на рис. 2.6 не показана, оскільки завдяки наявності R₃ резистори R₁ і R₃ підключаються до високовольтних виводів навантаження безіндуктивно. 
 
 
 

Рисунок 2.6 – Схема вимірів за допомогою модернізованого розподільника

     Модернізований  резистивний дільник виконаний  із заземленою середньою точкою. Його коефіцієнт ділення з урахуванням  того, що R₁ = R₃ складає: 

                                                           К_дм »

К_дм » 8000.

     Відмінною рисою дільника, схема якого представлена на рис. 2.6, є те, що збільшення опору його високовольтного плеча з 4000 Ом до 8000 Ом (в порівнянні з резистивним дільником, розглянутим першим (див. рис.2.3)) не приводить до збільшення часу наростання його перехідної характеристики, оскільки результуюча ємкість високовольтного плеча (R₁ і R₃) дільника на землю зменшується вдвічі (порівняй схеми на рис. 2.3 і рис. 2.6).

     Опір  R₃ також, як і R₁ виконаний з резисторів типа ТВО.

     2.4 Екранований дільник напруги

     На  рис. 2.7 представлена електрична схема екранованого дільника напруги з низьким вхідним опором (75 Ом або 50 Ом). Фотографія цього дільника представлена на рис.  2.8.

Рисунок 2.7 – Електрична схема екранованого дільника напруги з низьким вхідним опором

Рисунок 2.8 – Фотографія екранованого дільника напруги з низьким вхідним опором

     Вхідний опір екранованого резистивного дільника з одного боку складає R''_вх = R₁ + R₁ = 50 Ом, а з іншого боку – R"_вх = R₅ + R₄ » 75 Ом. Якщо вимірюваний сигнал подається на вхід з R''_вх, а до виходу дільника (тобто до R"_вх ) підключений реєструючий осцилограф через вимірювальний коаксіальний кабель, хвилевий опір якого рівний R"_вх і вхідному опору осцилографа, тоді коефіцієнт ділення екранованого резистивного дільника з врахуванням кабелю і вхідного опори осцилографа складе: