Дослідження обертового трансформатора системи моніторингу та регулювання режиму роботи біогазового реактора
DOI:
https://doi.org/10.31548/energiya2(84).2026.107Ключові слова:
заглибний поліфункціональний електромеханічний перетворювач, обертовий трансформатор, система безконтактної передачі енергії, моніторинг фізико-хімічних параметрів, математична модельАнотація
Стаття присвячена удосконаленню способу передавання електричної енергії до обертових елементів електромеханічних систем, зокрема, у вибухонебезпечних або хімічно агресивних середовищах. Мета дослідження – обґрунтування використання трансформатора з вторинною обмоткою, що обертається, для безконтактної передачі енергії на обертову частину заглибного поліфункціонального електромеханічного перетворювача (ПЕМП) у складі комплексу моніторингу та регулювання режиму роботи біогазового реактора. У розробленій системі трансформаторна структура реалізована як обертовий трансформатор (ОТ) з аксіальним розміщенням обмоток: первинна обмотка жорстко фіксована на нерухомому сталевому осерді, а вторинна - закріплена на ПЕМП. Для оцінки динамічних властивостей ОТ проведено серію вимірювань при зміні частоти вхідного П-подібного сигналу від 1,5 до 7 кГц. Схема живлення ОТ побудована на базі ШІМ-драйвера IR2153, що керує двома MOSFET транзисторами. Аналіз електромагнітного поля та закономірностей розподілу магнітної індукції здійснено у програмному середовищі Comsol Multiphysics. Вибір частоти живлення у 2 кГц підтверджено досягнутими значеннями потужності і ККД. Запропонований ОТ відрізняється топологічними особливостями та режимом роботи в циклах вимірювання. Для усунення впливу системи живлення датчиків на теплову картину було розроблено спеціальний алгоритм роботи ОТ. Отриманий прототип демонструє середню ефективність 75% у діапазоні вихідної потужності 300–500 мВт. Запропонована топологія дає можливість нарощувати потужність ОТ без шкоди для його розміру, вартості або продуктивності. Перспективами подальшого розвитку є дослідження у напрямку забезпечення електромагнітної сумісності комплексу моніторингу та регулювання режиму роботи й впливу на субстрат біогазового реактора.
Отримано: 20.01.2026. Доопрацьовано: 23.03.2026. Прийнято: 17.04.2026.
Посилання
1. Feng, R., Li, J., Dong, T., & Li, X. (2016). Performance of a novel household solar heating thermostatic biogas system. Applied Thermal Engineering, 96, 519-526. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.12.003
2. Josimović, L., Prvulović, S., Djordjević, L., Bicok, I., Bakator, M., Premčevski, V., ... & Šeljmeši, D. (2024). Enhancing biogas plant efficiency for the production of electrical and thermal energy. Applied Sciences, 14(13), 5858. https://doi.org/10.3390/app14135858
3. Aworanti, O. A., Ajani, A. O., Agbede, O. O., Agarry, S. E., Ogunkunle, O., Laseinde, O. T., Kalam, M. A., & Fattah, I. M. (2023). Enhancing and upgrading biogas and biomethane production in anaerobic digestion: a comprehensive review. Frontiers in Energy Research, 11, 1170133. https://doi.org/10.3389/fenrg.2023.1170133
4. Li, W., Guo, J., Cheng, H., Wang, W., & Dong, R. (2017). Two-phase anaerobic digestion of municipal solid wastes enhanced by hydrothermal pretreatment: Viability, performance and microbial community evaluation. Applied Energy, 189, 613-622. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.12.101
5. Lima, D., Appleby, G., & Li, L. (2023). A scoping review of options for increasing biogas production from sewage sludge: Challenges and opportunities for enhancing energy self-sufficiency in wastewater treatment plants. Energies, 16(5), 2369. https://doi.org/10.3390/en16052369
6. Papastergiou, K. D., & Macpherson, D. E. (2007). An airborne radar power supply with contactless transfer of energy—Part I: Rotating transformer. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 54(5), 2874-2884. https://doi.org/10.1109/TIE.2007.902044
7. Chen, Z., Hong, J., Zhang, Y., Kong, Y., Zhao, X., & Chen, S. (2023). A Contactless Energy Transfer System With High Misalignment Tolerance for Rotary Ultrasonic Machining. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 71(7), 8028-8037. https://doi.org/10.1109/TIE.2023.3283683
8. Potter, B. A., & Shirsavar, S. A. (2006, November). Design, implementation and characterisation of a contactless power transfer system for rotating applications. In IECON 2006-32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics (pp. 2168-2173). IEEE. https://doi.org/10.1109/IECON.2006.347406
9. Thenathayalan, D., & Park, J. H. (2015). Wide-air-gap transformer model for the design-oriented analysis of contactless power converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 62(10), 6345-6359. https://doi.org/10.1109/TIE.2015.2423662
10. Trevisan, R., & Costanzo, A. (2014). A 1-kW contactless energy transfer system based on a rotary transformer for sealing rollers. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61(11), 6337-6345. https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2311395
11. Xu, Z. U., & JIANG, Q. (2019, August). Study of high frequency rotary transformer structures for contactless inductive power transfer. In 2019 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS) (pp. 1-5). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICEMS.2019.8921812
12. Xie, L., & Yuan, X. (2024, June). A High-Performance Phase-Shift Full-Bridge Converter with Rotary Transformer for the Field Excitation of Electric Machines. In 2024 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM) (pp. 734-741). IEEE. https://doi.org/10.1109/SPEEDAM61530.2024.10609172
13. Ditze, S., Endruschat, A., Schriefer, T., Rosskopf, A., & Heckel, T. (2016, May). Inductive power transfer system with a rotary transformer for contactless energy transfer on rotating applications. In 2016 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) (pp. 1622-1625). IEEE. http://doi.org/10.1109/ISCAS.2016.7538876
14. Ditze, S. (2014, September). Steady-state analysis of the bidirectional CLLLC resonant converter in time domain. In *IEEE 2014 Telecommun. Energy Conf. (INTELEC)* (pp. 1-9). IEEE. https://doi.org/10.1109/INTLEC.2014.6972179
15. Weber, J. N., Rehfeldt, A., Vip, S. A., & Ponick, B. (2016, September). Rotary transformer with electrical steel core for brushless excitation of synchronous machines. In 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM) (pp. 884-889). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICELMACH.2016.7732630
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Енергетика і автоматика
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Усі матеріали поширюються на умовах ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International Public License, що дозволяє іншим розповсюджувати рукопис із визнанням авторства роботи та першої публікації в цьому журналі.
