Brevet FR2129834A1 — publié le 19721103

La présente invention concerne l'alimentation en énergie électrique d'un ozoneur par du courant à fréquence moyenne produit par un convertisseur statique, à partir d'un réseau polyphasé à fréquence industrielle» 5 Actuellement des quantités d'ozone de plus en plus im portantes sont utilisées, soit dans 3'industrie chimique où il sert d'oxydant, soit dans le traitement des eaux potables où il sert à leur stérilisation. L'effluvage électrique de l'air ou de l'oxygène est pratiquement le seul procédé employé industrielle— 10 ment pour la production de fortes quantités d'ozone» La Fig. 1 donne le schéma de principe d'un ozoneur de type connus une tension alternative de fréquence f, fournie par le générateur 37» est appliquée entre deux électrodes 38, 39 conductrices du courant électrique. Entre lesdites électrodes 15 sont disposés en série un espace 40, dans lequel on fait passer le gaz à effluver, et un diélectrique 4l; ce dernier pouvant, suivant la disposition indiquée par la fis.2, être subdivisé en deux parties 41, 44 placées respectivement contre les électrodes 38, 39. 20 L'entrée du gaz à effluver, qui est en général de l'air ou de l'oxygène, s'effectue en 42 et la sortie du gaz effluvé s'effectue en 43» Lorsque la tension aux bornes de l'espace 40 atteint une certaine valeur - soit positive, soit négative — une ionisa— 25 tion du gaz emplissant l'espace 40 se produit et des effluves apparaissent d'où résulte une formation d'ozone si le gaz emplissant l'espace 40 contient de l'oxygène, et cette tension n'augmente plus même si l'intensité du courant traversant 1'ozoneur continue à augmenter. 30 La Fig. 3 donne le schéma électrique équivalent de 1'ozoneur: celui—ci est formé par la mise en série du condensateur 22, de capacité C^t représentant la capacité du diélectrique 41(ou 41 et 44 dans" le cas de la fig»2), et du condensateur 23» de capacité Ca, représentant la capacité de l'espace 40; aux 35 bornes du condensateur 23 sont placés deux éléments non linéaires 24. 25 - en général identiques et montés en opposition - empêchant la tension de monter aux bornes du condensateur 23 lorsque ladite tension dépasse une certaine valeur eQ — positive ou négative — dépendant notamment des dimensions géométriques de l'es— 40 pace 40, des nature, pression et teneur en ozone du gaz emplis— 71 09049 2 2129834 sant ledit espace 40. En désignant par : fttt la fréquence en Hz de la tension alternative fournie par le générateur 37» C o. la capacité, en farads, de l'espace 40 (représenté par a g 23 dans la fig.3), Cd„. la capacité, en farads, du diélectrique 41(représenté par 22 dans la fig.3), eo<>0 la tension de crête, en volts, aux bornes de l'espace 40 lorsque les effluves se produisent(tension définie 10 an paragraphe précédent), em<> » la tension de crête maximale, en volts, appliquée entre les électrodes 38 et 39, P .« la puissance active, en watts, absorbée par l'ozonenr, La puissance active absorbée par 1'ozoneur est donnée par la for— 15 mule dite de Manley : P = 40f Seule une partie de cette puissance est effectivement utilisée pour la s3Tithèse de l'ozone et le reste de la puissance est transformé en chaleur qu'il convient d'évacuer par un refroidissement approprié de 1»ozoneur. 20 La puissance absorbée est donc, pour un ozoneur et une tension donnés, proportionnelle à la fréquence f. La production d'ozone est liée, de façon non proportionnelle, à la puissance absorbée et l'expérience montre que, pour un ozoneur donné, la production d'ozone est maximale pour une certaine valeur de la 25 fréquence, toujours nettement supérieure aux fréquences des réseaux industriels. Par ailleurs, la durée de 1 ' ef f luvage par rapport à la durée de la période du courant alternatif appliqué à 11ozoneat joue un rôle important dans le rendement de la production d'ozo-30 ne. Plus la durée relative de 1'effluvage est courte, plus le temps durant lequel l'ozone formé ne sera plus soumis à l'effet thermique destructeur sera long, et par suite l'efficacité de l'effluve dans la génération d'ozone sera augmentée. XI est possible d'agir sur la durée relative de 1'effluvage en appliquant 35 à 1'ozoneur une tension et un courant de forme appropriée, et contenant certains harmoniques convenablement choisis. De façon à assurer l'alimentation monophasée à. fréquence moyenne de 1'ozoneur, tout en s'affranchissant de l'emploi connu d'un convertisseur rotatif qui présente divers inconvénients 71 09049 J 2129834 un convertisseur statique est utilisé,. Le système d'alimentation électrique pour ozoneur, selon 1 'inventrion ,est constitué par l'association d'un circuit de couplage de type nouveau - décrit plus loin et défini e" vue de 5 la production d'harmoniaues de courant favorables à la production d'ozone et de la protection contre les défauts internes de 1'ozoneur — avec, d'une part, un convertisseur statique connu en lui—même formant une source électrique à fréquence moyenne et, d'autre part, un ozoneur connu en lui—même0 10 L'invention comprend également le circuit de couplage proprement dit dont un mode de réalisation est décrit plus loin à titre d'exemple non limitatif. Le schéma d'un convertisseur statique connu à soupapes commandées, telles que des thyristors, est inclus dans la fig.4» 15 Le convertisseur C comporte : une entrée(bornes 13,14,15) sur laquelle est raccordée l'alimentation par le réseau triphasé (RST) à fréquence industrielle? un redresseur à soupapes commandées 1 à 6} une inductance de filtrage 7 destinée à bien lisser le courant livré à l'onduleur ci—après; un onduleur à soupapes 20 commandées 8 à 115 des circuits de commande et de régulation, lesquels ne sont pas représentés pour raison de clarté de la figure; une sortie(bornes 16.17) sur laquelle est raccordé le circuit d'utilisation. Le circuit d'utilisation A est en général formé d'une 25 résistance 14 d'une inductance 13 et d'un condensateur 12<> Dans I ce circuit, le condensateur 12 doit assurer,d'une part,la compensation de l'énergie réactive absorbée par l'inductance 13 et, d'autre part, la fourniture de l'énergie réactive supplémentaire de façon à assurer la commutation des soupapes 8 à 11 de l'ondu-30 leur. Les Fig. 4 et 6 montrent un schéma dit "en pont" mais un montage dit "à point milieu" tel que celui représenté en Fig. 12 peut également être utiliséo Les allures des tensions et courants en divers points 35 du circuit sont données en Fip0 50 En particulier, la tension entre les points P et N, c'est-à-dire à l'entrée de l'onduleur, est donnée en Fig.5 (e) : cette tension est négative pendant un temps %, ce qui permet le blocage soit des soupapes 8 et 11 lorsqu'on enclenche celles 9 et 10, soit des soupapes 9 et 10 40 lorsqu'on enclenche celles 8 et 11, car on sait en effet que les % 71 09049 '+ 2129834 soupapes commandées, à vapeur de mercure ou à éléments serai-conducteurs , requièrent un certain temps de repos t avant de pouvoir être soumises de nouveau à une tension positive; le temps doit être supérieur à t et, pour qu'il en soit ainsi, la charge 5 d'utilisation doit présenter une nature capacitive de façon à amener le courant I, parcourant le circuit d'utilisation, à être en avance sur La tension XT 16— 17o En outre, le circuit de charge doit être oscillant et ne doit pas présenter un amortissement trop grand pour que l'onduleur puisse fonctionner,, Enfin, le cou— 10 rant T débité par le convertisseur étant à peu près rectangulaire, la capacité 12 doit être placée entre les bornes 16—17 pour absorber sans surtensions les inversions rapides du courant. En désignant par f la fréquence propre de la charge formée par 12, 13 j 14, la fréquence f à laquelle seront comman— 15 dées les soupapes 8.9 et 10o11 devra être supérieure à fQ; un tel convertisseur est parfois désigné sous le nom de convertisseur à onduleur "parallèle"0 Pour que ce convertisseur puisse être utilisé pour l'alimentation d'un ozoneur, il convient,d'intercaler entre ledit 20 convertisseur et ledit ozoneur un circuit de couplage approprié, constituant un des objets de l'invention, répondant aux caractéristiques suivantes j (a) être capacitif, présenter au moins une fréquence propre fQ et permettre un fonctionnement correct de l'onduleur, 25 c'est—à—dire de laisser passer sans surtension apprécia ble un courant pratiquement rectangulaire( en réalité légèrement trapézoïdal du fait du montage réel de l'onduleur); (b) engendrer certains harmoniques de courant et de tension 30 de façon à améliorer la production d'ozone par réduction de la durée d'effluvage, comme cela a été souligné plus haut. f c.) en cas de défaut interne à l'ozoneur, limiter le courant de défaut à une valeur acceptable pour éviter d'endomma— 35 gsr 1'ozoneur, avant que les dispositifs de protection usuels aient eu le temps de fonctionner. La Fig. 6 montre un mode de réalisation de l'invention. On y reconnaît s le convertisseur C décrit précédemment, avec toutefois une variante d'exécution, de l'inductance de filtrage 7 kO laquelle est subdivisée en deux parties 7». 7"; le circuit K de 71 09049 2129834 couplage et 1'ozoneur Z. Le circuit K de couplage, pour répondre aux critères énoncés précédemment, est composé d'un quadripêle en X1 lui—même formé des condensateur 18 et inductance 19 connectés en parallèle 5 sur les bornes 26,27 des inductance 20 et enroulement primaire du transformateur élévateur 21 reliés en série dans le circuit de la borne 26 à la borne 27» il s'agit en fait d'un montage particulier de mode parallèle—série suivi d'un transformateur» La sortie du circuit K de couplage s'effectue par les bornes 28.29» 10 lesquelles sont directement reliées aux bornes 30,31 de 1'ozoneur Z« Le condensateur 18 empêche toute surtension lors des inversions du courant, rectangulaire ou faiblement trapézoïdal^ issu du convertisseur dans le circuit K de couplage et constitue 15 avec l'inductance 19 un circuit oscillant permettant le fonctionnement correct de l'onduleur. L'inductance 20, associée à la charge non linéaire de 1'ozoneur Z par l'intermédiaire du transformateur—élévateur de tension 21, engendre des harmoniques de tension et de courant 20 favorables à une bonne production d'ozone et, si ladite inductance 20 est correctement dimensionnée, limite à une valeur acceptable le courant de décharge du condensateur 18 dans un éventuel défaut interne de 1'ozoneur tel quèun court—circuit. Les Fig. 7 à 11 montrent d'autres formes de réalisa-25 tion du circuit K de couplage selon l'invention, elles sont toutes du mode parallèle—série qui est caractéristique de l'invention, et déduites de l'exemple donné par la fig06 : en figo 7 l'inductance 19 est remplacée par un transformateur à entrefer(s) 26 présentant un courant magnétisant relativement élevé} en fig.8 30 on utilise un transformateur à entrefer(s) 26 et une inductance 20' placée an secondaire dudit transformateur; en fig. 9 des inductances 20 et 20' sont placées respectivement du côté primaire et du côté secondaire du transformateur à entrefer(s) 26; en fig. 10 on a représenté la réalisation préférée de l'intention; 35 en fig» 11 une prise milieu est établie sur le primaire du transformateur 27 et amenée sur la borne 37» il devient alors possible d'employer un onduleur plus simple du type dit "à point milieu" comme représenté sur la fig. 12» Dans la réalisation, selon la fig. 10, on substitue aux 40 inductances 19 et 20 de la fig. 6 un transformateur 27» spécial, % 71 09049 6 2129834 formé, comme l'indique la fig. 13» d'un enroulement primaire 3k (bornes 30.31)» avantageusement exécuté sous forme d'un bobinage à conducteur (s) creux permettant le passage d'un fluide de re-*» froidissement, et d'un enroulement secondaire 35 (bornes 32.33) 5 pouvant être monté, préférentiellement mais non obligatoirement, de façon'biconcentrique (35,o35")« Selon une caractéristique de l'invention, ce transformateur 27 est dénourvu de circuit magnétique formé de tôles ou autres matériaux magnétiques. On peut remarquer qu'au point de 10 vue électrique, la réalisation selon la fig. 10 est strictement identique à celles des fig. 7 ou 8. Soient, L l'inductance pro— P pre de l'enroulement 34, Lg l'inductance propre de l'enroulement 35» et M l'inductance mutuelle existant entre les deux enroulements 3k et 35 i 1'inductance 20 de la fig. 7 aurait pour valeur 15 L ~ dans la fig0 10 et l'inductance 20 de la fig. 8 aur«i£t pour valeur Lg - M2/Lp dans la fi?. 10o La fig. 14 montre à titre d'exemple, l'allure des courant et tension à l'entrée de l'ozoneur (bornes 30«31) avec l'utilisation du circuit K de couplage décrit; on remarquera que la 20 durée d'effluvage t est égale à un quart de période; mais ceci n'est qu'un exemple, et des durées d'effluvage différentes, pou vant être plus faibles, peuvent être obtenues par le choix convenable des caractéristiques des éléments du circuit K de couplage. 71 09049 REVENDICATIONS 1.- Système d'alimentation électrique d'une charge capacitive variable au moyen — pour chacune des phases de la charge — d'un onduleur autonome dit "parallèle" à soupapes commandées telles que des thyristors relié par ses bornes d'entrée à une 5 source de courant continu — pouvant être un redresseur — et par ses bornes de sortie aux bornes d'un réseau adaptateur dont les bornes de sortie sont connectées à la charge, caractérisé en ce que le réseau adaptateur est formé par un condensateur connecté sur les bornes d'entrée dudit réseau, une cellule de filtrage à 10 deux inductances connectées l'une en parallèle sur les mêmes bornes que celles du condensateur et l'autre en série dans le circuit reliant la borne de phase du condensateur à la borne correspondante de l'enroulement primaire du transformateur ci-après, un transformateur à courant magnétisant élevé dont les 15 bornes de l'enroulement secondaire sont reliées aux bornes de la (d'une) phase de la charge0 2.— Système d'alimentation selon la revendication 1 caractérisé en ce que le transformateur à courant magnétisant élevé est un transformateur présentant au moins un entrefer et que la 20 cellule de filtrage à deux inductances est réduite à son inductance série laquelle peut être placée soit entièrement d'un côté, primaire ou secondaire, dudit transformateur soit par partie de chaque côté. 3»— Système d'alimentation électrique selon la revendica— 25 tion 1, caractérisé en ce que le transformateur à courant magnétisant élevé est un transformateur sans fer et à facteur de couplage inductif entre enroulements primaire et secondaire compris entre 0,55 et 0,85 et que la cellule de filtrage à deux inductances est supprimée. 30 40— Système d'alimentation électrique selon la revendication 1 ou 2 ou 3» caractérisé en ce que le réseau adaptateur est associé par son entrée à un onduleur dit parallèle et par sa sortie à un ozoneur. 2129834