ОЗОНАТОР С ИМПУЛЬСНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области химического машиностроения и может быть использована в установках озонирования с импульсным источником электропитания, например, для очистки питьевой и сточных вод.
Известен озонатор с импульсным источником электропитания [1], содержащий генератор озона, импульсный источник электропитания, включающий каскадно соединенные высоковольтный трансформатор, тиристорный инвертор, фильтр и трехфазный тиристорный выпрямитель.
Недостатками известного озонатора являются зависимость амплитуды напряжения на входе генератора озона от добротности колебательного контура, в который входят нелинейные индуктивности трансформатора и емкостные элементы генератора озона. Параметры их существенно варьируются при дрейфе технологических факторов, приводя к нестабильности электрического режима и производительности генератора озона.
В качестве прототипа выбран известный озонатор с импульсным источником электропитания [2], содержащий генератор озона, импульсный источник электропитания, включающий каскадно соединенные высоковольтный трансформатор, тиристорный инвертор, фильтр, трехфазный тиристорный выпрямитель, а также диодный мост, вход переменного тока которого подключен к выходу инвертора, вывод катодной группы диодного моста соединен с анодной шиной инвертора, а вывод анодной группы диодного моста соединен с катодной шиной инвертора.
Недостатками прототипа являются неудовлетворительные массогабаритные и энергетические показатели, вследствие того, что значительная часть электрической энергии, запасенной в емкостных элементах генератора озона, выводится во время паузы между импульсами
входного напряжения через диодный мост конденсатор фильтра, снижая напряжение на емкостных элементах генератора озона.
Предлагаемой полезной моделью решается задача совершенствования озонаторов с импульсным источником электропитания. Технический результат от использования полезной модели заключается в улучшении массогабаритных и энергетических показателей озонаторов с импульсным источником электропитания.
Указанный технический результат реализуется с помощью устройства, содержащего генератор озона, импульсный источник электропитания, включающий каскадно соединенные высоковольтный трансформатор, тиристорный инвертор с анодной и катодной шинами, фильтр, трехфазный тиристорный выпрямитель, а также диодный мост с анодной и катодной группами, вход переменного тока которого подключен к выходу инвертора, вывод катодной группы диодного моста соединен с анодной шиной инвертора, между выводом анодной группы диодного моста и катодной шиной инвертора подключен источник постоянного напряжения, причем плюсовой вывод источника постоянного напряжения соединен с катодной шиной инвертора.
Введение вспомогательного источника позволяет уменьшить амплитуду обратного тока, возвращаемого посредством диодного моста в конденсатор фильтра. Поскольку обратный ток является приведенным к первичной стороне высоковольтного трансформатора током генератора озона, снижается и ток разряда его емкостных элементов. Вследствие чего на входе генератора озона повышается напряжение, что вызывает, по сравнению с прототипом, увеличение амплитуды токов перезаряда его емкостных элементов и разрядного промежутка, а также выделяемой в реакторной зоне активной мощности. Это позволяет, при прочих равных условиях, по сравнению с прототипом, уменьшить массу вторичной обмотки и магнитопровода высоковольтного трансформатора, улучшить массогабаритные и энергетические показатели озонатора.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема силовой части озонатора с импульсным источником электропитания, где 1 - генератор озона, 2 - высоковольтный трансформатор, 3 - инвертор, 4, 5, 6, 7 - тиристоры инвертора, 8 - фильтр, 9 - трехфазный тиристорный выпрямитель, 10 - диодный мост, 11, 12, 13, 14 - диоды моста, 15 - источник постоянного напряжения. На фиг.2 приведена осциллограмма напряжения на первичной обмотке высоковольтного трансформатора. На фиг.3 даны графики тока первичной обмотки высоковольтного трансформатора, где линия I - осциллограмма для полезной модели, линия II - для прототипа. На фиг.4 приведены осциллограммы входного напряжения генератора озона, где линии III и IV - соответственно, для полезной модели и прототипа.
Устройство содержит генератор озона 1, который подключен к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора 2. Первичная обмотка высоковольтного трансформатора 2 подключена к выходу инвертора 3, состоящего из тиристоров 4, 5, 6, 7. Вход инвертора 3 подключен к выходу фильтра 8, получающего питание от трехфазного тиристорного выпрямителя 9. Трехфазный тиристорный выпрямитель 9 подключен к источнику переменного напряжения. К выходу инвертора 3 подключен также вход переменного тока диодного моста 10, образованного диодами 11, 12, 13, 14. Вывод катодной группы диодного моста соединен с анодной шиной инвертора. Между выводом анодной группы диодного моста и катодной шиной инвертора включен источник постоянного напряжения 15, причем, плюсовой вывод источника постоянного напряжения соединен с катодной шиной инвертора..
Высоковольтный трансформатор 2, по сравнению с трансформаторами общепромышленного назначения, характеризуется повышенными потоками рассеяния первичной и вторичной обмоток. Индуктивные элементы высоковольтного трансформатора, обусловленные потоками рассеяния, и емкостные элементы генератора озона задают частоту колебаний в коммутирующем контуре инвертора. Электрический фильтр 8 выполнен по
схеме, в которой поперечным выходным звеном является конденсатор. Источник 15 имеет стабилизированное постоянное напряжение.
Принцип работы предлагаемого озонатора с импульсным источником электропитания поясняется осциллограммами, приведенными на фиг.2 - фиг.4, и заключается в следующем.
В алгоритме работы озонаторной установки реализованы три состояния за время полупериода импульсного напряжения.
1
2
На интервале t-t (фиг.2) в генератор озона 1 (фиг 1) энергия поступает через трансформатор 2 и инвертор 3, в котором включены тиристоры 5 и 7 (фиг 1). Диоды моста 10 находятся под обратным напряжением и выключены. На протяжении практически всего временного интервала в установке создаются условия, соответствующие процессу синтеза озона.
На первичной обмотке высоковольтного трансформатора напряжение (фиг.2) имеет форму импульса. Осциллограмма первичного тока трансформатора представлена линией I на фиг.3. Входное напряжение генератора озона (линия III на фиг.4) к концу интервала достигает максимального значения. Амплитуда перезарядного тока (линия I на фиг.3) емкостных элементов, входящих в состав генератора озона, тем больше, чем выше остаточное напряжение на конденсаторах, перед началом коммутации. Для сравнения на фиг.3 приведена осциллограммы тока (линия II) первичной обмотки трансформатора и на фиг.4 - напряжения (линия IV) на входе генератора озона для случая, когда напряжение вспомогательного источника равно нулю, то есть для озонатора - прототипа. Графики показывают, что в озонаторе - прототипе амплитуда тока (линия II на фиг.3) и напряжения (линия IV на фиг.4) на входе генератора озона существенно меньше, чем для предлагаемого озонатора. Введение в схему источника 15 позволяет повысить остаточное напряжение на емкостных элементах генератора озона.
2
3
На интервале t-t тиристоры инвертора 3 выключены, диоды 11 и 13 моста 10 открыты, токи в колебательных контурах "трансформатор-
генератор озона" меняют направление. Обратный ток (линия I на фиг.3) проходит по цепи, в которую входят диод 11, фильтр 8, источник 15, диод 13, первичная обмотка трансформатора 2. Суммарное напряжение на выходе фильтра и источника 15 направлено встречно обратному току. Ток вторичной обмотки на этом временном отрезке разряжает емкостные элементы генератора озона, что приводит к уменьшению напряжения (линия III на фиг.4) на входе генератора озона и прекращению синтеза озона.
Напряжение маломощного источника 15 устанавливается таким, что амплитуда обратного тока становится минимальной, однако, достаточной для обеспечения коммутационной устойчивости инвертора. Отвечающая этим требованиям величина напряжения источника 15 составляет 50-70% от напряжения на выходе фильтра 8. Обратный ток, проходящий через диодный мост 10, уменьшен, по сравнению с прототипом в несколько раз. Мощность источника 15 существенно меньше номинальной мощности озонаторной установки.
1
3
Поскольку обратный ток уменьшен за счет введения источника 15, то на интервале t-t емкостные элементы генератора озона разряжаются меньше и имеют большее напряжение (линия III на фиг.4), чем в установке-прототипе (линия IV, фиг.4).
3
4
3
4
В третьем интервале времени t-t, все полупроводниковые приборы инвертора 3 и диодного моста 10 выключены, первичная обмотка высоковольтного трансформатора 2 отсоединена от источников питания. Трансформатор намагничивается током разряда емкостей генератора озона, проходящим по вторичной обмотке. Ток вторичной обмотки на интервале t-t весьма мал, поскольку в контуре разряда находится индуктивность Намагничивания, обусловленная основным магнитным потоком трансформатора. Соответственно этому напряжение на конденсаторах генератора озона изменяется к концу интервала незначительно.
Повышение напряжения на емкостных элементах генератора озона, достигнутое к концу полупериода за счет введения маломощного источника
15, вызывает, по сравнению с прототипом, увеличение тока перезаряда емкостей генератора озона, а, следовательно, и электрической энергии, направленной на синтез озона, при поступлении на его вход следующего импульса.
В предлагаемом озонаторе с импульсным источником электропитания, содержащем маломощный источник постоянного напряжения, предотвращается чрезмерный разряд емкостных элементов генератора озона, увеличивается электрическая энергия, направляемая на производство озона. Это позволяет, по сравнению с прототипом, уменьшить массу обмоток и магнитопровода озонаторного трансформатора, диодного моста, исключить избыточную циркуляцию энергии в тракте "емкостные элементы генератора озона -фильтр" и улучшить массогабаритные и энергетические показатели озонатора.
Источники информации:
1. Описание изобретения к патенту РФ №2100272, кл. С 01 В 13/11, 1995.
2. Кириенко В.П., Кузнецов К.Ю., Махин Ю.И., Семенов В.И. Промышленные озонаторы серий ТМ и ТС с источниками питания повышенной частоты. Известия Академии инженерных наук им. А.М.Прохорова. - Москва - Н.Новгород: НГТУ, 2005. т.15., с.93-97.