СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ГЕНЕРАТОРА ОЗОНА ПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРЯДА
METHOD FOR POWER SUPPLY OF OZONE GENERATOR OF SURFACE DISCHARGE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для экономии электроэнергии и повышения надежности генераторов озона барьерно-поверхностного разряда.
Известен способ получения озона на поверхностном разряде (Masuda S. Kiss Е. A Ceramic based ozonizer using high frequency discharge // IEEE Trans. Ind. Appl. - 1988. - V. 24. - №2, P. 223-231), где создается поверхностный разряд по керамической пластинке, подключенной к высоковольтному трансформатору.
Известное устройство имеет следующие недостатки: большие потери электроэнергии за счет двухполярной ионизации и поворота поляризационных диполей в диэлектрическом барьере с углом поворота, близким к 180°.
Недостатком известного способа является невысокая эффективность использования электроэнергии, обусловленная тем, что питание генератора озона через высоковольтный трансформатор знакопеременным напряжением приводит к периодическому изменению направления диполей поляризации на 180° молекул озона и диэлектрического барьера. Эти колебания происходят с частотой возбуждения генератора озона. Чем выше частота возбуждения, тем чаще происходит изменение поляризации. Экспериментально доказано, что это вредное явление приводит к повышению выделения на генераторе озона большого количества тепла и увеличению энергозатрат источника питания. В конечном счете резко снижается КПД производства озона. Выделенное тепло на диэлектрическом барьере отводится потоком холодной проточной воды, либо продувкой холодного воздуха. При увеличении частоты возбуждения генератора озона КПД устройства резко падает.
Известен способ электропитания генератора озона с помощью источника переменного напряжения с изменением диэлектрического барьера и подстройкой высокого напряжения на генераторе озона (Боромбаев М.К., Шаршембиев К.А., Энгельшт B.C. Барьерно-поверхностный разряд на двухжильном проводе. - Вестник КРСУ, Бишкек, 2002, Т. 2.)
Недостатком известного способа является невысокая эффективность использования электроэнергии, обусловленная тем, что питание генератора озона также происходит через высоковольтный трансформатор и приводит к периодическому изменению направления диполей поляризации на 180° молекул озона и диэлектрического барьера, несмотря на подстройку напряжения. Чем выше частота возбуждения, тем чаще происходит изменение поляризации. Экспериментально доказано, что это вредное явление приводит к повышению выделения на диэлектрических элементах генератора озона большого количества тепла и увеличению энергозатрат источника питания. В конечном счете, резко снижается КПД производства озона. Выделенное тепло на диэлектрическом барьере отводится потоком холодной проточной воды, либо продувкой холодного воздуха. При увеличении частоты возбуждения генератора озона КПД устройства резко падает.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении эффективности использования электроэнергии и уменьшении потребляемой мощности озонатора от источника питания путем снижения колебательных процессов поляризации, происходящих в диэлектрических элементах генератора озона и на диэлектрическом барьере поверхностного разряда.
Технический эффект, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в использовании однополярного импульсного режима, достигается тем, что в способе электропитания генератора озона поверхностного разряда подводимую электроэнергию преобразуют в однополярные импульсы путем подключения генератора озона к источнику электропитания, преобразующего двухполярные импульсы напряжения в однополярные импульсы с той же амплитудой.
Для устранения явления вращения диполей на 180° при сохранении частоты искрообразования предлагается запитывать генератор озона барьерно-поверхностного разряда не непосредственно с высоковольтного трансформатора, а через преобразователь импульсов в однополярные, например, через диодный мост или активный преобразователь на пролетных пентодах ПП1-0,5/10 (Патент РФ №1576887, МПК G05F 1/52, 1990).
На фиг. 1 представлена электрическая схема питания через диодный преобразователь, реализующего предлагаемый способ.
На фиг. 2 изображены эпюры напряжений с зонами искрообразования на поверхности генератора озона.
На фиг. 3 представлена электрическая схема активного преобразователя, реализующего предлагаемый способ.
При предлагаемом способе питания вращение диполей поляризации уменьшится на 90°. При этом затраты электроэнергии от источника питания для совершения работы вращательного движения диполей уменьшается, что приводит к повышению КПД и надежности.
При питании генератора озона через диодный мост (фиг. 1), переменное напряжение 220 В 50 Гц через ЛАТР поступает на повышающий трансформатор Тр. С выхода повышающего трансформатора переменное напряжение прикладывается к диодному мосту Д1-Д4 и преобразуется в однополярные импульсы (фиг. 2), которые поступают на генератор озона. В результате преобразования диодным мостом Д1-Д4 двухполярного напряжения в однополярное к генератору озона прикладывается пульсирующее напряжение с частотой питающей сети и с амплитудой, практически равной амплитуде синусоидального напряжения, снимаемого с трансформатора Тр.
При питании генератора озона через активный преобразователь (фиг. 3) на пролетных пентодах ПП1-0,5/10 возможности при сохранении однополярного питания значительно расширяются. Эти возможности определяются принципом работы преобразователя.
Активный преобразователь (фиг. 3) содержит высоковольтный источник 1 питания постоянного тока с положительным полюсом 2, промежуточным полюсом 3 и отрицательным полюсом 4, вспомогательный источник 5 питания постоянного тока с положительным полюсом 6 и отрицательным полюсом 7, двухполярный источник 8 питания с потенциальными полюсами 9, 10 и средним выводом 11, источник 12 опорного напряжения постоянного тока, управляющий источник 13 напряжения переменного тока (с низкоомным выходом), регулирующий титрон 14 с анодом 15, катодом 16, коллектором 17 и управляющим электродом 18, управляющий титрон 19 с анодом 20, катодом 21, коллектором 22 и управляющим электродом 23, делитель 24 напряжения обратной связи с резисторами 25 и 26, усилитель 27 сигнала рассогласования с дифференциальным усилителем 28 и выходным транзистором 29, токоограничивающий резистор 30, резистор 31 смещения, развязывающий диод 32. На схеме отмечены также выводы 33 и 34 для подключения нагрузки, шина 35 нулевого потенциала и нагрузочный элемент (генератор озона поверхностного разряда) 36.
Коллектор 17 регулирующего титрона 14 подключен к положительному полюсу 2 высоковольтного источника 1 питания постоянного тока, связанного отрицательным полюсом 4 с шиной 35 нулевого потенциала. Коллектор 22 управляющего титрона 19 подключен к аноду 15 регулирующего титрона 14 и первому выводу токоограничивающего резистора 30. Делитель 24 напряжения обратной связи включен между выводами 33 и 34 для подключения нагрузки, при этом вывод 34 связан с шиной 35 нулевого потенциала. Сигнальный вход усилителя 27 сигнала рассогласования (неинвертирующий вход дифференциального усилителя 28) соединен с выходом делителя 24 напряжения обратной связи, опорный вход (инвертирующий вход дифференциального усилителя 28) - с выходной цепью источника 12 опорного напряжения постоянного тока, связанной с шиной 35 нулевого потенциала, а эмиттер-коллекторный переход выходного транзистора 29 включен в цепь связи катода 21 управляющего титрона 19 с шиной 35.
Положительный полюс 6 вспомогательного источника 5 питания постоянного тока соединен с анодом 20 управляющего титрона 19, а отрицательный полюс 7 связан с шиной 35 нулевого потенциала. Управляющий источник 13 напряжения переменного тока включен последовательно в выходную цепь источника 12 опорного напряжения постоянного тока. Резистор 31 смещения одним из выводов соединен с катодом 16 регулирующего титрона 14, а другим выводом - с управляющим электродом 18 регулирующего титрона 14, анодом развязывающего диода 32 и высокопотенциальным выводом 33 для подключения нагрузки.
Второй вывод токоограничивающего резистора 30 и коллектор 17 регулирующего титрона 14 подключены соответственно к положительному полюсу 2 и промежуточному полюсу 3 высоковольтного источника 1 питания постоянного тока. Катод развязывающего диода 32 соединен с коллектором 22 управляющего титрона 19, а управляющий электрод 23 последнего связан с шиной 35 нулевого потенциала.
Двухполярное напряжение любой формы, например двухполярные импульсы заданной скважности вырабатываются управляющим источником 13. Двухполярное напряжение источника 13 алгебраически складываются с напряжением опорного источника 12. За счет кольца обратной связи напряжение на делителе 24 в любой момент времени повторяет форму напряжения источника 13. При переходе напряжения источника 13 через ноль к инвертирующему входу дифференциального усилителя 28 прикладывается напряжение, равное напряжению источника 12. Выходное напряжение, прикладываемое к генератору озона 36 составит:
вых
12
25
26
26
U=U(R+R)/R,
26
27
где R и R - сопротивления соответственно резисторов 25 и 26;
12
U - опорное напряжение источника 12.
При появлении в управляющем источнике 13 некоторого напряжения, при котором суммарное напряжение источников 12 и 13 уменьшается, положительное напряжение на выходе делителя 24 оказывается больше суммарного напряжения и на выходе дифференциального усилителя 28 появляется сигнал рассогласования. В результате, через транзистор 29 и управляющий титрон 19 увеличивается ток. Это приводит к некоторому увеличению падения напряжения на резисторе 30 и уменьшению тока через регулирующий титрон 14.
При знакопеременном напряжении управляющего источника 13 поочередно в зависимости от его полярности происходит либо сложение напряжений источников 12 и 13, либо вычитание. За счет кольца обратной связи напряжение на выходе делителя 24 в любой момент времени повторяет форму напряжения источников 12 и 13. Напряжение на генераторе озона 36 в любой момент времени равно напряжению на делителе 24 и может быть определено по формуле:
вых
12
13
25
26
26
U=(U+U) (R+R)/R,
13
где U - мгновенные значения напряжений источника 13.
Источник питания на пролетных пентодах позволяет запитывать генератор озона высоким напряжением с частотой колебаний однополярных импульсов от нескольких Гц до десятков кГц.
Литература
1. Masuda S. Kiss Е. A Ceramic based ozonizer using high frequency discharge // IEEE Trans. Ind. Appl. - 1988. - V. 24. - №2, P - 223-231.
2. Боромбаев M.K., Шаршембиев K.A., Энгельшт B.C. Барьерно-поверхностный разряд на двухжильном проводе. - Вестник КРСУ, Бишкек, 2002, Т. 2. №2 - С 53-58.
3. Верещагин В.Л., Камунин А.А., Макальский Л.М., Цетлин Ф.В., Калинин А.В., Жуков В.А. Патент SU 1576887, МПК G05F 1/52, 08.03.1990 г.