ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РАЗРЯДОВ В ВОДЕ

Полезная модель относится к области высоковольтной импульсной техники, а именно, к генераторам мощных микросекундных импульсов и может быть использована в различных электроразрядных технологиях.
В настоящее время высоковольтные разряды в воде находят разнообразное применение. С их помощью осуществляют обеззараживание стоков промышленных предприятий, создают полезные для человека водные дисперсии наночастиц. В результате полива растений водой, обработанной электрическими разрядами, ускоряется их рост и развитие.
Известен генератор высоковольтных разрядов в воде (патент RU 2006179, МПК Н03К 3/53, опубликован 15.01.1994), содержащий высоковольтный источник постоянного напряжения, механический вращающийся коммутатор и шесть радиально расположенных ячеек, каждая из которых состоит из конденсатора и двухэлектродной разрядной камеры с водой. При вращении коммутатора его контакты сначала набегают на первую ячейку и подключают конденсатор ячейки к высоковольтному источнику. При этом осуществляется зарядка конденсатора. Затем контакты коммутатора производят подключение конденсатора к разрядной камере. В результате к межэлектродному промежутку прикладывается высокое напряжение, он пробивается, и через воду проходит ток разряда конденсатора. В процессе вращения коммутатора аналогичным образом инициируются все ячейки генератора.
Известный генератор высоковольтных разрядов в воде имеет недостаточно высокую эффективность работы, которая определяется нестабильностью разряда, инициируемого механическим замыканием контактов, а также малым сроком службы контактов коммутатора и малой частотой разрядов.
Известен импульсный генератор для осуществления разряда в воде (патент RU 107010, МПК Н03К 3/00, опубликован 27.07.2011), содержащий конденсаторы, высоковольтное устройство для их зарядки, коммутатор в виде неуправляемого разрядника и двухэлектродную разрядную камеру с водой. В этом генераторе разряд в воде инициируется разрядником в момент, когда прикладываемое к нему напряжение зарядки конденсаторов становится достаточным для включения. При включении разрядника высокое напряжение зарядки конденсаторов поступает на электроды разрядной камеры, погруженные в воду. В результате происходит пробой межэлектродного промежутка и через него протекает ток разряда конденсаторов.
Недостатком известного генератора также является недостаточно высокая эффективность работы, которая определяется такими факторами, как нестабильность электроразрядных процессов, малая предельная частота срабатывания и недостаточно большой срок службы. Эти факторы обусловлены большим разбросом моментов включения неуправляемого разрядника, большим временем его выключения и эрозией электродов разрядника.
Известен импульсный генератор для осуществления разряда в воде (патент RU 2313901, МПК Н03К 3/53, опубликован 27.12.2007), в котором в качестве коммутатора используют трехэлектродный управляемый разрядник, обладающий значительно большей стабильностью электроразрядных процессов. Разрядник включается по сигналу, который поступает на его электрод управления в момент зарядки конденсаторов до заданного напряжения. При этом стабилизируется величина энергии, коммутируемой в разряд после пробоя межэлектродного промежутка.
Недостатком известного генератора является относительно невысокая эффективность работы вследствие малой предельной частоты срабатывания и небольшого срока службы, которые определяются коммутационными возможностями разрядника.
Известен генератор электрических разрядов в воде (заявка ВЕ 746537, МПК G10K 015/06, Н02К 039/00, Н02М 007/162, опубликована 26.08.1970), включающий высоковольтный источник питания с выходным трехфазным выпрямителем, к которому подключена цепь, состоящая из высоковольтного тиристорного коммутатора и двух электродов, погруженных в воду. Параллельно электродам подключен второй высоковольтный тиристорный коммутатор. При включении первого тиристорного коммутатора к электродам поступает высокое напряжение источника питания. В результате межэлектродный промежуток пробивается и через воду протекает ток трехфазного выпрямителя. Длительность тока определяется моментом включения второго тиристорного коммутатора, который шунтирует электроды. Благодаря использованию коммутаторов на основе тиристоров, обладающих долговременной надежностью и достаточно малым временем выключения, генератор имеет значительно больший срок службы и более высокую предельную частоту срабатывания.
Недостатком известного генератора также является недостаточно высокая эффективность работы. Она определяется большими потерями энергии в тиристорах при коммутации мощных быстро нарастающих импульсов разрядного тока, которые определяются локализацией процесса переключения в узкой области у электрода управления. Другим недостатком является большая стоимость высоковольтного источника питания высоковольтных тиристорных коммутаторов.
Известен генератор высоковольтных разрядов в воде (Коротков С.В., Аристов Ю.В., Козлов А.К., Короткое Д.А., Рольник И.А. Генератор электрических разрядов в воде // ПТЭ. 2011. №2. С. 47), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Генератор-прототип содержит источник питания, первый конденсатор, первую катушку индуктивности, первый диод, транзистор, второй конденсатор, повышающий трансформатор, первый диодный блок, второй диодный блок, третий конденсатор, вторую катушку индуктивности, разрядную камеру, второй диод, третий диод, резистор, трансформатор рекуперации, при этом первый конденсатор подключен параллельно источнику питания и соединен первым выводом с его положительным полюсом, первый вывод первой катушки индуктивности соединен с катодом третьего диода, второй вывод первой катушки индуктивности подключен к аноду первого диода, катод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого подключен к аноду второго диода и к концу первичной обмотки повышающего трансформатора, начало которой соединено с эмиттером первого транзистора, со вторым выводом первого конденсатора и с отрицательным полюсом источника питания, начало вторичной обмотки повышающего трансформатора подключено к аноду первого диодного блока, катод которого соединен с катодом второго диодного блока, с первым выводом третьего конденсатора и с первым выводом второй катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первым выводом разрядной камеры, второй вывод которой заземлен, конец вторичной обмотки повышающего трансформатора соединен с анодом второго диодного блока со вторым выводом третьего конденсатора и с концом первичной обмотки трансформатора рекуперации, начало которой соединено со вторым выводом разрядной камеры, вторичная обмотка трансформатора рекуперации соединена началом с анодом третьего диода, а концом со вторым выводом первого конденсатора, резистор включен между катодом второго диода и первым выводом второго конденсатора. Диодные блоки состоят из последовательно соединенных диодов.
При включении транзистора через первую катушку индуктивности и первый диод протекает медленно нарастающий ток разряда первого конденсатора, предварительно заряженного от источника питания. В момент, когда ток разряда достигает рабочего значения, происходит выключение транзистора. При этом ток поступает во второй конденсатор и осуществляет его зарядку. После окончания процесса зарядки происходит повторное включение транзистора. В результате второй конденсатор разряжается через первичную обмотку повышающего трансформатора. Ток вторичной обмотки протекает через первый диодный блок и обеспечивает зарядку третьего конденсатора до высокого напряжения, которое прикладывается к электродам разрядной камеры, заполненной водой, и инициирует пробой воды.
В штатном режиме пробой происходит в момент зарядки третьего конденсатора до максимального напряжения или с небольшой задержкой после окончания процесса зарядки. В течение времени задержки пробоя первый диодный блок препятствует разряду третьего конденсатора через вторичную обмотку трансформатора. Если пробой происходит преждевременно (в процессе зарядки третьего конденсатора), то к моменту пробоя второй конденсатор разряжается не полностью и в нем остается неиспользованная энергия. Она рассеивается в резисторе. После пробоя воды третий конденсатор перезаряжается через вторую катушку индуктивности, разрядную камеру и первую обмотку трансформатора рекуперации. В момент максимума разрядного тока происходит изменение полярности напряжения на третьем конденсаторе. При этом разрядный ток очень быстро коммутируется во второй диодный блок, состоящий из последовательно соединенных диодов. Он шунтирует трансформатор и исключает перераспределение коммутируемой энергии в низковольтную цепь генератора.
Большая скорость нарастания тока через второй диодный блок определяет большие коммутационные потери энергии в диодах. Их уменьшение достигается в результате ограничения амплитуды и длительности разрядного тока. Уменьшение амплитуды осуществляется путем увеличения индуктивности второй катушки, уменьшение длительности - путем использования трансформатора рекуперации. В процессе разряда третьего конденсатора на вторичной обмотке трансформатора рекуперации возникает напряжение, превышающее напряжение зарядки первого конденсатора. При этом включается третий диод и через него в первый конденсатор коммутируется ток рекуперации. В результате разрядный ток генератора быстро уменьшается.
Недостатком генератора-прототипа является недостаточно высокая эффективность работы, которая вызвана потерями энергии в демпфирующем резисторе и в трансформаторе рекуперации, а также недостаточно высокой амплитудой разрядного тока.
Задачей настоящего технического решения является разработка генератора высоковольтных разрядов в воде, который имеет повышенную эффективность работы в результате уменьшения потерь энергии и увеличения амплитуды разрядного тока.
Поставленная задача решается тем, что генератор высоковольтных разрядов в воде содержит источник питания, первый, второй и третий конденсаторы, первую, вторую и третью катушку индуктивности, первый, второй и третий диоды, первый и второй транзистор, повышающий трансформатор, первый и второй диодные блоки, разрядную камеру. Первый конденсатор подключен параллельно источнику питания и соединен первым выводом с его положительным полюсом, первый вывод первой катушки индуктивности соединен с катодом третьего диода, второй вывод первой катушки индуктивности подключен к аноду первого диода, катод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого подключен к концу первичной обмотки повышающего трансформатора, начало которой соединено с эмиттером первого транзистора, со вторым выводом первого конденсатора и с отрицательным полюсом источника питания, начало вторичной обмотки повышающего трансформатора подключено к аноду первого диодного блока, катод которого соединен с катодом второго диодного блока, первый вывод третьего конденсатора подключен к первому выводу второй катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первым выводом разрядной камеры, второй вывод которой заземлен, конец вторичной обмотки повышающего трансформатора соединен с анодом второго диодного блока и со вторым выводом третьего конденсатора, второй транзистор соединен коллектором с первым выводом первого конденсатора, а эмиттером с первым выводом первой катушки индуктивности, третья катушка индуктивности включена между катодом второго диодного блока и первым выводом третьего конденсатора, второй диод соединен катодом с коллектором первого транзистора, а анодом с первым выводом второго конденсатора, третий диод подключен анодом ко второму выводу первого конденсатора, а конец вторичной обмотки повышающего трансформатора, анод второго диодного блока и второй вывод третьего конденсатора заземлены.
Новым в полезной модели является то, что в генератор введены второй транзистор и третья катушка индуктивности, при этом второй транзистор соединен коллектором с первым выводом первого конденсатора, а эмиттером с первым выводом первой катушки индуктивности, третья катушка индуктивности включена между катодом второго диодного блока и первым выводом третьего конденсатора, второй диод соединен катодом с коллектором первого транзистора, а анодом с первым выводом второго конденсатора, третий диод подключен анодом ко второму выводу первого конденсатора, а конец вторичной обмотки повышающего трансформатора, анод второго диодного блока и второй вывод третьего конденсатора заземлены.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где изображена электрическая схема настоящей полезной модели.
Генератор высоковольтных разрядов в воде согласно полезной модели содержит (см. фиг.) источник 1 питания, первый конденсатор 2, первую катушку 3 индуктивности, первый диод 4, первый транзистор 5, второй конденсатор 6, повышающий трансформатор 7, первый диодный блок 8, второй диодный блок 9, третий конденсатор 10, вторую катушку 11 индуктивности, разрядную камеру 12, второй диод 13, третий диод 14, второй транзистор 15 и третью катушку 16 индуктивности. Первый конденсатор 2 подключен параллельно источнику 1 питания и соединен первым выводом с его положительным полюсом и с коллектором второго транзистора 15, эмиттер которого подключен к катоду третьего диода 14 и первому выводу первой катушки 3 индуктивности, второй вывод первой катушки 3 индуктивности соединен с анодом первого диода 4, катод которого подключен к аноду второго диода 13 и к первому выводу второго конденсатора 6. Второй вывод второго конденсатора 6 соединен с концом первичной обмотки повышающего трансформатора 7, а начало первичной обмотки повышающего трансформатора 7 подключено к отрицательному полюсу источника 1 питания, второму выводу первого конденсатора 2, к аноду третьего диода 14 и к эмиттеру первого транзистора 5, коллектор которого соединен с катодом второго диода 13. Начало вторичной обмотки повышающего трансформатора 7 соединено с анодом первого диодного блока 8, катод которого подключен к катоду второго диодного блока 9 и к первому выводу третьей катушки 16 индуктивности, второй вывод которой соединен с первым выводом третьего конденсатора 10 и с первым выводом второй катушки 11 индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу разрядной камеры 12. Конец вторичной обмотки повышающего трансформатора 7 соединен с анодом второго диодного блока 9, со вторым выводом третьего конденсатора 10, со вторым выводом разрядной камеры 12 и заземлен.
Как и в генераторе-прототипе, в настоящем генераторе источник 1 питания осуществляет зарядку первого конденсатора 2. Первый конденсатор 2, первая катушка 3 индуктивности, первый диод 4 обеспечивают зарядку второго конденсатора 6. Первый транзистор 5 осуществляет разряд второго конденсатора 6 через первичную обмотку повышающего трансформатора 7. При этом происходит зарядка третьего конденсатора 10 до высокого напряжения, прикладываемого к разрядной камере 12. Первый диодный блок 8 исключает разряд третьего конденсатора 10 через вторичную обмотку трансформатора 7, если вода пробивается после окончания процесса зарядки третьего конденсатора 10. Второй диодный блок 9 шунтирует повышающий трансформатор 7 после пробоя воды. При этом исключается возврат энергии в низковольтную цепь генератора. Вторая катушка 11 индуктивности ограничивает ток разряда третьего конденсатора 10.
В отличие от генератора-прототипа второй диод 13 и третий диод 14 обеспечивают полезное использование энергии, остающейся во втором конденсаторе 6 в нештатном режиме, когда пробой воды происходит преждевременно, до момента окончания процесса зарядки третьего конденсатора 10. Второй транзистор 15 обеспечивает зарядку второго конденсатора 6 до рабочего напряжения. Третья катушка 16 индуктивности ограничивает ток через второй диодный блок 9, при этом потери энергии в нем малы даже при большой амплитуде разрядного тока.
Таким образом, благодаря изменению точек подключения второго 13 диода и третьего диода 14, введению второго транзистора 15 и третьей катушки индуктивности 16 обеспечивается увеличение эффективности работы генератора, так как в нем уменьшаются потери энергии и увеличивается амплитуда разрядного тока.
Настоящий генератор высоковольтных разрядов в воде работает следующим образом.
В исходном состоянии второй конденсатор 6 заряжен до рабочего напряжения током, формируемым первым конденсатором 2, заряженным от источника 1 питания. При включении первого транзистора 5 в первичную обмотку повышающего трансформатора 7 коммутируется ток разряда второго конденсатора 6. Ток вторичной обмотки трансформатора 7 протекает через первый диодный блок 8 и обеспечивает зарядку третьего конденсатора 10 до высокого напряжения, которое прикладывается к заполненной водой разрядной камере 12 и инициирует пробой воды. В штатном режиме пробой происходит в момент окончания процесса зарядки третьего конденсатора 10, или с небольшой задержкой. В течение времени задержки пробоя первый диодный блок 8 исключает разряд третьего конденсатора 10 через трансформатор 7. После пробоя воды через вторую катушку 11 индуктивности и разрядную камеру 12 протекает ток разряда третьего конденсатора 10. В момент изменения полярности напряжения на третьем конденсаторе 10 ток разряда коммутируется во второй диодный блок 9 через третью катушку 16 индуктивности, которая имеет достаточно большую индуктивность и ограничивает скорость нарастания тока через второй диодный блок 9. В результате второй диодный блок 9 имеет малые коммутационные потери энергии даже при большой амплитуде разрядного тока. При этом становится возможным использовать вторую катушку 11 с малой индуктивностью и получить малую длительность разрядного тока без трансформатора рекуперации, используемого в генераторе-прототипе. Если пробой происходит в процессе зарядки третьего конденсатора 10, то к моменту пробоя второй конденсатор 6 разряжается не полностью. Так как после пробоя сопротивление воды мало, то генератор работает фактически в режиме короткого замыкания, и второй конденсатор 6 перезаряжается до напряжения, примерно равного напряжению в момент пробоя воды. Затем второй конденсатор 6 перезаряжается повторно до напряжения исходной полярности. В процессе повторного перезаряда второй диод 13 препятствует протеканию тока через первый транзистор 5. При этом ток повторного перезаряда второго конденсатора 6 протекает через третий диод 14, первую катушку 3 индуктивности и первый диод 4. Первый транзистор 5 не выключается в процессе повторного перезаряда второго конденсатора 6, поэтому в момент достижения исходной полярности напряжения на втором конденсаторе 6 ток, протекающий через первую катушку 3 индуктивности, коммутируется в цепь второго диода 13 и первого транзистора 5. Так как потери энергии в этой цепи очень малы, то ток через первую катушку 3 индуктивности практически не изменяется до момента включения второго транзистора 13, которое производится практически сразу после окончания процесса коммутации тока в цепь второго диода 13 и первого транзистора 5. После включения второго транзистора 15 напряжение источника 1 прикладывается к третьему диоду 14. При этом третий диод 14 выключается, и первый конденсатор 2 начинает разряжаться через второй транзистор 15, первую катушку 3 индуктивности, первый диод 4, второй диод 13 и первый транзистор 5. В результате ток через первую катушку 3 индуктивности нарастает. В момент, когда этот ток достигает рабочего значения, происходит одновременное выключение первого транзистора 5 и второго транзистора 15. При этом ток первой катушки 3 индуктивности замыкается через первый диод 4, второй конденсатор 6, первичную обмотку трансформатора 7 и третий диод 14. В результате второй конденсатор 6 заряжается до исходного рабочего напряжения.
3
Пример 1. В соответствии с настоящей полезной моделью был изготовлен генератор высоковольтных разрядов в воде. Как и в генераторе-прототипе, в нем использован источник питания, состоящий из источника напряжения 220 В, 50 Гц и диодного выпрямителя, емкости первого, второго и третьего конденсаторов составляли соответственно 400 мкФ, 12 мкФ и 2,2 нФ, первая катушка индуктивности имела индуктивность 900 мкГн, в качестве первого транзистора использовали сборку из 4-х параллельно соединенных транзисторов IRG4PF50WD, в качестве первого, второго и третьего диодов использовали диоды 80EPF12PBF, первый и второй диодные блоки состояли из 60 последовательно соединенных диодов XER 608, повышающий трансформатор имел сердечник из материала 50НП размером 165×55×25 мм, его первичная обмотка имела один виток, а вторичная обмотка - 74 витка. По сравнению с генератором - прототипом индуктивность второй катушки была уменьшена с 30 мкГн до 3 мкГн, в качестве второго транзистора использовали транзистор IRG4PF50WD, индуктивность третьей катушки индуктивности составляла 12 мкГн. В процессе проводимых на частоте 100 Гц сравнительных исследований настоящий генератор обеспечивал коммутацию в разрядную камеру импульсов тока с амплитудой ~600 А, что в 3 раза больше, чем в генераторе-прототипе. В процессе экспериментов нагрев элементов в настоящем генераторе и в генераторе-прототипе был незначителен и примерно одинаков. Но в настоящем генераторе не было трансформатора рекуперации и демпфирующего резистора, на котором в генераторе-прототипе рассеивалось не менее 15% потребляемой мощности.
Полученный результат свидетельствует о том, что в настоящем генераторе достигается существенное уменьшение потерь энергии и значительное увеличение амплитуды разрядного тока, что определяет более высокую эффективность, по сравнению с устройством прототипом.