ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ, ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУХА И СТЕРИЛИЗАЦИИ С ПОМОЩЬЮ КОМБИНАЦИИ ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНОГО И ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ELECTROPHYSICAL DEVICE FOR GAS CLEANING FROM ENVIRONMENTALLY HAZARDOUS IMPURITIES, AIR DISINFECTION AND STERILIZATION BY MEANS OF COMBINATION OF FREQUENCY-PULSE AND HIGH-VOLTAGE DIRECT VOLTAGE

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к электрофизическим аппаратам, питание которых осуществляется комбинацией частотно-импульсного и высоковольтного постоянного напряжения, служащих для очистки газов от экологически вредных примесей, обеззараживания воздуха и стерилизации.
Основными элементами таких электрофизических устройств являются генераторы высоковольтных импульсов, источники высоковольтного постоянного напряжения и реакторные камеры, в которых под воздействием высоковольтных импульсов генерируется коронный разряд, создающий плазму между высоковольтным коронирующим и заземленным электродом. Очистка воздуха происходит благодаря плазмохимическим реакциям, изменяющим агрегатное состояние газообразных примесей на жидкие или твердые продукты. Образовавшиеся продукты удаляются из потока воздуха в тех же реакторных камерах в паузах между импульсами за счет электрического поля, создаваемого высоковольтным постоянным напряжением. Это достигается в том случае, когда коммутационная схема позволяет накладывать импульсное напряжение на высоковольтное постоянное напряжение [Понизовский А.З., Понизовский Л.З. Потапов В.А., Шведчиков А.П. Устройство для одновременного питания электрофильтров постоянным и импульсным напряжением. Патент РФ № 2107986 от 28.12.1992г. Понизовский А.З., Гостеев С.Г., Маевский В.А. и др. Устройство для одновременного питания электрофизических аппаратов высоковольтным постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона. Патент РФ № 2453022 от 17.06.2010].
pl
DC
pl
DC
pl
DC
DC
Недостатком таких устройств, питаемых от одного источника высоковольтного напряжения, в котором импульсы (U) накладываются на высоковольтное постоянное напряжение (U), является фиксированное соотношение между U и U (U/U ≈ n, где n - любое нечетное число) для любого конкретного устройства. В этом случае не удается достаточно эффективно проводить очистку воздуха от газообразных и мелкодисперсных примесей, так как увеличение импульсного напряжения, необходимое для повышения эффективности конверсии примесей, однозначно связано с увеличением U, что приводит к возникновению пробоя в реакторных камерах [A. Z. Ponizovskii and S. G. Gosteev Probe Measurements of Parameters of Streamers of Nanosecond Frequency Crown Discharge. Physics of Atomic Nuclei, 2017, Vol. 80, № 11, pp. 1–7].
x
pl
DC
Известен ряд устройств, позволяющих накладывать импульсы на постоянное напряжение и использующих высоковольтный импульсный генератор, имеющий собственное высоковольтное зарядное устройство и параллельно подключенный к нему высоковольтный выпрямитель. [Интенсификация процессов дозарядки разноимпедансной пыли в комплексных системах газоочистки / Л. З. Богуславский [и др.] // Вестник Нац. техн. ун-та "ХПИ": сб. науч. тр. Темат. вып.: Техника и электрофизика высоких напряжений. – Харьков: НТУ "ХПИ". – 2012. – № 21. – С. 18-23., S. Masuda. Pulse corona induced plasma chemical process for De NO. DeSO; find mercury control of combustion gas. Proceedings of an International Conference on Electrical Precipitation. Padue (Italy), p. 1. 1987]. В этом случае возможно регулировать соотношение U/U за счет независимого изменения напряжения на каждом высоковольтном источнике питания. Недостатком таких устройств является снижение надежности его работы из-за наличия двух высоковольтных зарядных устройств и высоковольтного разделительного конденсатора, пробой которого неизбежно приводит к выходу из строя всего устройства.
pl
DC
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, описанное в [G. J. J. Winands, Keping Yan, A. J. M. Pemen, Member, IEEE, S. A. Nair, Zhen Liu, and E. J. M. van Heesch An Industrial Streamer Corona Plasma System for Gas Cleaning, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 34, № 5, OCTOBER 2006 рр.2426-2433]. В данном устройстве низковольтный генератор импульсов подключен к первичной обмотке импульсного высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого через устройство для магнитного сжатия импульса и разделительный высоковольтный конденсатор подключается к коронирующему электроду реакторной камеры. К тому же электроду подключается через высоковольтную катушку индуктивности источник высоковольтного постоянного напряжения. Такое устройство позволяет накладывать импульсы на высоковольтное напряжение, причем за счет изменения количества витков вторичной обмотки импульсного трансформатора и регулировки напряжения на источнике высоковольтного постоянного напряжения можно произвольно менять соотношение U/U. В этом устройстве разделительный высоковольтный конденсатор, рассчитанный на полное постоянное напряжение, в данном случае 30 кВ и импульсное – 40 кВ, используется как защитный элемент устройства для магнитного сжатия импульса и импульсного трансформатора. Высоковольтная катушка индуктивности, рассчитанная на полное импульсное напряжение, в данном случае 70 кВ, используется как защитный элемент источника постоянного напряжения.
Устройство имеет тот недостаток, что надежность работы устройства зависит от надежности защитных элементов. В случае пробоя высоковольтного разделительного конденсатора выходит из строя устройство для магнитного сжатия импульса и импульсный трансформатор, в случае перекрытия высоковольтной катушки индуктивности – источник высоковольтного постоянного напряжения. Так как устройство работает в импульсном режиме, то вероятность пробоя высоковольтного конденсатора растет по мере увеличения срока службы устройства [Кучинский Г.С. Высоковольтные импульсные конденсаторы Л., "Энергия", 1973, 176 с.].
Задачей заявляемого изобретения является создание электрофизического устройства для очистки газов от экологически вредных примесей, обеззараживания воздуха и стерилизации с помощью комбинации частотно-импульсного и высоковольтного постоянного напряжения, конструктивное исполнение которого, будучи простым, обеспечило бы достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности работы устройства.
Указанная задача решается тем, что разработано электрофизическое устройство для очистки газов от экологически вредных примесей, обеззараживания воздуха и стерилизации с помощью комбинации частотно-импульсного и высоковольтного постоянного напряжения, содержащее по меньшей мере одну реакторную камеру, содержащую заземленный электрод и по меньшей мере один высоковольтный коронирующий электрод; источник высоковольтного постоянного напряжения; низковольтный генератор импульсов; импульсный высоковольтный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к низковольтному генератору импульсов; при этом импульсный высоковольтный трансформатор содержит две вторичные обмотки, источник высоковольтного постоянного напряжения выполнен в виде одной из вторичных обмоток трансформатора, которая подключена к высоковольтному мостовому выпрямителю, нагруженному высоковольтным конденсатором, один вывод которого заземлен, а вторая вторичная обмотка трансформатора одним выводом подключена к потенциальному выводу высоковольтного конденсатора, а другим выводом через устройство магнитного сжатия импульса подключена к высоковольтному коронирующему электроду.
Описанное устройство характеризуется упрощенной конструкцией и повышенной надежностью за счет того, что вследствие его конструктивного исполнения конденсатор мостового выпрямителя оказывается под воздействием не импульсного, а постоянного напряжения, при этом в устройстве реализована возможность накладывать импульсы на высоковольтное постоянное напряжение без использования стороннего источника высоковольтного постоянного напряжения, а, следовательно, такой конструктивный элемент как высоковольтная катушка индуктивности, выполняющая, как было указано выше, роль защитного элемента источника постоянного напряжения в принципе исключен из электрической схемы устройства.
Заявляемое изобретение будет более детально описано со ссылками на следующие графические материалы:
фиг. 1 – принципиальная схема заявляемого устройства;
фиг 2 – принципиальная схема проведения испытаний заявляемого устройства;
фиг. 3 – осциллограммы напряжения на первичной обмотке и на высоковольтном коронирующем электроде;
фиг. 4а-4в – зависимость амплитуды импульса на высоковольтном коронирующем электроде от количества витков вторичной обмотки, которая одним выводом подключена к потенциальному выводу высоковольтного конденсатора, а другим выводом через устройство магнитного сжатия импульса подключена к высоковольтному коронирующему электроду;
фиг. 5 – напряжения на первичной обмотке трансформатора и на высоковольтном коронирующем электроде при частотно-импульсной работе устройства.
Согласно изображенной на фиг. 1 принципиальной схеме заявляемое устройство содержит заземленный электрод 1 и высоковольтный коронирующий электрод 2, низковольтный генератор 3 импульсов и импульсный высоковольтный трансформатор 4. Первичная обмотка 5 трансформатора 4 подключена к низковольтному генератору 3 импульсов. Одна вторичная обмотка 6 трансформатора 4 подключена к высоковольтному мостовому выпрямителю 7, нагруженному высоковольтным конденсатором 8, один вывод которого заземлен, при этом указанная цепь выполняет функцию источника высоковольтного постоянного напряжения. Вторая вторичная обмотка 9 трансформатора 4 одним выводом подключена к потенциальному выводу высоковольтного конденсатора 8, а другим выводом через устройство 10 магнитного сжатия импульса подключена к высоковольтному коронирующему электроду 2.
in
5
6,
9
При подаче на первичную обмотку 5 трансформатора 4 низковольтного импульса напряжения U на вторичных обмотках 6 и 9 устройства генерируются импульсы напряжения с амплитудой, пропорциональной количеству витков первичной (w) и вторичных (w w) обмоток:
p6
in*
6
5
p9
in*
9
5
U= Uw/wи U = Uw/w.
DC
p6
pl
p9,
Обмотка 6 нагружается мостовым высоковольтным выпрямителем 7, на выходе которого подключен и высоковольтный конденсатор 8. В результате конденсатор 8 заряжается до U = U. За счет устройства 10 магнитного сжатия амплитуда импульса после устройства 10 U = к*Uгде к – коэффициент роста амплитуды (в высоковольтных устройствах к = 1,1–5) За счет коммутации обмоток на коронирующем электроде 2 генерируется напряжение
out
*
p9
p6
in*
*
9
5
6
5
U= кU+ U=U(кw/w+w/w).
В результате предлагаемое устройство, во-первых, позволяет накладывать импульсы на высоковольтное постоянное напряжение без использования стороннего источника высоковольтного постоянного напряжения, во-вторых, не требует наличия защитного высоковольтного импульсного конденсатора.
Таким образом, реализуется способность заявляемого устройства получать любые соотношения между постоянным и импульсным напряжением за счет вариации числа витков обмоток 6 и 9.
Повышение надежности работы устройства обеспечивается тем, что конденсатор 8 мостового выпрямителя 7 оказывается под воздействием не импульсного, а постоянного напряжения.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема проведения испытаний заявляемого устройства, на которой дополнительно изображены пассивный пробник 11 (Tektronix Р2220), подключенный к первичной обмотке 5 импульсного трансформатора 4, и высоковольтный смешанный делитель 12 напряжения (Tektronix Р6015А), подключенный к высоковольтному коронирующему электроду 2 реакторной камеры относительно заземленного конца высоковольтного конденсатора 8, использовавшиеся для контроля работы заявляемого устройства. Пробник 11 и делитель 12 подключены к осциллографу 13 (Tektronix 2042). Элементы на фиг. 2, идентичные элементам на фиг. 1, обозначены соответствующим образом.
Работу устройства иллюстрируют осциллограммы сигналов с пробника 11 и делителя 12.
in
pl
DC
out
pl
DC
5
6
9
in
DC
pl
out
DC
pl
На фиг. 3 представлены осциллограммы напряжения U, U, U и U = U+ U на первичной обмотке 5 и на высоковольтном коронирующем электроде 2 соответственно при значениях количества витков первичной обмотки w = 10 и вторичных обмоток w = 250 и w = 400, где к = 1,2. Можно видеть, что в такой коммутационной схеме при U ≈ 80 В, U≈ 2 кВ, U ≈ 3,8 кВ, U = U + U ≈ 5,8 кВ.
DC
6
pl
9
9
9
pl
DC
pl
DC
pl
DC
На фиг. 4а-4в представлены осциллограммы напряжения U = const. ≈ 2 кВ (w = 250) и U, изменяющиеся пропорционально количеству витков обмотки 9 w = 400 (фиг. 4а), w = 850 (фиг. 4б) и w =1200 (фиг. 4в) (тот же масштаб осциллограмм, как и на фиг. 3). Можно видеть, что за счет изменения количества витков удается получить различное отношение U/U =1,4 (фиг. 4а), U/U = 3 (фиг. 4б) и U/U=4,2 (фиг. 4в). Такой же эффект наложения импульсов на постоянную составляющую имеет место и в импульсно-частотном режиме (фиг. 5). Осциллограмма также доказывает, что конденсатор 8 все время находится под воздействием только высоковольтного постоянного напряжения.
Таким образом, разработано электрофизическое устройство для очистки газов от экологически вредных примесей, обеззараживания воздуха и стерилизации с помощью комбинации частотно-импульсного и высоковольтного постоянного напряжения, конструктивное исполнение которого, будучи простым, обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности работы устройства.