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], включающий каскадно соединенные высоковольтный трансформатор, инвертор, фильтр и трехфазный тиристорный выпрямитель.
Недостатком известного озонатора являются зависимость амплитуды напряжения на входе генератора озона от добротности колебательного контура, в который входят нелинейные индуктивности высоковольтного 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 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 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.
Диодный мост и инвертор, по сути, образуют преобразовательный блок, причем в диодном мосте поток реактивной энергии не регулируется.
Недостатком прототипа являются неудовлетворительные массогабаритные и энергетические показатели, вследствие того, что для стабилизации электрического режима генератора озона с помощью регулирования потока реактивной энергии, возвращаемой из колебательного контура в конденсатор фильтра, применен вспомогательный источник постоянного напряжения, а также то, что инвертор и диодный мост выполнены как два отдельных конструктивных элемента.
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.
Этот технический результат достигается тем, что в озонаторе с импульсным источником электропитания, содержащем генератор озона, импульсный источник электропитания, включающий каскадно соединенные высоковольтный трансформатор, преобразовательный блок, фильтр и трехфазный тиристорный выпрямитель, преобразовательный блок состоит из четырех двунаправленных симисторов, соединенных по мостовой схеме, в которой первая диагональ соединена с выходом фильтра, ко второй диагонали моста симисторов подключена первичная обмотка высоковольтного трансформатора, а управляющие электроды симисторов подсоединены к системе управления, содержащей каналы формирования сдвоенных импульсов с регулируемым межимпульсным интервалом.
В предлагаемом решении диодный мост, в котором поток реактивной энергии не регулируется, и инвертор заменены единым преобразовательным блоком, собранным из двунаправленных симисторов, а вспомогательный источник постоянного напряжения исключен из силовой электрической цепи озонатора. Это позволяет обеспечить стабилизацию режима озонатора за счет регулирования потока электрической энергии между генератором озона и фильтром при улучшении массогабаритных показателей источника электропитания.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема силовой части стабилизированного озонатора с импульсным источником электропитания, на фиг 2 приведены осциллограммы напряжения и тока на выходе преобразовательного блока, где линия I-напряжение, II-ток. На фиг.2 дан график сигналов управления, подаваемых на управляющие электроды симисторов, где линии III, IV-сдвоенные импульсы управления симисторами. Временной сдвиг t между импульсами III и IV составляет 0,275 Т, где Т-период напряжения на выходе преобразовательного блока. На фиг.4 приведены осциллограммы напряжения (линия V) и тока (линия VI) на выходе преобразовательного блока для случая, когда временной сдвиг между импульсами увеличен (t=0,475 Т. На фиг.5 приведены осциллограммы напряжения (линия VII) и тока (линия VIII) на выходе преобразовательного блока для случая, когда временной сдвиг между импульсами управления уменьшен до t=0,2 Т.
Устройство (фиг.1) содержит генератор озона 1, который подключен к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора 2. Первичная обмотка высоковольтного трансформатора 2 импульсного источника электропитания каскадно подсоединена к выходу преобразовательного блока 3, состоящего из четырех двунаправленных симисторов 4, 5, 6, 7, соединенных по мостовой схеме, в которой первая диагональ соединена с выходом фильтра., а ко второй диагонали моста симисторов подключена первичная обмотка высоковольтного трансформатора, т.е. вход преобразовательного блока подключен к выходу фильтра 8, получающего питание от трехфазного тиристорного выпрямителя 9. Трехфазный тиристорный выпрямитель 9 подключен - к источнику переменного напряжения. Управляющие электроды симисторов 4, 5, 6, 7 преобразовательного блока подсоединены к системе управления 10, содержащей каналы формирования сдвоенных импульсов с регулируемым межимпульсным интервалом.
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 образуют резонансный контур и задают частоту колебаний в коммутирующем контуре преобразовательного блока. Электрический фильтр 8 выполнен по схеме, в которой поперечным выходным звеном является конденсатор.
Принцип работы предлагаемого стабилизированного озонатора с импульсным источником электропитания поясняется осциллограммами, приведенными на фиг.2 - фиг.5, и заключается в следующем. На интервале времени t1-t2 (фиг.2) в генератор озона 1 (фиг.1) электрическая энергия поступает через трансформатор 2 и преобразовательный блок 3. Симисторы при t≥t1 находятся под положительным напряжением. В момент времени t=t1 на управляющие электроды симисторов 4 и 6 от системы управления 10 (фиг.1) подается первый импульс управления (линия III на фиг.3) Вследствие чего симисторы 4 и 6 включаются. С выхода преобразовательного блока на первичную обмотку высоковольтного трансформатора подается напряжение (фиг.2, линия I). Осциллограмма первичного тока трансформатора, представленная линией II на фиг.2, показывает, что форма тока определяется колебательным процессом в резонансном контуре, образованном нелинейными индуктивными элементами высоковольтного трансформатора и емкостными - генератора озона. На протяжении практически всего
временного интервала t1-t2 в установке создаются условия, соответствующие процежу синтеза озона.
В момент времени t=t2 симисторы 4 и 6 выключаются. На отрезке времени t2-t3 все симисторы преобразовательного блока выключены, а первичная обмотка высоковольтного трансформатора 2 (фиг.1) отсоединена от источников питания. Высоковольтный трансформатор намагничивается током разряда емкостей генератора озона, который проходит по вторичной обмотке. Напряжение на первичной обмотке, и, следовательно, на выходе преобразовательного блока возрастает (линия I фиг.2). Начиная с момента времени t=t2, ток в колебательном контуре «вторичная обмотка высоковольтного трансформатора - генератор озона» меняет направление. Ток вторичной обмотки на этом интервале весьма мал, поскольку в контуре разряда находится индуктивность намагничивания, обусловленная основным магнитным потоком высоковольтного трансформатора. Осциллограмма напряжения (линия I на фиг.2) показывает, что к моменту времени t=t3 напряжение первичной обмотки высоковольтного трансформатора, приложенное к выходу преобразовательного блока, выше, чем напряжение фильтра 8 (фиг.1). Следовательно, выключенные симисторы 4 и 6 находятся под отрицательным напряжением.
Подача в момент времени t=t3 второго импульса управления (линия IV на фиг.3) на управляющие электроды симисторов 4 и 6 (фиг.1) приводит к тому, что симисторы 4 и 6, к силовым электродам которых приложено отрицательное напряжение, открываются. Момент включения симисторов 4 и 6 отстоит во времени от начала периода на межимпульсный интервал равный t*=t1-t (фиг.2). Осциллограммы, приведенные на фиг.2 и фиг.3, сняты при t*=0.275 Т. Под действием разности ЭДС первичной обмотки высоковольтного трансформатора и напряжения на входе преобразовательного блока возникает ток (линия II на фиг.2), который проходит по контуру, образованному (фиг.1) симистором 4, фильтром 8, симистором 6, первичной обмоткой высоковольтного трансформатора 2. Ток в контуре по сравнению с интервалом t1-t2 с момента времени t3 проходит в обратном направлении. Напряжение на выходе фильтра направлено встречно току. Ток вторичной обмотки на этом временном отрезке разряжает емкостные элементы генератора озона, что приводит к уменьшению на них напряжения. При t=t4 обратный ток прекращается, симисторы 4 и 6 выключаются.
На интервале t4-t5 все симисторы выключены, первичная обмотка высоковольтного трансформатора отключена от источника питания. По цепи вторичной обмотки
разряжаются емкостные элементы генератора озона. Ток разряда ограничивается индуктивностью намагничивания трансформатора, приведенной к вторичной обмотке. Ток вторичной обмотки на интервале t4-t5 весьма мал. Напряжение на емкостных элементах генератора озона изменяется к концу интервала незначительно. Во второй полупериод выходного напряжения инвертора симисторы 5 и 7 преобразовательного блока переключаются по аналогичному алгоритму.
Изменением межимпульсного интервала t* осуществляется варьирование момента перевода преобразовательного блока в режим, при котором энергия, запасенная в реактивных элементах генератора озона и высоковольтного трансформатора, передается в поперечное звено фильтра 8. Таким образом, регулированием t* производится стабилизация режима работы генератора озона. Осциллограммы, данные на фиг, 4 и фиг.5, показывают, как изменяются токи и напряжения на выходе преобразовательного блока соответственно при t*=0.475 Т и t*=0.2 Т.
Стабилизация режима озонатора достигается изменением межимпульсного интервала сдвоенных импульсов управления симисторами преобразовательного блока, приводя к регулированию уровня обмена реактивной энергией между генератором озона, высоковольтным трансформатором и фильтром. Масса и габариты импульсного источника электропитания становятся меньше, чем у прототипа, поскольку обратный ток регулируется по цепи системы управления симисторами преобразовательного блока, а не за счет введения вспомогательного источника постоянного напряжения в силовую электрическую цепь озонатора.
Замена инвертора и диодного моста единым преобразовательным блоком, собранным на симисторах, позволяет также сократить число полупроводниковых приборов с 8 до 4. Уменьшение числа полупроводниковых приборов в тракте преобразования параметров электрической энергии приводит к упрощению конструкции преобразовательного полупроводникового блока и к соответствующему снижению габаритов и массы источника электропитания.
В предлагаемом стабилизированном озонаторе с импульсным источником электропитания, содержащем симисторный преобразовательный блок, стабилизация режима озонатора достигается изменением угла управления симисторами, что позволяет исключить вспомогательный источник постоянного напряжения из силовой цепи и уменьшить с 8 до 4 число силовых полупроводниковых приборов в преобразовательном
блоке. Это улучшает, по сравнению с прототипом, массогабаритные энергетические показатели стабилизированного озонатора с импульсным источником электропитания.
Источники информации
1. Патент РФ №2100272, Кл. С01В 13/11Б G05D 27/00, 1995.
2. Патент РФ на полезную модель №58524, С01В 13/11, опуб. 27.11.2006.