СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАЗРЯДНОГО НЕСИММЕТРИЧНОГО ГЕНЕРАТОРА ОЗОНА
METHOD FOR POWER SUPPLY OF DISCHARGE ASYMMETRICAL OZONE GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании источников питания (систем управления) для генераторов озона высокой производительности, а также различных систем управления установок для плазмохимического синтеза и плазмохимической обработки материалов и изделий. Изобретение направлено на расширение области применения разрядного несимметричного генератора озона.
Разрядные несимметричные генераторы озона являются наиболее распространенным типом устройств, в том числе большой мощности. Это, в первую очередь, генераторы Велсбаха, выпускаемые в настоящее время серийно многими отечественными и зарубежными фирмами (Озонаторное оборудование. Каталог ООО «Озония» 2010/ Ozonia Ltd, 2010, С.4; Озонаторное оборудование. Каталог ОАО «Курганхиммаш» 2012/ Курганхиммаш, 2012, С.11; Силкин Е.М. Синтез озона в электрических разрядах и повышение его эффективности//КИТ. - 2008. - №6. - С.136-143). В указанных устройствах реализуется барьерный разряд. Генератор озона Велсбаха является «несимметричным», так как один из его электродов покрывается диэлектрическим слоем, а другой представляет собой металлическую деталь (электрод) без покрытия. К несимметричным генераторам озона относится также устройство с высоковольтным электродом в виде сетки (П. 49813 РФ, МКИ С01В 13/11. Озонатор/Е.М.Силкин. - Заявл. 18.06.2005. - Опубл. 10.12.2005. - Бюл. №34).
Заявляемый способ электропитания может быть использован в системах управления и других типах разрядных генераторов (плазменных и плазмохимических реакторов), например, работающих на принципах коронного или искрового разряда.
Известен способ электропитания разрядного несимметричного генератора озона, зашунтированного конденсатором, анодом которого является электрод, покрытый диэлектрическим слоем, а катодом является металлический электрод, заключающийся в том, что периодически пропускают через цепь из генератора озона и конденсатора импульсы прямого и обратного тока прямоугольной формы (П. 2020710 РФ, МКИ Н02М 5/45. Преобразователь частоты со звеном постоянного тока/Е.М.Силкин и др. - Заявл. 23.12.1992. - Опубл. 30.09.1994. -Бюл .№18).
Недостатком способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона является узкая область применения из-за высоких удельных энергозатрат при синтезе продукта, что обусловлено потреблением энергии от источника как при прямом, так и при обратном токе через электроды генератора озона. При протекании обратного (отрицательного) тока (электрод без диэлектрического покрытия, то есть металлический электрод, выполняет функцию анода) озон в разрядном промежутке практически не синтезируется. При этом затрачиваемая энергия, равная потребляемой энергии при протекании положительного тока (электрод с диэлектрическим покрытием является анодом), расходуется не на синтез, а только на нагрев частей разрядного промежутка. Повышенный нагрев приводит к распаду уже синтезированного (при положительном токе) озона, что снижает его общий выход из зоны разряда. Достигается лишь сравнительно низкая концентрация озона в озоногазовой смеси. Система имеет повышенную стоимость и весогабаритные показатели, сложна в эксплуатации и обслуживании.
Известен способ электропитания разрядного несимметричного генератора озона, анодом которого является электрод, покрытый диэлектрическим слоем, а катодом является металлический электрод, заключающийся в том, что периодически подают на генератор озона через согласующий трансформатор импульсы прямого и обратного напряжения прямоугольной формы (П. 2159497 РФ, МКИ Н02М 5/44. Способ управления преобразователем частоты/Е.М.Силкин. - Заявл. 13.04.1999. - Опубл. 20.11.2000. - Бюл. №32).
Недостатком этого способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона также является узкая область применения из-за высоких удельных энергозатрат при синтезе продукта, что обусловлено потреблением энергии от источника как при прямом, так и при обратном импульсе напряжения (и, соответственно, тока) на электродах генератора озона. При протекании обратного (отрицательного) тока при действии отрицательного импульса напряжения (электрод без диэлектрического покрытия, то есть металлический электрод, выполняет функцию анода) озон в разрядном промежутке практически не синтезируется. При этом затрачиваемая энергия, равная потребляемой энергии при протекании положительного тока (электрод с диэлектрическим покрытием является анодом), расходуется не на синтез, а только на нагрев частей разрядного промежутка. Повышенный нагрев приводит к распаду уже синтезированного (при положительном токе) озона, что снижает его общий выход из зоны разряда. Достигается лишь сравнительно низкая концентрация озона в озоногазовой смеси. Система имеет повышенную стоимость и весогабаритные показатели, сложна в эксплуатации и обслуживании.
Известен способ электропитания разрядного несимметричного генератора озона, анодом которого является электрод, покрытый диэлектрическим слоем, а катодом является металлический электрод, заключающийся в том, что периодически подают на генератор озона через дроссель и согласующий трансформатор импульсы прямого и обратного напряжения прямоугольной формы (П. 2155432 РФ, МКИ Н02М 5/45. Преобразователь частоты/Е.М.Силкин. - Заявл. 13.04.1999. - Опубл. 27.08.2000. - Бюл. №24).
Указанный способ электропитания является наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбран в качестве прототипа.
Недостатком известного способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона является узкая область применения из-за высоких удельных энергозатрат при синтезе продукта, что обусловлено потреблением энергии от источника как при прямом, так и при обратном импульсе напряжения (и, соответственно, тока) на электродах генератора озона. При протекании обратного (отрицательного) тока при действии отрицательного импульса напряжения (электрод без диэлектрического покрытия, то есть металлический электрод, выполняет функцию анода) озон в разрядном промежутке практически не синтезируется. При этом затрачиваемая энергия, равная потребляемой энергии при протекании положительного тока (электрод с диэлектрическим покрытием является анодом), расходуется не на синтез, а только на нагрев частей разрядного промежутка. Повышенный нагрев приводит к распаду уже синтезированного (при положительном токе) озона, что снижает его общий выход из зоны разряда. Достигается лишь сравнительно низкая концентрация озона в озоногазовой смеси. Система имеет повышенную стоимость и весогабаритные показатели, сложна в эксплуатации и обслуживании.
Изобретение направлено на решение задачи расширения области применения разрядного несимметричного генератора озона.
Указанная цель достигается тем, что в способе электропитания разрядного несимметричного генератора озона, анодом которого является электрод, покрытый диэлектрическим слоем, а катодом является металлический электрод, заключающемся в том, что задают первый и второй уровни тока и уровень напряжения, периодически пропускают через генератор озона один или несколько импульсов прямого тока от анода к катоду, с амплитудой мгновенного значения, не превышающей заданный первый уровень тока, при пропускании импульсов прямого тока контролируют мгновенное напряжение на генераторе озона, и при равенстве мгновенного напряжения на генераторе озона заданному уровню напряжения прямой ток прекращают и, далее, однократно или многократно закорачивают генератор озона, при каждом закорачивании контролируют мгновенный обратный ток через генератор озона так, чтобы он не превысил заданный второй уровень тока, то есть при равенстве мгновенного обратного тока через генератор озона заданному второму уровню тока закорачивание снимают, а затем снова восстанавливают, при снижении гновенного напряжения на генераторе озона до нуля обратный ток прекращают.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является расширение области применения разрядного несимметричного генератора озона, что обеспечивается повышением его эффективности за счет снижения энергозатрат в результате отсутствия потребления энергии от источника постоянного напряжения при обратном (отрицательном) токе через электроды генератора озона (электрод без диэлектрического слоя выполняет функцию анода, то есть имеет положительный потенциал), снижения нагрева диэлектрического слоя и других частей разрядного промежутка и, следовательно, уменьшения степени разложения уже синтезированного озона. В результате выход озона значительно увеличивается при общем снижении потребляемой энергии, следовательно, эффективность синтеза и приведенные энергозатраты снижаются. Достигается более высокая концентрация озона. Уменьшаются весогабаритные показатели систем управления разрядного несимметричного генератора озона, расход сырья и охлаждающих агентов. Снижаются цена и стоимость обслуживания систем управления.
Расширение области применения разрядного несимметричного генератора озона является полученным техническим результатом, обусловленным новыми принципами электропитания генератора озона «квазиимпульсным» напряжением (током), особенностями реализуемых новых конструкций и новыми элементами в электрических схемах устройств для управления и электропитания по заявляемому способу, снижением температуры частей разрядного промежутка генератора озона, расходов исходного сырья и охлаждающих агентов, цены и стоимости обслуживания установок, то есть отличительными признаками и за счет отличительных признаков изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона являются существенными.
На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа электропитания, на фиг 2 представлены временные диаграммы (t - время) напряжения u и тока i разрядного несимметричного генератора озона, питаемого по заявляемому способу электропитания.
Способ электропитания разрядного несимметричного генератора озона, анодом которого является электрод, покрытый диэлектрическим слоем, а катодом является металлический электрод, реализуется следующими действиями. Задают первый и второй уровни тока и уровень напряжения. Периодически пропускают через генератор озона один или несколько импульсов прямого тока от анода к катоду с амплитудой мгновенного значения, не превышающей заданный первый уровень тока, при пропускании импульсов прямого тока контролируют мгновенное напряжение на генераторе озона и при равенстве мгновенного напряжения на генераторе озона заданному уровню напряжения прямой ток прекращают и, далее, однократно или многократно закорачивают генератор озона. При каждом закорачивании контролируют мгновенный обратный ток через генератор озона так, чтобы он не превысил заданный второй уровень тока, то есть при равенстве мгновенного обратного тока через генератор озона заданному второму уровню тока закорачивание снимают, а затем снова восстанавливают. При снижении мгновенного напряжения на генераторе озона до нуля обратный ток прекращают.
Устройство для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона (фиг.1), содержит источник постоянного напряжения 1, положительный вывод которого соединен с электродом генератора озона 2, покрытым диэлектрическим слоем, через ключ 3 (управляемый вентиль с встречно-параллельным диодом 4) и дроссель 5, а отрицательный вывод источника постоянного напряжения подключен к второму электроду генератора озона, не имеющему диэлектрического слоя, и второй управляемый вентиль 6 с вторым встречно-параллельным диодом 7, соединяющий общую точку соединения управляемого вентиля и дросселя с отрицательным выводом источника постоянного напряжения. Генератор озона может быть включен в электрическую цепь устройства через трансформатор 8. При этом первичная обмотка трансформатора может быть включена в электрическую цепь устройства через развязывающий конденсатор 9.
Устройство для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона в установившемся режиме работает следующим образом. Генератор озона 2, как элемент электрической цепи, представляет собой емкость с потерями. При нулевом напряжении на генераторе озона 2 разрешается подача импульсов (импульса) управления на вентиль 3, что осуществляется системой управления устройства (не показана). Управляемый вентиль 3 (фиг.1) включается и начинает протекать возрастающий по величине ток i в цепи: 1-3-5-2-1. Верхний (по схеме) электрод генератора озона 2 с диэлектрическим слоем при включении вентиля 3 выполняет функцию анода, а нижний электрод является катодом. Так как генератор озона 2 обладает емкостью, ток i в цепи (за счет работы дросселя 5) изменяется по экспоненциальному закону (фиг.2). Дроссель 5 ограничивает скорость нарастания тока i. Емкость генератора озона 2 заряжается и на генераторе озона 2 возрастает напряжение u. При достижении мгновенным значением тока i установленного максимального (положительного) значения (первого уровня) I вентиль 3 выключается. За счет энергии, накопленной в электромагнитном поле дросселя 5, ток i продолжает протекать в положительном направлении по цепи: 5-2-7-5. При этом ток i уменьшается, а напряжение u продолжает возрастать. Как только энергия поля дросселя 5 израсходуется, ток i в цепи прекратится, напряжение u на емкости генератора озона 2 перестанет возрастать, а диод 7 выключится. Если напряжение u станет достаточным для зажигания барьерного разряда в разрядном промежутке генератора озона 2, загорится разряд и начнется синтез озона. Озон синтезируется на поверхности диэлектрического слоя электрода генератора озона 2. На вентиль 3 подается новый импульс управления, и он включается. Напряжение u на емкости генератора озона 2 направлено встречно напряжению источника 1, поэтому мгновенный ток i в цепи: 1-3-5-2-1 до максимального значения I нарастает за больший интервал времени. Качественно электромагнитные процессы повторяются. При достижении напряжением u максимального установленного значения U запрещается подача импульсов управления на вентиль 3, и он выключается. Интервал протекания положительного тока u через электроды генератора озона 2 заканчивается. Число включений управляемого вентиля 3 на этом интервале зависит от установленных величин максимального прямого тока I и максимального напряжения U, а также от величины индуктивности дросселя 5. В частности, заряд емкости генератора озона 2 до максимального напряжения U может быть произведен за одно включение управляемого вентиля 3. Разрешается подача импульсов управления на второй вентиль 6. На интервале протекания отрицательного тока i (электрод с диэлектрическим слоем выполняет функцию катода) источник постоянного напряжения 1 не отдает энергии. Все процессы происходят за счет энергии, накопленной в электрическом поле емкости генератора озона 2. Отрицательный ток i протекает по цепи: 2-5-6-2 и нарастает по экспоненциальному закону до установленного максимального значения J (второго заданного уровня). Далее управляемый вентиль 6 выключается, а ток i продолжает протекать в отрицательном направлении (снижаясь по величине) в цепи: 5-4-1-2-5 за счет энергии, накопленной в электромагнитном поле дросселя 5. Напряжение u на емкости генератора озона 2 продолжает снижаться. Как только энергия поля дросселя 5 израсходуется, ток i в цепи прекратится, напряжение u на емкости генератора озона 2 перестанет снижаться, а диод 4 выключится. Если напряжение u станет ниже определенной величины, в разрядном промежутке генератора озона 2 загорится разряд. Озон в этом случае практически не образуется, но и энергия от источника постоянного напряжения 1 не потребляется. Часть реактивной энергии дросселя 5 рекуперируется в источник 1 (при работе встречно-параллельного диода 4). Управляемый вентиль 6 периодически включается до полного разряда емкости генератора озона 2 (закорачивает электроды генератора озона). При снижении напряжения u на емкости генератора озона 2 до нуля запрещается подача импульсов управления на вентиль 6 и разрешается подача импульсов управления на вентиль 3. Далее процессы в схеме устройства циклически (периодически) повторяются. Как и в случае положительного тока, разряд емкости генератора озона 2 отрицательным током может быть осуществлен за один импульс.
В качестве управляемых вентилей 3, 6 в устройстве могут использоваться транзисторы или запираемые тиристоры. Возможно использование аналогов двухоперационных вентилей, выполненных на обычных тиристорах.
Для согласования устройства с нагрузкой (генератором озона 2) по уровню напряжения, с целью оптимизации энергозатрат, генератор озона 2 сможет быть включен в электрическую цепь через трансформатор 8 (фиг.1). Трансформатор 8 должен быть рассчитан на работу с частотой изменения напряжения u на емкости генератора озона 2. Дроссель 5 при использовании трансформатора 8 может быть исключен из схемы. При этом вместо индуктивности дросселя 5 используется индуктивность рассеяния трансформатора 8.
Принципиально дроссель 5 может быть исключен и в схеме, приведенной на фиг.1. Его индуктивность заменяется индуктивностью ошиновки устройства.
Для исключения возможной работы трансформатора 8 на частной петле гистерезиса и снижения потерь на перемагничивание первичная обмотка трансформатора 8 может соединяться последовательно с конденсатором 9 (фиг.1). Если емкость конденсатора 9 значительно превышает емкость генератора озона 2, указанный конденсатор 9 практически не искажает электромагнитных процессов в схеме. Дроссель 5 здесь также может быть исключен.
Работа устройств, выполненных при исключении элементов и с дополнительными элементами, происходит аналогично рассмотренной работе устройства, изображенного на фиг.1.
По сравнению с прототипом может быть существенно расширена область применения разрядного несимметричного генератора озона. Это обеспечивается повышением его эффективности. Общие энергозатраты на синтез озона в барьерном разряде могут быть снижены в 1,7-2,1 раза. Действительно, на интервале протекания через электроды генератора озона отрицательного тока, на котором синтеза озона практически нет, не потребляется и энергия от источника питания. Снижение потерь энергии на разогрев диэлектрического слоя, при прочих равных условиях, почти в два раза увеличивает выход озона.
По сравнению с прототипом значительно упрощается силовая часть устройства для реализации способа электропитания и снижается его стоимость. Возрастает надежность работы устройства управления и нагрузки (генератора озона). Может быть повышена максимальная концентрация озона в рабочей газовой смеси.
Упрощаются обслуживание и ремонт систем управления, уменьшается стоимость обслуживания.
Могут быть существенно снижены и весогабаритные показатели систем управления с разрядным несимметричным генератором озона.
Таким образом, разрядный несимметричный генератор озона может быть применен в тех областях (технологиях), в которых ранее его использование было нецелесообразным, затратным или неэффективным.