УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОГО ОЗОНАТОРА
POWER SUPPLY DEVICE OF ELECTRONIC OZONISER

Изобретение относится к устройствам получения озона из кислородосодержащего газа в электрическом газовом разряде на диэлектрическом барьере и может быть использовано для создания установок обеззараживания и очистки воды и воздуха.
Известна «УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОЗОНА» по патенту Российской федерации на изобретение №2114053, класс С01В 13/11, 06.01.1997. Установка содержит генератор озона и высоковольтный источник питания. Высоковольтный источник питания включает в себя выпрямитель, состоящий из 2 диодов, соединенных по двухполупериодной схеме выпрямления, и сглаживающий конденсатор, включенный между выводами выпрямителя. В один из подводов внешнего напряжения перед выпрямителем включен ограничительный конденсатор с резистором утечки. Высоковольтный источник питания содержит также высоковольтный трансформатор и блокинг-генератор. Один выход выпрямителя соединен с одним из выводов первичной обмотки высоковольтного трансформатора, другой его выход - с другим выводом первичной обмотки высоковольтного трансформатора через блокинг-генератор, который снабжен положительной обратной связью с первичной обмоткой высоковольтного трансформатора.
Недостатками устройства являются:
отсутствие согласования, приводящее к заниженному выходу озона, собственных временных характеристик колебательного контура, образованного индуктивностью выходной обмотки высоковольтного трансформатора и емкостью генератора озона, с характерными временами газоразрядных процессов в генераторе озона;
наличие остаточных электрических колебаний в трансформаторе с амплитудой на выходе ниже напряжения ионизации в газовых зазорах разрядника и приводящих к непроизводительным тепловым потерям на резистивных элементах электрических цепей;
температурная нестабильность работы устройства.
Известен «ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ОЗОНА» по патенту Российской федерации на изобретение №2193521, класс С01В 13/11, 20.06.2000, в состав которого входит источник постоянного напряжения, высоковольтный трансформатор, накопительный конденсатор, включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора, и разрядное устройство, параллельное вторичной обмотке трансформатора. Положительный потенциал источника постоянного напряжения подается на накопительный конденсатор через дроссель и диод, включенные последовательно, а минус источника питания соединен со свободным выводом первичной обмотки трансформатора. Возбуждение электрических колебаний в схеме осуществляется с помощью тиристора, подключенного параллельно накопительному конденсатору и первичной обмотке трансформатора, в направлении от плюса к минусу источника напряжения, а в цепи ключа тиристора имеется схема управления тиристором.
Недостатками устройства являются:
отсутствие согласования собственных временных характеристик колебательного контура, образованного индуктивностью выходной обмотки высоковольтного трансформатора и емкостью генератора озона, с характерными временами газоразрядных процессов в генераторе озона;
наличие остаточных электрических колебаний в трансформаторе с амплитудой на выходе ниже напряжения ионизации в газовых зазорах разрядника;
низкая скорость срабатывания ключевого элемента (тиристора), приводящая к снижению выхода озона и увеличению тепловых потерь на ключевом элементе.
Известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ОЗОНА ПРИ ПОМОЩИ ИМПУЛЬСНОГО БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА» по патенту Российской федерации на изобретение №2357921, класс С01В 13/11, 06.07.2007, содержащее источник импульсов высокого напряжения, питающий высоковольтный трансформатор и разрядную камеру, присоединенную к выводам высоковольтной обмотки трансформатора. Причем источник высокого напряжения зажигает барьерный разряд импульсами асимметричной формы, максимальная амплитуда отрицательной части которых как минимум в два раза превышает максимальную амплитуду его положительной части.
Недостатками устройства являются:
отсутствие согласования собственных временных характеристик колебательного контура, образованного индуктивностью выходной обмотки высоковольтного трансформатора и емкостью генератора озона, с характерными временами газоразрядных процессов в генераторе озона;
наличие остаточных электрических колебаний в трансформаторе с амплитудой на выходе ниже напряжения ионизации в газовых зазорах разрядника.
Известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ОЗОНА ПРИ ПОМОЩИ ИМПУЛЬСНОГО БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА» по патенту Российской федерации на изобретение №2363653, класс С01В 13/11, 29.10.2007, состоящее из разрядной камеры, импульсного трансформатора с одной высоковольтной обмоткой и с одной или несколькими первичными обмотками. Каждая первичная обмотка соединена последовательно с одним из накопительных конденсаторов. Выходной контур образован высоковольтной обмоткой и электродами разрядной камеры. Возбуждение колебаний во входных контурах осуществляется от источника импульсов высокого напряжения, содержащего генератор управляющих импульсов, а также автономное для каждого входного контура зарядное устройство и управляемый импульсный ключ, закороченный импульсным конденсатором.
Недостатками устройства являются:
отсутствие согласования собственных временных характеристик колебательного контура, образованного индуктивностью выходной обмотки высоковольтного трансформатора и емкостью генератора озона, с характерными временами газоразрядных процессов в генераторе озона;
наличие остаточных электрических колебаний в трансформаторе с амплитудой на выходе ниже напряжения ионизации в газовых зазорах разрядника;
температурная нестабильность работы устройства из-за наличия нескольких входных контуров, взаимодействующих между собой через индуктивность высоковольтной обмотки.
Общим в указанных выше аналогах является то, что энергия от источника питания к разряднику передается, по крайней мере, двумя связанными электромагнитными контурами и сопровождается собственными для каждого контура затухающими колебаниями. При этом в образовании озона практически участвует только первый, с момента возбуждения, период колебаний. Остальная часть колебаний рассеивается в виде тепла на пассивных элементах контуров.
Известно также, что из-за проблем отвода тепла из разрядной зоны частота следования запускающих импульсов, особенно для простых генераторов озона малой и средней производительности, как правило, существенно меньше собственной частоты передающих энергию контуров. Следовательно, большие тепловые потери, не сопровождающиеся образованием озона, для таких устройств неизбежны.
При наличии специальных мер охлаждения элементов аналоги могут работать при частотах запуска, близких к собственным частотам передающих контуров, но при этом запускающие импульсы накладываются на собственные колебания контуров. Поэтому стабильная и надежная работа генератора озона возможна только при наличии синхронизации запускающих импульсов с собственными колебаниями контуров и принятии дополнительных мер по компенсации температурных изменений электрических параметров, что существенно усложняет изделие.
Известно (Теория цепей и сигналов, методы анализа, Ю.Новиков, 2005), что эффективность передачи энергии связанными контурами зависит от степени согласования электрических параметров контуров между собой и с характеристиками нагрузки. Например, равенство собственных частот входного и выходного контуров высоковольтного трансформатора обеспечивает резонансную (максимальную) передачу энергии в разрядный зазор.
В свою очередь, при полуширине автоколебаний в выходном контуре, близкой к времени перезарядки диэлектрического барьера, в газовом зазоре имеет место максимальный удельный выход озона. Наоборот, значительное отличие полуширины автоколебаний в выходном контуре от времени перезарядки барьера резко снижает выходные характеристики озонатора, а в отдельных случаях, например, при слишком большой полуширине автоколебаний в выходном контуре амплитуда обратных импульсов может превысить пробивное напряжение обмоток трансформатора. Регулировка частоты и длительности импульсов, предусмотренная в некоторых известных аналогах, в подавляющем большинстве случаев не способна обеспечить максимальные выходные характеристики озонатора.
В качестве прототипа выбрано «УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ГЕНЕРАТОРА ОЗОНА» по патенту Российской федерации на изобретение №2263628, класс С01В 13/11, 15.12.2003. Устройство электропитания генератора озона содержит высоковольтный импульсный трансформатор и накопительную емкость, установленную последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Параллельно первичной обмотке и накопительной емкости подключены диод и динистор (или тиристор в режиме динистора) во взаимно противоположных направлениях. Последовательно к накопительной емкости подключена дополнительная емкость, одна обкладка которой является выводом для подключения к электрической сети. К выводам вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора подключен генератор озона.
Недостатками устройства являются:
отсутствие согласования собственных временных характеристик колебательного контура, образованного индуктивностью выходной обмотки высоковольтного трансформатора и емкостью генератора озона, с характерными временами газоразрядных процессов в генераторе озона;
низкая скорость срабатывания ключевого элемента (тиристора).
В прототипе наличие обратного диода обеспечивает подавление автоколебаний в контуре, кроме первой от момента включения тиристора полуволны, снижая до минимума пассивные потери энергии. Однако известно (по патенту Российской федерации на изобретение №2357921, класс С01В 13/11, 2007), что озон наиболее эффективно образуется во второй полуволне возбужденных колебаний. Это означает, что в прототипе выход озона существенно занижен по сравнению с устройством без обратного диода.
Задачи изобретения:
снижение тепловых потерь в генераторе озона;
увеличение удельного выхода озона при заданных габаритах устройства;
повышение надежности и стабильности работы генератора озона решаются:
установкой параллельно входной обмотке 3 трансформатора тиристора 5 по направлению к плюсу источника напряжения, с включением шунтирующего действия тиристора не ранее второй, с момента открытия транзисторного ключа 7, полуволны автоколебаний в контуре, образованном обмоткой 3 трансформатора и конденсатором 4 (см. фиг.1, 2);
выбором параметров выходной (высоковольтной) обмотки трансформатора 2 из условия нахождения периода собственных колебаний контура, образованного индуктивностью этой обмотки и емкостью разрядного устройства 1 в диапазоне от 1 до 4 характерных времен перезарядки диэлектрических барьеров в газовых зазорах разрядного устройства 1;
выбором емкости конденсатора 4 в цепи входной обмотки 3 (фиг.1, 2) из условия отличия собственной частоты контура, образованного индуктивностью этой обмотки и емкостью конденсатора 4, не более чем на 25% от собственной частоты контура, образованного индуктивностью обмотки 2 и емкостью разрядного устройства 1;
установкой длительности импульсов открывания транзисторного ключа 7 в диапазоне от 0,1 мкс до 1/4 периода автоколебаний контура, образованного индуктивностью обмотки 3 и емкостью конденсатора 4;
параллельным присоединением одного или более транзисторных ключей 7 к имеющемуся ключу 7 (фиг.3) с несовпадающими во времени открываниями этих ключей.
Устройство электропитания состоит из следующих частей:
газоразрядного устройства 1, собранного из электродов и диэлектрических слоев между ними, которые установлены с образованием зазоров (фиг.1, 2);
_
высоковольтной обмотки 2 трансформатора с выводами на электроды разрядного устройства 1 (фиг.1, 2). При этом обмотка 2 и электроды разрядного устройства 1 образуют выходной колебательный контур с периодом собственных колебаний , где L1 - индуктивность обмотки 2, а С1 - емкость разрядного устройства. Число витков обмотки 2 выбрано из условия нахождения Т1 в диапазоне от 1 до 4 характерных времен перезарядки диэлектрических слоев в газовых зазорах разрядного устройства 1;
первичной обмотки 3 трансформатора, соединенной одним из выводов с плюсом источника постоянного напряжения либо напрямую (фиг.1) либо через диод (фиг.2). Число витков обмотки 3 определяется коэффициентом трансформации, необходимым для создания напряжения, ионизирующего газ, в зазорах разрядного устройства 1;
конденсатора 4, присоединенного к обмотке 3 либо параллельно выводам обмотки 3 (фиг.1), либо последовательно между выводом, связанным с плюсом источника напряжения, и минусом этого источника (фиг.2). При этом обмотка 3 с индуктивностью L2 и конденсатор 4 с емкостью С2 образуют входной колебательный контур (параллельный и соответственно последовательный) с периодом собственных колебаний . Величина емкости С2 конденсатора 4 выбрана из условия отличия Т2 от Т1 не более чем на 25%;
тиристора 5, присоединенного параллельно входной обмотке 3 трансформатора по направлению к плюсу источника напряжения (фиг.1, 2);
формирователя импульсов управления тиристором 6 с выходом, соединенным с ключом тиристора 5 (фиг.1, 2). Формирователь импульсов 6 синхронизован с импульсами управления транзисторными ключами 7 с задержкой относительно этих импульсов в диапазоне от 0,5 до 8 периодов Т2;
одного (фиг.1, 2) или нескольких (фиг.3) транзисторных ключей 7, присоединенных силовым входом к плюсу источника напряжения через обмотку 3 трансформатора, а силовым выходом к минусу источника напряжения;
одного (фиг.1, 2) или нескольких (фиг.3) формирователей импульсов управления ключами 8, присоединенных к управляющему входу транзисторного ключа 7, индивидуального для каждого формирователя. Формирователи импульсов управления ключами 8 снабжены регулировкой длительности импульсов управления в диапазоне от 0,1 мкс до 1/4 периода Т2;
задающего генератора 9 (фиг.1, 2, 3) с выходом, соединенным с входом синхронизации формирователя импульсов управления тиристором 6. Выход задающего генератора соединен также с входом формирователей импульсов управления ключами 8 в вариантах с одним транзисторным ключом 7 (фиг.1, 2) напрямую, а в варианте с несколькими ключами 7 через временной разделитель сигналов 10, например, десятичный счетчик с дешифратором. Задающий генератор 9 снабжен средством регулировки частоты генерации импульсов;
временного разделителя сигналов задающего генератора 10 (фиг.3), например десятичного счетчика с дешифратором, выходы которого соединены с входами формирователей импульсов управления ключами 8, индивидуальными для каждого выхода временного разделителя 10.
Устройство работает следующим образом.
В начальном состоянии электрическое напряжение положительной полярности от источника постоянного напряжения, например сетевого выпрямителя или аккумуляторной батареи, подано либо через обмотку 3 (фиг.1), либо через диод и обмотку 3 (фиг.2) на силовые входы транзисторных ключей 7. При этом конденсатор 4 в варианте (фиг.1) разряжен, а варианте (фиг.2) заряжен до напряжения питания.
Последовательность сигналов задающего генератора 9 (фиг.1, 2, 3) поступает на входы формирователей импульсов управления ключами 8 в вариантах с одним транзисторным ключом 7 (фиг.1, 2) непосредственно, а в варианте с несколькими ключами 7 (фиг.3) через временной разделитель сигналов задающего генератора 10. Временной разделитель сигналов 10 распределяет группу следующих друг за другом сигналов задающего генератора в количестве, равном числу транзисторных ключей 7, на разные выводы разделителя сигналов, с которых, в свою очередь, сигналы подаются на входы соответствующих формирователей импульсов 8. Далее процесс временного разделения циклически повторяется.
В формирователе импульсов управления ключами 8 сигналы задающего генератора преобразуются в прямоугольные импульсы с амплитудой, обеспечивающей ключевой режим работы транзистора, и длительностью, определяемой регулировкой. Появление же импульса формирователя на входе управления соответствующего транзисторного ключа 7 вызывает открывание этого ключа. Заявленный диапазон регулировки длительности импульса управления ключами 8 от 0,1 мкс до 1/4 части периода Т2 соответствует началу образования ионов в газе разрядных зазоров при длительности импульса 0,1 мкс и максимуму передачи энергии в разрядное устройство 1 при длительности импульса 1/4 части от периода Т2.
Открытие транзисторного ключа 7 приводит к появлению электрического тока по цепи от источника питания через обмотку 3 трансформатора и ключ 7 к минусу источника питания и передаче электрической энергии через трансформатор на высоковольтную обмотку 2, заряжающую емкость С1 разрядного устройства 1 до напряжения ионизации газа в зазорах разрядного устройства. Одновременно происходит в варианте (фиг.1) зарядка через ключ 7, а в варианте (фиг.2) разрядка через обмотку 3 и ключ 7 конденсатора 4. При этом возникают условия возникновения автоколебаний входного L2C2 и выходного L1C1 контуров трансформатора.
При равенстве собственных частот входного и выходного контуров трансформатора фазы напряжений, соответственно токов, в контурах совпадают. То есть имеет место условие максимальной передачи энергии в разрядное устройство. По мере рассогласования контуров эквивалентное количество энергии передается в разрядное устройство при возрастающих токах во входном контуре, а при отличии резонансных частот связанных контуров на 25% и более появление газового разряда практически сводится к нулю.
Минимум напряжения на силовом входе ключа 7 соответствует полной зарядке (фиг.1) или полной разрядке (фиг.2) конденсатора 4 и началу перезарядки этого конденсатора в цепи входного колебательного контура, то есть изменению направления автоколебаний в контурах, когда открытое состояние ключа 7 перестает передавать энергию в разрядное устройство. Этот интервал времени от открытия ключа 7 до начала изменения направления колебаний в контурах соответствует 1/4 периода автоколебаний входного контура и определяет верхнее значение диапазона длительностей импульсов управления ключами 7.
В первом от момента открывания ключа 7 полупериоде колебаний, несмотря на наличие на электродах разрядного устройства ионизирующего газ напряжения, из-за эффекта прилипания электронов при разряде в электроотрицательном газе (кислороде) образование озона невысокое, но газовая среда насыщается, главным образом, тяжелыми отрицательными ионами кислорода, сравнительно медленно заряжающими емкость С1 разрядного устройства 1 (Райзер Ю.П. Физика газового разряда, гл. ред. физ.-мат. лит., 1992).
Во втором же полупериоде колебаний при достижении обратным напряжением ионизирующей величины происходит срыв электронов с отрицательных ионов и интенсивное образование электронных лавин, являющихся основным источником образования озона. Повышенный уровень образования озона во втором полупериоде колебаний подтвержден экспериментально (патент Российской федерации №2114053, класс С01В 13/11, 1997, и патент Российской федерации №2357921, класс С01В 13/11, 2007). Более того, легкие электроны, перезаряжающие емкость разрядника, движутся на порядки быстрее, чем тяжелые ионы, и создают существенно более короткий и мощный импульс тока во вторичном контуре L1C1. Другими словами, электроны лавин на порядки быстрее создают в объеме газовых зазоров разрядного устройства электрическое поле, противоположное напряжению, приложенному к электродам разрядника, и ограничивающее ток через обмотку 2 трансформатора. При этом индуктивность обмотки 2 препятствует уменьшению в ней тока дополнительным ростом напряжения на концах этой обмотки с образованием новых электронных лавин в газовых зазорах, вплоть до инверсии колебательного процесса. Ограничение сверху индуктивности вторичной обмотки 2 условием  величиной порядка 4 характерных времен перезарядки диэлектрического барьера в газовом зазоре разрядного устройства 1 является достаточным для завершения газоразрядных процессов и необходимым для сохранения изоляции обмоток трансформатора.
Очевидно, что поток газа через разрядные зазоры выводит образующиеся в первом полупериоде электроотрицательные ионы за пределы зазоров и, следовательно, удаляет их от участия в процессе образования электронных лавин во втором полупериоде. Таким образом, заявленное ограничение на период колебаний выходного колебательного контура является оптимальным для максимально эффективного образования озона.
Выбор индуктивности L1 высоковольтной обмотки 2 трансформатора из условия нахождения периода Т1 автоколебаний контура, образованного этой обмоткой и емкостью С1 разрядного устройства 1 в диапазоне, близком к характерному времени протекания импульса разряда в газовом промежутке с учетом двухстадийного механизма разряда в электроотрицательных газах, позволяет также оптимизировать размеры трансформатора при максимальном выходе озона.
Выбор емкости С2 конденсатора 4 в цепи входной обмотки 3 трансформатора с индуктивностью L2 из условия отличия периода Т2 автоколебаний контура, образованного этой обмоткой и конденсатором, не более чем на 25% от периода автоколебаний колебаний Т1 позволяет осуществлять синфазную по напряжению и току работу трансформатора. При этом обеспечивается высокая стабильность и надежность работы генератора озона.
До прихода следующего импульса управления транзисторным ключом 7 в обоих контурах L1C1 и L2C2 происходят затухающие автоколебания, при которых озон эффективно образуется только в первом с момента срабатывания транзисторного ключа 7 периоде колебаний. Остальная часть энергии (около 80%), запасенная в контурах, из-за нехватки напряжения для ионизации газового зазора рассеивается в виде тепла на пассивных элементах контуров.
Гашение затухающих колебаний в контурах осуществляется шунтированием входной обмотки 3 трансформатора тиристором 5 (фиг.1, 2). При этом сигнал с задающего генератора 9 поступает на вход формирователем импульсов управления ключом тиристора 6 и после соответствующей задержки и формирования по амплитуде и длительности включает тиристор 6, прерывающий колебания контуров и возвращающий большую часть неиспользованной энергии либо к источнику питания (фиг.1), либо в конденсатор 4 (фиг.2). Заявленная регулировка задержки гасящего импульса относительно импульсов управления ключами 7 в диапазоне от 0,5 до 8 периодов Т2 перекрывает условие, когда тиристор работает в режиме диода, и условие многократного повторения процессов ионизации газа от одного импульса управления ключом 7, при значительном превышении энергии, передаваемой в одном импульсе через трансформатор, над энергией, потребляемой в этом же импульсе разрядным устройством.
Таким образом, достигается исключение тепловых потерь, не связанных с образованием озона, что позволяет увеличить рабочую частоту задающего генератора 9 при соответствующем увеличении производительности генератора озона.
Совокупностью вышеперечисленных факторов достигается увеличение удельного выхода озона при заданных габаритах устройства, а также повышение надежности и стабильности работы генератора озона.
В схеме с параллельным соединением одного или более транзисторных ключей 7 с несовпадающими во времени импульсами открывания транзисторных ключей (фиг.3) частота следования управляющих импульсов, приходящаяся на отдельный транзисторный ключ, уменьшается пропорционально числу транзисторных ключей 7. Известно, что допустимая однократная величина тока через транзистор, как правило, много больше тока при высокой частоте его работы. При установке достаточного для моноимпульсного режима количества транзисторных ключей можно получить мощные генераторы озона, в которых традиционно используются нерегулируемые тиристорные ключи с большим током пропускания, но с малой скоростью срабатывания и отсутствием регулирования.