УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАЗРЯДНОГО НЕСИММЕТРИЧНОГО ГЕНЕРАТОРА ОЗОНА

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при проектировании источников питания для генераторов озона высокой производительности, а также различных систем управления для плазмохимической обработки материалов и изделий. Полезная модель направлена на снижение энергозатрат при синтезе озона или плазмохимической обработке.
Разрядные несимметричные генераторы озона являются наиболее распространенным типом устройств, в том числе, большой мощности. Это, в первую очередь, генераторы Велсбаха, выпускаемые 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).
Заявляемое устройство может быть использовано и для питания других типов разрядных генераторов, например, работающих на принципах коронного или искрового разряда.
Известно устройство для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона, содержащее источник постоянного напряжения, выводы которого соединены через дроссель, однофазный мост на управляемых вентилях и трансформатор с первичной обмоткой, зашунтированной конденсатором, с электродами генератора озона (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 устройства для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона является высокие энергозатраты при синтезе озона, что обусловлено потреблением энергии от источника постоянного напряжения при положительном и отрицательном токе через электроды генератора. При протекании отрицательного тока (электрод без диэлектрического покрытия является анодом) озон в разрядном промежутке практически не синтезируется. 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 выход из зоны разряда.
Известно устройство для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона, содержащее источник постоянного напряжения, выводы которого соединены через однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами и трансформатор с электродами генератора озона (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 устройства для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона является высокие энергозатраты при синтезе озона, что обусловлено потреблением энергии от источника постоянного напряжения при положительном и отрицательном токе через электроды генератора. При протекании отрицательного тока (электрод без диэлектрического покрытия является анодом) озон в разрядном промежутке практически не синтезируется. 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 выход из зоны разряда.
Известно устройство для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона, содержащее источник постоянного напряжения, выводы которого соединены через однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, дроссель и трансформатор с электродами генератора озона (П. 2155432 РФ, МКИ Н02М 5/45. Преобразователь частоты / Е.М.Силкин. - Заявл. 13.04.1999. - Опубл. 27.08.2000. - Бюл. №24).
Указанное устройство является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбрано в качестве прототипа.
Недостатком устройства для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона является высокие энергозатраты при синтезе озона, что обусловлено потреблением энергии от источника постоянного напряжения при положительном и отрицательном токе через электроды генератора. При протекании отрицательного тока (электрод без диэлектрического покрытия является анодом) озон в разрядном промежутке практически не синтезируется. 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 выход из зоны разряда.
Полезная модель направлена на решение задачи снижения энергозатрат на синтез озона, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что:
1. Устройство для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона, содержит источник постоянного напряжения, положительный вывод которого соединен с электродом генератора озона, покрытым диэлектрическим слоем, через управляемый вентиль с встречно-параллельным диодом и дроссель, а отрицательный вывод источника постоянного напряжения подключен к второму электроду генератора озона, не имеющему диэлектрического слоя, и второй управляемый вентиль с вторым встречно-параллельным диодом, соединяющий общую точку соединения управляемого вентиля и дросселя с отрицательным выводом источника постоянного напряжения;
2. Устройство для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона по п.1, отличается тем, что генератор озона включен в электрическую цепь устройства через трансформатор;
3. Устройство для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона по п.2, отличается тем, что первичная обмотка трансформатора включена в электрическую цепь устройства через конденсатор.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является снижение энергозатрат на синтез озона, что обусловлено отсутствием потребления энергии от источника постоянного напряжения при отрицательном токе через электроды генератора озона (электрод без диэлектрического слоя является анодом, то есть, имеет положительный потенциал), снижением нагрева диэлектрического слоя и других частей разрядного промежутка и, следовательно, уменьшением степени разложения уже синтезированного озона. В результате выход озона увеличивается при общем снижении потребляемой энергии, следовательно, энергозатраты также снижаются.
Снижение энергозатрат на синтез озона является полученным техническим результатом, обусловленным новыми принципами электропитания генератора зона квазиимпульсным напряжением, особенностями новой конструкции и новыми элементами в электрической схеме устройства, снижением температуры частей разрядного промежутка, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого устройства для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона являются существенными.
На фиг.1-3 приведены варианты схем устройства, на фиг 4 представлены временные диаграммы (t- время) напряжения u и тока i генератора озона.
Устройство для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона, содержит источник постоянного напряжения 1, положительный вывод которого соединен с электродом генератора озона 2, покрытым диэлектрическим слоем, через управляемый вентиль 3 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 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. 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.4). 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 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 и максимального установленного значения U запрещается подача импульсов управления на вентиль 3, и он выключается. Интервал протекания положительного тока i 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 является катодом) 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. 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. 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 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 может быть включен в электрическую цепь через трансформатор 8 (фиг.2). Трансформатор 8 должен быть рассчитан на работу с частотой изменения напряжения и 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.3). 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 по схемам фиг.2, 3, происходит аналогично рассмотренной работе устройства, изображенного на фиг.1.
По сравнению с прототипом общие энергозатраты на синтез озона в барьерном разряде могут быть снижены в 1,7-2 раза. На интервале протекания через электроды генератора озона отрицательного тока, на котором синтеза озона 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, дополнительно, существенно упрощается силовая часть устройства и снижается его стоимость. Возрастает надежность работы устройства и нагрузки (генератора озона). Может быть повышена максимальная концентрация озона в рабочей газовой смеси.
По сравнению с прототипом, дополнительно, за счет вышеперечисленных преимуществ расширяется область применения нового устройства для реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона.