УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗРЯДА В ГАЗЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к электротехнике и технической физике и может быть использовано при электрофизических исследованиях, для технологических применений, например, для очистки сбросных газов промышленных предприятий.

Известно устройство для формирования разряда в газе, содержащее источник высокого напряжения, конденсатор, разрядник и разрядную камеру; причем, источник высокого напряжения одним полюсом подключен к одной обкладке конденсатора, которая через разрядник, в свою очередь, подключена к высоковольтному электроду разрядной камеры, а второй полюс источника высокого напряжения, обкладка конденсатора и электрод разрядной камеры, подключены к общей шине [1]
Недостатком устройства является низкая надежность из-за частых пробоев в разрядной камере и невозможность повышения по этой причине напряжения на электродах камеры, а следовательно, и эффективности ввода мощности в разрядный промежуток. Кроме того, затруднено согласование нагрузки и источников питания из-за необходимости выбора полярности и величины зарядного напряжения соответственно параметрам разрядного процесса, что ограничивает в значительной мере тип источников питания для использования в данной схеме.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство для формирования разряда в газе, содержащее источник высокого напряжения, конденсатор, разрядник и разрядную камеру, причем первый вывод источника высокого напряжения соединен с первой обкладкой конденсатора и первым выводом разрядника, второй вывод разрядника соединен с одним из электродов разрядной камеры,а другой электрод подключен к общей шине, второй вывод источника высокого напряжения и вторая обкладка конденсатора также подключены к общей шине [2]
Недостатком устройства является узкий диапазон рабочих параметров; так при уменьшении на 5 7% прикладываемого к электродам разрядной камеры напряжения, эффективность возбуждения разряда уменьшается на 20 30% а при попытке увеличения напряжения на 3 5% в камере возникают частые пробои, приводящие к режиму короткого замыкания, если повышение напряжения составляет величину более 5 8% Недостатками устройства являются также низкая эффективность из-за невозможности повышения напряженности электрического поля в камере и соответственно мощности, вкладываемой в разряд, а также зависимость режима работы (например, частоты) от нагрузки (сорта газа, его давления, присутствия примесей и т.п.).

Техническая задача изобретения заключается в устранении указанных недостатков, а именно, в реализации возможности согласования нагрузки с источниками зарядного напряжения, в частности, имеющими разную полярность и уровень напряжения, в повышении напряжения на разрядной камере без опасности пробоев, повышения на этой основе надежности и эффективности работы устройства, возможности осуществления режимов формирования импульсов напряжения, как относительно нулевого уровня, так и режима суммирования импульсного и постоянного напряжения при независимом регулировании их величины и полярности. Кроме того, устраняется влияние изменения нагрузки, в частности вольт-амперных характеристик разряда в камере при изменении, например, состава газа, его температуры и т.п.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство для формирования разряда в газе, содержащее первый источник высокого напряжения, первый конденсатор, разрядник, разрядную камеру, при этом, первая обкладка первого конденсатора соединена с первым электродом разрядника, вторая обкладка первого конденсатора, один из выводов первого источника высокого напряжения и один из электродов разрядной камеры подсоединены к общей шине, дополнительно содержит второй источник высокого напряжения, индуктивность, диод, трансформатор Тесла, второй конденсатор, RC-цепочку, разрядник содержит три электрода, при этом, индуктивность последовательно с диодом включена между вторым выводом первого источника высокого напряжения и первой обкладкой первого конденсатора, RC-цепочка включена между первым и вторым электродами разрядника, третий электрод разрядника подсоединен к точке соединения R и C этой цепочки, первичная обмотка трансформатора Тесла включена между диодом и общей шиной последовательно с разрядником и RC-цепочкой и вместе с ними параллельно первому конденсатору, вторичная обмотка трансформатоpа Тесла включена между вторым электродом разрядной камеры и первой обкладкой второго конденсатора, вторая обкладка второго конденсатора подсоединена к общей шине, первая обкладка второго конденсатора подсоединена к первому выводу второго источника высокого напряжения, второй вывод которого подсоединен к общей шине.

Сущность изобретения также состоит в том, что устройство для формирования разряда в газе, содержащее первый источник высокого напряжения, первый конденсатор, разрядник, разрядную камеру, при этом, первая обкладка первого конденсатора соединена с первым электродом разрядника, вторая обкладка первого конденсатора, один из выводов первого источника высокого напряжения и один из электродов разрядной камеры подсоединены к общей шине, дополнительно содержит второй источник высокого напряжения, индуктивность, диод, трансформатор Тесла, второй конденсатор, RC-цепочку, разрядник содержит три электрода, при этом индуктивность последовательно с диодом включена между первым выводом первого источника высокого напряжения и первой обкладкой первого конденсатора, RC-цепочка включена между первым и вторым электродами разрядника, третий электрод разрядника подсоединен к точке соединения R и С этой цепочки, первичная обмотка трансформатора Тесла включена между диодом и общей шиной последовательно с первым конденсатором и вместе с ним параллельно разряднику и RC-цепочке, вторичная обмотка трансформатора Тесла включена между вторым электродом разрядной камеры и первой обкладкой второго конденсатора, вторая обкладка второго конденсатора подсоединена к общей шине, первая обкладка второго конденсатора подсоединена к первому выводу второго источника высокого напряжения, второй вывод которого подсоединен к общей шине.

Физическая сущность предлагаемого изобретения состоит в формировании импульсов напряжения специальной формы и малой длительности, позволяющих осуществлять импульсно-частотный режим разряда в газе при повышенной напряженности электрического поля в разрядной камере без достижения фазы пробоя, что достигается сокращением длительности генерируемого импульса высокого напряжения до величины, меньшей времени перемыкания разрядного промежутка стримером.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема устройства по варианту 1; на фиг.2 второй вариант принципиальной схемы; на фиг.3 форма напряжения на электродах разрядника; на фиг.4 форма напряжения на разрядной камере.

Устройство для формирования разряда в газе, показанное на фиг.1а, содержит первый источник высокого напряжения 1, первый конденсатор 2, разрядник 3 с первым электродом 4, вторым электродом 5 и третьим электродом 6, разрядную камеру 7, второй источник высокого напряжения 8, индуктивность 9, диод 10, трансформатор Тесла 11 с первичной обмоткой 12 и вторичной обмоткой 13, второй конденсатор 14 и RC-цепочку из резистора 15 и конденсатора 16. При этом индуктивность 9 последовательно с диодом 10 включена между вторым выводом 17 источника высокого напряжения 1 и первой обкладкой 18 конденсатора 2, первичная обмотка 12 трансформатора Тесла 11 включена между вторым электродом 5 разрядника 3 и общей шиной 19, вторичная обмотка 13 трансформатора Тесла 11 включена между электродом 20 разрядной камеры 7 и первой обкладкой 21 конденсатора 14. Вторые обкладки 22 и 23 конденсаторов 2 и 14 соответственно присоединены к общей шине 19, так же как и электрод 24 разрядной камеры 7. Обкладка 21 конденсатора 14 подсоединена к выводу 25 второго источника высокого напряжения 8, выводы 26 и 27 источников питания 1 и 8 соответственно подсоединены к общей шине 19. RC-цепочка, состоящая из последовательно соединенных резистора 15 и конденсатора 16, включена между электродами 4 и 5 разрядника 3, а третий электрод 6 разрядника 3 подсоединен к точке 28 между резистором 15 и конденсатором 16.

Устройство по второму варианту (фиг.2а) содержит те же элементы и имеет те же связи, что и устройство, показанное на фиг.1а, за исключением того, что первичная обмотка 12 трансформатора Тесла 11 включена между второй обкладкой 22 первого конденсатора 2 и общей шиной 19, при этом второй электрод 5 разрядника 3 также подсоединен к общей шине 19.

В обоих вариантах возможно изменить взаимное расположение первичной обмотки трансформатора Тесла и, включенного последовательно с ней в этой ветви, либо конденсатора, либо разрядника относительно общей шины, что показано на фиг.1б и фиг.2б.

Устройство работает следующим образом. Источник 8 заряжает конденсатор 14. Источник 1 заряжает через индуктивность 9 и диод 10 конденсатор 2. Индуктивность 9 используется для уменьшения потерь в зарядной цепи (по сравнению с резистором) и удвоения напряжения на конденсаторе 2 (если внутреннее сопротивление источника 1 достаточно мало). Диод 10 препятствует обратному разряду конденсатора 2.

Одновременно от этого же источника 1 начинает заряжаться конденсатор 16 через резистор 15, соответственно возрастает напряжение V_5-6 на промежутке разрядника между электродами 5 и 6 вплоть до пробивного значения Uпроб5-6

(фиг. 3), при котором этот промежуток закорачивается, и полное напряжение (V_4-5) оказывается приложенным к промежутку между электродами 4 и 6. В результате возникающего перенапряжения ΔU=U_4-5-Uпроб5-6 этот промежуток также закорачивается, замыкая цепь первичного контура трансформатора Тесла так, что конденсатор 2 начинает разряжаться через его первичную обмотку 12, при этом во вторичном контуре трансформатора 11, образованного обмоткой 13 и конструктивной емкостью Cк (Ск < емкости второго конденсатора 14) разрядной камеры (на фиг. емкость Ск не указана), ударно возбуждаются электрические колебания, и импульсное высокое напряжение, суммируемое с постоянным напряжением второго конденсатора 14, оказывается приложенным к электродам разрядной камеры, возбуждая в ней газовый разряд.

По завершению разрядного процесса разрядник 3 выключается и далее рабочий цикл повторяется, в результате чего устанавливается режим импульсно-частотной генерации высокого напряжения и возбуждения газового разряда (фиг. 4). Длительность рабочего цикла T= T′+ΔT, T′ длительность зарядки, ΔT- длительность разряда и частота повторения импульсов регулируются изменением индуктивности 9 и величин резистора 15 и конденсатора 16.

При этом важно, чтобы включение разрядника 3 происходило после того, как конденсатор 2 полностью заряжен, т.е. ток в индуктивности 9 равен нулю, что обеспечивается наличием и выбором соответствующей задержки, определяемой RC-цепочкой. В этом случае существенно облегчаются условия выключения разрядника 3, после разряда конденсатора 2, благодаря отсутствию индуцированного напряжения при разрыве цепи.

Для эффективной передачи энергии из конденсатора 2 в разрядную камеру необходимо, чтобы собственные частоты первичного и вторичного контуров трансформатора Тесла были бы равны, что достигается при равенстве произведений емкости и индуктивности обоих контуров, а коэффициент связи к М/(L1L2)"2 0,6, где М взаимная индуктивность, L1 и L2 индуктивности первичного и вторичного контуров.

Возможные варианты выполнения схемы (фиг.1б, 2б) принципиально не отличаются от схемы (фиг.1а, 2б), но позволяют варьировать конструктивные решения устройства, например, заземлять или, наоборот, изолировать от земли и корпуса устройства любой из полюсов конденсатора 2, обмотки 12 и разрядника 3, а также осуществлять согласование полярности источника высокого напряжения и выходного напряжения. Например, переход от схемы (фиг.1а или фиг.2б) к схемам (фиг.2а, фиг.2б) при прочих равных условиях приводит к изменению полярности напряжения на обмотке 13 (либо одна и та же полярность напряжения на обмотке 13 может быть получена при изменении полярности источника высокого напряжения 1).

Макет устройства для формирования газового разряда по данному изобретению был испытан по полной схеме в лабораторных условиях, а основные решения, связанные с использованием трансформатора Тесла проверены на установке в заводских условиях в технологическом процессе очистки сбросных газов от диоксида серы.

Типовые параметры:
напряжение на выходе устройства 70 кВ;
длительность импульса 300 нс;
частота следования импульсов 1-5 кГц.

Параметры схемы:
индуктивность 9 ≈ 10 Гн;
первый конденсатор 2 ≈ 5000 пФ;
второй конденсатор 14 ≈ 0,4 мкФ;
зарядное напряжение 10 30 кВ;
резистор 15 ≈ 5 МОм;
конденсатор 16 ≈ 70 пФ.

При испытании схемы получен положительный эффект увеличение конверсии диоксида серы, повышение надежности и уменьшение критичности работы установки.

Источники информации, использованные в описании изобретения.

1. IEEE Tr. ans. Ind. Appl. N 3, v.1-A-22, p. 518, 1986.

2. Авт.св. СССР N 1005276, кл. H 03 K 3/53, 1987 (прототип).

Использование: изобретение может использоваться при электрофизических исследованиях, для технологических применений, например, для очистки сборных газов промышленных предприятий. Сущность изобретения: устройство содержит два источника питания высокого напряжения, дроссель, трехэлектродный разрядник, разрядную камеру, трансформатор Тесла, дроссель, диод, три конденсатора и резистор. В описании приведены варианты построения устройств. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для формирования разряда в газе, содержащее первый источник высокого напряжения, первый конденсатор, первая обкладка которого соединена с первым электродом разрядника, вторая с общей шиной и с первым выводом разрядной камеры, отличающееся тем, что в него введены второй и третий конденсаторы, второй источник высокого напряжения, катушка индуктивности, диод, резистор, трансформатор и разрядник, выполненный трехэлектродным, при этом выход второго источника высокого напряжения соединен с первой обкладкой второго конденсатора, вторая обкладка которого подключена к общей шине, и через вторичную обмотку трансформатора с вторым выводом разрядной камеры, выход первого источника высокого напряжения через последовательно соединенные катушку индуктивности и диод соединен с первым электродом разрядника, который через резистор соединен с третьим электродом разрядника, который через третий конденсатор соединен с вторым электродом разрядника, который через первичную обмотку трансформатора соединен с общей шиной. 2. Устройство для формирования разряда в газе, содержащее первый источник высокого напряжения, разрядник, первый электрод которого соединен с первой обкладкой первого конденсатора, и разрядную камеру, первый вывод которого соединен с общей шиной, отличающееся тем, что в него введены второй источник высокого напряжения, второй и третий конденсаторы, катушка индуктивности, диод, резистор, трансформатор и разрядник, выполненный трехэлектродным, при этом выход второго источника высокого напряжения соединен с первой обкладкой второго конденсатора, вторая обкладка которого подключена к общей шине, и через вторичную обмотку трансформатора с вторым выводом разрядной камеры, выход первого источника высокого напряжения через последовательно соединенные дроссель и диод соединен с первым электродом разрядника, который через резистор соединен с третьим электродом разрядника, который через третий конденсатор соединен с вторым электродом разрядника и с общей шиной, которая через первичную обмотку трансформатора соединена с второй обкладкой первого конденсатора.