ПАРАРЕЗОНАНСНЫЙ СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ОЗОНАТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к области промышленного получения озона и может быть использовано в различных технологиях для интенсификации процесса окисления и обеззараживания экологических сред, в сельскохозяйственном производстве и ряде других отраслей народного хозяйства.

Известен способ производства озона, основанный на резонансном режиме работы генератора, обеспечение которого осуществляется датчиком резонансной частоты и стабилитроном, включенным параллельно конденсатору времязадающей цепи RC, а переключающий элемент выполнен в виде тиристора, управляющий электрод которого соединен с выходом датчика резонансной частоты, включенного последовательно с генератором озона [1].

Данный способ выбран за прототип. Его основной недостаток - необходимость в использовании дополнительных стабилизирующих элементов, непосредственно не участвующих в преобразовании электроэнергии в энергию химической реакции генерирования озона.

Известно устройство электроснабжения озонатора, имеющее тиристорный мостовый инвертор, подключенный к резонансной цепи, питающей высоковольтный трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к озонатору [2]. Схема управления тиристорами моста также настраивает частоту на резонансный режим. В этом устройстве термином "озонатор" назван генератор озона, основанный на барьерном разряде, использованный в авторских свидетельствах СССР [3-11].

Данное устройство выбрано за прототип. Его недостатком является зависимость производительности озонатора от колебаний напряжения сети.

В то же время использование нелинейных емкостных свойств самого озонатора позволяет осуществить параметрический резонансный контур, без каких-либо сложных дополнительных элементов, обеспечивающий стабилизацию резонансного режима в широком диапазоне колебания входного напряжения и частоты питающего озонатор напряжения.

При этом стабилизируются режимы работы полупроводниковых ключей (транзисторов или тиристоров) инвертора, питающего озонатор.

Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в стабилизации напряжения и тока озонатора (разности потенциалов между его электродами и скорости изменения зарядов на них) при колебаниях напряжения сети путем создания параметрического резонансного контура в выходной цепи трансформатора питания озонатора.

В парарезонансном способе стабилизации напряжения и тока озонатора, осуществляющем генерирование озона за счет высокочастотного барьерного разряда, согласно изобретению источник питания озонатора выполнен в виде генератора переменного напряжения с внутренним индуктивным сопротивлением, падение напряжения U_оз на озонаторе U_ОЗ = I_ОЗ/2πf•C_ОЗ, где
f - частота тока I_оз озонатора,
С_оз - нелинейная емкость озонатора,
причем частота f тока озонатора пропорциональна действующему напряжению U_L на его индуктивном сопротивлении, а его нелинейная емкость С_оз с увеличением U_оз растет.

В устройстве стабилизации напряжения и тока на озонаторе, содержащем озонатор и источник питания, согласно изобретению источник питания имеет внутреннее индуктивное сопротивление и представляет собой полупроводниковый полумост, состоящий из двух транзисторов и двух конденсаторов, одна из диагоналей которого подключена к постоянному напряжению, а другая - к первичной обмотке высоковольтного трансформатора, имеющего коэффициент связи между первичной и вторичной обмотками, равный 0,7-0,9, и две обмотки управления, с которых через резисторы подаются на базовые цепи указанных транзисторов напряжения, пропорциональные первичному напряжению трансформатора, обуславливая поочередное включение противоположных плеч моста.

На фиг. 1а изображена структурная схема включения озонатора, для пояснения парарезонансного способа стабилизации, на фиг.1б - ее схема замещения. На фиг.2 даны зависимости действующих значений токов и напряжений озонатора и источника питания. На фиг.3 дана (для сведения эксперта) принципиальная схема источника, генерирующего переменное напряжение, частота которого пропорциональна его действующему значению. На этих фигурах:
1 - активный двухполюсник, частота выходного напряжения U_оз и тока I_оз которого пропорциональна действующему значению U_оз;
2 - озонатор;
3 - внутреннее индуктивное сопротивление двухполюсника - фиг.2б;
4-5 - транзисторы инвертора;
6-9 - диоды выпрямительного моста;
10 - индуктивность фильтра;
11-12 - конденсаторы инвертора;
13 - высоковольтный трансформатор;
14 - первичная обмотка высоковольтного трансформатора;
15-16 - обмотки управления транзисторами инвертора;
17-18 - резисторы в базовых цепях транзисторов инвертора;
19 - вторичная обмотка высоковольтного трансформатора.

Двухполюсник 1 (фиг. la) может быть представлен генератором переменной ЭДС Е с внутренним индукционным сопротивлением 3.

Действующее значение тока озонатора нелинейно зависит от действующего значения напряжения на нем: ток растет быстрее, чем напряжение - фиг.2. Это обстоятельство лежит в основе нелинейного (параметрического) резонанса в данном устройстве. Чтобы использовать этот эффект для стабилизации напряжения и тока озонатора, в дополнение к изменению входного напряжения (на фиг.1б обозначено - ЭДС Е) осуществляется изменение частоты этого напряжения (а следовательно, и частоты тока и напряжения озонатора и других элементов устройства - трансформатора и полупроводниковых ключей источника питания) пропорционально U_оз.

Благодаря этому, нелинейность зависимости I_оз (U_оз) увеличивается. К этой нелинейности добавляется нелинейность зависимости напряжения на внутреннем индуктивном сопротивлении 3 от тока через него, т.е. тока озонатора. Взаимодействие этих двух нелинейных зависимостей и приводит к такому характеру параметрического резонанса, обеспечивает стабилизацию напряжения U_оз.

Последнее подтверждается следующими расчетами.

Зависимость между действующими значениями ЭДС генератора Е и падениями напряжения на индуктивном сопротивлении 3-U_L - и озонатор - U_оз при пренебрежении высшими гармониками равна
E = |U_L-U_ОЗ|, (1)
где U_L = ωLI_ОЗ ; (2)

В этих формулах ω = 2πf - угловая частота тока озонатора, L - внутренняя индуктивность 3 двухполюсника 1, С_оз - нелинейная емкость озонатора.

На фиг. 2а даны зависимости I_оз(U_L), I_оз(U_оз) и I_оз(Е), соответствующие формулам (I), (2), (3) с учетом того, что частота f почти во всем диапазоне изменения изменяется пропорционально U_оз, а емкость озонатора С_оз с ростом U_оз растет, так как доля полупериода, при котором его газовый промежуток пробит, возрастает.

Зависимость I_оз(U_L) представляет собой прямую, почти параллельную оси абсцисс, так как в формуле (2) ω изменяется пропорционально Е≅U_L.

Зависимость I_оз(U_оз) - кривая, выпуклая в направлении оси абсцисс по двум причинам - увеличение частоты пропорционально U_оз и увеличение емкости С_оз под влиянием тлеющего разряда (о чем сказано выше).

Зависимость Е(I_оз), согласно формуле (1), получаем как разность зависимостей U_L(I_оз) и U_оз(I_оз) - см. фиг. 2а. Поэтому зависимость Е(I_оз), получаемая по формуле (1), носит N-образный характер (фиг. 2а), что и предопределяет релейный резонансный скачок - фиг. 2б. Стрелками на этой фигуре показано движение изображающей точки вдоль кривой U_оз(Е) при увеличении Е.

Как видим, в схеме фиг.1 действительно осуществляется параметрический резонанс (парарезонанс), обусловленный нелинейными свойствами озонатора и линейной зависимостью частоты от действующего значения напряжения источника питания (активного двухполюсника). Благодаря этому, I_оз, а вместе с ним U_оз, стабилизируются при колебании ЭДС источника в пределах ±_ΔE от Е_НОМ (см. фиг. 2б). Экспериментальные данные показывают, что при колебании входного напряжения в пределах ±15% от номинального значения, напряжение и ток озонатора изменяются в пределах ±2,5%.

На фиг. 3 дана (для сведения эксперта) принципиальная схема источника, генерирующего переменное напряжение, частота которого пропорциональна его действующему значению. Источник представляет собой полупроводниковый полумост, состоящий из двух транзисторов 4, 5 и двух конденсаторов 11, 12, одна из диагоналей которого подключена к постоянному напряжению U_С, а вторая - выходная диагональ - к первичной обмотке 14 высоковольтного трансформатора 13.

Трансформатор 13 выполнен таким образом, что коэффициент связи между первичной 14 и вторичной обмоткой 19 лежит в пределах 0,7-0,9.

Трансформатор имеет еще две обмотки - управления 15 и 16, которые питают через резисторы 17, 18 базовые цепи транзисторов 4 и 5 напряжением, пропорциональным первичному напряжению трансформатора 13. Обмотки 15 и 16 играют роль задающего генератора, вырабатывающего сигналы управления транзисторами с частотой, пропорциональной действующему значению выходного напряжения преобразователя U_y. Он выполняется стандартным образом - см., например, [12], стр. 64, 65. Сигналы с выходов этих обмоток, через резисторы 17 и 18 подаются на входы транзисторов 4 и 5 - их переходы база - эмиттер, обуславливая поочередное включение противоположных плеч моста. Таким образом, на первичную обмотку трансформатора 14 подается переменное напряжение ±U₌.

Выбор коэффициента связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора в пределах 0,7-0,9 обеспечивает требуемую величину внутреннего индуктивного сопротивления 3 (см. фиг.1б).

Источники, принятые во внимание
1. Авторское свидетельство СССР 1370072. Установка для производства озона, кл. С 01 В 13/11, В 05 D 27/00 от 24.04.26, Изобретение и открытия. 4 20.01.88 - прототип.

2. Патент ФРГ (ДЕ) по Заявке OS 3613411 "Электроснабжение озонатора", 86.10.23 - прототип.

3. Авторское свидетельство СССР 564258. Электроразрядный элемент озонатора трубчатого типа. Кл. С 01 В 13/11 от 22.08.75. Изобретения и открытия, 25, 12.08.77.

4. Авторское свидетельство СССР 994398. Озонатор. Кл. С 01 В 13/11 от 15.12.80. Изобретения и открытия, 5, 07.02.83.

5. Авторское свидетельство СССР 998328. Озонатор. Кл. С 01 В 13/11 от 22.06.81. Изобретения и открытия, 7, 23.02.83.

6. Авторское свидетельство СССР 1121232. Озонатор. Кл. С 01 В 13/11 от 09.03.83. Изобретения и открытия, 40, 30.10.84.

7. Авторское свидетельство СССР 1096203. Озонатор. Кл. С 01 В 13/11 от 06.01.83. Изобретения и открытия, 21, 07.06.84.

8. Авторское свидетельство СССР 1116004. Озонатор. Кл. С 01 В 13/11 от 18.04.83. Изобретения и открытия, 36, 30.09.84.

9. Авторское свидетельство СССР 1608108. Трубчатый озонатор. Кл. С 01 В 13/11 от 06.04.87. Изобретения и открытия, 43, 23.11.90.

10. Авторское свидетельство СССР 1390182. Многоэлементный электрический озонатор. Кл. С 01 В 13/11 от 25.12.84. Изобретения и открытия, 15, 23.04.88.

11. Авторское свидетельство СССР 1567511. Озонатор. Кл. С 01 В 13/11 от 11.03.88. Изобретения и открытия, 20, 30.05.90.

12. Шапиро С.В., Зинин Ю.М. Системы управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии, - М.: Энергоатомиздат, 1989 г.

Использование: для интенсификации процесса окисления, обеззараживания экологических сред, в сельскохозяйственном производстве и ряде других отраслей народного хозяйства. Технический результат заключается в стабилизации режима работы при колебаниях напряжения питающей сети. В парарезонансном способе стабилизации напряжения и тока озонатора, осуществляющем генерирование озона за счет высокочастотного барьерного разряда, согласно изобретению источник питания выполнен в виде генератора переменного напряжения с внутренним индуктивным сопротивлением, падение напряжения U_оз озонаторе U_оз = I_оз/2πf•C_оз, где f - частота тока I_оз озонатора, С_оз - нелинейная емкость озонатора, причем частота f тока озонатора пропорциональна действующему напряжению U_L на его индуктивном сопротивлении, а его нелинейная емкость С_оз с увеличением U_оз растет. При этом источник питания представляет собой полупроводниковый полумост, состоящий из двух транзисторов и двух конденсаторов, одна из диагоналей которого подключена к постоянному напряжению, а другая - к первичной обмотке высоковольтного трансформатора, имеющего коэффициент связи между первичной и вторичной обмотками, равный 0,7-0,9, и две обмотки управления, с которых через резисторы подаются на базовые цепи указанных транзисторов напряжения, пропорциональные первичному напряжению трансформатора, обуславливая поочередное включение противоположных плеч моста. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Парарезонансный способ стабилизации напряжения и тока озонатора, осуществляющего генерирование озона за счет высокочастотного барьерного разряда, отличающийся тем, что источник питания озонатора выполнен в виде генератора переменного напряжения с внутренним индуктивным сопротивлением, падение напряжения U_оз на озонаторе
U_оз = I_оз/2πf•C_оз,
где f - частота тока I_оз озонатора;
С_оз - нелинейная емкость озонатора,
причем частота f тока I_оз озонатора пропорциональна действующему напряжению U_L на индуктивном сопротивлении озонатора, а нелинейная емкость С_оз озонатора с увеличением U_оз растет. 2. Устройство стабилизации напряжения и тока на озонаторе, содержащее озонатор и источник питания, отличающееся тем, что источник питания имеет внутреннее индуктивное сопротивление и представляет собой полупроводниковый полумост, состоящий из двух транзисторов и двух конденсаторов, одна из диагоналей которого подключена к постоянному напряжению, а другая - к первичной обмотке высоковольтного трансформатора, имеющего коэффициент связи между первичной и вторичной обмотками равный 0,7-0,9 и две обмотки управления, с которых через резисторы подаются на базовые цепи указанных транзисторов напряжения, пропорциональные первичному напряжению трансформатора, обуславливая поочередное включение противоположных плеч моста.