СПОСОБ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРОМЕЖУТОК Российский патент 2006 года по МПК C01B13/11 H05B41/16 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электротехнологии, светотехнике, а также в преобразовательной технике при создании источников питания и систем управления озонаторов, газоразрядных ламп, электрических фильтров и других электрических нагрузок, содержащих газоразрядный промежуток.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, биполярными импульсами напряжения периодической последовательности синусоидальной формы с регулируемой амплитудой (Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. - М.: Изд-во МГУ им. М.В.Ломоносова, 1987. - с.27).

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, являются высокие энергозатраты при ее работе в технологическом цикле. В частности, разряд в газе барьерного озонатора при питании биполярными импульсами напряжения периодической последовательности синусоидальной формы горит менее четверти периода импульса напряжения прямой и обратной полярности. В результате существенного искажения формы импульсов тока и сдвига импульсов тока относительно импульсов приложенного напряжения эквивалентный коэффициент мощности озонатора, представляющий собой отношение активной мощности в разряде к полной мощности и характеризующий эффективность передачи полезной энергии в нагрузку, а следовательно, общие энергозатраты, имеет очень низкое значение. При этом зависимость коэффициента мощности от амплитуды импульсов периодической последовательности приложенного напряжения имеет выраженный характер. При напряжениях выше критических коэффициент мощности быстро возрастает, проходит через максимум и затем асимптотически стремится к нулевому значению. Регулированием амплитуды импульсов можно обеспечить работу озонатора с максимально возможным коэффициентом мощности. Однако его максимальное значение, в данном случае, не превышает 0,4. Коэффициент мощности озонатора имеет емкостной характер. При питании от источника напряжения сложно обеспечить стабильность разряда, т.е. сохранение в электрической нагрузке требуемого по условиям технологии классификационного вида разряда. Например, переход разряда в озонаторе в искровую или дуговую форму приводит к резкому возрастанию энергозатрат и снижению производительности озонатора.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, биполярными импульсами напряжения периодической последовательности синусоидальной формы с регулируемой амплитудой и частотой (Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. - М.: Изд-во МГУ им. М.В.Ломоносова, 1998. - с.69).

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, являются высокие энергозатраты при ее работе в технологическом цикле. Озонатор при питании биполярными импульсами напряжения периодической последовательности синусоидальной формы имеет низкий эквивалентный коэффициент мощности. Коэффициент мощности не зависит от частоты. При питании от источника напряжения сложно обеспечить стабильность разряда в газе. Переход разряда в озонаторе в искровую или дуговую форму приводит к резкому возрастанию энергозатрат и снижению производительности озонатора.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, биполярными импульсами напряжения периодической последовательности трапецеидальной формы с регулируемой частотой (Shapiro S.V. High frequency rezonance ozonators as more economical method to receive ozone // International conference on ozone generation and application to water and waste water treatment. - Moscow, 26-28 May. - 1988. - p.381-388).

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, являются высокие энергозатраты при работе электрической нагрузки в технологическом цикле. В частности, озонатор при питании биполярными импульсами напряжения периодической последовательности трапецеидальной формы имеет низкий эквивалентный коэффициент мощности.

Разряд в рассматриваемом случае горит только на части интервала нарастания напряжения импульса. Импульс тока озонатора имеет сильно искаженную форму, значительную амплитуду и малую длительность. При питании от источника напряжения сложно обеспечить стабильность разряда в газе. Переход разряда в озонаторе в искровую или дуговую форму приводит к резкому возрастанию энергозатрат и снижению производительности озонатора.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, биполярными импульсами напряжения периодической последовательности треугольной формы (З. 053713312 ФРГ, МКИ H 05 В 41/29. Regelbare Wechselstromquelle fur Gasentladungsstrechen zur Leicht-und Ozonerzeugung / Fender M. - Заявл. 03.05.88, Опубл. 02.02.89, № 5).

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, являются высокие энергозатраты при работе электрической нагрузки в технологическом цикле. В частности, озонатор при питании биполярными импульсами напряжения периодической последовательности треугольной формы имеет низкий эквивалентный коэффициент мощности. Разряд в рассматриваемом случае горит только на части интервала нарастания напряжения импульса. Импульс тока озонатора имеет сильно искаженную форму. Имеет место низкий коэффициент использования напряжения источника питания. При питании от источника напряжения сложно обеспечить стабильность разряда в газе. Переход разряда в озонаторе в искровую или дуговую форму приводит к резкому возрастанию энергозатрат и снижению производительности озонатора.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, биполярными импульсами напряжения периодической последовательности прямоугольной формы с независимо регулируемыми частотой и скважностью (З. 2806247 Фр., МКИ H 05 B 41/16. Procede de commande dun dispositif dalimentation dune lampe a dicharge / Laurent M. - Заявл. 10.03.00, Опубл. 14.09.01).

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, являются высокие энергозатраты при работе электрической нагрузки в технологическом цикле. В частности, озонатор при питании биполярными импульсами напряжения периодической последовательности прямоугольной формы имеет низкий эквивалентный коэффициент мощности. Разряд в рассматриваемом случае горит на незначительной части интервала действия напряжения импульса. Импульс тока озонатора имеет сильно искаженную форму, высокую амплитуду и малую длительность. Имеет место низкий коэффициент использования напряжения источника питания. При питании от источника напряжения сложно обеспечить стабильность разряда в газе. Переход разряда в озонаторе в искровую или дуговую форму приводит к резкому возрастанию энергозатрат и снижению производительности озонатора.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, биполярными импульсами тока периодической последовательности квазисинусоидадьной формы с обусловленно регулируемыми амплитудой и скважностью (Костюкова Т.П., Рогинская Л.Э. К выбору расчетных соотношений параметров озоногенерирующих установок // Электротехника. - 2000. - № 5. - с.56).

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, являются высокие энергозатраты при работе электрической нагрузки в технологическом цикле. В частности, озонатор при питании биполярными импульсами тока периодической последовательности квазисинусоидальной формы в рассматриваемом случае имеет низкий эквивалентный коэффициент мощности. Разряд горит лишь на части интервала действия импульса напряжения питания. Имеет место низкий коэффициент использования напряжения источника питания. Обусловленное регулирование амплитуды и скважности импульсов тока не отвечает технологическим требованиям и приводит к общему увеличению энергозатрат.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, биполярными импульсами тока периодической последовательности квазисинусоидальной формы с обусловленно регулируемыми частотой и скважностью (Вигдорович В.Н., Исправников Ю.А., Нижаде-Гавгани Э.А. Проблемы озонопроизводства и озонообработки и создание озоногенераторов второго поколения. - М.: Изд-во предприятия "Экоинформ-система", 1994, - с.71).

Указанный способ питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, является наиболее близким по технической сущности к изобретению и рассматривается в качестве прототипа.

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, являются высокие энергозатраты при работе электрической нагрузки в технологическом цикле. В частности, озонатор при питании биполярными импульсами тока периодической последовательности квазисинусоидальной формы в рассматриваемом случае имеет низкий эквивалентный коэффициент мощности из-за возрастания реактивных составляющих полной мощности озонатора, обусловленных искажением формы импульса напряжения питания и сдвигом импульса тока относительно импульса напряжения питания. Разряд горит лишь на части интервала действия импульса напряжения питания. Для обеспечения передачи в электрическую нагрузку требуемой по технологии энергии необходимо существенно увеличивать амплитуду импульсов тока, что приводит к росту электрических потерь. Имеет место низкий коэффициент использования напряжения источника питания. Обусловленное регулирование частоты и скважности импульсов тока периодической последовательности не отвечает технологическим требованиям и приводит к общему увеличению энергозатрат.

Изобретение направлено на решение задачи снижения энегозатрат при работе электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, в технологическом цикле, что является целью изобретения.

Снижение энергозатрат достигается тем, что в способе питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток биполярными импульсами тока периодической последовательности с регулируемой частотой и скважностью, биполярные импульсы тока периодической последовательности имеют квазипрямоугольную форму с регулируемой амплитудой, частота и скважность биполярных импульсов тока периодической последовательности регулируются независимо.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является снижение энергозатрат при работе электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток в технологическом цикле за счет обеспечения горения разряда на всем интервале действия импульса тока, повышения коэффициента мощности за счет снижения реактивной составляющей полной мощности в номинальном режиме и при регулировании высокого коэффициента использования напряжения источника питания, оптимизации коэффициента формы импульса тока, более полного соответствия технологическим требованиям и настройки на энергооптимальный режим с минимальными энергозатратами и выполнения требуемого по условиям технологии энергооптимального закона регулирования режима работы электрической нагрузки при обеспечении возможности независимого регулирования амплитуты, частоты и скважности импульсов тока периодической последовательности, обеспечения существенно более высокой стабильности газового разряда.

Снижение энергозатрат при работе электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, в технологическом цикле является полученным техническим результатом, обусловленным заявленным принципом электропитания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, а также выбранной совокупностью (набором) параметров и принципом их измененения (регулирования) для питающих биполярных импульсов тока периодической последовательности, т.е. отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, являются существенными.

На фиг.1 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип способа питания электрической нагрузки, на фиг.2 - схема устройства для реализации способа питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток.

Способ питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, заключается в питании электрической нагрузки биполярными импульсами тока периодической последовательности, имеющих квазипрямоугольную форму с независимо регулируемыми амплитудой, частотой и скважностью в функции технологического параметра или сформированного функционала качества W, являющегося комбинацией нескольких технологических или технико-экономических показателей эффективности (выходное напряжение, мощность, время проведения технологического процесса, выход озона и др.), при условии обеспечения низких энергозатрат. Питание электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, осуществляется от источника, имеющего характеристику источника тока, и вырабатывающего биполярные импульсы тока с формой, близкой к прямоугольной. Рассмотрим два периодических сигнала (диаграммы 1, 2 на фиг.1), которые могут быть аппроксимированы выражениями:

i1=I(W)sgn[sin(2пf{W}·t)];

i2=I(W)sgn[sin(2пf{W}·t+k{W}·п)],

где f - частота импульсной периодической последовательности [f1, f2], I - амплитуда сигнала [I1, I2], k - коэффициент [0, 1], t - время.

Сложение сигналов дает выражение для искомого тока питания электрической нагрузки (диаграмма 3 на фиг.1)

i=i1+i2.

Ток через нагрузку представляет собой биполярные импульсы периодической последовательности квазипрямоугольной (аппроксимируется прямоугольником) формы с независимо регулируемыми амплитудой, частотой и скважностью. Скважность импульсов тока на интервале повторяемости регулируется от нулевого до единичного значения (периодический сигнал без пауз между импульсами тока положительной и отрицательной полярности). Вырабатывание таких импульсов тока технически реализуется в инверторе тока, выполненном на полностью управляемых вентилях. Особенностью инвертора тока является большая индуктивность дросселя фильтра, индуктивное сопротивление которого более чем на порядок превышает эквивалентное сопротивление нагрузки, характеризующее потребление активной мощности в электрическом разряде.

Устройство для реализации способа питания электрической нагрузки (фиг.2), содержащей газоразрядный промежуток, представляет собой инвертор тока, содержащий однофазный мост на полностью управляемых вентилях 1-4, подключенный через дроссель фильтра с большой индуктивностью 5 к регулируемому источнику напряжения 6, в диагональ переменного тока которого непосредственно или через развязывающий трансформатор включена нагрузка, содержащая газоразрядный промежуток 7.

Однофазный мост может быть зашунтирован последовательной цепью, содержащей последовательно включенные полностью управляемый вентиль прямой полярности 8 и конденсатор 9, общая точка соединения которых через последовательно соединенные резистор 10, второй дроссель фильтра 11 и диод обратной полярности 12 подключена к анодной группе вентилей однофазного моста.

Устройство работает следующим образом. Вентили диагоналей моста 1, 4 и 2, 3 включаются поочередно. При включении вентилей 1, 4 через электрическую нагрузку протекает импульс тока положительной полярности, а при включении вентилей 2, 3 импульс тока условно отрицательной полярности. Коммутационные функции управления вентилей 1-4 могут быть установлены с использованием диаграмм 1-3 фиг.1. В интервалах времени t2-t1, t6-t5 проводят вентили 1, 4, в интервалах времени t4-t3, t8-t7 - вентили 2, 3. Для формирования паузы в токе нагрузки возможно включение на интервалах t1-t0, t3-t2, t5-t4, t7-t6 вентилей двух плеч 1, 3 или 3, 4, или вентилей всех четырех плеч 1-4 одновременно. Для исключения возрастания тока через дроссель фильтра в интервалах паузы, т.е. для стабилизации амплитуды импульсов тока, уменьшают напряжение на выходе источника напряжения питания инвертора 6. Возможен также вариант выключения всех вентилей инвертора 1-4 и включения в интервале паузы вспомогательного вентиля 8. Источник напряжения питания 6 может в этом случае не регулироваться. Регулирование амплитуды импульсов тока в устройстве производится регулированием источника напряжения питания 6, частоты - регулированием периода T коммутационных функций управления, регулирование скважности - эквивалентным изменением коэффициента k. Каждый из параметров может регулироваться независимо (а если необходимо или, если обусловленное регулирование не сказывается на характеристиках технологического процесса, то зависимо) от других параметров в функции требуемых технологических характеристик процесса.

По сравнению с прототипом использование заявляемого способа питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, позволяет существенно снизить энергозатраты при работе электрической нагрузки в технологическом цикле за счет снижения реактивных составляющих полной мощности, снижения активных потерь за счет оптимизации коэффициента формы тока нагрузки, более полного использования напряжения источника питания, оптимизации регулировочных характеристик, повышения устойчивости разряда, снижения непроизводительных затрат времени. Например, при питании озонаторов по заявляемому способу питания удельные затраты энергии на единицу конечного продукта снижаются в 1,6-1,7 раза, при питании газоразрядных ламп коэффициент полезного действия пускорегулирующего аппарата может быть повышен на 9-10%, при питании установок ионного азотирования время проведения технологического процесса сокращается на 20%, а энергозатраты могут быть снижены на 15% (за счет обеспечения более высокой устойчивости газового разряда).

Изобретение (ИЗ) относится к электротехнике и может быть использовано в электротехнологии, светотехнике, а также в преобразовательной технике при создании источников питания и систем управления озонаторов, газоразрядных ламп, электрических фильтров и других электрических нагрузок, содержащих газоразрядный промежуток. Технический результат - снижение энергозатрат при работе электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток. Питание электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, осуществляется биполярными импульсами тока периодической последовательности, имеющими квазипрямоугольную форму с независимо регулируемыми амплитудой, частотой и скважностью. 2 ил.

Способ питания электрической нагрузки, содержащей газоразрядный промежуток, биполярными импульсами тока периодической последовательности с регулируемыми частотой и скважностью, отличающийся тем, что питание осуществляется от источника, имеющего характеристику источника тока, выполненного в виде инвертора тока на полностью управляемых вентилях, имеющего дроссель фильтра с индуктивным сопротивлением, более чем на порядок превышающим эквивалентное сопротивление электрической нагрузки, характеризующее потребление активной мощности в разряде, вырабатывающего биполярные импульсы тока периодической последовательности с формой, близкой к прямоугольной, с регулируемой амплитудой, обеспечивающего независимое регулирование частоты и скважности биполярных импульсов тока периодической последовательности в функции технологического параметра или сформированного функционала качества, являющегося комбинацией нескольких технологических или технико-экономических показателей эффективности, скважность биполярных импульсов тока периодической последовательности регулируется от нулевого до единичного значения.