СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ БЛОКА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ОЗОНА

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к блокам питания, предназначенным для подачи электрической мощности на емкостную нагрузку. Кроме того, изобретение относится к способу эксплуатации этих блоков питания, имеющих емкостную нагрузку, например, устройство генерирования озона (озонатор), подключенное к блоку питания. Кроме того, изобретение относится к высоковольтному трансформатору, подходящему для использования в этих блоках питания.

Предпосылки изобретения

Примером емкостных нагрузок служит устройство генерирования озона (озонатор), подключенное к блоку питания, создающему напряжение переменного тока, подаваемое в это устройство генерирования озона. Эти блоки питания имеют индуктивное выходное полное сопротивление и, при подключении устройства генерирования озона к выходу блока питания, индуктивное выходное полное сопротивление блока питания и емкостное полное сопротивление устройства генерирования озона образуют резонансный контур, имеющий резонансную частоту. Эти устройства генерирования озона приводятся при частотах и напряжениях, достаточно высоких для образования в устройстве генерирования озона коронного электрического разряда. В устройство генерирования озона подается воздух, содержащий кислород (O₂), например, атмосферный воздух или чистый кислород; корона в устройстве генерирования озона преобразует молекулы кислорода (O₂) в озон (O₃); и из устройства генерирования озона подается воздух с повышенным содержанием озона по сравнению с воздухом, подаваемым в устройство генерирования озона. При увеличении напряжения, подаваемого в устройство генерирования озона, количество создаваемого им озона возрастает, и для снижения потерь в блоке питания, приводящем устройство генерирования озона, блок питания должен работать на резонансной частоте или возле нее. Однако на практике по ряду причин резонансная частота может быть непостоянной и может изменяться со временем и как функция эксплуатационных параметров, включая температуру и давление подаваемого воздуха/кислорода; замена устройства генерирования озона или его частей, например, для ремонта или технического обслуживания может привести к изменению резонансной частоты из-за отличий или допусков емкости; и, кроме того, резонансная частота может изменяться при изменении напряжения, при котором эксплуатируется устройство генерирования озона, поскольку корона представляет собой нелинейное явление. Поэтому было бы преимущественным иметь блок питания, работающий при фактической резонансной частоте резонансного контура и адаптирующий свою частоту работы к фактической резонансной частоте резонансного контура.

Устройства генерирования озона могут работать при уровнях напряжения порядка нескольких кВ, при частотах несколько кГц и при уровнях напряжения несколько кВт. Блок питания может иметь высоковольтный трансформатор с высоковольтной вторичной катушкой в качестве своего выхода. При разработке высоковольтных и высокочастотных трансформаторов особое внимание следует уделить конструкции, в частности, высоковольтной катушки, чтобы избежать образования электрической дуги (искрения) между обмотками высоковольтной катушки и между обмотками и другими предметами возле катушек. Образование электрической дуги само по себе может повредить высоковольтную катушку и другие компоненты, но, кроме того, электрическая дуга будет создавать озон, который может оказывать нежелательные воздействия на оборудование и окружающую среду. Поэтому было бы преимущественным иметь высоковольтный трансформатор с высоковольтной катушкой, у которой образование электрической дуги между обмотками высоковольтной катушки уменьшено или даже предотвращено.

В коммерческом и промышленном масштабе озон производят из кислорода (O₂) в газе, содержащем кислород. Кислородосодержащим газом может быть атмосферный воздух или обогащенный кислородом газ. Существуют способы извлечения кислорода из атмосферного воздуха для получения обогащенного кислородом газа. Озон можно получать из кислорода, главным образом, двумя способами: один включает облучение кислорода ультрафиолетовым светом, второй - использование устройства электрического коронного разряда. Получение обогащенного кислородом газа и получение озона из кислорода - это технологические процессы, потребляющие энергию, причем потребления энергии и иных ресурсов этих двух процессов являются сравнимыми.

В некоторых случаях применения, в которых используется озон, требуется или задается предварительно определенный выход озона, или требуемый выход озона может изменяться. Простым способом регулирования выхода озона является регулирование лишь электрической мощности устройства генерирования озона и оставление расхода или подачи содержащего кислород газа постоянным (постоянной) или vice versa. Такое решение не является оптимальным для снижения потребления ресурсов, включая содержащий кислород газ и мощность, подаваемую из блока питания, и, возможно, что требуемый выход не будет обеспечен, или даже станет невозможным.

Цель изобретения

Целью изобретения является создание блока питания, имеющего индуктивное выходное полное сопротивление, предназначенное для подачи электрической мощности на емкостную нагрузку, причем обеспечено, что резонансный контур, образованный индуктивным выходным полным сопротивлением и полным сопротивлением емкостной нагрузки, эксплуатируется на резонансной частоте.

Кроме того, целью изобретения является создание способа эксплуатации устройства генерирования озона, чтобы уменьшить потребление ресурсов, включая содержащий кислород газ и мощность, подаваемую из блока питания.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание высоковольтного трансформатора с меньшей опасностью образования электрической дуги между обмотками высоковольтной катушки, который подходит для работы при напряжениях несколько кВ, частотах несколько кГц и уровнях мощности несколько кВт.

Краткое описание изобретения

Предлагается блок питания, предназначенный для подачи электрической мощности на емкостную нагрузку, имеющую полное сопротивление емкостной нагрузки. Блок содержит

- трансформатор с первой катушкой и второй катушкой,

- формирователь положительных полупериодов и формирователь отрицательных полупериодов, предназначенные для попеременной подачи положительных полупериодов напряжения и отрицательных полупериодов напряжения соответственно в первую катушку,

причем вторая катушка может подключаться к емкостной нагрузке так, чтобы образовывать электрический резонансный контур, имеющий резонансную частоту, и подавать электрическое напряжение на эту нагрузку, и

- устройство для определения прохождений через нуль напряжения, подаваемого на первую катушку, и для обеспечения чередования положительных и отрицательных полупериодов напряжения, подаваемого на первую катушку, при прохождениях через нуль напряжения, подаваемого на первую катушку, причем устройство для определения прохождений через нуль содержит третью катушку на трансформаторе.

Следствием этого является то, что чередование положительных и отрицательных полупериодов напряжения, подаваемого на первую катушку, управляется фактической резонансной частотой резонансного контура, образованного второй катушкой трансформатора и емкостной нагрузкой.

Еще одним следствием является то, что предотвращены электрические коммутационные помехи от коммутационных элементов, поскольку переключение осуществляется в то время, когда напряжение на коммутационных элементах отсутствует или очень низкое.

Этот блок питания используется для подачи электрической энергии на емкостную нагрузку, имеющую полное сопротивление емкостной нагрузки, например, устройство генерирования озона и, в частности, устройство генерирования озона, в котором используется подходящее сочетание частот и напряжений, достаточно высоких для образования в устройстве генерирования озона коронного электрического разряда.

Другие примеры емкостных нагрузок включают (без ограничения ими изобретения):

- реакторы для деструкции или разложения веществ или газов. Примерами газов, которые считаются оказывающими неблагоприятное воздействие на окружающую среду при высвобождении, являются Halon-1301 и другие газы, имеющие противопожарные свойства, SF₆ и другие газы, используемые, например, из-за их электрических свойств, и газы, используемые в охлаждающих устройствах;

- пьезоэлектрические преобразователи, используемые, например, для создания ультразвука в среде для очистки предметов, погруженных в эту среду;

- электролюминесцентные устройства, например, электролюминесцентные пленки для использования в ЖКД экранах и знаках; и

- устройства для создания небольших дуг или коронных электрических разрядов. Эти устройства используются, например, для получения озона из содержащего кислород газа.

Устройство для определения прохождений через нуль может измерять напряжение само, но в случаях высокого напряжения это может оказаться неосуществимым, и тогда устройство может содержать отдельную катушку на трансформаторе. Такое решение обеспечивает, что измеренное напряжение синфазно с напряжениями в катушках, и тем самым обеспечивается, что чередование положительных и отрицательных полупериодов напряжения, подаваемого на первую катушку, фактически осуществляется при прохождениях напряжения, подаваемого на первую катушку, через нуль.

В одном варианте осуществления каждый из формирователей положительных и отрицательных полупериодов предназначен для подачи напряжения через индуктивный элемент на первую катушку на протяжении не более одной четверти периода, соответствующего заданной наивысшей резонансной частоте. Индуктивный элемент снижает высокочастотное содержание напряжения, подаваемого на первую катушку, благодаря чему уменьшаются и электромагнитные помехи.

В одном варианте осуществления длительность напряжения, подаваемого через индуктивный элемент, может регулироваться между нулем и четвертью периода, соответствующего заданной наивысшей резонансной частоте. Это используется для управления и изменения мощности, подаваемой на емкостную нагрузку. Эта максимальная длительность представляет собой первую половину полупериода, в которую напряжение нарастает, а вторая половина полупериода используется затем для снижения напряжения.

В одном варианте осуществления резонансная частота выше диапазона звуковых частот для людей. При этом звук, создаваемый чередованием положительных и отрицательных полупериодов напряжения, подаваемого на первую катушку, неслышен.

В одном варианте осуществления каждый из формирователей положительных и отрицательных полупериодов содержит электронный коммутационный элемент, например, твердый полупроводниковый переключатель или электронно-вакуумный прибор.

В одном варианте осуществления, в котором устройство генерирования озона подключено ко второй катушке блока питания для образования устройства генерирования озона, это устройство могут эксплуатировать по способу, который включает следующие стадии: стадию, на которой управляют мощностью, которую подают из блока питания в устройство генерирования озона до заданной мощности; стадию, на которой в устройство генерирования озона подают поток содержащего кислород газа; и стадию, на которой потоком содержащего кислород газа управляют таким образом, чтобы получить из устройства генерирования озона заданную концентрацию озона.

В одном варианте осуществления блок питания содержит трансформатор, содержащий сердечник, низковольтную катушку на этом сердечнике и высоковольтную катушку на этом сердечнике, причем высоковольтная катушка имеет несколько шихтованных изолирующих подложек-носителей, причем каждая подложка-носитель несет электропроводную дорожку с концевыми частями, причем дорожка образует один или несколько витков вокруг сердечника, и контактную площадку, соединяющую концевую часть дорожки на одной подложке с концевой частью дорожки на лежащей сверху подложке.

Традиционные трансформаторы имеют два или более слоев с несколькими витками в каждом слое, причем наружный слой намотан вокруг внутреннего слоя, и физически прилегающие витки в прилегающих слоях могут разделяться электрически несколькими витками. Это требует очень надежной изоляции между слоями, чтобы избежать образования электрической дуги между слоями. Предлагаемый высоковольтный трансформатор обладает тем преимуществом, что максимальное напряжение между физически прилегающими витками высоковольтной катушки ограничено разностью напряжений двух электрически смежных витков. Это снижает риск образования электрической дуги между витками, благодаря чему можно рассчитывать на продолжительный срок службы катушки. Кроме того, высоковольтная катушка этого трансформатора может иметь короткую длину, измеренную вдоль сердечника, благодаря чему ее можно изготовить компактной, и ее можно изготовить с высокой степенью точности по сравнению с катушками, намотанными из отрезка провода. Катушка может изготавливаться как один блок, и при необходимости в этом катушка может легко заменяться, и, кроме того, могут заменяться отдельные подложки, несущие один или несколько витков. Катушки могут состоять из любого нужного числа подложек в зависимости от конкретного применения.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описывается подробнее со ссылками на прилагаемые чертежи. Эти чертежи иллюстрируют один из способов осуществления настоящего изобретения и не должны истолковываться как ограничивающие другие возможные варианты осуществления в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.

Фиг.1 схематически иллюстрирует первый вариант осуществления предлагаемого блока питания.

Фиг.2 иллюстрирует синхронизацию первого и второго формирователей полупериодов в варианте осуществления, представленном на фиг.1.

Фиг.3 представляет собой поперечное сечение высоковольтного трансформатора, используемого в варианте осуществления, представленном на фиг.1.

Фиг.4 и 5 каждая иллюстрирует подложку, несущую электропроводную дорожку, предназначенную для использования в трансформаторе на фиг.3.

Подробное описание одного варианта осуществления

На фиг.1 показан блок питания 100 с нагрузкой 300, имеющей полное сопротивление нагрузки, с емкостной составляющей C и, возможно, активной составляющей. Поэтому нагрузка 300 именуется емкостной нагрузкой и показана как конденсатор. Нагрузка 300 может представлять собой любую емкостную нагрузку такую, как устройство генерирования озона. Блок питания 100 содержит трансформатор 110 с первой катушкой 120 и второй катушкой 130.

Первая катушка 120 имеет среднее ответвление 121, подключенное к катушке индуктивности 150 и коммутационному элементу 151. Коммутационный элемент 151 может работать под управлением контроллера 160 - размыкаться и замыкаться и тем самым устанавливать и размыкать соединение между катушкой индуктивности 150 и напряжением питания постоянного тока. Коммутационные элементы 170 и 180 на соответствующих концах первой катушки 120 также работают под управлением контроллера 160 - устанавливают и размыкают соединения с землей. Коммутационные элементы 151, 170 и 180 предпочтительно представляют собой твердые полупроводниковые коммутационные элементы такие, как КМОП-транзисторы, кремниевые управляемые диоды или другие быстродействующие коммутационные элементы. В некоторых случаях применения возможно использование ламповых коммутационных элементов. Вторая катушка 130 трансформатора 110 имеет полное сопротивление с индуктивной составляющей L и, возможно, активной составляющей R. Таким образом, комплексное сопротивление Z имеет вид Z=R+jωL. Емкостная нагрузка 300 подключена с возможностью отключения ко второй катушке 130 трансформатора 110 для образования резонансного контура с резонансной частотой f_r, определяемой емкостной составляющей С емкостной нагрузки и индуктивной составляющей L второй катушки 130 трансформатора 110 по формуле . Трансформатор 110 имеет еще третью катушку 140, подключенную к контроллеру 160.

На фиг.2 иллюстрируется работа блока питания 100, показанного на фиг.1. Резонансный контур, образованный емкостной нагрузкой 300, подключенной ко второй катушке 130 трансформатора 110, имеет резонансную частоту с соответствующим периодом T. В первом полупериоде контроллер 160 управляет коммутационным элементом 151 и коммутационным элементом 170 на их замыкание, и при этом электрический ток протекает от источника напряжения постоянного тока через катушку индуктивности 150 и через среднее ответвление 121 в верхнюю половину первой катушки 120 и через коммутационный элемент 170 на землю. Катушка индуктивности 150 и полное сопротивление с реактивной индуктивной составляющей первой катушки 120 трансформатора 110 оказывают то действие, что этот ток возрастает не мгновенно, а экспоненциально, приближаясь к верхней асимптоте. По истечении периода t коммутационный элемент 151 управляется на размыкание, и из-за полного сопротивления с реактивной индуктивной составляющей в цепи, включающей катушку индуктивности 150, ток в верхней половине первой катушки 120 продолжается, но теперь подается через диод 152, а не от источника напряжения постоянного тока. Напряжение на коммутационном элементе 180 снижается со скоростью, определяемой резонансной частотой. По истечении одного полуцикла T/2 резонансной частоты это напряжение уменьшается до нуля. Коммутационные элементы 170 и 180 оба управляются на изменение своего состояния таким образом, чтобы коммутационный элемент 170 был разомкнут, а коммутационный элемент 180 был замкнут, и начинается следующий полуцикл. Электрический ток течет от источника напряжения постоянного тока через катушку индуктивности 150 и через среднее ответвление 121 в нижнюю половину первой катушки 120 и через коммутационный элемент 180 на землю. По истечении еще одного периода t коммутационный элемент 151 управляется на размыкание, и ток в нижней половине первой катушки 120 продолжается, но теперь снова подается через диод 152, а не от источника напряжения постоянного тока. Напряжение на коммутационном элементе 170 снижается со скоростью, определяемой резонансной частотой. По истечении другого полуцикла, т.е. одного полного цикла, резонансной частоты этот процесс повторяется.

Фактическая резонансная частота определяет время, когда напряжение на одном из коммутационных элементов 170 и 180 равно нулю, что происходит после каждого полупериода, когда осуществляется переключение коммутационных элементов 151, 170 и 180. Это время определяется с использованием третьей катушки 140 на трансформаторе. Катушка 140 считывает напряжение, синфазное с напряжением на разомкнутом одном из коммутационных элементов 170 и 180, что, в частности, означает, что прохождения через нуль происходят одновременно. Напряжения, считанные третьей катушкой 140, вводятся в контроллер 160, и контроллер 160 определяет прохождения напряжения, считываемого третьей катушкой 140, через нуль, и в эти моменты времени коммутационные элементы управляются, как описано выше.

Период t, в который коммутационный элемент 151 замкнут, можно изменять, и коммутационный элемент 151 можно управлять на размыкание, например, когда ток достиг заданного уровня. Тем самым, например, можно контролировать среднее значение или среднеквадратичное значение напряжения на первой и второй катушках, и мощность, подаваемую на нагрузку, можно изменять. Максимальная длительность периода t, в который коммутационный элемент 151 замкнут, определяется как не более одной четверти периода Т, соответствующего заданной наивысшей резонансной частоте, на работу с которой устройство рассчитано.

В случае отключения емкостной нагрузки во время работы устройства резонансная частота увеличиться, что может создать нежелательные рабочие условия, в частности, если бы коммутационному элементу 151 было разрешено работать при этих повышенных резонансных частотах. Для того чтобы избежать этих условий, для работы коммутационного элемента 151 установлена максимальная частота повторения. Эта максимальная частота повторения соответствует заданной наивысшей резонансной частоте, на работу с которой устройство рассчитано, или чуть высшей.

Нежелательные рабочие условия могли бы возникнуть и в случае короткого замыкания выводов второй катушки 130 во время работы устройства, в частности, большие токи в первой и второй катушках трансформатора. Размыкание коммутационного элемента 151 при увеличении тока до заданного уровня ограничивает ток, который можно взять со второй катушки, что используется в случае короткого замыкания выводов второй катушки 130.

Фиг.3 иллюстрирует вариант осуществления высоковольтного трансформатора 500, предназначенного для использования в варианте осуществления на фиг.1. Трансформатор 500 имеет сердечник 501, состоящий из двух предпочтительно идентичных Ш-образных сердечников 502 и 503, средние стержни которых касаются и, таким образом, находятся в магнитном контакте между собой. Их наружные стержни короче средних, за счет чего в каждом из наружных стержней сердечника образованы воздушные зазоры. Первая катушка 510 намотана на остов 511 и надета на средний стержень. Вторая - высоковольтная - катушка 520 состоит из двух полукатушек с одной полукатушкой, помещенной по одной с обеих сторон первой катушки 510.

Фиг.4 иллюстрирует вариант осуществления отдельных витков высоковольтного трансформатора на фиг.3. Плоский лист или подложка 600 из электроизоляционного материала с центральным отверстием 601 несет электропроводную дорожку 610, образующую петлю вокруг центрального отверстия 601. На своей наружной концевой части 611 электропроводная дорожка 610 имеет контактную площадку 612 на той же стороне подложки 600, что и электропроводная дорожка 610, и на своей внутренней концевой части 613 электропроводная дорожка 610 имеет контактную площадку 614 на противоположной стороне подложки 600 со сквозным соединением. Электропроводная дорожка 610 может иметь один или несколько витков вокруг центрального отверстия 601.

Фиг.5 иллюстрирует еще один вариант осуществления отдельных витков высоковольтного трансформатора на фиг.3. Плоский лист или подложка 700 из электроизоляционного материала с центральным отверстием 701 несет электропроводную дорожку 710, образующую петлю вокруг центрального отверстия 701. Конструкция на фиг.7 представляет собой зеркальное отображение конструкции на фиг.6 за исключением того, что на наружной концевой части 711 электропроводная дорожка 710 имеет контактную площадку 712 на противоположной стороне подложки 700 со сквозным соединением, а на внутренней концевой части 713 электропроводная дорожка 710 имеет контактную площадку 714 на той же стороне подложки 700, что и электропроводная дорожка 710. Электропроводная дорожка 710 может иметь один или несколько витков вокруг центрального отверстия 701.

На фиг.3 каждая из полукатушек высоковольтной катушки 520 составлена шихтовкой чередующихся подложек 600 и 700. Когда подложка 600 уложена поверх первой подложки 700 способом перекрытия, площадка 614 будет находиться точно над площадкой 714, и эти две площадки 614 и 714 можно соединить электрически, например, припайкой. При этом соединенные дорожки 610 и 710 на своих соответствующих подложках образуют два витка или петли вокруг центральных отверстий. Затем вторую подложку 700 можно поместить поверх подложки 600 с площадкой 712 точно над площадкой 612, и эти две площадки 612 и 712 можно соединить электрически таким же образом для образования катушки с тремя витками. Таким образом, можно попеременно шихтовать несколько подложек 600 и 700 для образования катушки с любым требуемым числом витков. Высоковольтная катушка 520 трансформатора 500 содержит две полукатушки, каждая из которых изготовлена подобным образом. На фиг.3 высоковольтная катушка 520 с шихтованными таким образом подложками видна с края подложек.

Расстояние от электропроводных дорожек 610 и 710 до края подложки должно быть достаточно большим, чтобы предотвратить образование электрической дуги между дорожками на соседних подложках.

Как уже отмечалось, в одном варианте осуществления устройство генерирования озона, описанное выше, будет эксплуатироваться при частотах выше диапазона звуковых частот для людей, например, в диапазоне частот 15-25 кГц. Благодаря этому размер сердечника трансформатора можно уменьшить по сравнению с размером, необходимым при более низких частотах.

Для высокочастотных целей для первой катушки 510 используется многожильный провод. Многожильный провод состоит нескольких изолированных жил провода, которые могут быть скрученными или свитыми. При высоких частотах в поверхностном слое толщины будет протекать электрический ток, уменьшающийся с повышением частоты - это так называемый скин-эффект (или поверхностный эффект). При частоте 20 кГц глубина скин-слоя составляет примерно 0,5 мм в меди. В воздушных зазорах в наружных стержнях трансформатора магнитное поле рассеяния может влиять на первую катушку 510. Использование многожильного провода уменьшает вихревые токи в первой катушке 510.

Для высокочастотных целей, чтобы уменьшить или устранить вихревые токи в сердечнике, может использоваться шихтованный сердечник или ферритовый сердечник трансформатора.

Сердечник 502, 503 в своих наружных стержнях имеет воздушные зазоры. Такой трансформатор особенно используется для подачи энергии на нагрузки, проявляющие отрицательное сопротивление такие, как устройства коронного разряда, используемые для получения озона, в предлагаемом устройстве. В этих воздушных зазорах будет магнитное поле рассеяния, и есть расстояние от первой катушки 510 до воздушных зазоров, и две полукатушки второй катушки поддерживаются отстоящими друг от друга, так что обмотки поддерживаются вне поля рассеяния. При частотах выше диапазона звуковых частот для людей и уровнях мощности в несколько кВт, при которых эксплуатируется предлагаемое устройство, магнитное поле будет рассеивать значительную мощность во всех металлических частях, подверженных воздействию пользователя рассеяния, и поэтому важно поддерживать поле рассеяния и все металлические компоненты отдельно.

В некоторых случаях применения, в которых используется озон, требуется или задается предварительно определенный выход озона, или требуемый выход озона может изменяться. В одном варианте осуществления управляется как поток содержащего кислород газа, так и мощность, подаваемая из блока питания в устройство генерирования озона так, чтобы получить предварительно определенный выход озона из устройства генерирования озона, и так, чтобы уменьшить потребление ресурсов, включая содержащий кислород газ и мощность, подаваемую из блока питания. Управление может основываться на математической модели устройства и способа, включающей теоретические и экспериментальные данные, и, кроме того, может включать результаты фактических измерений соответствующих параметров для использования, например, в системе управления с обратной связью.

Хотя настоящее изобретение описано в связи с конкретными вариантами осуществления, оно не должно истолковываться как каким-либо образом ограничивающимся представленными примерами. Объем настоящего изобретения указан в прилагаемой формуле изобретения. В контексте формулы изобретения термины "содержащий" или "содержит" не исключают другие возможные элементы или стадии. Кроме того, использование единственного числа не исключает множественного. Использование позиций в формуле изобретения в отношении элементов, показанных на фигурах, тоже не должно истолковываться как ограничивающее объем изобретения. Кроме того, отдельные отличительные признаки, упоминаемые в разных пунктах формулы изобретения, можно преимущественно сочетать, и упоминание этих отличительных признаков в разных пунктах формулы изобретения не исключает того, что сочетание отличительных признаков является возможным и преимущественным.