Джерело живлення генератора озону

Изобретение относится к источникам питания высокого напряжения и, преимущественно, может быть использовано в устройствах для электросинтеза озона из кислорода воздуха в качестве источника высокого напряжения в генераторах озона, применяемых при обработке воды, в пищевой, химической и сельскохозяйственной промышленности. Известен источник питания генератора озона [1], содержащий выпрямитель сетевого напряжения, который через промежуточную индуктивность питает преобразователь постоянного тока в переменный, содержащий коммутационные элементы, в диагональ которого включена первичная обмотка силового трансформатора, блок управления, включающий частотно-задающий регулятор, подключенный к коммутационным элементам преобразователя и, при необходимости, регулятор напряжения, который используется для регулировки выходного напряжения сетевого выпрямителя. Недостатками данного устройства являются низкий КПД за счет потерь в преобразователе и трансформаторе высокого напряжения, так как при работе коммутационных элементов преобразователя в ключевом режиме на основном сигнале возникают колебания более высоких гармоник из-за ударного возбуждения колебательного контура, что приводит к дополнительным потерям мощности. Кроме того, это может привести к пробою как элементов схемы, так и самого генератора озона, что вызывает необходимость иметь систему защиты генератора озона от пробоев. Наиболее близким к предлагаемому источнику питания является устройство[2], состоящее из выпрямителя сетевого напряжения и фильтра, к выходу которого подключены преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий коммутационные элементы, в диагональ которого включена первичная обмотка силового повышающего трансформатора, и блока управления, включающего в себя частотно-задающий регулятор, подключенный к коммутационным элементам преобразователя напряжения, и регулятор напряжения, выход которого подключен к выпрямителю сетевого напряжения. Недостатками данного устройства, также как и устройства [1], являются низкий КПД за счет потерь в преобразователе напряжения и силовом трансформаторе. Это обусловлено тем,. что при работе коммутационных элементов в усилительном режиме, позволяющем формировать гармонический сигнал на первичной обмотке силового трансформатора, возникают значительные потери мощности на самих коммутационных элементах. При работе коммутационных элементов преобразователя в ключевом режиме на основном сигнале возникают колебания более высоких гармоник из-за ударного возбуждения колебательного контура, что приводит к дополнительным потерям мощности. Кроме того, это может привести к пробою как элементов схемы, так и самого реактора генератора озона. Это вызывает необходимость иметь систему защиты от пробоев, позволяющую прекратить подачу электрической энергии и ограничивающую ток разряда в случае пробоя в реакторе генератора озона. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать источник питания генератора озона, использующего преобразователь напряжения, содержащий коммутационные элементы, работающие в ключевом режиме, путем обеспечения резонансной передачи электрической энергии от преобразователя напряжения к нагрузке, что позволит повысить КПД и защитить реактор генератора озона от пробоев. Поставленная задача решается в предлагаемом источнике питания генератора озона, в котором, так же как и в источнике питания, принятом за прототип, имеется выпрямитель сетевого напряжения и фильтр, выход которого соединен с входом преобразователя напряжения, содержащего коммутационные элементы, в диагональ которого включена первичная обмотка силового трансформатора, и блок управления, включающий частотно-задающий регулятор и регулятор напряжения. В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве, последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора включен конденсатор, а к части вторичной обмотки, параллельно с ней, также включен конденсатор. Регулятор, напряжения в предлагаемом устройстве выполнен в виде ШИМ-регулятора и подключен к коммутационным элементам преобразователя напряжения. Для питания реактора генератора озона постоянным напряжением вторичная обмотка силового трансформатора подключена к умножителю напряжения, выход которого подключен к нагрузке. Благодаря тому, что в предлагаемом устройстве последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора включен конденсатор, а к части вторичной обмотки, параллельно с ней, также включен конденсатор, собственная частота колебательного контура после настройки будет совпадать с частотой задающего регулятора, что дает возможность настроить систему в резонанс и сформировать синусоидальный сигнал на первичной обмотке силового трансформатора. При этом электрическая энергия будет передаваться от преобразователя напряжения к нагрузке резонансно. Это позволит значительно увеличить добротность контура и повысить КПД всего устройства. Кроме того, это дает возможность защитить реактор генератора озона, так как в случае пробоя в реакторе и резкого увеличения тока добротность системы уменьшается и амплитуда напряжения на нагрузке падает. Для регулировки питающего напряжения преобразователя в предлагаемом устройстве регулятор напряжения выполнен в виде - ШИМ-регулятора, и его выход подключен к коммутационным элементам преобразователя напряжения, что позволило значительно уменьшить пульсации питающего напряжения, так как ШИМ-регулировка осуществляется с частотой преобразования. Также это позволяет вести обратную связь по току и включить ШИМ-регулятор в режиме стабилизации тока как в рабочем режиме, так и в режиме пробоя в реакторе генератора озона. Для питания реактора генератора озона постоянным напряжением, вторичная обмотка силового трансформатора подключена к умножителю напряжения, выход которого подключен к нагрузке. При этом возможно уменьшить коэффициент трансформации силового трансформатора, что позволяет передавать электрическую энергию от преобразователя напряжения к нагрузке с меньшими потерями, и таким образом, также увеличить КПД устройства. Сущность изобретения поясняется схемой предлагаемого устройства, изображенного на чертеже. Устройство состоит из сетевого выпрямителя 1, выполненного по мостовой схеме на стандартных диодах, выход которого подключен к конденсатору фильтра 2. Выход фильтрового конденсатора 2 подключен к входу преобразователя напряжения 3, включающего коммутационные элементы 4. В диагональ преобразователя напряжения 3 включена первичная обмотка 5 силового трансформатора 6, последовательно с которой включен дополнительный конденсатор 7, К части 8 вторичной обмотки 9 силового трансформатора б, параллельно ей, подключен дополнительный конденсатор 10. Выход силового трансформатора 6 соединен с реактором 11 генератора озона. Управляющие электроды коммутационных элементов 4 преобразователя напряжения 3 соединены с выходом блока управления 12, в состав которого входят частотно-задающий регулятор 13 и ШИМ-регулятор 14. При питании реактора 11 генератора озона постоянным напряжением выход вторичной обмотки 9 силового трансформатора 6 соединен с входом умножителя напряжения 15, выход которого, в свою очередь, подключен к реактору 11 генератора озона. Рассмотрим пример реализации предлагаемого устройства мощностью на нагрузке 1 кВт и амплитудой выходного напряжения до 20 кВ. Частота преобразования преобразователя напряжения - 20 кГц. Устройство питается однофазным напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Устройство работает следующим образом, Напряжение питающей сети выпрямляется сетевым выпрямителем 1, собранным по мостовой двухполупериодной схеме на диодах Д-132-50, и сглаживается фильтром 2, выполненным на двух параллельно соединенных конденсаторах К50-17-400В-1000 мкФ. Постоянное напряжение 300 В поступает на преобразователь напряжения 3, собранный по мостовой схеме. В его состав входят коммутационные элементы 4, смонтированные на полевых транзисторах КП-934 А и первичная обмотка 5 силового трансформатора б, намотанного на ферритовом сердечнике. Первичная обмотка 5 состоит из 50 витков и намотана проводом ПЭВ-2, сечением 2 кв.мм. Последовательно с ней включен дополнительный конденсатор 7, собранный на конденсаторах типа К78-2-1000-0,15 мкФ суммарной емкостью 1 мкФ. К части 8 вторичной обмотки 9, состоящей из 500 витков, намотанных проводом ПЭВ-2 сечением 0,5 кв.мм подключен дополнительный конденсатор 10, собранный на конденсаторах того же типа, что и 7. Суммарная емкость конденсатора 10 подбирается таким образом, чтобы собственная частота колебательного контура, состоящего из первичной обмотки 5 силового трансформатора 6, дополнительного конденсатора 7, части 8 вторичной обмотки 9 и конденсатора 10 совпадала с частотой сигнала, вырабатываемого частотно-задающим регулятором 13 блока управления 12, т.е. система работала в резонансе. При этом была достигнута добротность контура, равная 10. Регулировка напряжения и его стабилизация осуществляются ШИМрегулятором 14, включенным в режиме генератора тока, что является наиболее предпочтительным режимом при питании реактора генератора озона. На реакторе 11 генератора озона формируется переменное напряжение повышенной частоты амплитудой от 5 кВ до 20 кВ и мощностью 1 кВт. Таким образом, устройство позволяет питать реакторы генератора озона током, стабилизированным на заданном уровне и имеет КПД порядка 95%. При питании реакторов генератора озона постоянным напряжением, выход вторичной обмотки 9 Соединяют с умножителем напряжения 15, что позволяет уменьшить коэффициент трансформации силового трансформатора, улучшить согласование и увеличить КПД. Количество каскадов умножителя напряжения выбирают из условия получения заданного уровня пульсаций, и в описываемом устройстве составляет 2 каскада при уровне пульсаций напряжения на нагрузке 0,5%. При пробое в реакторе генератора озона' происходит резкое увеличение тока нагрузки и замагничивание сердечника силового трансформатора, что приводит к уменьшению индуктивности системы и увеличению собственной частоты контура. При этом нарушаются условия резонанса, уменьшается добротность и происходит резкое уменьшение напряжения на нагрузке.