Генератор імпульсного бар’єрного розряду

Реферат: UA 95358 U UA 95358 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій (корисна модель) належить до імпульсної техніки і може бути використаний як генератор електричних парно-біполярних імпульсів для вироблення озону в імпульсному бар'єрному розряді та в електроімпульсних системах подібного призначення. Відомий генератор імпульсів бар'єрного розряду, що містить джерело високої напруги, яке з'єднане через зарядний активний опір з накопичувальним конденсатором, котрий через газонаповнений розрядник підключений до зашунтованої резистором розрядної камери, що має бар'єрну ємність [1]. Недоліком такого генератора є те, що він має низький ККД, оскільки на активному опорі при зарядженні накопичувального конденсатора розсіюється значна частина енергії та не використовується залишкова енергія бар'єрної ємності розрядної камери, що спричиняє додаткові непродуктивні витрати енергії на шунтуючому резисторі. Використання газонаповненого розрядника як комутуючого елемента також зменшує надійність даного генератора і обмежує його частотні характеристики. Найбільш близьким щодо технічної суті до пристрою, що заявляється, є вибраний як прототип генератор уніполярних наносекундних імпульсів бар'єрного розряду [2], що містить його низьковольтну та високовольтну частини, причому кінцевий накопичувальний конденсатор високовольтної частини складається із послідовно з'єднаних першого та другого конденсаторів, вторинна обмотка трансформатора цієї частини підключена до другого конденсатора, вільний вивід першого конденсатора через комутуючий елемент під'єднано до перших виводів з'єднаних паралельно індуктивності, резистора та розрядної камери, а їх другі виводи створюють спільну точку з вільним виводом другого конденсатора. Недоліком цього відомого генератора уніполярних наносекундних імпульсів є те, що для підвищення продуктивності розрядної камери не використовується залишкова енергія бар'єрної ємності, яка в цій ємності накопичується після кожного розрядного імпульсу і витрачається в основному на згаданому резисторі до приходу наступного розрядного імпульсу. За цієї обставини зменшується продуктивність розрядної камери та обмежуються частотні характеристики відомого генератора. Крім того, відсутність керованого використання залишкової енергії бар'єрної ємності розрядної камери не дає можливості оптимізувати енергоефективність імпульсного бар'єрного розряду. Задачею корисної моделі є створення генератора імпульсного бар'єрного розряду, в якому шляхом введення керованого магнітного ключа, силова обмотка якого виводами із позначкою та без позначки їх фазного маркування під'єднана відповідно до першої та другої клем розрядної камери, а також керованого джерела постійного струму, до позитивного та негативного виводів котрого підключені виводи керуючої обмотки магнітного ключа відповідно без позначки та з позначкою їх фазного маркування, досягається новий технічний результат - збільшення енергоефективності імпульсного бар'єрного розряду за рахунок використання залишкової енергії бар'єрної ємності розрядної камери, яка в цій ємності накопичується після кожного імпульсу бар'єрного розряду, створюючи керований перезаряд бар'єрної ємності за допомогою керованого магнітного ключа, а також досягається можливість оптимізації ефективності бар'єрного розряду завдяки вибору для цієї оптимізації відповідного значення струму в обмотці підмагнічування керованого магнітного ключа, визначаючи необхідний час його включення після приходу імпульсу на розрядну камеру. Вищевикладене дає позитивний ефект щодо збільшення енергоефективності імпульсного бар'єрного розряду, його оптимізації та розширення функціональних можливостей щодо формування парно-біполярних імпульсів. Рішення поставленої задачі досягається за рахунок того, що у генератор імпульсного бар'єрного розряду, що містить джерело високовольтних уніполярних імпульсів, вихід якого зашунтований накопичувальним конденсатором, комутуючий елемент, що включений між позитивним виводом названого джерела та першою клемою розрядної камери, друга клема якої з'єднана з негативною клемою джерела високовольтних уніполярних імпульсів, причому еквівалентна схема розрядної камери являє собою електричне коло із послідовно з'єднаних ємності діелектричного бар'єру та ємності газового проміжку, яка зашунтована нелінійним опором газового проміжку, і це електричне коло включене між першою та другою клемами розрядної камери, додатково введені керований магнітний ключ, силова обмотка якого виводами із позначкою та без позначки їх фазного маркування під'єднана відповідно до першої та другої клем розрядної камери, а також кероване джерело постійного струму, до позитивного та негативного виводів котрого підключені виводи керуючої обмотки магнітного ключа відповідно без позначки та з позначкою їх фазного маркування. Порівняльний аналіз пристрою, що заявляється, з прототипом показує, що генератор імпульсного бар'єрного розряду відрізняється наявністю нових елементів, а саме: керованого магнітного ключа та керованого джерела постійного струму, а також нових зв'язків, що 1 UA 95358 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 полягають у відповідному з'єднані нових елементів між собою та з відомими елементами пристрою зазначеним вище чином. Нові елементи та зв'язки корисної моделі розраховані на їх практичну реалізацію з досягненням поставленої задачі: збільшення енергоефективності імпульсного бар'єрного розряду за рахунок використання залишкової енергії бар'єрної ємності розрядної камери, оптимізації бар'єрного розряду завдяки керованим магнітному ключу та джерелу постійного струму, а також розширення функціональних можливостей пристрою щодо формування ним парно-біполярних вихідних імпульсів. На підставі вищенаведеного можна зробити висновок про те, що сукупність істотних відмітних ознак, викладених в формулі корисної моделі, дозволяє досягти нового технічного результату, який забезпечує дана корисна модель, щодо збільшення енергоефективності імпульсного бар'єрного розряду, його оптимізації та розширення функціональних можливостей пристрою. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 представлена електрична принципова схема генератора імпульсного бар'єрного розряду. На фіг. 2 наведені імпульс напруги А, що подається від джерела високовольтних уніполярних імпульсів на розрядну камеру, імпульси струму В та С, які сформовані відповідно у розрядній камері та в керованому магнітному ключі. На фіг. 3 показана залежність концентрації озону К на виході розрядної камери від струму підмагнічування /п керованого магнітного ключа при оптимізованій частоті вихідних імпульсів струму пристрою. Генератор імпульсного бар'єрного розряду містить джерело 1 високовольтних уніполярних імпульсів, вихід якого зашунтований накопичувальним конденсатором 2, комутуючий елемент 3, що включений між позитивним виводом названого джерела 1 та першою клемою 4 розрядної камери 5, друга клема 6 якої з'єднана з негативною клемою джерела 1 високовольтних уніполярних імпульсів, причому еквівалентна схема розрядної камери 5 являє собою електричне коло із послідовно з'єднаних ємності 7 діелектричного бар'єру та ємності 8 газового проміжку, яка зашунтована нелінійним опором 9 газового проміжку, і це електричне коло включене між першою клемою 4 та другою клемою 6 розрядної камери 5. Генератор імпульсного бар'єрного розряду додатково забезпечений керованим магнітним ключем 10, силова обмотка 11 якого виводами із позначкою та без позначки їх фазного маркування під'єднана відповідно до першої клеми 4 та другої клеми 6 розрядної камери 5, а також керованим джерелом 12 постійного струму, до позитивного та негативного виводів котрого підключені виводи керуючої обмотки 13 магнітного ключа 10 відповідно без позначки та із позначкою їх фазного маркування. Пристрій працює наступним чином. Від джерела 1 на конденсатор 2 надходять високовольтні уніполярні імпульси напруги ue, під дією яких періодично заряджається конденсатор 2 імпульсами струму іC2. При досягненні на конденсаторі 2 напруги заданого m максимального значення U 2 спрацьовує комутуючий елемент 3, який переходить із закритого min стану в відкритий, маючи при цьому мінімальний опір R3 . Через цей опір під дією імпульсів m напруги U 2 - осцилограма А на фіг. 2, розряджається конденсатор 2 на розрядну камеру 5, формуючи при цьому в ній імпульси струму iрк - осцилограма В на фіг. 2. Енергія імпульсу uPK витрачається в розрядній камері 5, а саме в її нелінійному опорі 9, а також нагромаджується в бар'єрній ємності 7. В кінці спаду імпульсу напруги uPK спрацьовує керований магнітний ключ 10, формуючи імпульс струму iмк - осцилограма імпульсу С на фіг. 2, що забезпечує витрати залишкової енергії конденсатора 7 знову ж таки в розрядній камері - в нелінійному опорі 9. Момент спрацювання магнітного ключа 10 в кінці спаду імпульсу напруги uPK задається значенням струму підмагнічування Iп, яке встановлюється керованим джерелом 12. Оскільки магнітні потоки в осерді магнітного ключа 10, створені струмами iмк та Iп, мають протилежний напрямок, то при збільшенні струму Iп магнітний ключ спрацьовує пізніше, а при зменшенні струму Iп - раніше. При зміні напрямку струму Iп відбувається прискорене спрацювання магнітного ключа 10, тому що згадані магнітні потоки мають в даному випадку однакові напрямки. Залежність концентрації озону К від струму підмагнічування Iп, виробленої під впливом імпульсів струму iрк та iмк, показана на фіг. 3 у вигляді відповідної кривої, побудованої за результатами експериментальних досліджень пристрою. Як випливає із залежності К=f(Іп), фіг. 3, в конкретних умовах концентрація озону в розрядній камері 5 може бути збільшена в ~ 1,5 рази. Тобто досягається основна поставлена задача - збільшення енергоефективності бар'єрного розряду, яка проявляється в збільшенні виробленого озону в розрядній камері 5. Крім того, досягається оптимізація імпульсного бар'єрного розряду в залежності від моменту включення магнітного ключа, так як експериментально встановлено, що необхідно 2 UA 95358 U 5 10 15 20 25 30 35 налагоджувати спрацювання магнітного ключа 10 в той момент, коли закінчується позитивна частина імпульсу струму А (фіг. 2). Саме за цих умов генерація озону в розрядній камері 5 є найефективнішою. До того ж, як видно із осцилограм фіг. 2, пристрій генерує парно-біполярні імпульси: осцилограма А - позитивний імпульс струму ірк та осцилограма С, яка є негативним імпульсом струму імк по відношенню до розрядної камери 5. Ця властивість пристрою підтверджує досягнення також поставленої задачі щодо розширення його функціональних можливостей, оскільки генератор із вихідними парно-біполярними імпульсами, що має керовану паузу між цими імпульсами, може застосовуватись також в інших сферах електроімпульсних технологій. Пристрій, що заявляється, виконаний як макетний зразок, підтвердив свою працездатність, основні його експериментальні дані наведені на фіг. 2 (для осцилограми В - 5 кВ/поділка, для осцилограм А, С - 50 А/поділка; масштаб часу -50 нс/поділка) та на фіг. 3, де пунктиром показано значення К при відсутності магнітного ключа. Одержані при цьому характеристики пристрою відповідають досягненню нового технічного результату завдяки введеним новим елементам та зв'язкам, викладеним у формулі корисної моделі пропонованого генератора імпульсного бар'єрного розряду, а саме: збільшення енергоефективності бар'єрного розряду, його оптимізації та розширенню функціональних можливостей. Джерела інформації: 1. Блага О.В., Божко І.В. Дослідження генерації озону в імпульсному бар'єрному розряді // Технічна електродинаміка.-2013. - №5. - с.85-89. 2. T.Shao, D.Zhang, Y.Yu, С. Zhang, J. Wang, P. Yan, Y. Zhou.A. Compact Repetitive Unipolar Nanosecond-Pulse Generator for Dielectric Barrier Discharge Application // IEEE transactions on plasma science.-2010. - №7. -Vol.38.-Pp. 1651-1655. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Генератор імпульсного бар'єрного розряду, що містить джерело високовольтних уніполярних імпульсів, вихід якого зашунтований накопичувальним конденсатором, комутуючий елемент, що включений між позитивним виводом названого джерела та першою клемою розрядної камери, друга клема якої з'єднана з негативною клемою генератора високовольтних уніполярних імпульсів, причому еквівалентна схема розрядної камери являє собою електричне коло із послідовно з'єднаних ємності діелектричного бар'єру та ємності газового проміжку, яка зашунтована нелінійним опором, і це електричне коло включене між першою та другою клемами розрядної камери, який відрізняється тим, що до генератора додатково введені керований магнітний ключ, силова обмотка якого виводами із позначкою та без позначки їх фазного маркування під'єднана відповідно до першої та другої клем розрядної камери, а також кероване джерело постійного струму, до позитивного та негативного виводів котрого підключені виводи керуючої обмотки магнітного ключа відповідно без позначки та з позначкою їх фазного маркування. 3 UA 95358 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4