Построение систем электропитания высоковольтных устройств озонаторов

Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Национальный исследовательский университет «МЭИ»
На правах рукописи
Верещагин Владимир Леонидович
ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ УСТРОЙСТВ ОЗОНАТОРОВ НА БАЗЕ
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ВЕНТИЛЕЙ И ПРОЛЕТНЫХ ПЕНТОДОВ
Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
Стоянов Павел Александрович
МОСКВА
2016
Оглавление
Общая характеристика работы …………………………………………….
4
Основное содержание работы
Введение ……………………………………………………………………..
11
Глава 1. Литературный обзор и теоретическое обоснование диссертационного исследования. …………………………………………….
13
1.1. Основные перспективные направления применения озонаторов в народном хозяйстве, преимущества метода озонирования……… 13
1.2. Тенденции развития строения электрических генераторов озона и источников электропитания………………………………………….. 15
1.3. Технические особенности и режимы работы источников питания генераторов озона……………………………………………………….. 23
1.4. Потери КПД в системе: источник питания - генератор озона… 34
1.5. Новые направления в развитии высоковольтных источников
электропитания на базе электронно-лучевых приборов………………… 42
1.6. Выводы……………………………………………………………….
55
Глава 2. Научно-технические решения построения высоковольтных
источников униполярного и знакопеременного электропитания генераторов озона……………………………………………………………… 56
2.1. Особенности построения высоковольтных устройств генераторов озона Welsbach H. и Masuda S. и источников питания.………..
56
2.2. Особенности использования электронно-лучевых приборов в источниках питания несимметричных генераторов озона..……………….
60
2.3. Принципы создания перспективных моделей высоковольтных
источников питания и генераторов озона на основе отечественного
электротехнического приборостроения.…………………………………….. 71
2.4. Выводы.………………………………………………………………… 76
Глава 3. Перспективные режимы электропитания генератора озона. 81
3.1. Перспективные модели генераторов озона, теоретическое рас2
смотрение, анализ работы при знакопеременном и униполярном питании……………………………………………………………………………….. 81
3.2. Перспективные модели источников питания генератора озона,
теоретическое рассмотрение, анализ работы, экспериментальные исследования………………………………………………………………………….. 87
3.3 Особенности использование электронно-лучевых приборов в схемах источников питания при низких потенциалах коллектора при повышенном КПД. Стабилизация порога отсечки обратного потока электронов в экстремальных рабочих режимах………………………………... 101
3.4 Работа электронно-лучевого прибора при коротких замыканиях
нагрузки………………………………………………………………………….. 106
3.5 Выводы. ………………………………………………………………….. 109
Глава 4 Концепция построения установок источников электропитания генераторов озона на базе ЭЛВ и пролетных пентодов………… 111
4.1. Испытательный стенд экспериментального исследования источника
электропитания и генератора озона барьерно - поверхностного разряда….111
4.2. Генератор озона барьерно-поверхностного разряда - эталонный преобразователь электроэнергии……………………………………………………116
4.3 Структура источника питания. ………………………………………….. 121
Заключение …………………………………………………………………….. 127
Список публикаций автора ………………………………………………….129
Список литературы ……………………………………………………………131
3
Общая характеристика работы
Актуальность темы
В народном хозяйстве все чаще находят применение нанотехнологий с
применением высоких напряжений. Высокие напряжения используются в
различных разрядных устройствах, применяемых для ионизации газов, например, в генераторах озона, которые все больше внедряются в различные
области науки и техники. Большое внимание при изготовлении озонаторов
уделяется источникам электропитания высокого напряжения. Основными,
при разработке первых источников питания для генераторов озона
промышленного назначения, являлись источники высокого напряжения,
разработанные такими фирмами как Welsbach (США), Mitsubishi(Япония),
Degremont (Франция).
Источник питания озонатора состоял всего лишь из повышающего
высоковольтного трансформатора, с частотой возбуждения 50 ÷ 60 Гц. Позже при появлении полупроводниковых приборов были разработаны источники высокого напряжения, в которых кроме повышающего высоковольтного трансформатора устанавливался тиристорный преобразователь.
Российские агрегаты питания выполняются в настоящее время в традиционном исполнении. Основным моментом при их разработке является формирование на выходе синусоидального знакопеременного или импульсного
напряжения.
Традиционное исполнение источников высокого напряжения для питания генераторов озона имеет ряд недостатков. Основным недостатком является обязательное использование высоковольтного повышающего трансформатора. Производительность генератора озона зависит от частоты питающего его напряжения. При повышении частоты питания увеличивается
производительность, однако, эти требования ограничиваются высоковольтным согласующим трансформатором. При повышении частоты конструкция
трансфоматора усложняется и удорожается. С некоторого значения частоты использование такого принципа построения источника питания стано4
вится не рациональным. Увеличиваются потери в магнитопроводе, обмотках, снижается КПД.
Трансформаторы на повышенные частоты становятся громоздкими и
дорогостоящими. При конструировании, проектировании и расчете таких
трансформаторов приходится в отличие от обычных низкочастотных силовых трансформаторов применять специфические подходы к выбору
таких обязательных составных частей конструкции как магнитопроводы,
провода обмоток, устройств охлаждения. Для уменьшения потерь снижают магнитную индукцию в магнитопроводе путем увеличения толщины
магнитопровода, а в обмотках используют провода значительно большего
диаметра. Из-за большого числа витков вторичной обмотки высокочастотный трансформатор имеет повышенные значения индуктивностей и полей
рассеяния. Межвитковые и межслойные емкости влияют на качество выходного высоковольтного напряжения. Возникают паразитные резонансы
на различных непредвиденных частотах. Из-за сильного нагрева трансформаторы имеют систему масляного охлаждения. Масляный бак изготавливают из материалов с низкой магнитной проницаемостью. Проводимые испытания таких трансформаторов показали наличие большого количества
гармонических составляющих во вторичной обмотке, что приводит к искажению формы питающего генератор озона напряжения.
Как правило, первичная обмотка трансформатора имеет малое число
витков и питается через специальный низковольтный инверторный преобразователь. Для пропускания больших токов через первичную обмотку
трансформатора используют мощные тиристоры. При работе электрической схемы тиристоры вырабатывают импульсы токов, которые протекают
по первичной обмотке. Такой принцип имеет ряд существенных недостатков. Тиристорный преобразователь создает большие помехи в сеть, спектр
которых простирается до десятков и сотен мегагерц. При этом избыток
энергии, образующейся из-за порожденного в первичной обмотке ряда
гармонических составляющих, выделяется в виде тепла.
5
Из сказанного можно отметить следующие основные недостатки существующих источников питания ГО: высокий уровень пульсаций и импульсных помех на выходе и входе источника питания; значительная инерционность; малый электрический КПД; большие массогабаритные показатели; отсутствие активных защитных устройств; низкая удельная производительность; возникновение паразитных гармонических составляющих во
вторичной обмотке; искажение формы выходного напряжения.
В связи с этим очевидно, что традиционная схема питания озонатора
требует пересмотра, так как она исчерпала свои возможности. С развитием
новых технологий конструирования и изготовления самих озонаторов,
привело к тому, что потребовались новые источники питания, с
повышенной частотой генерации энергии и тока и полной управляемости
параметров на стороне нагрузки.
Основным направлением настоящей работы является разработка
научно-технических требований к системам источников электропитания
озонаторов, включающих в себя: разработку технических решений по применению электронно-лучевых приборов в источниках питания озонаторов;
оптимизацию электрических схем источников питания озонаторов выполненных на электронно-лучевых приборах; оптимизацию питающего напряжения; разработку и построение стенда для проведения экспериментальных
испытаний и исследований высоковольтного источника питания озонатора
нового типа; разработку оптимизированного устройства оперативной защиты
источника питания от коротких замыканий в нагрузке.
Цель работы
Разработка принципов конструирования источников питания озонаторов, и электрических схем с повышенной надежностью, долговечностью, повышенным КПД и полной управляемостью выходных токов,
напряжений и частот. Оптимизировать форму питающего напряжения сообразно рабочим режимам нагрузки при ионизации газа.
6
Для достижения поставленной цели необходимо:
1. Разработать принцип построения источника питания на стороне высокого напряжения, провести анализ режимов питания озонатора с высокочастотным бестрансформаторным выходным каскадом, обеспечивающим гальваническую связь с нагрузкой;
2. Обосновать принципы построения и оптимизации электрических
схем источников электропитания озонаторов на стороне высокого напряжения;
3. Провести анализ различных типов высоковольтных электроннолучевых приборов с целью возможности применения их в источниках питания генераторов озона;
4. Разработать научно-техническое решение построения электронной
схемы устройства, исключающее побочные явления в электронно-лучевых
приборах при низких потенциалах коллектора (близких к потенциальному
минимуму) с целью повышения КПД;
5. Разработать устройство электрической защиты электронно-лучевых
приборов в источнике питания от коротких замыканий в нагрузке;
6. Выявить форму питающего генератор озона напряжения, вызывающего естественный стабильный нарастающий эффект образования наносекундных импульсов микроразрядов в генераторе озона барьерного типа.
Основные задачи исследования
1. Изучение влияния выходных параметров источника питания на
степень выхода озона с поверхности генератора озона.
2. Обоснование требований к техническим параметрам источника
питания озонатора.
3. Разработка и обоснование принципов построения электрических
схем источников питания генераторов озона на основе электронно-лучевых
приборов, обеспечивающих максимальную надежность, долговечность и
КПД.
7
Методы исследования
Исследования проводились с использованием современных методов и
экспериментальной техники, включающей в себя специально разработанный испытательный стенд для исследования режимов каскадов на электронно-лучевых приборах, управляемых полупроводниковыми схемами низкого напряжения.
К стенду предусмотрена возможность оперативного изменения параметров выходного напряжения (амплитуды, частоты, формы и др.). Стенд
также предусматривает возможность проведения испытаний электроннолучевых приборов, работающих на нагрузку без выходного высокочастотного трансформатора.
Научно-техническая новизна
1. Доказана перспективность применения электронно-лучевых приборов (ЭЛП) в высоковольтных источниках электропитания озонаторов.
2. Выработан алгоритм и произведено научно-техническое обоснование повышения срока службы электронно-лучевых приборов, работающих
в озонаторах высокого напряжения.
3. Обоснованы критерии оптимизации электрических схем электропитания озонаторов.
4. Произведены испытания электронно-лучевых приборов на стенде,
работающих на высоковольтной стороне источника электропитания озонатора без дополнительных звеньев (непосредственно на озонатор) на
частотах 12000Гц. и выше. Произведен расчет КПД электронно-лучевого
прибора работающего в высоковольтном источнике электропитания.
6. Впервые разработаны научно-технические решения создания технологического комплекса электропитания озонаторов на базе ЭЛП, содержащего общий источник постоянного тока и выходной преобразователь
соединенный гальванически непосредственно с нагрузкой.
7. Впервые обоснованы критерии оптимизации выходного напряжения источника питания, его формы и полярности.
8
8. Впервые предложено научно-техническое решение стабилизации
основного параметра глубины рекуперации ЭЛП - φк = Uк/ Uу, что позволило повысить надежность и КПД прибора, выбрать потенциал коллектора близким к потенциальному минимума.
9. Впервые предложено научно-техническое решение электронной защиты ЭЛП при коротких замыканиях в нагрузке на основе способности
первоначально размытого по поверхности коллектора электронного пучка
(нормальный режим работы) стягиваться к оси ЭЛП при непредвиденном
повышении напряжения на коллекторе относительно напряжения на ускоряющем электроде (режим короткого замыкания в нагрузке).
Достоверность результатов
Достоверность подтверждается большим объемом, полученных в
процессе работы, экспериментальных данных и их соответствием теоретическим расчетам и проведением экспериментальных исследований
источника на стенде на соответствие режимов работы, обеспечивающих
повышение КПД, долговечности и надежности в работе. Специальные
схемные решения позволили удачно сочетать высоковольтные электроннолучевые приборы с низковольтной микросхемотехникой.
Для проверки и испытаний источника питания в качестве нагрузки
впервые был использован керамический пластинчатый озонатор, изготовленный по специальной технологии с нанесением на керамику вольфрамомолибдено-марганцевого покрытия.
По всем представленным научно-техническим результатам имеются
утвержденные Акты и Заключения экспертиз, публикации, авторские
свидетельства.
Практическая ценность работы
Разработаны технические предложения по созданию источников
электропитания озонаторов на базе электронно-лучевых приборов (ЭЛП).
1. Показано что при эксплуатации источников электропитания
озонаторов построенных на базе электронно-лучевых приборов
9
достигаются: более высокий КПД, надежность и массогабаритные
показатели.
2. Разработан и изготовлен стенд для испытаний узлов источника
электропитания озонатора.
3. Доказана перспективность применения электронно-лучевых приборов
в источниках питания озонаторов.
4. Даны технические предложения по устранению нерабочих (мертвых) зон ВАХ ЭЛП, работающих в источнике электропитания.
6. Показана возможность стабильной работы ЭЛП с повышенным КПД
за счет стабилизации рабочей точки ВАХ вблизи потенциального
минимума.
7. Представлены примеры расчетов режимов работы ЭЛП при различных φк = Uк/Uу.
Положения, выносимые на защиту
1. Использование управления и регулирования напряжения на
озонаторе на стороне высокого напряжения с помощью электроннолучевых приборов.
2. Оптимальным в устройствах питания озонаторов является применение вакуумных электронно-лучевых приборов с торможением электронов на коллекторе, обладающих малым прямым падением напряжения, достаточной высокочастотностью > 10000 Гц и высоковольтностью > 10000 В.
3. Сформулированы основные технические требования к электроннолучевым приборам, работающим в источниках питания озонаторов.
4. Разработан принцип и электрическая схема источника питания
озонатора, работающего на стороне высокого напряжения c бестрансформаторным выходом с гальванической связью с нагрузкой.
5. Предложено техническое решение стабилизации основного параметра глубины торможения электронов на коллекторе ЭЛП - φк.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на научно-технических совеща10
ниях НПО “Орион“, на кафедрах “ТЭВН” и “ИЭ и ОТ” МЭИ.
Личный вклад автора:
Научная постановка, обоснование и решение задач при создании технических решений конструирования электрических схем и агрегатов источников питания генераторов озона на электронно-лучевых приборах; проведение экспериментальных исследований на стендах по оптимизации
режимов работы электрических схем, агрегатов питания с нагрузкой на
генератор озона барьерного разряда.
Публикации по теме диссертации:
10 научных работ. Две из них опубликованы в статьях в отечественных
научно-технических сборниках и все 10 работ признаны изобретениями.
Опубликованные работы хранятся в библиотеке БГТУ “ВОЕНМЕХ“ им.
Устинова, Санкт-Петербург, Россия.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит: из введения, четырех глав, заключения, списка литературы 112 источников, содержит 144 стр. текста, 51
рисунок, 4 таблицы.
Основное содержание работы
Введение
Анализируя результаты ранее проведенных экспериментальных и теоретических исследований [26,30] в области получения озона с помощью генераторов барьерного и барьерно-поверхностного разряда в совокупности
с источниками питания [46 ÷ 53] напрашивается вывод: эффективная передача энергии от источника питания к газу до настоящего времени не достигнута. Это связано не только с недостаточно оптимальным строением
электрической схемы источника питания, но и с несовершенством понимания (представления) технического образа генератора озона барьерного и
барьерно-поверхностного разрядов. Традиционное понимание этих обязательных составляющих - источника питания и генератора озона привело к
11
несостоятельности тех теорий, которые существовали до настоящего времени. Исследования некоторых авторов прямо или косвенно доказывают
о неодинаковом воздействии на кислородосодержащий газ в генераторах
озона барьерного и барьерно-поверхностного разряда положительных и отрицательных полупериодов прикладываемого к ним знакопеременного напряжения. Просматривается явная несимметричность процессов азонообразования. Как видно из структурных схем рис. 18, 19, 20 каждый генератор озона включает в себя индуцирующий и разрядный электроды разделенные между собой диэлектрическим барьером и газовой прослойкой. В
озонаторах Велсбаха и Масуды барьер прилегает непосредственно к индуцирующему электроду, а разрядный - к кислородосодержащему газу. Индуцирующий электрод защищен практически от воздействия электрических
разрядов, а разрядный, постоянно подвергается их воздействию. Модель
такой электрической системы может быть представлена в виде неравноплечной. С целью рационального использования свойств газоразрядного
промежутка и выяснения обстоятельств для разработки новой концепции
построения источников питания в данной диссертационной работе предусмотрено проведение детального теоретического исследования и изучения
электрической структуры озоногенераторов барьерного и барьерно-поверхностного разряда.
При подключении источника переменного тока происходит периодическая переполюсовка потенциалов между индуцирующим и разрядным
электродами. При одном варианте полюсации электронный поток под действием электрического поля двигается в направлении индуцирующего электрода и оседает на диэлектрическом барьере (расползаясь по его поверхности) не достигая индуцирующего электрода. При противоположной полюсации электронный поток двигается в противоположном направлении, а
именно к разрядному электроду и полностью на нем оседает и поглощается. В этом случае источник питания с равноплечным выходным напряжением непригоден для питания неравноплечных озонаторов.
12
Глава 1. Литературный обзор и теоретическое обоснование диссертационного исследования.
1.1 Основные перспективные направления применения озонаторов
в народном хозяйстве, преимущества метода озонирования.
Наиболее широкое применение для обеззараживания веществ в различных отраслях народного хозяйства нашел способ озонирования. В настоящее время более 1000 водоснабжающих станций в Европе, в основном
в Германии, Франции и Швейцарии, применяют озонирование как одну из
составляющих частей общего технологического процесса по очистке воды.
В странах СНГ озонирование для очистки водопроводной воды пока применяют в крупных городах, например, таких как Москва, Минск, Нижний
Новгород и др. Озонирование питьевой воды позволяет существенно улучшить ее качество и решить многие проблемы возникающие при ее хлорировании [1,2].
Основные преимущества озона перед другими окислителями [1,2]:
- более сильный окислитель, чем хлор, одновременно с обеззараживанием воды удаляет и другие загрязнения, такие как цветность, запах, железо, марганец, фенолы, нефтепродукты, ПАВ и др.;
- компактность установок, удобство обслуживания, отсутствие громоздкого реагентного хозяйства, полная автоматизация процесса;
- обеспечивает безопасность питьевой воды в санитарно-гигиеническом
отношении, исключает вредное воздействие воды на здоровье человека.
- кроме выраженной способности уничтожения бактерий озон, в отличие
от хлора, обладает высокой эффективностью в уничтожении вирусов, спор,
цист (плотные оболочки, образующиеся вокруг одноклеточных организмов),
например, жгутиковых, при их размножении, а также многих других
патогенных микроорганизмов.
При сравнении обеззараживающего воздействия озона и хлора по
0,1 мг/дм3 каждого было установлено, что для полного уничтожения 60000
13
кишечных палочек в 1 литре воды необходимо 5 секунд для озона и 15000
секунд для хлора [3].
В медицине озон может быть использован как дезинфицирующее средство [4,5], для консервации донорской крови, а также при лечении ряда заболеваний, например таких, как вирусные и грибковые инфекции, заболевания органов дыхания, сердечно - сосудистой системы и др.
Озон представляет собой аллотропную модификацию кислорода (газ
голубого цвета, плотностью 1,657). Озон получают на установках сильного
электрического поля. Ионизация кислорода вызывает расщепление молекулы кислорода на атомы с последующим прилипанием активного атома
кислорода к молекуле кислорода. Видимый результат этого процесса - фиолетовый разряд [6].
Критериями эффективности установки по производству озона являются
удельные энергозатраты на генерацию озона и максимальная выходная концентрация [7]. К критериям эффективности относятся также массогабаритные и стоимостные показатели, а также надежность [8].
Одной из наиболее острых экологических проблем современности [9-14]
является проблема удаления низкоконцентрированных вредных примесей
различного вида (сероводород, фенол, сероуглерод и др.). Малые концентрации примесей (от единиц миллиграммов до единиц граммов на один
кубометр вещества) снижает эффективность их удаления традиционными
методами.
К числу производств выбросы, которых содержат токсические примеси
можно отнести:
- Предприятия металлургического и коксохимического производства
оказывают вредное влияние на атмосферу при выбросах газовых смесей
бензопирина [15,16];
- Тепловые электростанции, котельные содержат в выбросах окислы
азота и серы [17];
- Предприятия по производству стеклопластиков содержат во внешних
14
выбросах в атмосферу стирол, а во внутренних цеховых - формальдегид и
фенол [18].
- Предприятия, выпускающие вискозное волокно выбрасывают в атмосферу сероуглерод и сероводород [19,20];
- Помимо промышленных предприятий к сильным источникам загрязнения воздуха относится транспорт, который содержит в выхлопных газах
окись углерода, азота, фенола, акролеина, бенз(а)пирена. Особенно этим отличаются судовые дизельные двигатели [21].
- Предприятия по переработке древесины в отходящих газах в процессе производства содержится сероводород, метилмеркаптан, диметилсульфид,
скипидар, диоксин и др. вещества [22,23].
Большинство указанных примесей эффективно окисляются озоном [2].
Продукты окисления многих из них оказываются безвредными и могут
быть выведены в атмосферу.
В приведенных примерах потребная концентрация озона для удаления
вредных веществ в газовых выбросах в среднем составляет от нескольких
миллиграмм до нескольких грамм на кубометр. Современные промышленные озонаторы производят озон с концентрацией более 20 г/м3 на воздухе
и более 100 г/м3 на кислороде [24,25,26].
1.2. Тенденции развития строения электрических генераторов озона
и источников их электропитания
Первые опыты по дезинфекции воды озоном были осуществлены во
Франции в 1886г., в 1891 г. уже в Германии испытывались аналогичные
установки, а в 1896 г. осуществлено строительство промышленных озонаторов в Голландии.
Основными фирмами, выпускающими озонаторы для промышленности
в 50-х годах были фирмы Demag (ФРГ), Degremont (Франция), Welsbach
(США), Mitsubishi (Япония). Особенностью этих установок являлось то, что
озон получался из осушенного кислородосодержащего газа методом элек15
трического разряда.
Наиболее распространенными конструкциями генераторов озона стали
трубчатые озонаторы с одним диэлектрическим слоем, называемые генераторами озона Велсбаха (H.Welsbach) [27]. Внешний цилиндрический электрод из металла, внутри которого строго по центру размещается стеклянная
трубка меньшего диаметра, покрытая c внутренней стороны графитом или
алюминием заземляется и подключается к нулевой фазе источника высокого напряжения (7-12 кВ) переменного тока, высокопотенциальная фаза
которого подключается к графитовому (алюминиевому) электроду стеклянной трубки. Такой генератор озона обеспечивает стабильный электрический разряд в равномерном зазоре между стеклянным диэлектриком и внешним заземленным металлическим электродом. Поток кислородосодержащего
осушенного газа, продуваемый через зазор трубки ионизируется электрическими разрядами, в результате чего образуется озон. Установки такого вида, работающие на осушенном воздухе от источников высокого
напряжения переменного тока на частотах 50-60 Гц относятся по совокупным характеристикам к оборудованию первого поколения.
Источники питания установок первого поколения схемотехнически были наиболее просты и содержали кроме первичной сети переменного тока
220-380В промышленной частоты 50-60 Гц громоздкий повышающий трансформатор.
Электропитание генераторов озона второго поколения осуществлялось
переменным током повышенной частоты от 500 Гц до нескольких кГц.
Это позволило снизить удельные энергозатраты на производство озона, и
уменьшить габариты высоковольтного повышающего трансформатора.
В 60-е годы выпускались озонаторы повышенной частоты как за рубежом, так и в России. Например, Дзержинский филиал НИИхиммаш разработал и выпустил озонатор ОПЧ-1 производительностью 3-7кГ в час
(из воздуха). Источник питания состоял из тиристорного преобразователя
мощностью 100 кВт с частотой 2400 Гц и повышающего трансформатора.
16
Использование для электросинтеза озона кислорода повысило техникоэкономические показатели оборудования третьего поколения.
Тенденция повышения частоты источника питания генератора озона
прослеживается и в более позднее время. Например, для реализации поставленной задачи в 70-х годах был разработан в лаборатории государственного университета им. Ломоносова повышающий высокочастотный трансформатор на частоту 10000 Гц. Такой трансформатор характеризовался повышенными значениями индуктивностей рассеяния обмоток, из-за повышенной, в отличие от обычных 50-ти герцовых трансформаторов, частоты
питания. Более частое перемагничивание сердечника нагревало его.
Для охлаждения и увеличения электроизоляционных свойств трансформатор был помещен в масляный бак, и изготавливался из ферромагнитного материала с малой относительной магнитной проницаемостью. Максимальное значение магнитной индукции снижено по сравнению с силовым
трансформатором, работающим на частоте 50 Гц. Плотность токов в обмотках высокочастотного трансформатора так же снижена. Уменьшение плотности токов и магнитной индукции привело к увеличению толщины проводов в обмотках и как следствие к увеличению массы обмоток и веса магнитопроводов. Охлаждение трансформатора масляное, а при необходимости водомасляное, что приводит к дальнейшему увеличению массы и
объема высоковольтного трансформатора.
В данной работе было выбрано направление по разработке источников питания исключительно с повышенной частотой. Это дало возможность
увеличить производительность в 50-100 раз.
В таблице 1 приведены сравнительные характеристики трубчатых
озонаторов при питании их от низкочастотного источника с частотой 50
Гц и высокочастотного источника питания с частотой до 20 000 Гц производительностью 100 кГ озона в час, представленные лабораторией государственного университета им. Ломоносова.
Как видно из Таблицы 1 эффективность озонатора зависит от режимов
17
работы источников питания генератора озона, поэтому основное внимание
в настоящей работе уделено разработке и исследованию режимов работы
источников электропитания при работе на нагрузку в виде генератора озона барьерного разряда.
Таблица 1.
№ Сопоставляемые характеристики Низкочастотные озонаторы
п/п
Высокочастотные озонаторы
1
2
Количество озонаторов.
Материал озонаторов и их
общий вес.
15 ─20 шт.
Трубы из стекла и из нержавеющей стали 50-100 тонн.
3
Размеры одного озонатора.
4
5
Общий объём озонаторов .
Производственная площадь для
размещения озонаторов.
Диаметр − 1,8 м.
Длина − 3,6 м
Объём − 10 м3 .
150-200 м3.
1000 − 1200 м2
1−2 шт.
Трубы из нержавеющей стали
или из чёрного металла 3-4
тонны
Диаметр – 0,8 м.
Длина − 2,0 м
Объём ─ 1,0 м 3
1− 2 м 3
10-15 м2
6
Частолта тока, питающего
озонаторы
50 Гц.
2500 − 20 000 Гц
В настоящее время развитие озонаторного оборудования происходит в
двух направлениях:
- совершенствование электрических генераторов озона;
- совершенствование источников электропитания.
Проведенный анализ состояния производства озонаторного оборудования указывает на то, что устойчивых тенденций развития в России озонаторного оборудования в последнее время не наблюдается. Разработанные основы до 1997-2000гг. практически остаются неизменными [28].
Для увеличения производительности озонатора трубки Велсбаха набирают в пакет. Количество трубок мощного генератора озона может достигать тысячи. Именно такую конструкцию имеют генераторы озона таких
зарубежных и отечественных фирм как Degremont, Trailigaz, Ozonia, Fuji,
“Курганхиммаш“, “Озонит“.
Принцип параллельного включения маломощных трубок генераторов
озона обеспечило технологичность и ремонтопригодность установок озонирования. ООО «Озония», созданная в Нижнем Новгороде как российско18
швейцарское предприятие с 1997г начало осуществлять производство
озонаторного оборудования на принципах трубок Велсбаха. Бесперебойная
работа параллельно включенных трубок обеспечивается включением предохранителя последовательно с каждой озонаторной трубкой.
Предохранитель позволяет автоматически отсечь неисправный электрод
и обеспечить бесперебойную работу устройства в целом при сохранении
ремонтопригодности и технологически. Такие устройства бесперебойного
питания широко известны. Они применяются там, где необходима
длительная безотказная работа устройств в целом с заменой любого
неисправного элемента в рабочем состоянии [29].
Необходимо отметить технологичность и ремонтопригодность трубок
Велсбаха. Однако диэлектрический барьер не прилегает непосредственно к
охлаждаемой водой внешней металлической оболочки – (нулевому заземленному электроду), а располагается на некотором расстоянии от него.
Это расстояние определяется необходимым зазором, по которому продувается масса кислородосодержащего газа и ионизируется электрическими
разрядами. Диэлектрический барьер в этом случае охлаждается только
продуваемым газом, который нагревается от выделяющейся энергии электрических разрядов. Образуется тепловая подушка между диэлектрическим
барьером и металлической охлаждаемой гильзой внешнего заземленного
электрода. Диэлектрический барьер плохо охлаждается. В результате нагрева появляется склонность к постепенному его разрушению. Снижается
надежность, долговечность и КПД трубки. Увеличивается потребляемая
мощность от источника питания.
В промышленных установках генераторы озона имеют разрядный промежуток 0,1-4,0 мм и диэлектрический барьер 0,2-3,0 мм с относительной
диэлектрической проницаемостью 5 − 50. В качестве диэлектрического барьера применяют различные типы стекол, стеклоэмалей. Применяется также
керамика и сеталы, слоистые пластики и пластмассы.
Наиболее интересный вариант предложен фирмой Fuji. В генераторах
19
озона Fuji диэлектрический барьер наносится на внутреннюю поверхность
гильзы заземленного охлаждаемого водой внешнего электрода. В этом случае диэлектрический барьер хорошо охлаждается и долго сохраняет свои
диэлектрические свойства. В результате достигается значительное повышение производительности, повышается надежность, долговечность. Однако усложняется изготовление и ремонтопригодность.
В настоящее время все больше внимания уделяется повышению надежности, долговечности диэлектрического барьера. В частности, это поиск и
разработка наиболее стойких материалов, разработка новых технологий и
технических решений электропитания генераторов озона и др. методы.
Новым направлением, обозначившимся в начале 80-х годов стало новое устройство генератора озона предложенное С.Масудой (Masuda S.) [30].
Такое устройство представляет собой плоский пластинчатый озонатор, в
котором за счет расположения индуцирующего и разрядных электродов
непосредственно на поверхности барьера при подаче переменного высокого напряжения в несколько киловольт возникает барьерно-поверхностный
разряд. Для повышения надежности и долговечности генератора озона
барьер выполняется из керамики или сетала.
Впервые в России источник питания и сам генератор озона нового типа были разработаны научно-техническим коллективом НПО “ОРИОН“ и
испытаны и исследованы на кафедре ТЭВН МЭИ [31].
Взаимозамещение элементной базы было выполнено исключительно из
Российских материалов. На технические решения было получено авторское
свидетельство. Узлы и блоки испытательного стенда источника питания и
плоского керамического генератора озона изготавливались совместно с
НПО “ОРИОН“, и научно-исследовательским институтом “ТИТАН“. Практические испытания показали, что наиболее стойкими к воздействию озона
и микроразрядов оказались пластинки из керамики и сетала с нанесенными на них в водородной печи молибдено-марганцевого и вольфрамомолибдено-марганцевого покрытий.
20
На базе разработанного авторами источника питания, впервые выполненного на пролетных пентодах НИИ “ТИТАН“ и керамического генератора озона барьерно-поверхностного разряда, в МЭИ проведены экспериментальные исследования характеристик высокочастотного барьерно-поверхностного разряда [33, 34, 35, 36].
На основе генератора озона Масуды С. параллельно были разработаны
разнообразные конструкции генераторов озона на барьерно-поверхностном
разряде, например, на двухжильном проводе [37,38]. Такой озонатор был
предложен В.С. Энгельштом и испытан в Исыккульском госудапственном
университете. При подаче высокого переменного напряжения (6 – 7 кВ) и
выше на жилы двухжильного провода возникал барьерно-поверхностный
разряд из множества микроискр. Озон возникал в зоне соприкосновения
микроискр с кислородосодержащим газом. Провода запитывались от сети
переменного тока 220В 50 Гц через ЛАТР и повышающий трансформатор.
Предлагаются и другие варианты озонаторов на основе генератора Масуды. С. Например, в работе [39] генератор озона изготавливается из кусков
кабеля марки ППИ-У. Изоляция жил такого кабеля выполнена из полиимидно-фторопластовой пленки марки ПМФ-С-352 и толщиной 0,23 мм. Индуцирующий электрод и диэлектрический барьер изготовлены из отрезков
этого кабеля соединенных между собой электрически. Разрядные электроды
выполнены в виде неизолированных цилиндрических проводников, диаметр
которых равен изолированному кабелю, так же электрически соединены
между собой. Отрезки кабеля и разрядные электрорды расположены вплотную друг к другу в шахматном порядке. Кислородосодержащий газ пропускается вдоль проводников. При подаче высокого переменного напряжения
на клеммы генератора озона, к одной из которых подключены все отрезки
неизолированных проводов, а к другой – все отрезки изолированных каабелей в активной зоне по цилиндрической поверхности отрезков кабелей возникают скользящие разряды, и осуществляется синтез озона.
В работе [40] предложено оригинальное решение построения цилиндри21
ческого генератора озона, который содержит цилиндрический барьер прилегающий без зазора снаружи к цилиндрическому электроду, а внутри - к
внутреннему цилиндрическому электроду, выполненному в виде мелкой сетки. При подаче переменного высокого напряжения на электроды в ячейках сетки на внутренней поверхности барьера возникают микроразряды,
которые ионизируют поток кислородосодержащего газа. Такое устройство
генератора озона позволило снизить прикладываемое высокое напряжение,
упростить конструкцию, повысить производительность и КПД.
В некоторых работах из-за экономических соображений вместо керамических барьеров делают попытки применения материалов из дешевого текстолита, стеклотекстолита, гетинакса и т.п. Защитный слой на их поверхности наносится обычным путем покрытием эмали, например, “Церта“,
кремнийорганического лака КО-85, пентафталевых лаков ПФ115 и ПФ 170
[41]. Питание генераторов озона осуществляется по классической схеме.
Например, Нижегородским архитектурно-строительным институтом разработаны компактные высокочастотные озонаторы производительностью 1000
г/ч., работающие на повышенной частоте 500 Гц. Установка содержит высокочастотный генератор озона, устройство воздухоподготовки, блок энергообеспечения с автоматической системой управления. В источнике электропитания за основу принята стандартная блок-схема, состоящая из первичой сети переменного тока напряжением 220-380В 50 Гц, блока трехфазного
выпрямителя, инверторного преобразователя частоты со схемой управления,
блока LC фильтра сглаживающего пульсации, и блока повышающего высоковольтного трансформатора с которого подается высокое переменное
напряжение на генератор озона [42].
В работе [43] представлен электромеханический генератор озона вращяющегося типа питающийся от высоковольтного источника постоянного
тока с напряжением 6 – 10 кВ. За счет кругового движения вращающихся
инициирующих электродов при вхождении любого из них в разрядный
промежуток двух неподвижных электродов возникал искровой разряд, ко22
торый ионизировал кислородосодержащий газ.
В исследовательской работе [44] был разработан испытательный стенд.
Стенд содержал несколько разновидностей генераторов озона с барьерами
из текстолита, стеклотекстолита, лавсановый гетинакс и др. Защитный слой
выполнялся на основе эмали “Церта“ (ТУ 2312-001-492), кремнийорганического лака КО-85 (ГОСТ 11066-74), а также пентафталевых лаков ПФ 115
(ГОСТ6465-76) и ПФ170 (ГОСТ 15907-70). Основной частью испытательного стенда являлся электромеханический высоковольтный источник питания
переменного тока. Основные характеристики электромеханического источника питания: максимальная выходная мощность 700 Вт, скорость вращения
от 500 до 7000 об/мин, частота напряжения при указанных скоростях вращения от 50 до 700 Гц. Величина выходного напряжения генератора доходила до 220 В. К выходу генератора подключался повышающий выходной
трансформатор, который повышал напряжение до 6 - 10 кВ.
1.3 Технические особенности и режимы работы источников электропитания генераторов озона.
В этом разделе приведен краткий аналитический обзор работ, посвященных расчету, экспериментальному исследованию, применению и конструированию источников питания, пригодных для питания озонаторов.
Источники питания озонаторов 50 – 60 годов строились, за неимением
необходимой элементной базы и недостаточной изученности вопроса, по
самой элементарной схеме. Основным узлом являлся повышающий трансформатор, на входе которого, устанавливался тиристорный регулятор.
Основной интерес представляют работы по оптимизации геометрических, массогабаритных и режимных параметров и определению их связи.
В общественной практике для повышения эффективности работы озонаторов в 60 – 70 гг. потребовались технические решения позволяющие повысить частоту возбуждения озонатора с 50 Гц до 10000 Гц. и более.
В связи с этим появилась возможность уменьшения массогабаритных
23
показателей. Например, при одной и той же производительности 100 кГ в
час озона количество трубчатых озонаторов уменьшилось в 10 раз, вес
комплектующих и материалов в 20 – 25 раз, занимаемый объем в 10 раз, а
производственные площади сократились в 100 раз.
Дальнейшее повышение частоты возбуждения общепринятым способом не приводило к нужным результатам, т.к. конструкция источника питания содержала в себе материалы, которые ограничивали дальнейшее увеличение частоты возбуждения. Увеличивались потери, снижался КПД.
В результате чего появились импульсные источники питания, которые
в дальнейшем стандартизировались по своему структурному содержанию. Их
схемы в основном с однотипным содержанием стали распространяться практически по всем производящим озонаторы организациям. Их империческая с
одной стороны структура, но в свою очередь с другой стороны технологичность и удобство сборки на производстве распространило классическую схему источника питания по разным направлениям строительства озонаторов.
Источник питания генератора озона как правило содержит:
- первичный источник питания;
- трехфазный выпрямитель;
- электрический пассивный сглаживающий фильтр выпрямленного
напряжения;
- импульсный инвертор, обычно на IGBT транзисторах;
- повышающий однофазный высоковольтный импульсный трансформатор;
Структурная схема такого источника питания представлена на рис.1.
В качестве нагрузки используются различные конструкции генераторов озона, работающие по принципу барьерного разряда. В настоящее время наиболее распространенными являются трубчатые генераторы Велсбах а
и пластинчатые генераторы барьерно-поверхностного разряда С. Масуды.
Компания ООО “Озон монтаж“ Московская обл. г. Химки сегодня
уверенно занимает лидирующее место в создании высокотехнологичного
24
оборудования по производству озона. В основе конструкций озонаторов
серии G.OZON заложены принципы построения источников питания и
генераторов озона по классическому образцу.
Первичный
источник
питания
переменного
тока
50 Гц
Трехфазный
выпрямител
ь
Электрический
сглаживающий
фильтр
выпрямленног
о
напряжения
Резонансный
мостовой
инвертор
Повышающий
высоковольтный
импульсный
однофазны й
трансформатор
Генератор
озона
Рисунок 1. Структурная схема источника питания генератора озона.
Специалистами ЗАО “МЭЛП“ г. Санкт - Петербург был разработан генератор озона с высокими эксплуатационными характеристиками ОГВК – 0,5.
Эти озонаторы предназначены для применения в автоматизированных
установках водоочистки и водоподготовки, а также могут использоваться
для научных целей в области озоновых технологий. Озонаторы ОГВК – 0.5
имеют производительность при работе на осушенном воздухе 5.5 Г/ч, а на
кислороде 12 Г/ч.
В озонаторе ОГВК – 0.5 используется стандартный традиционный способ получения озона в газовом разряде барьерного типа с возбуждением
от источника питания импульсного типа. Силовой каскад источника питания представляет собой полумостовой инвертор на IGBT транзисторах.
Нагрузкой инвертора служит высоковольтный трансформатор, работающий
на генератор озона. Барьерный генератор озона возбуждается с выхода источника питания импульсами амплитудой 5 – 6 кВ, длительностью 40 мкС,
с частотой повторения импульсов 3 кГц.
На рисунках 2 и 3 представлены наиболее типичные структурные схемы современной классики электропитания генераторов озона описанные в
работах [45, 48] с повышающим высоковольтным выходным трансформатором.
25
Рис. 2. Электрическая схема питания генератора озона с выходным высоковольтным трансформатором.
Генератор озона барьерного типа является специфической нагрузкой, характер которой изменяется в течение каждого полупериода рабочей частоты от чисто емкостной нагрузки в начальный момент времени, до активно-емкостной в пиковый. При малых токах через генератор озона нагрузка практически является емкостной в течение всего рабочего полупериода.
С увеличением тока нагрузки при увеличении производительности cos ф
нагрузки стремится к 0,5.
В работе [45] автор предлагает классическую схему построения источника по схеме резонансного инвертора с высоковольтным выходным трансформатором. Эта схема исключает насыщение высоковольтного трансформатора и, как следствие, исключает аварийные режимы.
Повышение эффективности работы генератора озона согласно указаниям
работы [45] связано с повышением рабочей частоты и формированием на
генераторе озона гармонического колебания тока и напряжения близкого к
синусоидальному.
На рис.2 приведена электрическая принципиальная схема такого источника питания.
26
Источник питания содержит первичные источники питания 1 и 2, три
ячейки, выполненные по схеме с неразделенными коммутирующими конденсаторами 8-10. Основные дроссели 11-16 включены в цепи тиристоров
17-22. Генератор озона включен через высоковольтный трансформатор 23
между средней точкой первичного источника питания 1, 2 и точкой соединения конденсаторов 8-10. Дополнительные дроссели 3 и 4, включенны
между первичным источником питания и входом инвертора, а встречнопараллельно входу включена цепочка обратных диодов 5, 6. При изменении
величины и характера нагрузки осуществляется рекуперация энергии из
дросселей 3, 4 в первичный источник питания и ограничивается ток в контуре перезаряда коммутирующих емкостей инвертора 8-10, а так же в емкости барьера 24 и газоразрядного промежутка 25 генератора озона 7, тем
самым ограничивается уровень напряжения на этих элементах и
повышается эффективность и надежность генератора озона.
В лабораториях Чувашского госуниверситета в настоящее время проводятся исследования и разработки озонаторных установок, направленные
на увеличение срока службы и производительности озонатора. В результате
исследований были выявлены такие недостатки как низкий срок службы
установок озонирования, обусловленный применением барьерного разряда
и импульсного источника питания.
Несмотря на относительную простоту схемы традиционного источника
питания многие авторы обратили внимание на сложность расчета схемы.
Разработка источников питания сопряжена с необходимостью расчета специализированных полупроводниковых устройств. Вместе с тем, в области
стационарных и динамических режимов остаются сложными исследования
электромагнитных процессов в схеме, образованной последовательно соединенными каскадами первичного источника питания, электрического
фильтра выпрямленного напряжения, резонансного инвертора, высоковольтного трансформатора и генератора озона. Не изучено влияние структуры и
27
параметров канала циркуляции энергии между элементами генератора озона
и индуктивностями высоковольтного трансформатора, фильтра выпрямителя.
Из-за высокой сложности экспериментальных исследований и электрических измерений, изучение свойств источника питания на физических
элементах с переходными процессами некоторые авторы предлагают
заменить физические элементы математическими. Например, в УГАТУ и
НГТУ на базе математических моделей выполнены исследования электромагнитных и физико-химических процессов в последовательном электротехническом комплексе, образованным каскадным соединением первичного источника питания (ИП), трехфазного выпрямителя, электрического
фильтра выпрямленного напряжения, резонансного инвертора, канала
циркуляции энергии, высоковольтного трансформатора (ВТ) и генератора
озона (ГО). Компьютерная модель позволила исследовать влияние уровня
возврата энергии в источнике питания на интегральные характеристики
озонатора, электрическая схема которого предложена Кириенко В.П. и
Кузнецовым К.Ю. в патенте на полезную модель №58524, СО1В13/11. “Озонатор с импульсным источником электропитатаия” [46, 47].
В работе [48] автором предлагается более развитая схема моделирования, в которой между выходом ( - ) блока “Диодный мост“ и входом (+ )
блока “Инвертора” включен регулируемый источник постоянного напряжения. Изменяя напряжение этого источника, возможно, менять состояние
канала циркуляции реактивной энергии между фильтром и генератором
озона. Регулирование производительности генератора озона в импульсном
источнике можно осуществлять как за счет изменения напряжения на
выходе выпрямителя, в звене постоянного тока, так и введением пауз в
цикле работы инвертора, задавая при этом необходимую частоту.
По мнению автора [48] введение дополнительного источника эдс позволило уменьшить амплитуду обратного тока, возвращаемого посредством
диодного моста в конденсатор фильтра. Поскольку обратный ток является
приведенным к первичной стороне высоковольтного трансформатора током
28
генератора озона, снижается и ток разряда емкостных элементов. Вследствие
чего на входе генератора озона повышается напряжение, что вызывает, увеличение амплитуды токов перезаряда его емкостных элементов и разрядного промежутка, а также выделяемой в разрядной камере энергии. Это
позволяет уменьшить массу вторичной обмотки и магнитопровода высоковольтного трансформатора.
Структурная электрическая схема источника питания генератора озона
с дополнительным источником ЭДС представлена на рис.3. Схема содержит тиристорный трехфазный выпрямитель 1-6, сглаживающий пульсации
пассивный LC фильтр, тиристорный инвертор 9-12, диодный мост 13-16, повышающий высоковольтный трансформатор 17, генератор озона 18, дополнительный источник питания ЭДС 19.
Рис.3. Структурная электрическая схема ИП с преобразователем частоты с регулируемым возвратом энергии.
Компьютерное моделирование процессов в схеме рис.3 позволило создать имитационную математическую модель электротехнологической установки “Генератор импульсного напряжения – электрохимический преобразователь“ [49]. Как утверждают авторы [50], объем выполненных работ позволил создать электротехнический комплекс с регулируемым возвратом
реактивной энергии, работающий в расширенном диапазоне частот до 500
- 1000 Гц. Дальнейшее повышение частоты приводит к увеличению полей
29
рассеяния индуктивных элементов, в том числе, выходного высоковольтного трансформатора, увеличивает погрешность расчетов из-за неполного соответствия физических и имитационных математических моделей электрорадиокомпонентов электротехнического комплекса.
Чаще всего авторы используют стандартную классическую схему источника питания модернизируют схему источника и конструкцию высоковольтного выходного трансформатора.
Наиболее эффективными генераторами озона при промышленном производстве озона являются генераторы повышенной частоты (10 – 20 кГц)
[51]. Из принципа действия генераторов озона следует, что масса
вырабатываемого озона прямо пропорциональна частоте электрических
разрядов [51,52]. В работе [53] описан источник питания, в котором отсутствуют такие компоненты классики, как трехфазный тиристорный
выпрямитель, пассивный LC фильтр, источник питания высокочастотного
инвертора.
Принципиальная электрическая схема высокочастотного источника питания такого генератора озона представлена на рис. 4. Источник питания
состоит из включенных в звезду встречно-параллельных ключевых
транзисторов (ТА1 -ТА2), (ТВ1 - ТВ2), (ТС1 - ТС2) и конденсаторов СА, СВ, СС.
Лучи звезды подсоединены непосредственно к фазам первичной питающей
сети А, В, С. Между центрами звезд (О1 и О2) включена коммутирующая
цепь LК- CК и согласующий трансформатор Тр, к вторичной обмотке которого присоединена емкостная нагрузка - в виде генератора озона. Согласующий трансформатор преобразует напряжение UН с выхода преобразователя (порядка 220 В) в напряжение, необходимое для питания генератора озона (порядка 10 кВ).
В схеме используются транзисторы серии IGBT, которые работают в
ключевом режиме. На управляющие электроды транзисторов в определенной
последовательности подаются высокочастотные пакеты импульсов, вырабатываемые маломощным генератором. Последовательно соединенные
30
емкость СК и индуктивность LК преобразуют высокочастотные прямоугольные импульсы, поступающие с выхода транзисторной звезды в импульсы
синусоидальной формы, которые и подаются на первичную обмотку высоковольтного выходного трансформатора Тр.
Рис.4 Принципиальная электрическая схема высокочастотного источника
питания генератора озона.
В схеме используются транзисторы серии IGBT, которые работают в
ключевом режиме. На управляющие электроды транзисторов в определенной последовательности, подаются высокочастотные пакеты импульсов, вырабатываемые маломощным генератором. Последовательно соединенные емкость СК и индуктивность LК преобразуют высокочастотные прямоугольные
импульсы, поступающие с выхода транзисторной звезды в импульсы синусоидальной формы, которые и подаются на первичную обмотку высоковольтного выходного трансформатора (Тр).
Автор предложил также оригинальную конструкцию генератора озона
[54]. Керамическая трубка из высококачественного материала с малым размером пор [55] снаружи покрыта тонким проводящим слоем, выполняющим
функцию электрода с нулевым потенциалом. Разрядной зоной служит внутренняя полость керамической трубки, через которую пропускается кислородо-
31
содержащий газ. Кольцевой бегущий барьерный разряд возникает в области
высоковольтных электродов, расположенных внутри керамической трубки.
В работах [53] показано, что использование токов повышенной частоты
невозможно без кардинальной переработки источника питания и самого
генератора озона. В связи с этим был разработан электротехнический комплекс генерирования озона разрядом ультразвуковой частоты [56].
Создание такого стенда обозначилось появлением быстродействующих
транзисторов серии IGBT, на которые были заменены низкочастотные тиристорные сземы преобразовательных инверторов. Это существенно повысило параметральные и схемотехнические возможности источника питания.
Однако в результате исследований оказалось, что простое использоваие токов повышенной частоты (18 - 20 кГц) не решает однозначно проблему повышения КПД, снижения энергозатрат, надежности и долговечности.
Появились новые проблемы оптимального использования транзисторов
IGBT в условиях нелинейно – емкостной нагрузки, к которой, в конечном
счете сводятся высокочастотные генераторы озона [56].
В работе [57] авторами предложен униполярный источник питания (рис.5).
Форма напряжения на нагрузке представляет собой высокое униполярное
напряжение при очень малом уровне пульсаций и определяется кроме характера нагрузки - алгоритмом управления.
Как видно из схемы Рис.5 подобно [45, 48, 53] инвертор запитывает
повышающий высокочастотный трансформатор током высокой частоты.
Однако в работах [45, 48, 53] переменное напряжение со вторичной обмотки высоковольтного трансформатора подается непосредственно на разрядное устройство, а в работе [57] на последовательно включенные низковольтные выпрямители. В дальнейшем источник модернизирован [100].
Схема работает следующим образом. При включении сетевого питания
220/380В, частотой 50-60 Гц на клеммы “сеть“ 1 на дроссели 2,3,4 и далее
на регулируемый выпрямитель 6 выпрямительного блока 5 и блока управления (БУ) 29. Все источники сетевого питания 29 заряжаются и устройст32
Рис. 5.
во готово к пуску. Кнопкой “пуск“ на блоке 29 осуществляется пуск устройства. Силовой конденсатор 11 плавно заряжается, при этом напряжение
на закрытых коммутаторах (транзисторах) 14,15,16,17 мостовой схемы инвертора 12 плавно увеличивается. Когда кончается зарядка конденсатора 11,
блок 29 по каналам с гальванической развязкой 22, 23, 24, 25 формирует
импульсы управления, которые поступают на подмодуляторы 18, 21 и 19, 20,
мостового инвертора 12, при этом длительность импульсов плавно увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на нагрузке. На дросселях
26, 27, конденсаторе 30, и первичной обмотке 31 высокочастотного трансформатора 32, включенных в диагональ мостового инвертора выделяется высокочастотное напряжение. На вторичных обмотках 33, 34, 35 повышающего
высоковольтного высокочастотного трансформатора 32 появляется высокое
высокочастотное напряжение. На выходе каждой обмотки включен диодный мост. Выпрямленное постоянное напряжение, полученное на конденсаторах 42, 43, 44, суммируется и получается униполярное постоянное напряжение, которое через параллельно включенные дроссель 45 и резистор 46
через шунт 47, дающий информацию о токе, прикладывается к нагрузке 52.
1.4 Потери КПД в системе: источник питания – генератор озона.
Для повышения частоты возбуждения генератора озона (ГО) требуются
33
специальные источники питания (ИП). Как известно классическая схема источника питания генератора озона содержит выходной, повышающий трансформатор, который при повышении частоты перекачки через него энергии
в генератор озона требует особого подхода к его конструкции и материалам.
В настоящее время известны несколько вариантов источников питания
(ИП) [58]. При питании озонаторов от трехфазной сети 380В при частоте
50 Гц обязательным элементом всех источников питания является повышающий высоковольтный трансформатор, обеспечивающий на второй обмотке
напряжение необходимое для возникновения искрообразования в генераторе озона.
Сегодня наиболее перспективным направлением повышения производительности ГО является применение токов возбуждения повышенной частоты (от 400 Гц до нескольких десятков кГц). Практически же наиболее распространенными являются озонаторы, работающие на частотах от 400 до
8000 Гц. Это обясняется ограниченными технологическими возможностями
построения и изготовления источников питания генераторов озона повышенной частоты, в том числе и изготовление высокочастотного высоковольтного трансформатора.
Достаточно сложным вопросом является выбор соотношения между величиной напряжения вторичной обмотки высоковольтного выходного трансформатора и частотой колебаний токов протекающих через ГО.
Существует несколько причин, обуславливающих повышение частоты
возбуждения генератора озона. На основе результатов теоретических исследований и эксплуатационно-промышленных испытаний [59,60,61] выявлено
следующее: При использовании частоты 50 – 60 Гц необходимая для искрообразования в ГО величина действующего значения синусоидального напряжения составляет 16 – 18 кВ, а уже при частоте в 400 – 600 Гц достаточным напряжением является 8 – 10 кВ [62].
При чрезмерном повышении напряжения на генераторе озона снижается производительность озонатора. Это объясняется тем, что возбужден34
ные атомы кислорода при номинальных значениях напряжения сначала
присоединяясь к молекуле кислорода образуют молекулу озона, а при
дальнейшем увеличении напряжения питания из-за бомбардировки молекул
озона возникшими сверхактивными атомами кислорода обусловленными
увеличением энергии (полученной от источника питания) разлагают озон в
первоначальную консистенцию.
Необходимо найти консенсус. При неуправляемом трансформаторном
согласовании нагрузки и источника питании найти точку соприкосновения
двух процессов возникновения озона и его разложения практически невозможно. Вторичная обмотка трансформатора содержит, как правило, большое
количество витков и имеет значительное активное и индуктивное сопротивление. Такой трансформатор является генератором напряжения с большим
внутренним сопротивлением. Так как нагрузка вторичной обмотки трансформатора нестабильна повремени, а представлена множествами электрических разрядов в генераторе озона, нестабильность мгновенных значений тока будет вызывать хаотическое изменение выходного напряжения. Ток в
процессе развития электрического разряда будет также менятьса.
На рис.6 представлены осциллограммы мгновенного тока i и напряжения u промышленного генератора озона П-31 (ОАО Курганхиммаш) при
питании его от классического преобразователя частоты типа ТСПЧ-10-0,8-1,0
(ОАО “ЭЛСИ“). Генератор П-31 представлял собой генератор озона Велсбаха стандартной классической конструкции с одним диэлектрическим слоем из стекла [63].
При горении разряда, как видно из осциллограмм мгновенных токов i,
имеются характерные области пульсаций (всплесков и провалов) тока генератора. Форма выходного мгновенного тока i преобразователя частоты на
основе классического инвертора тока отдаленно напоминает прямоугольную
с крутыми фронтами и уплощенными верхушками. Уплощенные верхушки
кроме низкочастотных колебательных изменений тока содержат высокочастотные дискретные колебания тока, обусловленные микроразря35
дами в генераторе озона ( отмеченный промежуток времени t0 - t1).
Как видно из осциллограмм, мгновенный ток через генератор озона
имеет сложную структуру и кроме дискретных всплесков обусловленных
Рис.6. Осциллограммы мгновенных значений тока и напряжения промышленного генератора озона П-31 (ОАО Курганхиммаш) при работе от
стандартного преобразователя частоты ТСПЧ-10-0,8-1,0 (ОАО ”ЭЛСИ“);
t0 – t1 - характерный промежуток времени искрообразования при нарастающей полуволне напряжения u на ГО.
микроразрядами генератора озона содержат гармонические колебания более
высокой частоты, чем задающая частота инверторного преобразователя.
Подобная форма мгновенного тока i объясняется искажающим влиянием электрических параметров высоковольтного согласующего выходного
трансформатора и коммутирующей емкости, которые являются необходимыми элементами классического источника питания построенного на базе
инверторного преобразователя импульсного типа. Подобные исследования
были проведены также фирмой Trailigaz и дали аналогичные результаты.
С увеличением частоты возбуждения ГО улучшаются массогабаритные характеристики генератора озона за счет увеличения удельных нагрузок на единицу площади разрядной зоны. Однако при значительном увеличении частоты разрядный промежуток и диэлектрический барьер сильнее нагреваются из-за более частых электрических разрядов в газовой среде и учащением
36
поляризационных процессов в газе и диэлектрике. Выделенное тепло
снимается с помощью охлажденной воды омывающей гильзу с нулевым
потенциалом и предварительным охлажденным килородосодержащим газом
поступающим в разрядный промежуток генератора озона. Энергия выделенная в виде тепла на генераторе озона удаляется охлажденной субстанцией
(газа или воды) снижает КПД озонатора.
Генератор озона Велсбаха распространенный в озонаторах РФ, Америке и Европе является несимметричной нагрузкой. Явно выраженный катод (электрод нулевого потенциала) и анод (металлический электрод высокого потенциала, покрытый диэлектрическим слоем) определяют сущность
данного устройства [27]. К несимметричным генераторам озона относятся
так же генераторы озона с высоковольтным электродом в виде сетки [63].
При питании таких несимметричных устройств через повышающий
высоковольтный трансформатор к электродам генератора озона прикладывается знакопеременное напряжение [65, 66]. Недостатком такого способа питания разрядного несимметричного генератора озона являются высокие
энергозатраты при синтезе озона, что обусловлено потреблением энергии
от источника при положительном и отрицательном токе через электроды
генератора. При отрицательной полуволне, когда к аноду (электрод с диэлектрическим покрытием) прикладывается минус, а к катоду (электрод без
диэлектрического покрытия) плюс озон в разрядном промежутке практически не синтезируется. Затрачиваемая энергия отрицательной полуволны,
расходуется не на синтез озона, а на нагрев разрядного промежутка.
Повышенный нагрев разрядного промежутка приводит к распаду уже
синтезированного озона при положительной полуволне напряжения, что
снижает его выход. Удельные энергозатраты увеличиваются, а КПД установки падает[67].
При увеличении частоты увеличиваются потери в магнитопроводе и
проводах трансформатора. Для изготовления высокочастотного высоковольтного трансформатора ≥ 10000 Гц требуются более дорогостоящие материалы
37
и специальные конструкторские решения. Такой трансформатор характеризуется повышенными значениями индуктивностей рассеяния обмоток и
повышенным выделением тепла. Магнитные потери происходят главным
образом в магнитопроводе трансформатора из-за систематического перемагничивания магнитопровода переменным магнитным полем. Чем выше рабочая частота трансформатора, тем больше потери. Перемагничивание магнитопровода вызывает два вида потерь: потери от гистерезиса, связанные с
затратой энергии на уничтожение остаточного магнетизма в ферромагнитном материале магнитопровода и потери от вихревых токов, наводимых
переменным магнитным полем в ферромагнитном материале. Магнитные
потери от гистерезиса прямо пропорциональны частоте перемагничивания,
т.е. частоте переменного тока, а магнитные потери от вихревых токов пропорциональны квадрату этой частоты [68, 69]. Величина магнитных потерь
зависит также от величины магнитной индукции в ферромагнитном материале магнитопровода [70].
Для изготовления мощных высокочастотных трансформаторов для повышения частоты и мощности используют нетрадиционные методы расчета и конструирования трансформаторов. Применяются специальные меры
по снижению потерь. Для охлаждения и увеличения электроизоляционных
свойств трансформатор помещают в масляный бак. Трансформатор изготавливают из материалов с малой относительной магнитной проницаемостью.
Максимальное значение магнитной индукции снижают по сравнению с силовым трансформатором, работающим на частоте 50 Гц. Плотность токов
в обмотках трансформатора так же снижена. Уменьшение плотности токов
и магнитной индукции приводит к увеличению толщины проводов в обмотках и как следствие к увеличению массы обмоток и веса магнитопровода. Охлаждение трансформатора масляное, а при необходимости водомасляное, что приводит к дальнейшему увеличению массы и объема высокочастотного высоковольтного трансформатора [71].
Наличие проводников в трансформаторе, разделенных диэлектриком при38
водит к возникновению паразитных емкостей между слоями, витками, обмотками трансформатора. Через емкости из первичной обмотки во вторичную
проникают высокочастотные помехи от инверторного преобразователя частоты. При переходных процессах, связанных с резким изменением напряжения на обмотке (с длительностью фронтов в несколько десятков микросекунд) начинаются волновые процессы, обусловленные распределенными емкостями и индуктивностями рис.6. При этом распределенные напряжения в
начальный момент времени по обмоткам становятся неравномерными. Большая часть напряжения падает на витках расположенных к незаземленному,
а активному высокопотенциальному выводу обмотки. Возникают перенапряжения. Учитывая это при конструировании приходится увеличивать межслойные о межобмоточные расстояния, увеличивая тем самым вес и габариты трансформатора. При импульсах напряжения проникающих на обмотку трансформатора происходит высокочастотный затухающий колебательный процесс. В начальный момент периода напряжение будет прикладываться к начальным виткам обмотки, затем распределения на обмотке меняется на противоположное и большая часть уже напряжения прикладывается к конечным виткам [72].
В трансформаторах для питания генераторов озона применяются ферромагнитные сердечники для большего значения ЭДС, индуктируемого во
вторичной обмотке (повышающие, чаще импульсные трансформаторы). Как
известно ферромагнетики имеют ярко выраженную нелинейную характеристику намагничивания с насыщением (петля гистерезиса) и неоднозначностью обусловленной характером напряжений и токов в трансформаторе
[73]. Нелинейная индуктивность, связанная с наличием нелинейной кривой
намагничивания в сочетании с внешней емкостной нагрузкой могут создавать опасный феррорезонансный режим и выход из строя трансформатора. В результате перечисленных факторов снижается надежность и КПД.
Предложено устройство питания несимметричного генератора озона [74],
которое устраняет недостатки источников питания предлагаемых ранее тем
39
же автором, методом исключения из схемы ненужного выходного повышающего высоковольтного трансформатора рис.7 . Основными элементами
схемы являются два ключевых каскада, выполненных по предложенному
варианту автором Силкиным Е.М., на транзисторах (или тиристорах). По
своей сущности работы ключевых каскадов аналогичный источник питания, разработан и запатентован ранее авторами (в том числе автором настоящей работы), на пролетных пентодах, в котором также один последовательный каскад заряжает емкость генератора озона однополярным напряжением, а второй параллельный разряжает ее [31].
Рис.7. Функциональная схема источника питания генератора озона без
выходного повышающего трансформатора транзисторно-дроссельного типа.
Алгоритм работы устройства на рис.7 можно представить согласно автору следующим образом. Генератор озона 2, как элемент электрической
цепи, представляет электрическую емкость. При нулевом потенциале на генераторе озона на вентиль 3 подается отпирающее напряжение, что осуществляется системой управления (не показана на схеме). Вентиль 3 отпирается, в результате чего по цепи 1-3-5-2-1 начинает протекать зарядный
ток. Верхний по схеме электрод генератора озона 2 с диэлектрическим
слоем при включенном вентиле 3 выполняет функцию анода, а нижний
является катодом. Заряд емкости генератора озона 2 происходит током,
протекающим через дроссель 5. Ток заряда из-за работы дросселя 5
увеличивается по экспоненциальному закону. Емкость генератора озона
заряжается, в результате чего напряжение на генераторе озона увеличива40
ется. При максимально развившемся токе заряда вентиль 3 выключается,
а ток за счет запасенной энергии в дросселе продолжает протекать по
цепи 5-2-7-5. При этом ток через дроссель 5 уменьшается, а напряжение
на емкости генератора озона продолжает увеличиваться. Как только энергия запасенная дросселем израсходуется зарядный ток прекратится и напряжение на генераторе озона перестанет увеличиваться. Если напряжение
на генераторе озона будет достаточным для возникновения разряда, то в
разрядном промежутке на поверхности диэлектрического слоя начнет синтезироваться озон. При необходимости процесс заряда емкости генератора
озона может быть продолжен путем отпирания вентиля 3 и т.д. На рис.8
показаны моменты времени t1, t2, t3, включения вентиля 3.
При достижении максимального напряжения на генераторе озона (момент времени t4) включается коммутирующий вентиль 6. Начинает протекать разрядный ток по цепи 2-5-6-2. Разрядный ток нарастает по экспоненциальному закону из-за наличия в цепи разряда дросселя и емкости генератора озона. При достижении максимального значения тока в цепи 2-5-6-2
вентиль 6 выключается, а разрядный ток продолжает протекать по цепи 54-1-2-5 (уменьшаясь по величине) за счет энергии накопленной в дросселе 5.
Напряжение на емкости генератора озона продолжает понижаться. Когда запасенная энергия в дросселе 5 иссякнет ток в цепи 5-4-1-2-5 прекратится. Напряжение на емкости генератора озона 2 перестанет снижаться.
Опять включится вентиль 6 (момент времени t5).
t1
t2
t3
t4 t5
t6
Рис.8. Эпюра напряжения на генераторе озона при транзисторно-дроссельном варианте питания генератора озона.
41
В зависимости от величины индуктивности дросселя 5 и емкости генератора озона 2 возникает необходимость перекачки тока через периодически отпирающиеся вентили 3 и 6. Хотя как утверждает Силкин Е.М. заряжать и разряжать емкость генератора озона возможно за один цикл
поочередного включения вентилей 3 и 6 [74].
В настоящее время ведутся поиски схем источников питания генераторов озона не содержащих реактивных элементов, которыми на рабочих частотах можно пренебречь. Такие источники питания являются стабилизированными. Параметры их практически не зависят от частоты и нагрузки
из-за отсутствия в них реактивных элементов.
1.5 Новые направления в развитии высоковольтных источников
электропитания на базе электронно-лучевых приборов.
Появившиеся в 70-80-х годах работы В.И. Переводчикова [75, 76] по созданию электронно-лучевых вентилей с рекуперацией энергии и затем предложенная на том же принципе разработка пролетного пентода В.Е. Гинзбургом [77] позволило рассмотреть вопрос подключения источника питания непосредственно к озонатору без высоковольтного высокочастотного
повышающего трансформатора. На рис.9 изображена схема электронно-лучевого вентиля ( ЭЛВ),
работающего в выпрямительном устройстве. В электронно-лучевом приборе используется принцип
рекуперации энергии при глубоком торможении
на коллекторе 4 электронного потока. Для реалиизации этого принципа между катодом и коллектором помещается ускоряющий электрод 3,
уровень потенциала которого определяется величиной тока отбираемого с катода. На коллекторе в
Рис.9. Схема ЭЛВ.
проводящий полупериод поддерживается низкий потенциал, существенноно более низкий, чем потенциал на ускоряющем элекэлектроде 3. За счет протекания значительного тока через ЭЛВ, находя42
щегося в отпертом состоянии, все напряжение со вторичной обмотки трансформатора практически прикладывается к сопротивлению нагрузки (RН).
Сущность работы такого прибора заключается в следующем. Электронный поток с катода под действием электрического поля сформированного
ускоряющим электродом, продвигаясь от катода к ускоряющему электроду,
приобретает дополнительную кинетическую энергию. Максимальное значение запасенной энергии обозначается в момент пересечения плоскости ускоряющего электрода. Затем электронный поток попадает в тормозящее поле, и отдает этому полю значительную часть запасенной энергии. Происходит рекуперация энергии пучка электронов. Чем ниже потенциал коллектора, тем более глубокое торможение электронного пучка, а значит и меньшее падение напряжения на ЭЛВ. Однако при значительном снижении потенциала коллектора, тормозящее поле увеличивается и запасенной энергии
у электронов становится недостаточно для преодоления тормозящего поля.
Сначала часть (более медленных) электронов начинает двигаться в обратном направлении, а затем возникает лавинообразный процесс обратного
потока электронов к ускоряющему электроду. В конечном счете, вся масса
электронов устремляется на ускоряющий электрод. Возникает явление виртуального катода [78]. Для увеличения КПД требуется понижение потенциала анода (коллектора) при условии надежной транспортировки электронов
к токоприемнику (коллектору). Для этого используют различные ловушки
электронов вокруг коллектора, которые представляют собой механические
конструкции. Например, в работах [79, 80] коллектор выполнен в виде цилиндра Фарадея. Эти приемы позволяют при выборе соответствующих режимов в лампе обеспечить достаточно высокий КПД при низких потенциалах коллектора. В многосеточных приборах на входе коллектора устанавливают дополнительную сетку, устраняющую обратный поток элетронов
с коллектора, а коллектор выполняют в виде воронки или полусферы [81,
82]. Учитывая возможности разработанных электронно-лучевых приборов,
автор данной работы предложил дополнительные меры по стабилизации
43
обратного тока и надежной транспортировки электронного пучка на коллектор в широком диапазоне рабочих напряжений практически на всем
участке проводящего полупериода.
КПД электронно-лучевого вентиля может быть рассчитано по формуле:
η = 1 − (∆U/U + ∆I/I)
(1)
где: ∆U/U - относительные потери по напряжению;
∆I/I - относительные потери по току
Современные электронно-лучевые приборы обладают весьма малыми
значениями относительных потерь по напряжению и относительных потерь
по току. Например, в работах [83, 84] приводятся типовые параметры относительных потерь по напряжению и по току, которые не превышают 1−2%.
КПД может достигать 98−99%.
В работе [83] дана развернутая формула КПД электронно-лучевого
прибора, где отражен главный фактор торможения - относительный потенциал анода (коллектора) φа = Uа/ UУЭ.
η = 1 − (φа + iуэ) / φ=
(2)
где: φа = Uа/UУЭ; iуэ = Iуэ /Iа; φ= = U=/UУЭ; Uа, UУЭ − потенциалы анода
и управляющего эдектрода в проводящий полупериод; Iа, IУЭ − ток анода и
управляющего электрода; U= − коммутируемое напряжение.
Электронно-лучевые вентили находят в настоящее время применение в
силовой и преобразовательной технике. Пролетные пентоды также относятся к электронно-лучевым приборам с рекуперацией энергии электронного
потока и обладают в отличие от обычных электровакуумных ламп высоким
КПД и высоким динамическим сопротивлением [85,86]. В таких приборах
напряжение на коллекторе практически не зависит от величины пропускаемого через него тока, так как поле, вытягивающее электронный поток
с катода к коллектору формируется не коллектором, а ускоряющим электродом, а коллектор в этом случае является лишь токоприемником. Эти
свойства используются многими авторами при разработке электронных
высоковольтных фильтров [87, 88]. Один из вариантов схем представлен
44
на рис.10. Фильтр позволяет расширить функциональные возможности,
повысить коэффициент сглаживания и предел высоковольтности благодаря использованию в схеме пролетного пентода (титрона). Электронный
фильтр содержит электронную лампу титрон в катодную цепь которого включен транзистор 2 n-p-n
типа, источник 3 напряжения, делитель напряжения
из резисторов 4, 5, усилитель 7 напряжения и
высоковольтный источник питания 9. Резистор 5
зашунтирован конденсатором большой емкости 6.
Устойчивость работы фильтра обусловлена использованием усилителя обратной связи 7 и каскадным
Рич. 10
вклюючением транзистора 2 в катодную цепь титрона 1, образующих два инерционных звена с большой постоянной
времени.
Высоковольтный электронный фильтр работает следующим образом.
При подаче на вход фильтра пульсирующего напряжения от источника
9, в качестве которого может быть использовано выпрямительное устройство рис.7 с зарядным конденсатором параллельно нагрузке, через титрон
1 начинает протекать ток. На титроне создается падение напряжения, часть
которого через схему обратной связи подается в катодную цепь титрона и
устанавливает заданный ток нагрузки. По минимальному току нагрузки резисторами 4 и 5 устанавливается падение напряжения на фильтре большее
на величину пульсаций, чем необходимое минимальное напряжение на
коллекторе, соответствующего максимальному внутреннему динамическому
сопротивлению титрона. Увеличение тока нагрузки незначительно сказывается на падении напряжения на фильтре. Схема обратной связи обеспечивает работу фильтра в широком диапазоне изменения тока нагрузки с постоянным падением напряжения на нем.
Эффективность фильтра, разработанного В.Е. Гинзбургом, обусловлена
большим внутренним динамическим сопротивлением титрона [86] . Напри45
мер, при использовании пролетного пентода типа ПП 1-0,5/10 динамическое
сопротивление составит более 100 кОм, а при использовании пролетного
пентода типа ПП 2-2/85 оно будет более 1000 кОм [89]. Эти качества электронно-лучевых приборов были использованы автором настоящей работы,
которые востребованы при разработке современных источников питания генераторов озона [90,103]. В работе титрона реализована совокупность качесттвенно более высоких параметров, чем в классических сеточных лампах:
на порядок уменьшено собственное падение напряжения при практическом
отсутствии токоперехвата на промежуточные сетки, реализована идеальная
пентодная характеристика, достигнута высокая электрическая прочность (десятки киловольт). Титрон не имеет аналога, что подтверждено патентной
лицензией от Японии [85]. Ячейка, изображенная на рис.10 является фундаментальным звеном для реализации высоковольтных устройств любого
характера: высоковольтный фильтр, стабилизатор напряжения, высокоэффективный источник питания генератора озона. Автором настоящей работы эта
ячейка неоднократно используется в качестве прототипа и входит практически в каждое техническое решение. Каждое техническое решение защищено авторским свидетельством.
Ряд авторов, применяя в высоковольтных источниках питания электронно-лучевые вентили нашли технические решения построения высоковольтных источников питания без согласующего высоковольтного повышающего трансформатора. Нагрузка непосредственно гальванически соединяется
с высоковольтным выходным каскадом. Такие источники питания нашли
широкое применение для питания электрофильтров. Например, в работе
[91] на нагрузку подается знакопеременное напряжение через встречно
включенные электронно-лучевые вентили. На рис.11 изображен фрагмент
электрической схемы с встречно-параллельным включением высоковольтных электронно-лучевых приборов. Как видно из электрической схемы разрядник электрофильтра питается через две встречно-параллельные лампы.
На вентили 4 и 5 подается высокое напряжение со вторичной обмотки
46
трансформатора 13, в первичной обмотке которого включен тиристорный
регулятор 15. Каждый вентиль пропускает свою полуволну знакопеременного напряжения. На ускоряющие
электроды с блоков 21 и 22 постуРис. 11
пают управляющие импульсы.
Особенностью такого источника питания является переход из режима
генератора напряжения, который протекает до момента пробоя разрядника
электрофильтра, в генератор тока после пробоя. Дальнейшее возрастание тока не происходит и зависит только от установившегося режима электроннолучевого вентиля.
В работах [92,93] описан принцип построения источника питания с раздельными выпрямительными устройствами. В представленном устройстве
каждый вентиль питается от отдельного высоковольтного выпрямителя. Оба
выпрямителя разноименными полюсами соединены с общей заземленной
точкой, а противоположные полюса соединены соответственно с анодом
и катодом электронно-лучевых вентилей.
Ток, протекающий через электронно-лучевой прибор, определяется согласно [94, 95] выражением Iа = P × U3/2. Где Iа - ток анода (коллектора); U
– напряжение на ускоряющем электроде; P - первеанс лампы.
Данное выражение использовано автором настоящей работы при рассчете каскадов высоковольтных источников питания генераторов озона, выполненных на электронно-лучевых приборах. При этом учитывалось постоянство потенциала анода (коллектора) при любом токе через электроннолучевой прибор.
В работе [96] представлен вариант многоканального питания нескольких нагрузок подобно предложенному техническому решению [29,32]. Нагрузки запитываются от отдельных проходных силовых каскадов, выполненных
на регулируемых электронных приборах. На Рис.12 изображена принципиальная структурная схема многоканального источника питания разрядных
47
устройств. Предложенное
авторами изобретение [96] относится к
многоканальным источникам питания, в данном случае для питания
высоковольтных разрядных устройств. Многоканальный источник питания
содержит общий источник постоянного напряжения 1, включающий в себя
силовой трансформатор 2, выпрямитель 3, полностью управляемые электронно-лучевые приборы (вентили) 4 – 6 (в зависимости от числа
каналов питания), выходные выводы 7 – 9, к
которым подключена нагрузка, блоки 10 – 12 управления включающие каждый формирователь 13
сигнала управления, первый 14 и второй 15
компараторы, дифференциаторы 16 – 18, триггер
Рис.12
19, элемент 20 гальванической развязки и датчики напряжения 21 и 22, входные выводы 23, дополнительную вторичную
обмотку 24 трансформатора 2 и дополнительный выпрямитель 25 для
питания схем управления 10, 11, 12. Благодаря применению электроннолучевых приборов напряжение на коллекторе (аноде) и ток протекающий
через вентили не зависят от приложенного напряжения от выпрямителя 3
и вольтамперной характеристики нагрузки, а зависит лишь от
управляющего потенциала на управляющем электроде, который задается
управляющей схемой. Этот момент является важным, так как максимальное значение напряжения на разряднике выбирается вблизи уровня
пробоя, что снижает интенсивность искрообразования и повышает КПД устройства.
Следует отметить, что источники питания Рис.5 и Рис.12 относятся к категории униполярных источников питания. Такие источники питания могут
успешно работать на резистивно-емкостную нагрузку, т.е. на разрядники различной конструкции. Однако в работе [97] показана нецелесообразность
применения их для питания электрофильтров, так как при этом приходится
применять громоздкие механические отряхивающие системы осадительных
48
электродов. Наиболее предпочтительна знакопеременная форма напряжения,
создаваемая источниками, предложенная И.П. Верещагиным и Г.З. Мерзабекяном. При таком питании значительно ослабляются силы адгезии
пыли к осадительным электродам, и возникает эффект самоочистки. В
работе [100] подчеркнуто значение целесообразности питания электрофильтра знакопеременным напряжением, так как эффективность пылеочистки повышается, снижаются энергозатраты, появляется возможность
полного отказа от громоздких систем механического отряхивания осадительных электродов.
Хотя в источниках электропитания электрофильтров и генераторов озона много общего, однако, автором настоящей работы будет показана нецелесообразность питания генераторов озона знакопеременным напряжением и не только из-за того, что в генераторах озона нет необходимости в
механическом отряхивании осадительных отходов, а из-за особенностей процесса генерирования молекул озона в электрическом разрпяде.
Использование электронно-лучевых приборов в источниках питания генераторов озона аналогично питанию электрофильтров позволит:
- поддерживать на электродах более высокое предпробойное напряжение
и стабилизировать ток нагрузки после пробоя или короткого замыкания;
- обеспечивать быстрое отключение напряжения питания при пробое, при
этом происходит защита нагрузки и источника питания, осуществляется экономия потребляемой электроэнергии [97].
В работах [98, 99] представлены авторами источники питания знакопеременного напряжения. Источники питания [98, 99] содержат фактически
два источника питания , которые через электронно-лучевые приборы подподключены к нагрузке встречно, а противоположные полюса этих источников заземлены. Один из вариантов схемы изображен на Рис.13. Источник питания включает в себя два раздельных сетевых выпрямителя 3 и 5,
каждый из которых состоит соответственно из тиристорного регулятора 12
и 13, силового трансформатора 6 и 7, выпрямителей 8 и 10. Сетевые выпря49
мители через электронно-лучевые приборы 2 и 4 подключены к нагрузке 1
встречно, а противоположные полюса этих источников заземлены. Тиристорные регуляторы управляются сигналоми с блоков 14 и 17, а блоки управления 18 и 19 задают номинальные напряжения на ускоряющих электродах
вентилей 2 и 4. Устройство
работает следующим образом. Высоковольтные источники 3 и 5 поддерживают
на разрядном устройстве 1
предпробойное напряжение
в течении положительной
и отрицательной полуволны
Рис.13.
знакопеременного напряжения. Блок 16 вырабатывает импульсы управления коммутаторами 2 и 4 и
источниками 3 и 5 питания так, что при включении устройства подаются
отпирающие сигналы, например, на коммутатор 2 и источник 3, На разрядном устройстве формируется сигнал положительной полярности, а коммутатор 4 и источник 5 заперты. При изменении полярности напряжения
сначало выключаются источник питания 3, а коммутатор 2 на некоторое
время остается отпертым. При уменьшении напряжения на разряднике до
некоторого заданного значения по сигналу с датчика 30 вентиль 2 выключается, а источник питания противоположной полярности 5 и коммутатор
4 отпираются. На разрядное устройство подается напряжение противополжной полярности. Далее процесс повторяется.
В работе [100] предложена схема перспективного источника питания.
В этом источнике классически сочетается полупроводниковый транзисторный инвертор и электронно-лучевой вентиль. Нагрузкой инвертора служит трансформатор, отличающийся тем, что вторичная обмотка трансформатора нагружена не непосредственно на разрядный элемент, а на управляющие цепи электронно-лучевых вентилей. Это позволило выходной транс50
форматор выполнить в виде малогабаритного согласующего трансформатора, а процесс разряда в разрядной камере перевести из генератора напряжения в генератор тока. На рис.14 представлен фрагмент усовершенственного источника питания, в котором высоковольтный каскад выполнен на
перспективных электронно-лучевых приборах.
Рис.14.
Электронно-лучевые вентили включены относительно друг друга встречно и образуют пушпульный каскад. Один из вентилей при включении подает в нагрузку положительную полуволну напряжения, а другой отрицательную создавая тем самым на разрядном промежутке знакопеременное
напряжение.
В работе [101] автор представил строение источников питания, предназначенных для обеспечения высоким напряжением разрядных устройств
на основе перспективных полностью управляемых электронно-лучевых приборов. За прототип схемного решения перспективного источника принята
новая разработка униполярного источника питания на основе трансформаторно-выпрямительного блока [57] с высокочастотной связью с сетью на
частоте 12 кГц. Этот источник длительное время проходил опытнопромышленные испытания на подстанции ТЭЦ 22 Мосэнерго.
Разработанная электрическая схема представлена на рис. 15. Для получения знакопеременного напряжения и максимального КПД используются
две несимметричные схемы удвоения напряжения, в которой ключевой
активный элемент (ЭЛВ), определяющий полярность напряжения на нагруз51
ке, дополнительно используется в качестве схемы удвоения. В качестве зарядного конденсатора схемы удвоения используется емкость разрядного
промежутка.
Рис.15.
Некоторые авторы в разное время независимо друг от друга перекликаются в своих разработках. Так, например, в работах авторов Е.М.Силкина
[74] и Н.И. Джуса [102] разработаны принципы построения источников питания разрядных устройств на основе триггера. Триггер включает в себя
два ключевых каскада выполненных на транзисторах (или тиристорах).
В начальный момент времени, один из коммутаторов открыт и своим
внутренним сопротивлением шунтирует нагрузку рис.16 (вентиль3). Другой
коммутатор при этом заперт (вентиль 2). При подаче управляющего сигнала с устройства 4 коммутатор 3 запирается, а коммутатор 2 отпирается.
Происходит заряд емкости нагрузки через проходной коммутатор 2.
Напряжение на разрядном устройстве 6 возрастает и в момент
электрического разряда поступает сигнал с управляющего устройства 4
противоположного знака. Коммутатор 2 запирается, коммутатор 3 отпирается. Происходит процесс разряда (или перезаряда) в зависимости от
алгоритма работы источника питания. Дроссель 5 в схеме рис.16 выполняет функции накопителя энергии от зарядного тока, который при
включении коммутатора 3 перезаряжает емкость нагрузки. Таким образом,
возникает процесс знакопеременного питания. В зависимости от величины
емкости нагрузки подбирается величина индуктивности дросселя 5. От этих
величин зависит максимально возможная частота закачки энергии в генератор озона. На рис.17 изображена диаграмма напряжения на нагрузке.
В процессе работы, в момент времени t1 (полный отрицательный заряд ем52
кости нагрузки) блок управления снимает отпирающий импульс с коммутатора 2 и подает сигнал отпирания коммутатора 3. Емкость нагрузки
перезаряжается и принимает значение противоположного знака. В момент
времени t2 коммутатор 3 запирается, а коммутатор 2 отпирается. Напряжение на нагрузке приобретает нормальную (отрицательную) полярность.
Рис.16
Рис.17
В предложенных авторами Е.М. Силкиным и Н.И. Джусом технических
решениях достигнута возможность запитывания разрядного устройства как
униполярным так и знакопеременным напряжением (в зависимости от алгоритма работы) от одного источника постоянного напряжения.
В работе [103] представлен авторами униполярный источник питания, а
в работе [104] источник питания с глубоким разрядом. Источники выполнены по принципу заряда и разряда емкости нагрузки аналогично работам
[74 и 102]. Однако, в качестве зарядного и разрядного устройства использованы перспективные электронно-лучевые приборы.
Для защиты электронно-лучевых приборов от излишне выделяемой на
коллекторе мощности в экстремальных режимах, перегреве и снижении КПД,
а в некоторых случаях потери работоспособности прибора используют различные способы защиты. Например, авторы работ [105, 106] используют
для этого различные способы. В работе [105] используется способ при котором ток протекающий через лампу преобразуется с помощью специальной схемы в напряжение в соответствии с законом 3/2, которое подается на ускоряющий электрод, а в работе [106] обратный ток на ускоряющий электрод поддерживается постоянным на протяжении всего прововодящего полупериода.
53
C целью преобразования знакопеременного (переменного напряжения)
в униполярное рядом авторов разрабатываются специальные технические
решения [106, 107]. В этих устройствах используются перспективные электронно-лучевые приборы с рекуперацией энергии электронов на коллекторе.
Авторами [108] предложено оригинальное техническое решение электронной защиты, принцип действия которой основан на физике поведения
электронного пучка в электронно-лучевом приборе при коротких замыканиях в нагрузке. Такая защита может успешно применяться в перспективных электронно-лучевых приборах c траекториями электронов перпендикулярных поверхности коллектора [82,109,110]. Габариты таких электронных
устройств, при тех же параметрах, значительно меньше, чем габариты с
коллектором типа цилиндра Фарадея.
Следует так же отметить, что использование полностью управляемых
источников электропитания позволит выбрать точку оптимальных затрат
электроэнергии на производство озона. Это связано с тем, что при низких
значениях напряжения питания энергия разряда недостаточна, что слабо
влияет на процесс расщепления молекул кислорода и образование свободных атомов кислорода. Напротив, при больших значениях напряжения
появляются значительные количества атомов кислорода с энергиями достаточными для расщепления уже образовавшихся молекул озона. Наблюдается седлообразность в зависимости энергозатрат от приложенного к
генератору озона напряжения [111]. Необходимо найти компромисс, при котором обеспечивается максимальный КПД и достигается максимальный выход озона при минимальных энергозатратах. Поэтому источник питания
должен быть стабилизированным, иметь возможность поддерживать оптимальный режим питания генератора озона. Эта возможность может быть
достигнута применением полностью управляемых электронно-лучевых вентилей и пролетных пентодов. Проведенный анализ состояния производства
озонаторного оборудования в России указывает на то, что в настоящее время
нет организаций, продукцию которых удовлетворяла бы полностью требо54
ваниям к озонаторному оборудованию, в том числе и надежность.
1.6. Выводы.
Анализируя проведенный диссертационный анализ литератупных источников можно сделать следующие выводы. Традиционное исполнение источников высокого напряжения для питания генераторов озона исчерпало
свои возможности. Требуется пересмотр тех установившихся понятий по
конструипрванию высоковольтных источников питания генераторов озона,
которые существуют в настоящее время в Российской Федерации..
Наиболее приемлемым и перспективным вариантом исполнения источника питания может являться источник, разработанный А.В.Щербаковым
на электронно-лучевых вентилях. В источнике Щербакова А.В. отсутствует
высоковольтный высокочастотный трансформатор. Однако из-за специфики
работы на нагрузку (электрофильтр) требуется знакопеременное напряжение.
Исходя из специфики работы генератора озона, необходимо выяснить возможность сопряжения параметров источника питания и генератора озона.
Для этого необходимо исследовать и проанализировать работу генератора
озона при знакопеременном и униполярном электропитании. Сделать соответствующие предложения по обеспечению оптимальных выходных параметров источника питания. Необходимо оптимизировать параметры ЭЛП для
работы в схеме с максимальным КПД, исключить нерабочие зоны генератора озона и источника питания, разработать принцип электронной защиты
ЭЛП и генератора озона при работе в экстремальных режимах, проанализитовать характеристики ЭЛП на предмет пригодности их к применению в
источниках питания генераторов озона. На основании анализа электрических режимов работы генераторов озона барьерного разряда разработать
технические решения создания конкурентоспособных электрических схем
высокочастотных источников электропитания с гальванической связью с нагрузкой, позволяющих исключить громоздкий высоковольтный высокочастотный выходной трансформатор.
55
Глава 2. Научно-технические решения построения высоковольтных источников униполярного и знакопеременного электропитания генераторов озона…………………………………………………….
2.1. Особенности построения высоковольтных устройств генераторов озона Welsbach H. и Masuda S. и их источников питания.……...
2.2. Особенности использования электронно-лучевых приборов в источниках электропитания генераторов озона Welsbach H., Masuda S…...
2.3. Принципы создания перспективных моделей высоковольтных
источников электропитания и генераторов озона на основе отечественного электротехнического приборостроения.…………………………..
2.4. Выводы.……………………………………………………………….
56
56
60
71
76
2.1. Особенности построения высоковольтных устройств генераторов
озона Welsbach H. и Masuda S. и их источников питания.
В этом разделе обозначены основные направления постановки задач
диссертационного исследования по следующим вопросам:
1. Изучение влияния параметров выходного напряжения источника питания на КПД установки при знакопеременном и униполярном питании.
2. Обоснование технических требований на основные параметры источника питания работающего на несимметричный генератор озона.
Исследование влияния параметров выходного напряжения источника
питания на КПД установки проводились с использованием современных
методов и экспериментальной техники, включающей специально разработанный стенд. На основании экспериментальных и теоретических исследований необходимо было определить оптимальные параметры напряжений
и выходных токов источника работающего на генератор озона.
Для исследований были использованы нагрузки источника питания похожие по физике процессов ионизации кислородосодержащего газа и выработке озона над поверхностью диэлектрика (несимметричные нагрузки):
- барьерный генератор озона Велсбаха (Welsbach H.);
- барьерный генератор озона Масуды (Masuda S.).
56
Первый образец генератора озона, наиболее распространенный в зарубежной и отечественной промышленности, представляет собой трубчатый
озонатор с одним диэлектрическим слоем [27]. Высокое знакопеременное
напряжение (7-12 кВ) подводится на образец с вторичной обмотки высоковольтного повышающего трансформатора. Внешний цилиндрический электрод генератора озона изготовленный из металла заземляется и подключается к нулевой фазе источника высокого напряжения (7-12 кВ) переменного тока. Внутри этого электрода строго по центру размещается стеклянная трубка меньшего диаметра, покрытая c внутренней стороны графитом.
Высокопотенциальная фаза источника питания подключается к графитовому электроду стеклянной трубки. Зазор между стеклянной трубкой и внешней металлической гильзой предусмотрен для подачи кислородосодержащего сухого газа (воздуха) для ионизации его электрическими разрядами. Охлаждение такого озонатора осуществляется путем охлаждения внешнего заземленного цилиндрического электрода водой. При таком способе
охлаждения наблюдается слабо передающая тепло газовая прослойка. В связи с этим диэлектрический барьер охлаждается плохо, перегревается, теряет
надежность и поэтому часто разрушается. В промышленных установках последовательно с каждой трубкой Велсбаха ставят плавкий предохранитель,
который при перегорании исключает пробитую трубку. На рис. 18 представлена электрическая блок - схема генератора озона Велсбаха.
Рис. 18. Электрическая блок-схема генератора озона Велсбаха. Где 1графитовое покрытие барьера, 2 - диэлектрический барьер, 3 - поток кислородосодержащего газа, 4 - внешняя охлаждаемая водой заземленная гильза,
5 - вода или иной хладагент. Стрелками показано электрическое поле между обкладками диэлектрика.
57
Заземленная гильза упрощает конструкцию и ремонтопригодность генератора озона.
Для увеличения отбора тепла от диэлектрического барьера фирмой Fuji
предложен вариант, в котором диэлектрический барьер наносится на внутреннюю поверхность гильзы заземленного охлаждаемого водой внешнего
электрода. В этом случае улучшается охлаждение диэлектрического барьера.
Барьер дольше сохраняет свои диэлектрические свойства. Однако усложняется изготовление и ремонтопригодность.
Рис.19
На рис.19 представлена электрическая блок- схема генератора озона
фирмы Fuji. Где 1- внешняя охлаждаемая гильза, 2 - диэлектрический барьер,
3 - поток кислородосодержащего газа, 4 - электрод, 5 - вода или иной хладагент. Стрелками показано направление электрического поля между обкладками диэлектрика.
Выделенное в охлаждаемую гильзу хладагентом тепло представляет
собой потери мощности отбираемой от источника питания и следовательно потери КПД.
В качестве третьего варианта для исследования был выбран генератор
озона Masuda S..
Ввиду того, что японская фирма Masuda S. не представила в наше распоряжение для испытаний образцы штатных генераторов озона барьерноповерхностного разряда, пришлось с визуально воспроизведенного фотошаблона изготовить несколько образцов на основе материалов отечественного
электро-радио приборостроения. Из-за неимения аналогов были изготовлены по специальной технологии несколько экземпляров отечественных генераторов озона барьерно-поверхностного разряда. Образцы были
58
испытаны и исследованы на соответствие параметров генератора озона
Masuda S. Кроме того экземпляры были подвержены испытаниям на надежность и долговечность. Наиболее слабые образцы были отбракованы.
Такое устройство представляет собой плоский пластинчатый озонатор,
в котором за счет расположения индуцирующего и разрядных электродов
непосредственно на поверхности барьера при подаче переменного высокого напряжения в несколько киловольт возникает барьерно-поверхностный
разряд.
Рис. 20.
На рис. 20 представлена электрическая блок- схема генератора озона
Masuda S. Где 1 - разрядные электроды, 2 - диэлектрический барьер, 3 - поток кислородосодержащего газа, 4 - заземленный электрод, охлаждаемый
проточной водой. Обратными стрелками, направленными от разрядных
электродов 1 к диэлектрическому барьеру 2 показано электрическое поле.
Анализируя результаты ранее проведенных экспериментальных и теоретических исследований [26,30] в области получения озона с помощью генераторов барьерного и барьерно-поверхностного разряда в совокупности
с источниками питания [46 ÷ 53] напрашивается вывод: эффективная передача энергии от источника питания к газу до настоящего времени не достигнута. Это связано не только с недостаточно оптимальным строением
электрической схемы источника питания, но и с несовершенством понимания (представления) технического образа генератора озона барьерного и
барьерно-поверхностного разрядов. Традиционное понимание этих обязательных составляющих - источника питания и генератора озона привело к
59
несостоятельности тех теорий, которые существовали до настоящего времени. Исследования некоторых авторов прямо или косвенно доказывают
о неодинаковом воздействии на кислородосодержащий газ в генераторах
озона барьерного и барьерно-поверхностного разряда положительных и отрицательных полупериодов прикладываемого к ним знакопеременного напряжения. Просматривается явная не симметрия физической модели азонообразования. Как видно из структурных схем рис. 18,19,20 каждый генератор озона включает в себя индуцирующий и разрядный электроды разделенные между собой диэлектрическим барьером и газовой прослойкой. В
озонаторах Велсбаха и Масуды барьер прилегает непосредственно к индуцирующему электроду, а разрядный - к кислородосодержащиму газу. Индуцирующий электрод защищен практически от воздействия электрических
разрядов, а разрядный, постоянно подвергается их воздействию. Модель
такой электрической системы может быть представлена в виде неравноплечной. С целью рационального использования свойств газоразрядного
промежутка и выяснения обстоятельств для разработки новой концепции
построения источников питания в данной диссертационной работе предусмотрено проведение детального теоретического исследования и изучения
электрической структуры озоногенераторов барьерного и барьерно-поверхностного разряда.
2.2. Особенности использования электронно-лучевых приборов в источниках электропитания генераторов озона Welsbach H., Masuda S.
В этом разделе обозначены основные направления постановки задач
диссертационного исследования по следующим вопросам:
1. Изучение процессов в силовых каскадах схем источников питания,
влияющих на основные электрические параметры, а также надежность и
долговечность.
2. Разработка и обоснование принципов построения электрических схем
наиболее оптимальных для питания несимметричных генераторов озона.
60
Применение в настоящее время электронно-лучевых приборов титронов
и электронно-лучевых вентилей в народном хозяйстве весьма ограничено
из-за не изученности их применения в различных областях науки и техники. Применение электронно-лучевых приборов в источниках электропитания
генераторов озона является новым направлением в научно-техническом
прогрессе. Это направление открывает новые перспективы в развитии отечественной озонаторной техники и несет такие преимущества как:
1. Решение задачи построения бестрансформаторного высоковольтного
высокочастотного оконечного каскада питания генератора озона на повышенных частотах ≥ 12 кГц в отличие от традиционных, работающих непосредственно на частоте первичной сети 50 Гц.
2. Решение задачи снижения массогабаритных характеристик и конструкционных затрат.
3. Решение задачи использования в оконечных каскадах электроннолучевых приборов.
4. Осуществить гальваническую связь с нагрузкой и обеспечить тем самым полную управляемость разрядными процессами в генераторе озона.
5. Решение задачи повышения КПД источника питания и генератора
озона.
Необходимость разработки и испытаний источников питания, работающих на повышенной частоте гальванически связанных с нагрузкой без выходного высоковольтного высокочастотного трансформатора связано с тем,
что отечественная промышленность такие агрегаты не выпускает.
В целом направление работ связано с изучением ряда факторов cпособствующих использованию электронно-лучевых приборов в источниках
электропитания генераторов озона. К этим факторам относятся:
1. Исследование и изучение переходных процессов в агрегатах источник питания - генератор озона.
2. Исследование и изучение характеристик электронно-лучевых прибо-
61
ров с торможением пучка электронов на коллекторе, работающих в технологических установках озонирования.
3. На основании анализа характеристик электронно-лучевых приборов
разработать научно-технические решения по созданию электрических схем
полностью управляемых конкурентно способных высоковольтных высокочастотных источников питания, работающих на частотах до 40 кГц с гальванической связью с нагрузкой.
4. Разработать научно-технические решения по конструированию электронно-лучевых приборов для быстродействующей электронной защиты от
коротких замыканий.
5. На основании сравнительного анализа работы источника питания и
генератора озона при знакопеременном и униполярном питании предложить научно-технические решения способа питания генератора озона и его
техническую реализацию.
Для проведения экспериментальных исследований и изучения свойств и
параметров источников, предназначенных для электропитания генераторов
озона барьерного и барьерно-поверхностного разряда, были использованы
наиболее подходящие разработки В.Е.Гинзбурга - титроны - пролетные пентоды и В.И. Переводчикова - электронно-лучевые вентили (ЭЛВ). Обе разработки относятся к электронно-лучевым приборам с торможением электронов на коллекторе. Один из типовых экземпляров представлен на рис. 21.
К основным параметрам прибора - пролетного пентода относятся: допустимый ток коллектора; напряжение коллектора; напряжение коллектора при
отсутствии коллекторного тока; падение напряжения на лампе при номинальном токе; внутреннее сопротивление лампы (динамическое); допустимая
мощность рассеяния на коллекторе; рабочая частота и др. Для проектирования и разработки бестрансформаторных источников питания необходимо
провести анализ параметров прибора - пролетного пентода на соответствие
выходным параметрам напряжений и токов стандартных высоковольтных
источников питания генераторов озона [27,51]. Согласно существующим в
62
настоящее время положениям напряжение на генераторе озона должно
быть не менее 10 - 12 кВ синусоидальной формы [27] и частоты возбуждения 15 - 20 кГц [51]. Теоретические и экспериментальные исследования должны установить правильность выбора альтернативных приемов получения необходимых для возбуждения генератора озона напряжений и токов с помощью электронно-лучевых приборов с торможением электронов на коллекторе. Основные параметры пролетных пентодов представлены
в таблице 2.
Рис.21
Таблица 2
ПП1-0,5/20 ПП3-0,5/20
Ток коллектора, А
0,5
0,5
Напряжение коллектора, кВ
10
10
Допустимое напряжение на коллекторе ( Iк=0), кВ
20
20
Падение напряжения на коллекторе (Uк=min), В
250
200
Внутреннее динамическое сопротивление, кОм
˃ 100
˃100
Проходная емкость коллектор-катод, пФ
0,03
0.03
Диапазон рабочих частот. ГГц
≤1
≤1
Мощность накала, Вт
30
30
Как видно из таблицы 2 пролетные пентоды ПП1-0,5/20 и ПП3-0,5/20
могут быть включены непосредственно в цепь питания генератора озона
Велсбаха (Welsbach H.) и Масуда (Masuda S.), так как допустимые напряжения превышают необходимые для возбуждения плазмы в ГО.
На рис.22 и 23 изображены вольтамперные характеристики пролетных
пентодов ПП1-0.5/20 (рис.23) и ПП3-0,5/20. Из графиков видны уникальные особенности пролетных пентодов (титронов). Практически напряжения
на коллекторе не зависит от тока коллектора.
63
Ток коллектора зависит только лишь от напряжения на управляющем электроде. Этим объясняется возможность через титрон управлять
токами протекающими через генератор озона, что невозможно при питании его от вторичной обмотки
повышающего высоковольтного
трансформатора. Стабилизация
тока горения электрического
разряда является одной из основных функций выходного
каскада источника питания.
При этом гарантируется стабильность работы генератора
Рис.22
озона, его надежность и долговечность. Достаточная высоковольтность титрона позволяет включить его
непосредственно в цепь питания генератора зона, т.е. осуществить гальваническое соединение. Такой способ подключения дает возможность принципиально избавиться от повышающего высоковольтного инерционного
звена - выходного трансформатора [45,46.47], расширить частотный диапазон
и повысить КПД. Что касается расчетной части [48,49,50],
то она упрощается из-за отсутствия выходного “высокочастотного” трансформатора, его
полей рассеивания и всех процессов, связанных с его присутствием в электрической схеме.
Упрощается электрическая схеРис.23
ма и упрощается конструкция.
Аналогичные по принципу действия электронно-лучевые вентили ЭЛВ
обладают так же высоким КПД, однако они работают, как правило на час64
тотах не выше ультразвуковых, тогда как титроны способны работать в
диапазоне СВЧ волн. Допустимые токи через ЭЛВ на несколько порядков
больше чем у титронов.
Основополагающим моментом возникновения ЭЛВ, а затем и титронов явилось изобретение Г.И. Будкера и В.И. Переводчикова “Электронный
высоковакуумный вентиль“[75]. На основании этих разработок появилась
возможность создания высоковольтных ламп ЭЛВ, работающих практически при допустимых напряжениях свыше 100 кВ и токах до нескольких десятков ампер.
Для повышения КПД необходимо понижение падения напряжения на
элктронно-лучевом приборе. Для этого используются различные способы,
начиная от специальных конструкций коллекторов, электронных ловушек
[80,81] и специальных мер по подавлению (уменьшению) обратного потока
электронов с коллектора на ускоряющий электрод [105].
Автором данной работы предложен способ питания электронно-лучевого прибора с принудительным электронным управлением потока электронов в промежутке ускоряющий электрод – коллектор. Этот промежуток характеризуется тормозящим полем, в котором электронный поток отдает
большую часть энергии накопленной в ускоряющем поле в промежутке
катод – ускоряющий электрод. Теоретические и экспериментальные исследования данного вопроса дают возможность проектирования источников питания с повышенным КПД, так как позволяют жестко стабилизировать
процесс рекуперации в заданной критической точке перегиба характеристики Iуэ,Uк. По результатам испытаний предложена оригинальная электрическая схема реализующая способ управления электронно-лучевым прибором в критической точке. Например, на рис.23 эта точка может быть выбрана с координатами: Uкол= 200В; Iкол=100мА; Iа1=5мА; Uа1=1200В;
Uа2=0; Uупр = - 85В.
В данной работе посвящается раздел изучению построения быстродействующей электронной защиты от коротких замыканий в нагрузке в объе65
ме электронно-лучевого прибора. Следует отметить недостаточную проработанность электронных способов защиты устройств высоковольтного питания и разрядных камер от коротких замыканий и электрических пробоев.
Разработанные защиты не имеют достаточного быстродействия, что снижает надежность и долговечность источников питания и разрядных камер.
Ограничение тока в разрядном промежутке происходит за счет пентодной
характеристики электронно-лучевого прибора, что исключает реально от лавинобразного нарастания тока в нагрузке. Действительно снижает вероятность наступления экстремальных режимов при работе, но ограничивает
лишь ток разряда и ток пробоя, но в дальнейшем не отключает систему
от перегрузки. Управление пентодной характеристикой в момент короткого замыкания является наиважнейшей задачей продления срока службы
генератора озона и самого источника питания.
В данной работе была поставлена задача провести теоретическое и экспериментальное исследование неоднозначности выбора режимов питания
разрядных камер генераторов озона (ГО) и похожих по физике процессов
разрядных камер электрофильтров (ЭФ). Провести сравнительный анализ
используемой формы питающего напряжения (знакопеременной или униполярной). Одним из условий возникновения желаемого эффекта в том и
другом случае является построение схем способных вырабатывать высокое
напряжение 15 - 20 кВ униполярного или знакопеременного питания с частотой колебаний 10 - 12 кГц [97]. В генераторах озона Велсбаха, например
со стеклянным барьером, подается знакопеременное напряжение 10 – 12 кВ
и частотой колебаний 7 – 8 кГц.
В работе [97] предложен вариант питания разрядного устройства пылеочистки на эдектронно-лучевых приборах. Сложность выбора режима питания заключалась в неоднозначности применения знакопеременного или
униполярного питания. Спецификой работы разрядной камеры ЭФ является
не только обеспечение процесса ионизации микрочастиц, но и процесса
сбора и удаления. До недавнего времени применялся механический способ,
66
который характеризовался сложностью конструкции, низкой скоростью отряхивания.
В последнее время для проектирования источников питания ЭФ разработана новая концепция, основанная на предложенном И.П. Верещагиным
и Г.З. Мирзабекяном способе пылеочистки. При этом способе наиболее
предпочтительным оказывалось знакопеременное питание. При таком питании ослабляются силы адгезии (прилипаемость к осадительному электроду ОЭ) и возникает факт самоочистки. В процессе образования пыли на
ОЭ при изменении полярности приложенного напряжения возникают отрывающие силы, которые приводят к самоочистке ОЭ. Одновременно с применением электронно-лучевых приборов появилась возможность повысить
частоту периодов пыле - газоочистки с несколько десятков Гц (при механическом отряхивании) и до 12 - 15 кГц ( при электрическом способе). В
связи с этим появилась обоснованная тенденция к развитию знакопеременного питания разрядных камер ЭФ. Такая же тенденция длительное время
наблюдается и в развитии строения электрических схем источников питания генераторов озона[45,48,49,50]. Однако кроме автора настоящей работы
высказывались мнения и других авторов о неоднозначности применения
знакопеременного питания для генераторов озона в отличие от питания
ЭФ. В связи с этим перед автором данной работы стояла задача проведедения теоретических и экспериментальных исследований по применению в
источниках питания генераторов озона униполярной формы напряжения и
разработать научную концепцию и предложить техническое решение по
разработке электрической схемы униполярного источника питания на электронно-лучевых приборах с бестрансформаторным выходом с гальванической связью с нагрузкой.
В целях получения однополярного питающего напряжения в преобразовательной технике неоднократно встречаются разработки преобразования
переменного напряжения в униполярное. К таким разработкам можно отнести устройства, которые отмечены свидетельствами на изобретение. Это
67
устройства В.Е. Гинзбурга “ Устройство для преобразования ВЧ энергии
в постоянный ток “ [106] и В.Л. Верещагина “ Преобразователь переменного
напряжения в постоянное “ [107]. В первом случае преобразование происходит с помощью высокочастотных приборов - титронов, во втором случае с помощью электронно-лучевых вентилей.
Аналогичного назначения разработки встречаются на базе высокочастотного трансформатора с использованием низковольтного инвертора в первичной обмотке и с несколькими низковольтными вторичными обмотками
нагруженными на диодные мосты, соединенные последовательно для получения высокого униполярного напряжения [57]. Но более близким по содержанию является устройство униполярного питания на электронно-лучевых вентилях [96]. Каждый вентиль, являющийся проходным управляемым коммутатором, нагружен на генератор озона. Особенностью такого
построения схемы является применение полностью управляемого электронно-лучевого вентиля. В результате чего отпала необходимость высоковольтного высокочастотного выходного трансформатора. Повышение напряжения происходит на первичной сети с частотой 50 – 60 Гц и затем коммутируется с любой заданной частотой электронно-лучевым прибором.
В данной работе рассматривается теория, построение электрической
схемы и расчет преобразователя знакопеременного напряжения в униполярлярное. Для решения этих вопросов поставлена задача по разработке оригинальной схемы униполярного питания генератора озона, разработка теории и рассчета устройства, обозначение режимов работы с предельно возможным КПД.
Эти вопросы возникли из-за некоторых особенностей рабочих характеристик электроннолучевых вентилей и титронов. Например, на рис. 24 показаны характеристики ЭЛВ 150/150 характерные для любых ЭЛВ или титронов. Заштрихованные области соответствуют не рабочим (аварийным)
режимам. Правая область ограничена предельной мощностью токоприемника (анода) ЭЛВ, левая – допустимой рассеиваемой мощностью ускоряю68
щего электрода. Аналогичные области наблюдаются и у титронов [77].
Рис. 24. Типовые усреднённые характеристики ЭЛВ с демонстрацией рабочей (незаштрихованной) зоной. ______ вольтамперная; - - - - зависимость тока
на ускоряющий электрод от напряжения на аноде (коллекторе).
Необходимо отметить, что на практике у ЭЛВ высокопотенциальный
ускоряющий электрод обозначается - уэ, а у титрона - а1 (анод первый);
у ЭЛВ токоприемник обозначается как анод, а у титрона - коллектор.
Суть задачи состоит в следующем. При понижении потенциала коллектора, что является положительным, так как при этом уменьшается падение
напряжения на приборе и повышается КПД. Однако при чрезмерном понижении потенциала коллектора приводит к тому, что тормозящее поле промежутка ускоряющий электрод – коллектор затормаживает поток электронов
настолько сильно, что их запасенной энергии в ускоряющем поле промежутка катод – ускоряющий электрод становится недостаточной для достижения их коллектора. Сначала часть электронов, обладающих наименьшей
энергией начинает возвращаться на ускоряющий электрод, а при некотором
более низком значении потенциала коллектора происходит лавинообразное
возвращение электронного потока на ускоряющий электрод. Необходимо
уловить и стабилизировать точки соприкосновения с нерабочими зонами.
В динамическом режиме, как и в обычной сеточной лампе, наблюдается
69
тенденция к понижению потенциала анода (коллектора) при увеличении
напряжения на ускоряющем электроде (сетке лампы). Распределение потенциалов при различных соотношениях на электродах: катоде -4, ускоряющем
электроде -3, коллекторе -2, электронно-лучевого прибора 1 показано на рис.25.
Как видно из рис.25 при увеличении напряжения на
ускоряющем электроде наблюдается эффект усиления
с последующим ухудшением рекуперационного процесса. При этом уменьшается падение напряжения на
лампе до определенного момента. При включении
электронно-лучевого прибора последовательно с нагрузкой (рис.9) первоначально увеличивается падение
Рис. 25.
напряжения на нагрузке Rн.
Как видно из диаграммы недостатком такой системы является несовершенство рекуперационного процесса возникающего в промежутке ускоряющий электрод-коллектор. При увеличении потенциала ускоряющего электрода увеличивается ток через электронно-лучевой прибор (ЭЛП), но одновременно неуправляемо падает напряжение на коллекторе, что приводит неизбежно к увеличению обратных электронов. Для устранения этого явления
автором поставлена задача по разработке концепции стабилизации процесса
токопередачи на коллектор во всем промежутке проводящего полупериода
на частотах сопоставимых с назначением ЭЛП, а также и разработка технического решения с практически стабилизируемым минимальным обратным током с коллектора на ускоряющий электрод.
Преимуществом работы ЭЛП перед обычными электровакуумными приборами является высокий КПД за счет рекуперации электронов при низком
потенциале коллектора. Для пропускания больших токов через прибор необходимым условием является обеспечение допустимой мощности рассеиваемой коллектором. Чем ниже потенциал коллектора, тем проще конструкция коллектора, тем проще его система охлаждения. При увеличении потенциала коллектора, мощность, выделяемая на нем возрастает, а режим
70
работы ЭЛП переходит в аварийный режим, характеризующийся резким
превышением допустимых значений параметров прибора.
Следующим этапом теоретического и экспериментального исследования
явилось рассмотрение наиболее опасной зоны (правый заштрихованный
участок рис.24), который наиболее актуален при работе ЭЛП на разрядное
устройство в виде генератора озона, с изменяющимися сопротивлениями
нагрузки Rн, вплоть до короткого замыкания.
Например, в каждом параллельном включении силовых цепей для исключения поврежденной, последовательно с каждой, ставится плавкий предохранитель [29].
Аналогичное решение используется в трубках Велсбаха. При разрушении диэлектрического барьера исключается из схемы любая трубка, путем
перегорающего предохранителя, включенного последовательно с каждой
трубкой Велсбаха. При таком варианте исключения трубки потребуется
0,3 - 0,4 секунды. Этого времени достаточно для разрушения коллектора
(токоприемника ЭЛП).
Автором поставлена задача разработать техническое решение, позволяющее практически мгновенно отсечь (исключить) аварийную зону (правая
заштрихованная область рис.24) при коротких замыканиях нагрузки, используя особенности движения и группировки электронов в области прилегающей к коллектору ЭЛП. Решение этой задачи позволит конструировать
ЭЛП и систему его охлаждения с меньшими конструкционными затратами,
снизить массу, габариты, повысить энергоемкость и КПД изделия.
2.3. Принципы создания перспективных моделей высоковольтных источников электропитания и генераторов озона на основе отечественного
электротехнического приборостроения
В этом разделе обозначены основные направления постановки задач
диссертационного исследования применения элементной базы и электротехнических материалов отечественного приборостроения для создания перспективных моделей источников электропитания и генераторов озона.
71
Для исследований были изготовлены несколько образцов генераторов
озона на основе отечественных материалов. В качестве материала барьера
были опробованы три варианта пластин:
1) Из керамики ВК-94-1, обладающей диэлектрической проницаемостью
не более 10,3 при частоте 1ГГц и температуре окружающей среды 25 0С, с
тангенсом угла диэлектрических потерь не более 6×10-4;
2) Из керамики ВК-100-1, обладающей диэлектрической проницаемостью
не более 10,0 при частоте 1ГГц и температуре окружающей среды 25 0С, с
тангенсом угла диэлектрических потерь не более 6×10-4;
3) На пластине из фольгированного медью стеклотекстолита.
При изготовлении образца генератора озона из фольгированного стеклотекстолита необходимый рельеф рисунка наносился на одну сторону пластины с помощью водостойкого нитролака НЦ-25 (НЦ132) через трафарет,
а обратная сторона покрывалась им полностью. Незащищенный нитролаком медный слой удалялся с помощью хлорного железа.
Генератор озона на печатной плате из фольгированного медью стеклотекстолита с рельефом рис.26 подкупал простотой конструкции, дешевизной и несложной технологией изготовления. Рассчитывалось испытать его
работоспособность на начальной стадии теоретических и экспериментальных исследований. Он также служил макетом исходного образца генератора озона Masuda S. с барьерным поверхностным разрядом. Однако, тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, молибден, из которых предполагалось изготовить разрядный и индуцирующий электроды генераторов озона в сочетании с керамическим барьером должны были в большей степени удовлетворять, по мнению автора, требованиям высокой стойкости к
воздействию электрических разрядов и озона - окислителя.
Для изготовления генераторов озона на керамике ВК-94-1 и ВК-100-1
была разработана и применена специальная технология, отличающаяся от
технологии изготовления генератора озона из фольгированного стеклотекстолита. Был использован опыт по нанесению металлов на керамику элек72
троннолучевой трубки в плане НИР – ОКР. - сверхвысоковольтного электронного микроскопа на 2-3 МЭВ (СВЭМ) разработанного в НПО “Орион”.
При выборе металла для генератора озона предусматривалось то, что
металлическое покрытие на керамике должно выдерживать воздействие
сильного окислителя - озона и бомбардировку электрическими разрядами.
От правильного выбора металлического покрытия зависела надежность
и долговечность изделия. В качестве компонентов были выбраны два варианта покрытия - молибдена - марганцевое и вольфрама - молибдена – марганцевое.
На рисунке 26 изображены два керамических генератора озона барьерноповерхностного разряда работающих по принципу Masuda S.
Рис. 26. Генераторы озона. Слева – на керамике ВК-94-1, справа - на керамике
ВК-100-1 из материалов отечественной промышленности. Размеры 60×48×1.
При изготовлении опытных образцов генераторов озона стоял вопрос
не только о выборе материала индуцирующего и разрядного электродов, а
так же о способе надежного закрепления этих электродов на керамической основе без газовой прослойки. Был использован способ нанесения на
керамическую основу металлической пыли со связывающим компонентом
с последующей обработкой в вакуумно-водородной печи с применением
смеси азота и водорода. Такой вариант технологии должен был одновременно обеспечить высокую механическую прочность изделия. К тому
73
же керамические пластины были выбраны стандартных размеров характерных для отечественной промышленности (60×48×1).
Вопрос так же стоял в плане выбора режимов возбуждения генераторов озона. Были выбраны два режима питания - знакопеременный и униполярный.
Для проведения экспериментальных работ подтверждающих правильности исходных установок был разработан специальный стенд, в который
кроме генераторов озона входили два источника питания. Один - знакопеременного питания с повышающим выходным высоковольтным трансформатором, по функциональным возможностям подобный стандартному преобразователю частоты ТСПЧ -10- 0,8- 1,0 и специально разработанный и
испытанный автором настоящей работы источник униполярного питания
[104] на электронно-лучевых приборах с торможением электронов на коллекторе.
Для полной управляемости процесса искрообразования поставлена задача: обеспечить гальваническое соединение токозадающего выходного каскада с генератором озона, тем самым исключить зависимость выходного напряжения от частоты. Поставлена задача стабилизировать величину выходного напряжения в точке оптимального выхода озона. Рядом авторов
выявлена седлообразная зависимость энергозатрат от величины питающего
генератор озона напряжения [111].
На рис. 27 представлена типичная зависимость энергозатрат Э0 от
приложенного напряжения к генератору озона при постоянном расходе газа (м3/ч). Как видно, минимальные энергозатраты достигаются при вполне определенном значении питающего напряжения. При малых значениях
приложенного к генератору озона напряжения, энергозатраты велики. Это
объясняется недостаточной энергией разряда, что слабо влияет на процесс
расщепления молекул кислорода, что приводит к образованию малого количества атомов кислорода способных присоединиться к молекулам кислорода образуя молекулу озона. Наоборот, при напряжениях >5−6кВ появля74
Э0
U
Рис.27 Зависимость энергозатрат Э0 = P/CV (Вт∙ч/г), где P – активная
электрическая мощность потребляемая ГО (Вт), C – концентрация озона г/м3,
V – расход кислородосодержащего газа м3/ч.
ются знаительные количества атомов кислорода с энергиями достаточными
для расщепления уже образовавшихся молекул озона. Следовательно необходимо в любом случае найти компромисс, при котором обеспечивается
максимальный КПД и достигается максимальный выход озона при минимальных энергозатратах. Поэтому источник питания должен быть стабилизированным, иметь возможность поддерживать оптимальный режим питания.
В виду того, что пролетные пентоды являются многосеточными приборами рассчитанными для работы вплоть до СВЧ диапазона, но при этом
не изготавливаются на большие токи (таблица 2), а могут успешно использоваться лишь в слаботочных оконечных каскадах (до несколько сот миллиампер), а так же для раскачки мощных оконечных каскадов поэтому поставлена задача разработать техническое решение, позволяющее согласовать быстродействующий полоупроводниково-титронный управляющий
каскад (рис.10) с мощным проходным электронно-лучевым прибором ЭЛВ [90].
75
Выводы
Анализируя результаты ранее проведенных экспериментальных и теоретических исследований [26,30] в области получения озона с помощью генераторов барьерного и барьерно-поверхностного разряда в совокупности
с источниками питания [46 ÷ 53] напрашивается вывод: эффективная передача энергии от источника питания к газу до настоящего времени не достигнута. Это связано не только с недостаточно оптимальным строением
электрической схемы источника питания, но и с несовершенством понимания (представления) технического образа генератора озона барьерного и
барьерно-поверхностного разрядов. Традиционное понимание этих обязательных составляющих источника питания и генератора озона привело к
несостоятельности тех теорий, которые существовали до настоящего времени. Исследования некоторых авторов прямо или косвенно доказывают
о неодинаковом воздействии на кислородосодержащий газ в генераторах
озона барьерного и барьерно-поверхностного разряда положительных и отрицательных полупериодов прикладываемого к ним знакопеременного напряжения. Просматривается явная не симметрия физической модели азонообразования. Как видно из структурных схем рис. 18,19,20 каждый генератор озона включает в себя индуцирующий и разрядный электроды разделенные между собой диэлектрическим барьером и газовой прослойкой. В
озонаторах Велсбаха и Масуды барьер прилегает непосредственно к индуцирующему электроду, а разрядный - к кислородосодержащему газу. Индуцирующий электрод защищен практически от воздействия электрических
разрядов, а разрядный, постоянно подвергается их воздействию. Модель
такой электрической системы может быть представлена в виде неравноплечной С целью рационального использования свойств газоразрядного
промежутка и выяснения обстоятельств для разработки новой концепции
построения источников питания в данной диссертационной работе предусмотрено проведение детального теоретического исследования и изучения
электрической структуры озоногенераторов барьерного и барьерно-поверх76
ностного разряда.
При подключении источника переменного тока происходит периодическая переполюсовка потенциалов между индуцирующим и разрядным
электродами. При одном варианте полюсации электронный поток под действием электрического поля двигается в направлении индуцирующего электрода и оседает на диэлектрическом барьере (расползаясь по его поверхности) не достигая индуцирующего электрода. При противоположной полюсации электронный поток двигается в противоположном направлении, а
именно к разрядному электроду и полностью на нем оседает и поглощается.
Источники питания установок первого поколения схемотехнически были наиболее просты и содержали кроме первичной сети переменного тока
220-380В промышленной частоты 50-60 Гц громоздкий повышающий трансформатор.
Электропитание генераторов озона второго поколения осуществлялось
переменным током повышенной частоты от 500 Гц до нескольких кГц.
Это позволило снизить удельные энергозатраты на производство озона, и
уменьшить габариты высоковольтного повышающего трансформатора.
Повышение частоты питающей сети стало возможным за счет использования тиристорного или транзисторного низковольтного инвертора
работающего на повышающий высоковольтный трансформатор. Частота
возбуждения инвертора составляет от единиц кГц до 10-12 кГц. Дальнейшее повышение частоты приводит к увеличению потерь в обмотках и в
магнитопроводе высоковольтного повышающего трансформатора.
К основным недостаткам таких источников питания можно отнести:
1. Частотную ограниченность с порогом в 10-12 кГц.
2. Полная неуправляемость процессом искрообразования.
3. Потери КПД из-за трансформаторного знакопеременного питания.
4. Сложность расчетов из-за возникновения обратных токов и полей
рассеяния повышающего трансформатора.
77
В отечественной и зарубежной промышленности широкое применение
нашли несимметричные генераторы озона барьерного типа. Источники питания генераторов озона знакопеременного напряжения с повышающим
высокочастотным трансформатором в настоящее время перестали удовлетворять требованиям к выходным параметрам из-за нового современного
научного подхода к процессу производства озона посредством электрического разряда.
Научные исследования и последующие разработки В.И. Переводчикова,
и В.Е. Гинзбурга, а позднее А.В. Щербакова по созданию электроннолучевых приборов с рекуперацией энергии электронов на коллекторе позволило
рассмотреть вопрос построения источников питания генераторов озона на
совершенно новом перспективном техническом уровне.
Разработанный электронно-лучевой прибор обладает рядом преимуществ
по сравнению с приборами аналогичного назначения. К таким преимуществам можно отнести такие качества как высокий КПД (передача электрической энергии через прибор в нагрузку может достигать 98%), высокое
динамическое сопротивление ≥ 100 кОм при малом прямом падении напряжения (менее 2% от максимально допустимого напряжения) и др.
Учитывая эти преимущества, появляется возможность конструирования
источников питания нового поколения, обеспечивающих научнообоснованные режимы питания генераторов озона. Воздействие на процесс генерирования озона посредством гибко изменяющихся характеристик питающего
нагрузку напряжения и тока позволит осуществить цель автоматического
управления процессом горения электроразрядов в газовой камере в любой
момент времени. Кроме полного управления параметрами напряжения и тока на нагрузке применение электронно-лучевых приборов позволит:
- сконструировать устройство быстродействующей электронной защиты,
обеспечивающей возможность быстрого снятия напряжения с нагрузки при
искровом пробое (защищает электронно-лучевой прибор, источник питания
и нагрузку от разрушения);
78
- стабилизировать величину предпробойного тока в нагрузке до момента отключения ее от источника питания (повышает надежность и долговечность источника питания и нагрузки);
- решить главный вопрос раз и навсегда избавиться от высоковольтного
высокочастотного трансформатора (снижает масогабаритные характеристики, упрощает технологию изготовления, повышает КПД, упрощает расчет
электрических узлов схемы);
- осуществить безынерционную гальваническую связь с нагрузкой;
- расширить верхнюю границу диапазона частот до нескольких десятков
кГц (учащает искрообразование и периодичность ионизации газа в разрядном промежутке);
- сконструировать источник униполярного питания (повышает КПД и увеличивает надежность и долговечность генератора озона).
Необходимость создания и испытания источников питания нового поколения необходима в виду того, что отечественная промышленность такие
агрегаты не выпускает.
Для выявления предпосылок к конструированию научно обоснованных
схем источников питания для генераторов озона исходя из вышесказанного необходимо провести следующие теоретические и экспериментальные
исследования:
1. Для правильного выбора режимов работы источника питания необходимо учесть принципы микроразрядных процессов в генераторах озона
Welsbach H., Masuda S. Определить факторы, влияющие на режимы питания озонаторов барьерного разряда.
2. В процессе теоретических экспериментальных исследований выявить
несостоятельность существующих в настоящее время применяемых режимов питания барьерных генераторов озона (в особенности синусоидальных
и импульсных режимов).
3. Выявить, если таковые определятся, нерабочие зоны при различных
способах современного питания.
79
4. Определить оптимальную форму питающего напряжения, исключающую затягивание процессов восстановления и снижение КПД.
5. Рассмотреть знакопеременный и униполярный способы питания генераторов озона барьерного разряда. Определить оптимальный вариант.
6. Рассмотреть возможность использования в схемах источников питания
электронно-лучевых приборов (ЭЛП). Выявить принципиальные преимущества.
7. Разработать электрическую схему источника питания без использования высоковольтного высокочастотного трансформатора, согласующего выходной каскад с нагрузкой (генератором озона). Разработать электрофильтр
на ЭЛВ и титронах.
8. С целью повышения КПД при устойчивой работе при глубоком торможении электронов на коллекторе разработать концепцию привязки рабочих точек вблизи потенциального минимума. Отсечь нерабочую, характеризующуюся большими потерями мощности, левую часть вольтамперной
характеристики ЭЛП.
9. Разработать электрическую схему и принцип отсечки правой ветви
Вольтамперной характеристики ЭЛП при перегрузках и коротких замыканиях нагрузки.
10. С целью расширения границ диапазона тока нагрузки, поставлена
задача разработать техническое решение, позволяющее образовать тройной
каскад: транзистор – титрон – элв, позволяющий управлять мощным электронно-лучевым прибором посредством низковольтного полупроводникового прибора - транзистора.
11. Для достоверности теоретических и экспериментальных исследований
необходимо разработать испытательный стенд, позволяющий практически
эмитировать различные режимы питания генераторов озона барьерного разряда.
80
Глава 3. Перспективные режимы электропитания генераторов
озона. ………………………………………………………………………….. 81
3.1 Перспективные модели генераторов озона, теоретическое рассмотрение, анализ работы при знакопеременном и униполярном питании…………………………………………………………………………… 81
3.2 Перспективные модели источников питания генератора озона, теоретическое рассмотрение, анализ работы, экспериментальные
исследования…………………………………………………………………..
87
3.3 Особенности использование электронно-лучевых приборов в
схемах источников питания при низких потенциалах коллектора…… 101
3.4 Работа электронно-лучевого прибора при коротких замыканиях в нагрузке………………………………………………………………….. 106
3.5 Выводы. ……………………………………………………………….. 109
3.1 Перспективные модели генераторов озона, теоретическое рассмотрение, анализ работы при знакопеременном и униполярном питании.
Наиболее распространенными в настоящее время являются генераторы
озона барьерного разряда Велсбаха и Масуды. Эти генераторы озона широко используются как в практических разработках, так и в научных исследованиях. Однако длительное время из-за разрозненности научных исследований в области физики процессов протекающих в генераторе озона и в
области создания адекватных источников питания образовалось одностороннее мнение. В основном было обращено внимание на изучение и усовершенствование оконечного звена - генератора озона. Исследовались различные материалы для барьеров, изобретались различные конструкции генераторов озона, исследовались озоностойкие материалы разрядных электродов и выполнялись другие бесчисленные работы, связанные с усовершенствованием параметров и рабочих характеристик. Односторонность теоретических и экспериментальных исследований привели к серьезному недопониманиему того, что полученный озон на выходе озонатора является
совокупным продуктом генератора озона и источника питания. В некото81
рых последних работах отмечается это создавшееся положение дел. Авторы этих работ, придерживающиеся много лет к мнениям других авторов по теории работы и питания генераторов озона [64, 65, 66], пришли в
последнее время к противоположному решению задачи устройства питания
и работы генераторов озона [74]. Новое направление в решении задач теоретического рассмотрения совокупной работы источника питания и генератора озона позволит углубить познания в этой области и расширить диапазон приемов построения озонаторного оборудования.
Для определения параметров и свойств источника питания произведем
теоретическое и экспериментальное исследование работы генератора озона
барьерного разряда. На рис.19 представлена модернизированная блок-схема
генератора озона Велсбаха (блок-схема Fuji), в которой для усиления охлаждения барьера изменено расположение барьера относительно индуцирующего и разрядного электродов. Индуцирующий электрод заземлен, и омывается охлаждающей жидкостью (хладагентом). Барьер, непосредственно
примыкающий к индуцирующему электроду, хорошо охлаждается. При
этом продлевается срок службы барьера, однако, выделяющееся на обкладках тепло, удаляемое водой, увеличивает потери мощности источника питания, нисколько не увеличивая выход озона. Односторонность решения
задачи приводит к продлению срока службы генератора озона при одновременном снижении КПД источника питания и всей установки озонирования.
Рассмотрим воздействие микроразрядов на кислородосодержащий газ,
находящийся в промежутке между индуцирующим и разрядным электродами с диэлектрическим барьером, примыкающим к индуцирующему электроду. В полупериод переменного напряжения, когда индуцирующий электрод 1 с диэлектрическим барьером 2 является анодом (рис. 28), а разрядный электрод 3 катодом, между электродами под воздействием внешнего электрического поля начинается процесс ионизации газа. Возникает
движение электронов в направлении барьера. При увеличении напряжен82
ности ионизационный процесс возрастает, количество электронов увеличивается. Объемный заряд постепенно вытягивается в сторону диэлектрического барьера. При увеличении количества электронов до критического ~ 107 ÷ 108 наступает пробой газового промежутка. Образуется
стримерный канал, у которого головная часть достигает поверхности диэ-
Рис.28
Рис.28а
лектрического барьера. Визуально это выглядит как искра Рис.33 а,б.
Этому процессу соответствует мгновенное значение напряжения на электродах равное значению пробивного напряжения UПР. На поверхность барьера в ходе образования электронов и особенно через стримерный канал
начинают оседать электроны, образуя отрицательный заряд на поверхности
диэлектрического барьера. В области соприкосновения головной части стримера с барьером образуется электронное пятно. Из-за большого поверхностного сопротивления диэлектрика скопление электронов приводит к незначительному растеканию их по поверхности барьера. Обычно материал
барьера имеет удельное объемное сопротивление ρv ≥ 1012 ÷ 1014 Ом × см.
Для керамики ВК -100-1 ρv = 1014 Ом × см. Пятно постепенно увеличивается и на поверхности барьера накапливая заряд Q. Что касается менее подвижных и более тяжелых ионов, образовавшихся при ионизации, они постепенно перемещаются к металлической поверхности отрицательного разрядного электрода и нейтрализуются им. По мере увеличения притока
электронов на диэлектрический барьер образуется заряженный диск с максимальной плотностью заряда в центре диска. Электронный диск кроме вс83
тречного поля Е0, действующего по нормальной составляющей, создает так
же поле по поверхности диэлектрика Епов, в результате которого начинается вдоль поверхности барьера поверхностный разряд лавинного типа. Электрическое пятно расползается по поверхности диэлектрика. Увеличивающийся отрицательный заряд на поверхности барьера создает встречное поле,
которое в газовом промежутке направлено встречно внешнему полю и по
мере накопления заряда на диэлектрическом барьере все больше его компенсирует. В конечном счете встречное поле большого скопления электронов настолько компенсирует внешнее поле, что суммарная составляющая
Е Ʃ = Евн – Е0 в газовой среде снижается. Процесс транспортировки электронов в направлении индуцирующего электрода и ионизационные процессы в этой зоне промежутка прекращаются. Разряд гаснет.
При дальнейшем увеличении прикладываемого к разрядному и индуцирующему электродам напряжения аналогичный процесс происходит в
других точках диэлектрического барьера. Процесс повторяется. Искрообразование будет продолжаться до тех пор, пока приложенное напряжение
U
между индуцирующим и разрядным
электродами не достигнет максимальUm
ного значения Um (рис.29 ). Так как
Uпр
электрическим зарядам с поверхности
барьера стекать практически некуда, в
конечном счета поверхность барьера
i
приобретает суммарный отрицательный
заряд Q, который уменьшает напряженность внешнего поля Евн .Между разнопотенциальными поверхностями образуются две последовательно соединенРис.29
ные заряженные емкости (Рис.28а). Сб емкость барьера и Сг-з- - емкость газового зазора.
Рассмотрим отрицательный полупериод, когда индуцирующий электрод
84
с диэлектрическим барьером является катодом (рис.30). Отсчет будем производить с исходного момента, когда заряд на диэлектрике равен нулю.
Развитие разряда идет в направлении
разрядного электрода. Вновь образуется стример, но при подходе его
головной части к разрядному металлическому электроду все электроны
уходят в металл и не образуют на поверхности электронного пятна. НакопРис.30
ление заряда на поверхностной части
анода не происходит, также и не происходит поверхностного разряда. Но
развитие стримера идет и в сторону катода, к которому перемещаются
положительные ионы. Ионы оседают на барьер, образуя положительный
заряд. При достижении максимального положительного заряда суммарная
напряженность поля в данном промежутке уменьшается, и процесс переноса ионов на барьер прекращается. При достижении напряжения между индуцирующим и разрядным электродом максимального значения Um все разрядные процессы прекращаются.
Иначе обстоит дело, когда стример положительно заряженных ионов
развивается в промежутке анод – катод при наличии уже сформировавшегося отрицательного заряда на поверхности диэлектрического барьера от
предыдущего полупериода. При полном насыщении отрицательными зарядами общей емкостью – Q поверхности барьера в первом полупериоде и
воздействие на этот заряд положительного заряда с емкостью +Q происходит частичная, или при равенстве зарядов полная нейтрализация скопившегося на поверхности барьера отрицательного заряда. Затраты энергии на
рассасывании отрицательного заряда забирается от источника питания.
Как видно из двух рассмотренных полупериодов - первый обеспечивает надежное продвижение в объеме газа большого количества электронов
и максимум ионизационных процессов, что способствует интенсивному
85
образованию озона из кислородосодержащего газа → О2 + ℮ → О + О + ℮,
О + О2 + ℮ → О3 + ℮.
Задача состоит в том, чтобы как можно быстрей вернуть систему в
первоначальное положение, т.е. к первому полупериоду, так как в этом
полупериоде наблюдается наиболее интенсивное озонообразование.
Второй полупериод характеризуется полным всасыванием электронов в
разрядный электрод, отсутствием поверхностного разряда на нем и формированием проникающего на барьер положительного заряда медленных и
тяжелых ионов.
Как видно можно, по крайней мере, предложить два способа снятия
зарядов с образовавшихся емкостей (рис. 28а). Первый способ - это сформировать положительный заряд эквивалентный отрицательному заряду, и
объединить их на одной обкладке конденсатора для нейтрализации зарядов. Второй более простой – произвести разряд обоих конденсаторов путем
закорачивания противоположных полюсов. На рис.28а это произойдет при
размыкании ключа Кл1 и замыкании ключа Кл2. Подобный эффект ключевания достигается в работах [74,103]. Такой способ применим при несимметричной (неравноплечной) конструкции генератора озона. Способ
предусматривает использование однополярного напряжения, при котором
озон образуется за счет бомбардировки молекул кислорода быстрыми
электронами, а полупериод, при котором активными элементами являются медленные и тяжелые ионы исключается.
На рис.20 изображена блок-схема генератора озона работающего по
принципу барьерно-поверхностного разряда предложенного Масудой С.
Аналогичный эффект достигается в генераторах озона выполненных на
двухжильном изолированным диэлектриком проводе, заявленных авторами
[37,38.39]. Как видно из рис.20 активные поверхности индуцирующего и
разряднного электродов расположены не встречно друг к другу, а направлены в одном направлении. Разрядный электрод выполнен в виде чередующихся полосок, расположенных на поверхности барьера. При приклады86
вании к электродам высокого напряжения траектории электрического поля
изгибаются в сторону индуцирующего электрода изолированного слоем диэлектрика. В прилегающем к поверхности диэлектрика кислородосодержащем газе происходит аналогичная ионизация. Электрическое поле в данном
случае оказывается как бы повернутом наизнанку. Силовые линии электрического поля у поверхности диэлектрика имеют также нормальную Е0
и тангенциальную составляющие Епов. Нормальная составляющая направлена внутрь диэлектрика в областях непосредственного примыкания индуцирующий и разрядного электрода к барьеру, где отсутствует кислородосодержащий газ и не участвует в образовании озона рис. 31. Напротив,
тангенциальная составляющая направлена вдоль поверхности диэлектрического барьера, участки которого омываются кислородосодержащим газом,
что приводит к его ионизации и озонообразованию. За счет поверхностной составляющей
электрического поля Епов происходит барьерноповерхностный разряд. Как видно конструкции
генераторов озона могут иметь разнообразный
Рис.31
вид (рис. 18,19,20), однако во всех предложенных вариантах основной формулой озонообразования является один и тотже несимметричный процесс. Разнообразие конструкций и механических
свойств барьеров и индуцирующих и разрядных электродов [38,39,41,44 ]
не изменяют физической сущности несимметричности электрического разряда в генераторах озона барьерного типа.
Из исследуемых генераторов озона становится очевидным то, что их
электрические конструкции являются несимметричными. При разработке источников питания будем руководствоваться именно этими понятиями.
3.2 Перспективные модели источников питания генератора озона, теоретическое рассмотрение, анализ работы, экспериментальные исследования.
За основу построения униполярного источника питания взят принцип,
разработанный коллективом авторов Верещагиным В.Л., Камуниным А.А.,
87
Макальским Л.М, Цетлиным Ф.В., Калининым А.В., Жуковым В.А. [103 ].
Для модуляции тока силового каскада по заданному закону использовалась идея В.Е.Гинзбурга построения уникального каскада, включающего в
себя высоковольтный пролетный пентод и низковольтный управляющий
транзистор рис.10, [87,88, 112].
Согласно характеристикам рис. 23 схема полностью отвечает всем совокупным требованиям управления титроном. Высоковольтность титрона
(десятки киловольт) с исключительной простотой сочетается с низковольтным каскадом управления (десятки вольт). Это позволяет создать классическую быстродействующую ячейку высоковольтного устройства согласующегося с низковольтной быстродействующей полупроводниковой техникой. На рис. 32 изображен лампово-полупроводниковый вариант оконечного каскада источника питания разрядного устройства. Источник питания включает в себя
модулятор, выполненный на титроне 19 с
транзистором 29 в катоде титрона 19. Титрон
19 модулирует напряжение на ускоряющем
электроде проходного мощного каскада, выполненного на титроне 14, в катод которого
включено разрядное устройство в виде генератора озона. Проходной каскад имеет большой коэффициент усиления по току, так как
Рис.32
выполнен по схеме катодного повторителя.
Ток управляющего электрода весьма мал по сравнению с током, протекающим через проходной каскад, связывающий источник питания с разрядным элементом 36.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам
вторичного электропитания. Целью изобретения является обеспечение
необходимых режимов работы генератора озона с надежным процессом
искрообразования. Целью изобретения так же является устранение неуправ88
ляемого процесса возбуждения генератора озона из-за присутствия
передаточного звена в виде высоковольтного повышающего трансформатора.
Источник питания рис.32, научно-исследовательского комплекса, включает
в себя источник 1 высокого напряжения постоянного тока, вспомогательный
источник 5 питания, источник 12 опорного напряжения, управляющий
источник 13 напряжения, делитель 24 напряжения обратной связи;
усилитель 27 сигнала рассогласования, токоограничивающий резистор 30,
резистор 31 смещения, развязывающий диод 32, управляющий титрон 19,
регулирующий титрон 14.
При питании генератора озона через активный преобразователь на
пролетных пентодах ПП1-0,5/20 (рис.32) возможности при сохранении
однополярного питания значительно расширяются. Эти возможности
определяются принципом работы преобразователя.
Активный преобразователь содержит высоковольтный источник 1
питания постоянного тока с положительным полюсом 2, промежуточным
полюсом 3 и отрицательным полюсом 4, вспомогательный источник 5
питания постоянного тока с положительным полюсом 6 и отрицательным
полюсом 7, двухполярный источник 8 питания с потенциальными полюсами 9,10 и средним выводом 11, источник 12 опорного напряжения постоянного тока, управляющий источник 13 напряжения переменного тока (с
низкоомным выходом), регулирующий титрон 14 с анодом 15, катодом16,
коллектором 17 и управляющим электродом 18, управляющий титрон 19 с
анодом 20, катодом 21, коллектором 22 и управляющим электродом 23,
делитель 24 напряжения обратной связи с резисторами 25 и 26, усилитель
27 сигнала рассогласования с дифференциальным усилителем 28 и выходным транзистором 29, токоограничивающий резистор 30, резистор 31
смещения, развязывающий диод 32. На схеме отмечены также выводы 33
и 34 для подключения нагрузки, шина 35 нулевого потенциала и нагрузочный элемент (генератор озона) 36. Коллектор 17 регулирующего титрона
14 подключен к положительному полюсу 2 высоковольтного источника 1
89
питания постоянного тока, связанного отрицательным полюсом 4 с шиной 35 нулевого потенциала. Коллектор 22 управляющего титрона 19
подключен к аноду 15 регулирующего титрона 14 и первому выводу
токоограничивающего резистора 30. Делитель 24 напряжения обратной
связи включен между выводами 33 и 34 для подключения нагрузки, при
этом вывод 34 связан с шиной 35 нулевого потенциала. Сигнальный вход
усилителя 27 сигнала рассогласования (не инвертирующий вход
дифференциального усилителя 28) соединен с выходом делителя 24
напряжения обратной связи, опорный вход (инвертирующий вход
дифференциального усилителя 28) – с выходной цепью источника 12
опорного напряжения постоянного тока, связанной с шиной 35 нулевого
потенциала, а эмиттер-коллекторный переход выходного транзистора 29
включен в цепь связи катода 21 управляющего титрона 19 с шиной 35.
Положительный полюс 6 вспомогательного источника 5 питания постоянного тока соединен с анодом 20 управляющего титрона 19, а отрицательный полюс 7 связан с шиной 35 нулевого потенциала. Управляющий
источник 13 напряжения переменного тока включен последовательно в
выходную цепь источника 12 опорного напряжения постоянного тока.
Резистор 31 смещения одним из выводов соединен с катодом 16 регулирующего титрона 14, а другим выводом – с управляющим электродом 18
регулирующего титрона 14, анодом развязывающего диода 32 и высокопотенциальным выводом 33 для подключения нагрузки. Второй вывод
токоограничивающего резистора 30 и коллектор 17 регулирующего титрона
14 подключены соответственно к положительному полюсу 2 и промежуточному полюсу 3 высоковольтного источника 1 питания постоянного тока.
Катод развязывающего диода 32 соединен с коллектором 22 управляющего
титрона 19, а управляющий электрод 23 последнего связан с шиной 35
нулевого потенциала. Стабилизирующий источник высокого напряжения
работает следующим образом. При наличии напряжения на выводах
питающих источников 1,5,8 и источника 12 опорного напряжения в исход90
ный момент времени, когда выходное напряжение управляющего источника 13 равно нулю, возникает переходный процесс. Начальный момент
переходного процесса характеризуется отсутствием напряжения на выходах 33 и 34, а также на выходе делителя 24. При этом опорное напряжение от источника 12 прикладывается между входными потенциальными выводами дифференциального усилителя 28 практически без потерь.
Это объясняется тем, что внутреннее сопротивление управляющего источника 13 и сопротивление резистора 26 значительно меньше входного
сопротивления дифференциального усилителя 28.
Напряжение на выходе дифференциального усилителя 28 отрицательно
по знаку и закрывает транзистор 29 и управляющий титрон 19. Ток, протекающий через резистор 30, мал и практически равен току анода 15 регулирующего титрона 14. Падение напряжения на резисторе 30 оказывается
незначительным и к аноду 15 прикладывается высокое напряжение от источника 1, что обеспечивает быстрое открытие регулирующего титрона 14.
При наличии подключенного к выводам 33 и 34 нагрузочного генератора озона, обладающего емкостью Сг , последняя заряжается через открывающийся регулирующий титрон 14. Напряжение на выводах 33 и 34 увеличивается и достигает значения пробивного напряжения на генераторе
озона. Происходит дальнейшее увеличение выходного напряжения до значения при котором напряжение, снимаемое с выхода делителя 24, сравнивается с опорным напряжением источника 12. Дальнейшее бесконечно малое приращение напряжения на выходе делителя 24 приводит к некоторому преобладанию по величине напряжения, прикладываемого к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 28. Усилитель 28 открывается и на его выходе появляется положительное напряжение. Это напряжение приоткрывает транзистор 29 и управляющий титрон 19. В результате через резистор 30 начинает дополнительно протекать ток коллектора
22 управляющего титрона 19. Напряжение на аноде 15 регулирующего титрона 14 уменьшается и фиксируется на таком значении, при котором обес91
печивается необходимый ток через регулирующий титрон 14. При этом
напряжение на неинвертирующем входе дифференциального усилителя 28
оказывается практически равным опорному напряжению источника 12 или
несколько преобладающим. Переходный процесс при этом завершается.
В течение времени протекания тока через регулирующий титрон 14
цепь питания нагрузки и делителя 24 напряжения изолируется от управляющего титрона 19. Поэтому генератор озона запитывается исключительно
через титрон 14, а титрон 19 выполняет функции управления.
Напряжение любой заданной формы, вырабатывается управляющим
источником 13. Напряжение источника 13 алгебраически складываются с
напряжением опорного источника 12. За счет кольца обратной связи
напряжение на делителе 24 в любой момент времени повторяет форму
напряжения источника 13. При напряжении источника 13 равного нулю к инвертирующему входу дифференциального усилителя 28 прикладывается
напряжение равное напряжению источника 12. При этом выходное напряжение прикладываемое к генератору озона 36 составит:
Uвых = U12(R25 + R26)/ R26,
(3)
где R26 и R27 - сопротивления соответственно резисторов 25 и 26;
U12 - опорное напряжение источника 12.
При появлении в управляющем источнике 13 некоторого напряжения,
при котором суммарное напряжение источников 12 и 13 уменьшается, положительное напряжение на выходе делителя 24 оказывается больше суммарного напряжения и на выходе дифференциального усилителя 28 появляется сигнал рассогласования. В результате через транзистор 29 и управляющий титрон 19 увеличивается ток. Это приводит к некоторому увеличению падения напряжения на резисторе 30 и уменьшению тока через
регулирующий титрон 14. При знакопеременном напряжении управляющего
источника 13 поочередно в зависимости от его полярности происходит либо
сложение напряжений источников 12 и 13, либо вычитание. За счет кольца
обратной связи напряжение на выходе делителя 24 в любой момент вре92
мени повторяет форму напряжения источников 12 и 13. Напряжение на
генераторе озона 36 в любой момент времени равно напряжению на делителе 24 и может быть определено по формуле:
UВЫХ = (U12 + U13) (R25 +R26)/R26
(4)
где U13 - мгновенные значения напряжений источника 13.
При напряжении управляющего источника 13, равном опорному напряжению источника 12, и согласном включении двух источников, когда их
напряжения складываются, переходной процесс характеризуется зарядом
нагрузочного конденсатора Сг через открытый регулирующий титрон 14.
В первоначальный момент времени, например при скачкообразном изменении напряжения источника 13, сумма напряжений источников 12 и 13
значительно больше напряжения снимаемого с выхода делителя 24 поступающего на дифференциальный усилитель. Поэтому дифференциальный усилитель 28 переводится в состояние, при котором на его выходе формируется напряжение, закрывающее транзистор 29. Ток через транзистор 29,
управляющий титрон 19 и резистор 30 уменьшается. Регулирующий титрон
14 интенсивно открывается и быстро заряжает нагрузочный конденсатор
36. После чего напряжение на выходе делителя 24 принимает значение,
равное сумме напряжений источников 12 и 13.
При наличии управляющего источника 13 с плавно изменяющимся, например пилообразным напряжением, промышленной частоты обеспечивается практически безынерционное поочередное открытие управляющего титрона 19 при разряде нагрузочного конденсатора 38 либо регулирующего
титрона 14 при заряде нагрузочного конденсатора 36.
У титрона вольт-амперные характеристики практически параллельны относительно оси, по которой отложены значения коллекторных напряжений (рис.23 ). Ток коллектора титрона слабо зависит от приложенного к нему напряжения и определяется напряжением ускоряющего электрода- анода. При токах коллектора десятки и сотни миллиампер анодный ток составляет всего 1,5 – 2 мА при напряжениях анода 800 – 1200 В. Ограничение
93
напряжения на аноде вызывает мгновенное ограничение тока коллектора
независящее от тока нагрузки. Это свойство позволяет стабилизировать ток
генератора озона на заданном фиксированном значении, что обеспечивает
заданную седлообразность характеристики генератора озона.
У титрона ПП 1- 0,5/20 при напряжении на управляющем электроде 45 В
изменение коллектороного напряжения в два раза вызывает изменение тока через титрон всего на 1 – 2 %. Слабая зависимость коллектороного тока
титрона от приложенного к нему напряжения и возможность понижения
коллекторного напряжения до нескольких десятков вольт при высоких
(1000 – 1500 В) напряжениях на ускоряющем электроде позволило увеличить верхнюю границу рабочего диапазона выходного напряжения без
наличия громоздкого выходного трансформатора.
Рассмотрим работу источника питания в двух исследуемых режимах –
синусоидальной формы выходного напряжения рис.32 а, б и пилообразной
рис.32 в, г. Первый режим описывается эпюрами осциллограммы, изображенными на рис. 32а. При включении питания с момента времени t1
начинается переходной процесс, при котором титрон 19 запирается, а титрон 14 отпирается. В результате чего напряжение на нагрузке практически
скачком достигает значения Uст. С момента времени t2 напряжение на
нагрузке остается неизменным и стабильным. Значение этого напряжения
может быть рассчитано по формуле (3). Например, при U12 = 9В, R25 =
5,6МОм, R26 = 8,2кОм, или в системе СИ U12 = 9В, R25 = 5600·103 Ом, R26 =
8,2·103 Ом получим:
Uвых = U12 (R25 + R26)/ R26 = 9· 103 · (5600 + 8,2)/8,2·103 = 6,155·103 В = 6,2кВ.
При подаче с управляющего источника 13 напряжения синусоидальной
формы с момента времени t3 выходное напряжение начинает повторять
форму напряжения управляющего источника 13 по заданному закону, но
увеличенное в соответствии с делителем 24 в (R25 + R26)/R26 раз. Выходное напряжение может быть рассчитано по формуле (3). Например, при
изменении управляющего напряжения в пределах ± 8В, выходное напряже94
ние будет рассчитываться по формуле (4): Uвых= (U12±U13)·(R25+R26)/R26=
(9 + 8)· (5600 + 8,2) /8,2 = 11626,26В и (9 – 8)· (5600 + 8,2)/8,2 = 683,92В.
Тоесть
будет изменяться в пределах от значения 683,92В до значения 11626,26В.
На эпюрах рис.32а минимальное и максимальное значения выходных напряжений наступают соответственно в моменты t4, и t5, (повторное минимаU
Um
а)
Uст
Uпр
i
б)
Рис.32. Эпюры а) – напряжений и б) – токов.
льное в момент времени t6 и т.д. колебательный процесс повторяется. На
основании теории барьерного разряда искрообразование продолжается в
промежутке нарастания напряжения превышающего пробивное. На Рис.32б
изображены эпюры мгновенных значений токов. Как видно из приведенных
эпюр рабочими участками являются участки с постоянно нарастающим
напряжением.
На рис 33 а,б представлены практические изображения искрообразования
на поверхности плоских керамических генераторов озона, работающих по
95
принципу барьерно-поверхностного разряда разработанных и изготовленных
на основе отечественных материалов рис.26. Как видно из полученных результатов можно констатировать, что интенсивность искрообразования и
Рис.33а. Uпит=6кВ
Рис33б. Uпит=12кВ
яркость искр практически зависит от приложенного к ним напряжения.
Искрообразование происходит лишь на участках с постоянно нарастающим напряжением. При постоянстве напряжения искрообразование прекращается. Искрообразование также отсутствует в точках спада напряжения, в
заштрихованных зонах отмеченных на эпюрах 32а..
Образование искр сопровождается выделением энергии, отдаваемой источником питания, что приводит к выделению большого количества тепла
на поверхности барьера. Выделенное тепло удаляется с поверхности барьера путем охлаждения, примыкающего к барьеру индуцирующего электрода. При этом диссоциация молекул кислорода идет с наибольшей интенсивностью благодаря имеющимся распределенным по энергиям свободным
электронам.
С ростом приложенного напряжения время горения разряда увеличивается, увеличивается число искр, их визуальная яркость, Увеличивается и выход озона. Однако рост выхода озона с ростом напряжения продолжается
до определенного момента. С ростом напряжения увеличивается колличество свободных электронов, обладающих энергиями, величина которых оказывается достаточной для расщепления при столкновении с ними молекул
озона на атомы кислорода. Озон при таком напряжении начинает разрушаться. Начинается интенсивное выделение тепла и потери КПД. Работа
96
генератора озона в таком режиме становится не эффективной. Практически
пропорциональный рост искрообразования и соответственно выход озона
от приложенного напряжения до момента начала насыщения показано на
рис. 34.
С%
100
75
50
25
UкВ
6
10
12
Рис.34. Зависимость С% от U кВ на генераторе озона
Одним из главных результатов проведенных исследований утверждающих правильность подхода к построению источника питания нового типа
для питания генератора озона барьерного разряда является доказанная новизна. Только лишь использование электронно-лучевых приборов ЭЛП позволяет:
- осуществить выбор оптимальных параметров питающего напряжения сообразно принципу работы несимметричного генератора озона барьерного
разряда;
- исключить из схем высоковольтный трансформатор, вырабатывающий на
выходе форму напряжения неудовлетворяющую физической сущности несимметричного барьерного разряда.
- потери мощности и КПД на обратной ветви ниспадающего напряжения
(на рис.32 показана заштрихованная нерабочая область).
97
В результате проведенных исследований выбрана правильная линейно
изменяющаяся форма напряжения на рабочем участке и резко с наименьшими затратами энергии скачкообразная обратная ветвь. Эпюры выбранного напряжения представлены на рис.35.
U
Um
а)
Uст
Uпр
i
б)
Рис. 35. Эпюры а)− напряжения, б)− тока на генераторе озона
В результате воздействия на генератор озона возрастающего линейно
изменяющегося пилообразного напряжения (передний фронт) рис.35 в каждой точке характеризующейся определенным приращением электроэнергии
i∙du/dt возникает очередной пробой газового промежутка генератора озона.
Стримерный пробой газа и до возникновения обратного угасающего поля
(до полного исчезновения разряда) затрачивается время в несколько наносекунд. При постоянно возрастающем напряжении в каждый момент времени возникает самопроизвольный естественный импульс тока мгновенного разряда рис.35 длительностью от 7 до 10 нс, подобный лопающемуся
пузырьку воздуха при достижении внутри него давления (запаса энергии)
98
достаточной для его пробоя. Этот процесс повторяется до окончания
увеличения приложенного пилообразного напряжения.
Длительность импульса тока не зависит от длительности нарастающего
напряжения, а выражается естественными наносекундными импульсами тока при достижении определенной энергетики в данной точке газового промежутка.
Следует отметить, что указанную форму напряжений может обеспечить
электрическая схема, изображенная на рис.32. выполненная на ЭЛП с рекуперацией энергии электронов на коллекторе. Ни трансформаторный, ни тиристорный выходные каскады не в состоянии обеспечить указанный режим
работы несимметричного генератора озона. Форма напряжений вырабатываемая с помощью повышающего выходного согласующего трансформатора
(синусоидальная) у тиристорного преобразователя (импульсная) позволяют
запитывать несимметричный генератор озона лишь в приблизительном не
оптимальном режиме, требующем многократных затрат энергии от источника питания, расходуемой на нагрев элементов генератора озона и разрушение озона от выделяющегося тепла. Снятие выделяющегося на электродах тепла за счет охлаждающей воды приводит к улучшению процесса
озонообразования, но при этом уносит с собой значительную часть электрической мощности от источника питания и снижает КПД установки.
Другой особенностью указанной формы напряжения является то, что
образующиеся в процессе искрообразования молекулы озона не имеют вращательного момента на 1800, так как в данном случае их диполь поворачивается лишь на 900. Колебательный процесс с большим поворотом диполя в вязкой кислородосодержащей среде приводит к дополнительному
выделению тепла и следовательно к дополнительному отбору мощности
от источника питания. Выделяющееся тепло от вращения диполей в вязкой среде приводит к дополнительному эффекту разрушения озона. На
рис.36 показан
эффект взаимодействия электрического диполя с
электрическим полем в генераторе озона барьерного разряда. Молекула
99
озона имеет дипольный момент p = 0,5337 D. D = 3,34·10-30 Кл · м.
Элементарную работу, затраченную на поворот одного диполя на угол α,
можно рассчитать по формуле: dА = Mdα = pE sin αdα; После интегрирования pE· sinαdα по α0 полная работа при повороте на угол α0 - α1, A =
pE(cosα1 − cosα0). Например, при α0 = 900 и конечном α1 = 00 , напряженности
поля 10 кВ/см затраченная работа составит: A = 0, 5337 · 3, 34 · 10-30 [Кл·м] ·
10 · 105 [В/м] ·(cos00 – cos900) = 1,783 · 10-24 = 1,783·10-24[Кл · В] ~ 1,8 ·1024
[Дж]. Масса одной молекулы (О3) = 8·10-26 [кг]
= 8·10 -23[г]. Один грамм озона содержит:
0,125·1023
молекул.
Определим
затраты
электроэнергии в данном случае. Необходимые
затраты электроэнергии определяются той
работой, которую необходимо
совершить
электрическим полем для постоянного вращения каждого диполя в объеме
газа. Для вращения
Рис.36
всех молекул (О3) в одном грамме на угол
α0 - α1 = 900 потребуется совершить источнику электропитания работу А =
1,8·10-24[Дж] · 0,125· 1023 = 0,225· 10-1 [Дж] = 22,5 ·10-3 [Дж]. Мощность,
затраченная источником питания и выделившаяся в виде тепла за секунду
можно определить из соотношения: 1 Вт = 1 [Дж/с], что составит в данном
случае 22.5· 10-3 Вт; Для вырабатывания 1 кг озона при знакопеременном
синусоидальном напряжении потребуются затраты
бесполезной
электроэнергии от источника питания равной 45Вт. Из расчета очевидно,
что энергозатраты от поляризационных процессов в газе О3 при знакопепеременном питании в два раза выше, чем при униполярном.
Следует отметить, что в реальных условиях газовая среда неоднородна
и содержит кроме молекул озона молекулы других веществ. Обязательным
в этом плане является случай прокачки через генератор озона воздуха, содержащим посторонние вещества. При выработки озона из кислорода в га-
100
зовой среде также присутствуют не только молекулы озона, но и молекулы и атомы кислорода. Кроме затрат на вращение диполей молекул озона
возникают потери мощности на межмолекулярное трение с посторонними
молекулами газа.
3.3 Особенности использования электронно-лучевых приборов в схемах источников питания при низких потенциалах коллектора.
Учитывая возможности разработанных электронно-лучевых приборов,
автор в данной работе предложил дополнительные меры по стабилизации
обратного тока и надежной транспортировки электронного пучка на коллектор в широком диапазоне рабочих напряжений.
Современные электронно-лучевые приборы обладают малыми значениями
относительных потерь по напряжению и относительных потерь по току.
Например, в работах [83,84] приводятся типовые параметры относительных потерь по напряжению и по току, которые не превышают 1−2%. КПД
может достигать 98−99%.
В работе [83] дана развернутая формула КПД электронно-лучевого прибора, где отражен главный фактор торможения - относительный потенциал анода (коллектора) φа = Uа/ UУЭ.
η = 1 − (φа + iУЭ) /φ=
(2)
где: φа = Uа/UУЭ; iУЭ = IУЭ /Iа; φ= = U=/UУЭ; Uа, UУЭ − потенциалы анода и
управляющего эдектрода в проводящий полупериод; Iа, IУЭ − ток анода и
управляющего электрода; U= − коммутируемое напряжение.
В данном разделе рассмотрена методика стабилизации режимов работы ЭЛП при глубоком понижении коллекторного напряжения с надежной транспортировкой электронов на коллектор разработанная автором
настоящей работы [106].
Изобретение относится к электрическим аппаратам и может быть использовано в источниках питания с напряжением до нескольких десятков киловольт. Цель изобретения − повышение КПД при высокой стабильности
работы ЭЛП. Преобразователь знакопеременного напряжения в униполяр101
ное со стабилизацией порога ограничения обратного тока представлен
на рис.37. Преобразователь содержит электронно-лучевой прибор (ЭЛП) -1,
включающий в себя коллектор 2, ускоряющий электрод 3 и катод 4.
ЭЛП 1 соединен последовательно с источником переменного напряжения
5, образуя цепь, включенную между выходными выводами 7 для подключения нагрузки 6. В преобразователь дополнительно введены резистивный делитель напряжения 12, блок
повышения напряжения 8 и блок
сравнения 9. Для пояснения принципа работы блок 8 может быть
представлен в виде маломощного
высоковольтного
повышающего
трансформатора. Блок сравнения
работает в качестве повторителя,
охваченного петлей отрицательной
обратной связи через трансформаРис.37
тор блока повышения напряжения
8 и резистивный делитель 12. Напряжение на ускоряющем электроде
оказывается больше чем на инвертирующем входе блока сравнения 9 в N
раз, Где N численно равно отношению плеч делителя 12. Такой принцип
построения схемы позволяет поддерживать в любой момент времени
равенство напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах
блока сравнения 9. Выбором соотношения плеч делителя 12 обеспечивается
постоянство соотношения напряжений на ускоряющем электроде и
коллекторе. Таким образом обеспечивается постоянная величина относительного потенциала коллектора φК.
Преобразователь работает следующим образом.
Напряжение от источника переменного напряжения 5 (ЭДС Е) прикладывается через нагрузку 6 к катоду 4 и коллектору 2 ЭЛП одновременно.
102
В момент времени, когда прикладываемое к катоду 4 и коллектору 2 напряжение близко к нулю, ток через нагрузку и ЭЛП отсутствует. При некоторой величине Е источника 5, когда блок сравнения 9 начинает воспринимать малое приращение напряжения вырабатывается сигнал рассогласования, который определяется разностью напряжений между инвертирующим
и неинвертирующим входами блока сравнения 9.
На выходе блока сравнения 9 напряжение увеличивается до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе блока сравнения 9 не сравняется
с напряжением на неинвертирующем входе. Это равенство благодаря свойствам повторителя, поддерживается на всем протяжении активного участка
работы преобразователя. При этом обеспечивается неизменная величина
относительного потенциала коллектора (φК). Она стабильна, и определяется
постоянным соотношением напряжений на коллекторе и ускоряющем электроде Uк / Uус э. Это соотношение по величине равняется отношению левого
по схеме плеча делителя 12 к сумме двух резисторов делителя 12 и выбирается из расчета глубины торможения электронов в промежутке ускоряющий электрод 3 и коллектор 2.
ЭДС источника 5 и ЭДС блока повышения напряжения 8 связаны сотношением:
Е = φК · ЕУ.Э + р · RН · ЕУЭ · Е УЭ1/2
(5)
где: р - первеанс ЭЛП, RН - сопротивление нагрузки.
При φК = Constanta обеспечивается устойчивый режим транспортировки
электронов на коллектор при низких потенциалах коллектора и наличии
вблизи него потенциального минимума, при котором еще невозможен
переход в режим виртуального катода. Четкая установка границы
отсечки левой нерабочей зоны ВАХ позволяет понизить потенциал
коллектора, тем самым уменьшить падение напряжения на ЭЛП и
повысить КПД прибора во всем диапазоне рабочих напряжений. На рис.38
представлены расчетные величины мгновенных значений параметров
преобразователя знакопеременного напряжения в униполярное. Как видно
103
(рис.38) КПД практически в течение всего рабочего диапазона мгновенных значений напряжений остается неизменным, т.е. стабилизированным и максимально (близко к единице). Внутреннее сопротивление на
всем активном участке стабилизировано и минимально.
Благодаря электронной стабилизации режимов работы ЭЛП в точках
близких к потенциальному минимуму позволяет использовать электроннолучевые приборы в преобразователях напряжений и токов с повышенными электрическими характеристиками.
Рис.38 Комплекс эпюр поясняющих работу ЭЛП в проводящий полупериод в режиме стабилизации КПД. Где: 1 – мгновенные значения КПД ; 2 мгновенные значения входного напряжения; 3 - мгновенные значения напряжения на ускоряющем электроде ; 4- изменение внутреннего сопротивления
ЭЛП;
Расчетные характеристики, представленные на эпюрах рис.38 можно
пояснить следующими формулами.
Основной формулой ЭЛП для расчета пропускаемого тока является
формула Ленгмюра или закон трех вторых:
Iк = UУЭ 3/2 · P
(6)
где: UУЭ - напряжение на ускоряющем электроде;
P - первеанс системы.
104
Тогда баланс напряжений силовой цепи схемы рис.37 можно записать в
виде:
Uпит = Iк · Rн + Uэлп = Uус3/2 · P ·Rн + Uэлп
(7)
φК = UК / UУС = Uэлп / UУС = Constanta
(8)
Относительный потенциал φК имеет привязку к коллектору (6) электронно-лучевого прибора, ускоряющему электроду (3) и к входу системного блока. Системный блок включает в себя блок сравнения 9, блок
повышения напряжения 8 и делитель 12 (рис.37), поэтому трехкомпонентный параметр φК интерпретируется в единый системный параметр
управления ЭЛП. Относительный потенциал коллектора является единым
системным параметром электронно-лучевого прибора и определяется исходя из характеристик ЭЛП. Этот параметр вводится в системный блок и
поддерживается постоянным на всем промежутке рабочих напряжений.
Благодаря этому действующие параметры ЭЛП находятся в рабочей области в точках с наивыгоднейшим значением обратного тока.
При таком способе регулирования форма изменения величины КПД
в пределах проводящего полупериода близка к прямоугольной рис.38.
Это можно проследить, подставив в формулу (7) любые значения параментров ЭЛП при условии φК = Constanta. Например, для определения
основных параметров преобразователя рис.37 в различных точках активного рабочего участка зададимся: Р = 10-6 А/В3/2 , Uу=5000В, Uпит =
10020В, Rн = 28,2 кОм, φК = Uк / Uу = 0,01.
Рассчитаем значения КПД для точек: π/2 = 900 и π/6,681= 0,470.
В точке π/2=900 мгновенное значение напряжения питания максимально и равно Um, поэтому U /Um =1. Ток в нагрузке Iн = Iк = Uу·Uу1/2 · P
= 5000 · √5000 · 10-6 = 0,35355А, Напряжение на нагрузке Uн = Iн · Rн =
0,35355 · 28,2·103 = 9970В; При токе ускоряющего электрода ≤ 1 - 2%
от
105
тока нагрузки КПД = Uн / (Uн+Uк) = Uн / (Uн + φк ·Uу) = 9970/(9970 +50) =
0,995;
Произведем расчёт КПД для точки π/6,681. Величину питающего напряжения в этой точке можно рассчитать из выражения π/6,681 =
arc sin U/Um; Определим U=81,762В. При φК = 0,01 получим Uус = 200В.
Тогда в этой точке ток через нагрузку составит Iн = Uу3/2· P =
81.762· (81.762)1/2 · 10-6 = 0.002828 А, а мгновенное
значение КПД
составит:
Uн / (Uн + Uк) = Uн /( Uн+ Uу·φК) = 79,762/79,762 + 200·0,01 =
0,976.
Эта величина отличается от точки максимального значения на 1,91%.
Параметры ЭЛП могут отличаться от указанных, как и допустимое значение φК однако, сущность системного подхода к решению задачи стабилизации рабочей точки вольтамперной характеристики вблизи точки
потенциального минимума остается для всех случаев неизменной.
Теоретические и практические результаты исследования показали целесообразность применения системного подхода к решению задачи по
исключению левой нерабочей характеристики рис.24 при минимальных
потерях КПД. Одновременно системный подход к привязке потенциалов
коллектора, ускоряющего электрода и устройства стабилизации параметра
φК в дополнение позволяет решить задачи практического постоянства во
всем диапазоне рабочих напряжений мгновенных значений КПД, внутреннего сопротивления ЭЛП и стабилизации значения обратного тока
коллектора рис.38. Развернутые таблицы мгновенных значений параметров
преобразователя знакопеременного напряжения в униполярное для различных значений φК представлены в главе 4.
Решена задача привязки основных параметров ЭЛП к точке
приближающейся к потенциальному минимуму, но не превосходящих
ни в каком случае этого значения. Исключена левая часть ВАХ с
106
недопустимыми значениями обратного тока, тем самым повышена
надежность работы устройства.
3.4 Работа электронно-лучевого прибора при коротких замыканиях в
нагрузке.
Существует проблема возникновения режимов пробоя и короткого замыкания нагрузки, а именно работа ЭЛП при возможных на практике
неоднократных неуправляемых повышениях напряжения на коллекторе
(правая часть вольтамперной характеристики рис 24). Эта нерабочая зона характеризуется значительными потерями мощности на коллекторе.
Забор недопустимой мощности коллектором снижает КПД, надежность
и на практике приводит, как правило, к разрушению коллекторной системы ЭЛП.
Для решения этой задачи автором предложено устройство, позволяюющее реагировать на превышение сверх заданной выделяющейся на коллекторе мощности. Точка отсечки недопустимых токов коллектора фиксируется коллекторной системой и переходит в момент восстановления в
нормальное рабочее состояние. Исправление утери работоспособности
происходит за счет разворачивания по апертуре коллектора пучка электронов при нормальном рабочем состоянии и наоборот сжатие при выходе из режима заданного потенциала коллектора.
Изобретение относится к электронным аппаратам и может быть использовано в различных высоковольтных устройствах с применением
электроно-лучевых приборов с торможением электронов на коллекторе.
Схема содержит электронно-лучевой прибор 1 (рис. 39) , катод 2, ускоряющий электрод 3, коллектор 4, вспомогательный коллектор 5, датчик 6, источник 7 эталонного напряжения, блок 8 управления, второй
блок 9 преобразования, силовой трансформатор 10, блок 11 сравнения,
первый блок 12 преобразования, оптический тракт 13, выходные выводы 14, нагрузка 15.
Электронно-лучевой прибор 1 содержит электронно-оптический тракт
107
с коллектором 4, который соединен с первым из выходных выводов для
подключения нагрузки 15, ускоряющий электрод 3, катод 2, соединенный
с первым выводом источника переменного напряжения 10, второй вывод
которого соединен со вторым выходным выводом, блок 8 управления,
одним выходом соединенный с ускоряющим электродом 3, а другим с катодом 2 электронно-лучевого прибора 1. В геометрическом центре коллектора электронно-лучевого прибора имеется сквозное отверстие, за которым расположен вспомогательный коллектор 5, соединенный с первым
выводом датчика 6 тока и отрицательным полюсом источника 7 эталонного напряжения, положительный полюс которого подключен к инвертирующему входу блока 11 сравнения, неинвертирующий вход которого
соединен со вторым выводом датчика тока 6. Выход блока 11 соединен
с входом блока преобразования 12, выход которого через оптический
тракт 13 через преобразователь 9 подключается к входу блока 8 управления. Устройство работает следующим образом. Переменное напряжение, от
источника 10, прикладывается через нагрузку 15 между катодом 2 и коллектором
4. При подаче положительного напряжения на ускоряющий электрод через электронно-лучевой прибор начинает протекать ток. Благодаря наличию нагрузочного сопротивления 15 на нем создается падение напряжения, которое определяется величиной сопротивления нагРис.39
рузки 15 и суммарным током коллекторов 4 и 5. В нормальном режиме ток коллектора 5 пренебрежительно
мал. Потенциал ускоряющего электрода 3 относительно катода 2 в проводящий период поддерживается достаточно высоким, а потенциал коллектора 4 из-за значительного падения напряжения на нагрузке 15 низким.
При этом электронный поток на участке ускоряющий электрод 3 108
коллектор 4 является расходящимся и равномерно распределяется по поверхности коллектора 4 [82,109,110].
При не запланированном большом токе нагрузки, или коротком замыкании потенциал коллектора 4 возрастает и электронный поток первоначально равномерно распределенный по поверхности коллектора 4 “стягивается “ к оси электронно-оптической системе ЭЛП.
Узкий сформировавшийся электронный поток концентрируется в области тонкого сквозного отверстия коллектора 4.
Количество электричества, проходящее через тонкое сквозное отверстие
коллектора 4 в единицу времени на вспомогательный коллектор увеличивается. Сопротивление между катодом и вспомогательным коллектором 5
уменьшается, и на датчике 6 тока появляется избыточное падение напряжения. Это падение напряжения сравнивается с напряжением эталонного
источника 7 на входе блока сравнения 11, и если напряжение на датчике
6 тока начинает превышать напряжение эталонного источника 7, на выходе
блока сравнения вырабатывается сигнал аварийной работы коллектора.
Электрический сигнал с блока сравнения подается на первый блок 12
преобразования, который электрический сигнал преобразует в оптический
сигнал. Этот сигнал поступает через оптический тракт 13, например, стекловолоконный световод, на вход второго блока 9 преобразования оптического сигнала в электрический. Электрический сигнал воздействует на блок
8, который снимает напряжение с ускоряющего электрода 3. Напряжение
на ускоряющем электроде 3 практически безынерционно уменьшается до
нуля. Электронно-лучевой прибор запирается.
Устройство может быть эффективно и в случае возникновения в
промежутке между ускоряющим электродом 3 и коллектором 4 “виртуального “ катода, когда практически только лишь половина электронов достигает коллектора 4, а другая половина возвращается обратно. При этом ток
коллектора уменьшается, а напряжение на нем относительно катода резко
возрастает. При использовании защиты, электроннооптическая система ЭЛП
109
в аварийных режимах оказывается защищенной от перегрузки и следовательно от разрушения, что безусловно повышает надежность и долговечность устройства.
Выводы
1. Произведен теоретический сравнительный анализ микроразрядных
процессов в генераторах озона Welsbach H., Masuda S. Выявлена типичность озонообразования под действием стримерных разрядов.
2. В прцессе исследований выявлена нерациональность использования
синусоидальной и импульсной формы питающего напряжения ввиду присутствия в работе ИП и ГО промежутков нерабочих зон.
3. Нерабочие зоны выявлены на прямоугольной вершине и обратном
ходе ниспадающего напряжения заднего фронта импульса, что приводит к
затягиванию процесса восстановления системы питания и системы генератора озона.
4. Нерабочие зоны выявлены также при питании генератора озона
напряжением синусоидальной формы, начиная с момента возникновения
вершины и обратной ниспадающей ветви уменьшающегося напряжения.
5. В результате теоретических и экспериментальных исследований определена оптимальная пилообразная форма питающего напряжения, при
которой отсутствует плоская вершина, а обратная ветвь ниспадающего
напряжения представлена в виде мгновенного перехода от максимального
значения напряжения до значения меньше пробивного.
6. В результате теоретических и экспериментальных исследований наиболее выгодной определена униполярная форма питания, при которой
сокращаются потери на расход энергии потребляемой от источника питания и снижения нагрев газа.
7. Решена задача привязки основных параметров ЭЛП к точке
приближающейся к потенциальному минимуму, но не превышающих этого
значения. Исключена левая часть характеристики с недопустимыми значениями обратных токов, тем самым повышена надежность работы устройства.
110
8. Решена задача по исключению правой нерабочей зоны вольтамперной характеристики ЭЛП, в результате чего появилась возможность избавления от неуправляемых режимов при коротких замыканиях в нагрузке.
9. Разработан источник питания на электронно-лучевых приборах, позволяющий запитывать генератор озона напряжением заданной частоты,
формы и полярности.
10. Приведен пример расчета КПД для значения основного параметра глубины рекуперации φК = 0,01 в двух точках проводящего полупериода ωt = π/2 = 900 и ωt = π/6,681 = 0,470.
Глава 4 Концепция построения источников электропитаниягенераторов озона на базе ЭЛП…………………………………………. 111
4.1. Испытательный стенд экспериментального исследования источника питания и генератора озона барьерного разряда…………………. 111
4.2. Генератор озона барьерно-поверхностного разряда - электрохимический преобразователь электроэнергии………………………………. 116
4.3 Структура источника питания. ……………………………………. 121
Заключение……………………………………………………………….. 127
4.1. Испытательный стенд экспериментального исследования источника электропитания и генератора озона барьерного разряда.
Испытательный стенд для проведения экспериментальных исследований
новых источников электропитания генераторов озона на базе ЭЛП включает в себя высоковольтный выпрямитель, высоковольтный фильтр и выходной каскад на пролетных пентодах типа ПП1-0,5/20 и ПП3-0,5/20 гальванически связанный с генератором озона. Масштаб стенда занимает объем
менее одного м3. Стенд позволяет практически макетировать все режимы
работы генератора озона с различной формой выходного напряжения (импульсной, пилообразной, синусоидальной и др.) и частотой следования.
Проведены комплексные исследования воздействия на генератор озона
111
барьерного разряда напряжения различной формы и частоты. Эксперименты выявили участки нерабочих зон при питании генераторов озона возбуждающими напряжениями в которых присутствуют затяжные процессы
восстановления в исходное состояние после полного цикла периода ионизации газа в генераторе озона. Это в первую очередь относится к плоской
вершине импульса и заднего ниспадающего фронта, а также второй половины синусоидального напряжения, которая наступает каждый раз после
активного фронта нарастающего напряжения (рис.40, рис.41).
В результате анализа результатов проведенных испытаний и исследований выявлено нерациональное использование импульсных и синусоидальных форм питающих напряжений.
Рекомендуется с целью сокращения
времени
на
восстановление
исходных
параметров генератора
озона и ис- точника
питания
использовать пилообразную форму
питающего напряже-ния с активным
передним фронтом и практически отсутствующими не-рабочими
участками. Скорость на-растания переднего фронта du/dt вы-бирается
согласно допустимой ско-рости производства озона в данном ге-нераторе
озона. (dCО3/dU > 0), рис.34.
Рис.40.
На рис. 40 и рис. 41 изображены нерабочие зоны 2 характерные импульсному и синусоидальному напряжениям.
В зонах 1 происходит интенсивное образование озона из-за постоянно увеличивающейся напряженности поля в
газовом зазоре генератора озона.
Области 2 характеризуются затягиванием переходных процессов не только
112
в генераторе озона, но в источнике питания. В этих областях озон не проРис.41
изводится, образуются пустые зоны.
Разработанный источник питания полностью управляемый на базе ЭЛП
рис.32 позволяет решить задачу по созданию источников беспрерывного и
бесперебойного питания генераторов озона барьерного разряда. Отсутствие
мертвых зон позволяет повысить КПД, надежность и быстродействие.
Ввиду многообразия точек микроразрядов, происходящих по поверхности диэлектрика и последовательное развертывание их по всей апертуре,
предлагается использовать плавно нарастающее напряжение от минимума,
начиная от точки пробоя, до максимума, после чего, с мгновенным сворачиванием процесса ионизации кислородосодержащего газа вплоть до полного восстановления всей системы генератора озона.
Наиболее подходящим в этом случае является пилообразный закон изменения питающего напряжения. При таком способе питания нет необходимости создавать наносекундные импульсы. При постепенном увеличении
питающего напряжения из-за неравномерной структуры барьера и газового
промежутка наблюдается последовательное постепенное импульснообразное
(с длительностью импульса ~7-10 нс) нарастание интенсивности и частоты
микроразрядов с установленной длительностью каждого импульса (рис.42).
U
Umaх
а)
Umin
i
б)
Рис.42
113
Длительность импульсов микроразрядов устанавливает сам механизм
процесса возникновения стримерного разряда и не зависит, от какого либо
внешнего фактора. Нет необходимости разрабатывать источник питания, вырабатывающий наносекундные импульсы, тогда как природный механизм
стримерного разряда установил длительность импульсов 7 -10 нс(рис 42б).
Рис.42а содержит три зоны. Первая зона характеризуется плавным нарастанием питающего напряжения. Только в этой зоне присутствуют микроразряды длительностью ~ 7-10нс. Только в этой зоне наблюдается процесс озонообразования. Зона 2 пассивна. Плоская вершина импульса характеризуется постоянством приложенного напряжения к генератору озона.
При этом не возникает ни одного микроразряда. Стримерный механизм в
этой зоне не работает, озон не производится. Область 3 характеризуется
спадом питающего напряжения, где также как и в области 2 отсутствует
процесс возникновения микроразрядов и следовательно отсутствует процесс
озонообразования.
Исключение пассивных участков приводит к сокращению переходных
процессов, сокращает время восстановления, и увеличивает выход озона в
единицу времени. Благодаря свойствам ЭЛП удается избавиться от пассивных зон, обеспечить высокую стабильность озонообразования и высокий
КПД.
Особое внимание было уделено правой области вольтамперной характеристики, когда напряжение на коллекторе ЭЛП превышает допустимое
значение. Выделяющаяся мощность на коллекторе при этом превышает допустимое значение. Такие режимы характерны при работе на разрядные
устройства, в том числе на такие, как генераторы озона.
При коротких замыканиях, напряжение на коллекторе резко возрастает,
что приводит к большому выделению мощности на коллекторе и разрушению его. Для исключения этого явления достаточно использовать внутренние свойства ЭЛП. Электронно-оптическая система ЭЛП устроена таким
114
образом, что при нормальной работе, электронный пучок на коллекторе
оказывается расходящимся (Рис. 43).
U1
U2
U1
U2
к
у.э.
кол. к
у.э.
кол.
а)
б)
Рис.43. Распределение электронов по поверхности коллектора при различных потенциалах на электродах: а) U1 = φ У.Э − φК , U2 = φ У.Э − φКОЛ,
U2/U1 = 0,85 − 0.9;
б) U1 = φ У.Э − φК, U2 = φ У.Э − φКОЛ, U2/U1 ≥ 10.
При коротком замыкании нагрузки напряжение на коллекторе резко
возрастает и может принимать недопустимые значения (правая часть ВАХ
ЭЛП рис.24). Для исключения этого явления автором [108] разработано
специальное устройство коллектора − двойной коллектор (рис.44). Такое
устройство позволяет произвести отсечку режима перегрузки коллекторной
системы, в моменты превышения допустимой
рассеиваемой мощности на основном коллекторе.
Устройство сочетает в себе две компоненты: −
внешнюю электронную схему и внутреннюю.
Внешняя реагирует на величину протекающего тоРис.44
ка через вспомогательный коллектор, а внутренняя
регулирует распределение электронов по апертуре коллектора. При низких
потенциалах коллектора электронный поток равномерно распределяется по
всей апертуре коллектора (нормальная работа ЭЛП) и при запредельных,
характерных для коротких замыканий в нагрузке стягивается к центру. Ток
вспомогательного коллектора при этом резко возрастает. ЭЛП отключается.
Этими свойствами обладает зона, заключенная между ускоряющим электродом 3 (рис.43) и коллектором 4. При нормальной работе ЭЛП напряже115
ние на коллекторе 4 мало и электронный пучок оказывается расходящимся
и размытым по всей поверхности коллектора. В центре коллектора через
малое отверстие на дополнительный коллектор 5 попадает недостаточная
составляющая от всего электронного потока и ток протекающий через резистор 6 мал. Падение напряжения на резисторе 6 также мало и не превышает величины эталонного источника 7. В аварийном режиме, например, коротком замыкании нагрузки происходит стягивание электронного
пучка к центру основного коллектора 4. Количество электричества проходящее на дополнительный коллектор 5 возрастает, ток через резистор 6
резко увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на резисторе
6. При достижении напряжения на резисторе 6 равном напряжению эталонного источника 7 и некотором превышение его, срабатывает внешняя электронная защита снимающая напряжение с ускоряющего электрода ЭЛП.
Ток через ЭЛП прекращается. Порог отсечки определяется соотношением
величины резистора 6 и эталонного источника питания 7. Например, при величине резистора 6 равном 5,1 кОм и токе в 10 мА падение напряжения
составит 5,1В. При выборе величины эталонного источника 7 чуть меньше
падения напряжения на резисторе 6, например в 5В, разность составит
0,1В, что достаточно для срабатывания чувствительного дифференциального усилителя. Разностный сигнал усиливается и через высоковольтный
стекловолоконный проводник поступает на исполнительное устройство,
которое снимает напряжение с ускоряющего электрода. Такая защита эффективно работает на коллекторах типа полусферы [82,109,110].
На рис.45 представлен график зависимости величины тока дополнительного коллектора 5 от режима работы ЭЛП. Как видно из графика ток доIкд
полнительного коллектора при нор10мА
мальной работе ЭЛП составляет 1мА.
Переход в режим перегрузки соответствует току дополнительного коллек1мА
тора Iкд = 10мА Соотношение токов
116
короткого замыкания и нормального
Рис.45
режимов выбирается размером тонкого сквозного отверстия в центре основного коллектора, через который на
дополнительный коллектор протекает часть электронного потока. На рис.44
показаны два прямолинейных участка 1 и 2, соответствующие нормальному
режиму и режиму короткого замыкания. Следует отметить, что не обязательным является достижения короткого замыкания. Режим отключения может быть выбран намного раньше. В этом случае достигается более мягкий
щадящий режим работы ЭЛП.
4.2. Генератор озона барьерно-поверхностного разряда − электрохимиический преобразователь электроэнергии.
На основе теоретических и экспериментальных исследований можно
констатировать, что генератор озона Masuda S. представляет собой модифицированный вариант генератора озона Welsbach H.
Структура генератора озона MasudaS содержит аналогичные компоенты индуцсрующих и разрядных электродов оформленные нескольео в
иной конструкции. Оба генератора озона являются электрохимическими
преобразователям. К обоим конструкциям предъявляются аналогичные требования, как к самим генераторам озона, так и их источникам питания.
Процесс озонообразования типичен для той и другой модели. Озон в
обоих случаях представляет собой продукт образованный воздействием
электрических микроразрядов (стримеров) на кислородосодержащий газ.
Этот процесс обратим и требует на практике тщательного подхода к рассмотрению вопроса быстрого отделения образовавшегося озона от общей
массы газа. Вовремя удалить озон, значит сохранить на более длительное
время его свойства и параметры. Находясь в активной зоне искробразования, озон начинает рекомбинировать в обратном порядке. Это происходит
в основном из-за воздействия на него выделяющегося на электродах и в
газовом промежутке тепла и воздействию образовавшихся избыточно быстрых электронов.
117
Отбираемая от источника питания электроэнергия используется для
последовательного преобразования кислорода в озон. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили выявить тонкую структуру озонообразования и исключить ненужные, замедляющие фазы, повысить надежность экономичность.
Правильный выбор элементной базы, конструкции и технологии изготовления единого элемента генератора озона позволил создать компактный
генератор озона, выполненный полностью из стандартных компонентов отечественного производства. Макетировались и испытывались три вида генераторов озона Масуды С. (Masuda S) выполненных на различных подложках с рельефом, изображенном на рис.46.
Испытания успешно проведены на трех генераторах озона на подложках:
1) Из керамики ВК-94-1, обладающей диэлектрической проницаемостью
не более 10,3 при частоте 1ГГц и температуре окружающей среды 25 0С, с
тангенсом угла диэлектрических потерь не более 6×10-4;
2) Из керамики ВК-100-1, обладающей диэлектрической проницаемостью
не более 10,0 при частоте 1ГГц и температуре окружающей среды 25 0С, с
тангенсом угла диэлектрических потерь не более 6×10-4.
3) Из фольгированного медью стеклотекстолита.
Индуцирующие и разрядные электроды генераторов озона, выполненных
на керамических подложках ВК-84-1 и ВК-100-1, изготовлены на основе сочетания двух и трех компонентов: молибдена - марганцевое и вольфрама −
молибдена – марганцевое покрытия.
Для проведения исследований поочередно на все три типа генераторов
озона поочередно подавалось высокое напряжение в интервале рабочих
значений от 6кВ до 12кВ от специально разработанного униполярного источника питания [103]. Каждый генератор озона был подвержен испытаниям на стенде на надежность и продолжительность работы в реальных
условиях. После чего выявлены причины преемственности или несостоятельности исследуемого генератора озона.
118
При испытаниях образца №3 было установлено: несмотря на то, что
медь является стойким металлом к окислению озона, основополагающим
фактором явилась слабая стойкость к воздействию электрических разрядов
и разрушению медного покрытия из-за слабых структурных межатомных
связей. Наработка на отказ такого генератора озона составила несколько
минут. Из-за слабых межатомных связей в меди визуально наблюдалось
удаление краевых участков, начиная с краев к центру рельефной структуры
медного покрытия при бомбардировке этих участков электрическими разрядами. Нанесение тугоплавких металлов, обладающих сильными межатомными связями, на текстолит оказалось невозможным из-за низкой температуры разрушения стеклотекстолита (температура возгорания 350 – 5000С).
При испытаниях генераторов озона по п. №1 и № 2 выявлено следующее:
воздействие электрических разрядов на металлическое покрытие, с каким
либо изменением рельефа визуально в реальном времени не обнаружено.
Это обусловлено тем, что из-за сильных межатомных связей молибдена −
марганцевые и вольфрама – молибдена − марганцевые покрытия значительно
меньше подвержены расщеплению структуры от внешних воздействий
электрических разрядов. Применение этих покрытий в сочетании с термостойкой керамикой позволяет выполнить генераторы озона с нароботкой
на отказ десятки и сотни часов.
Благодаря высокой теплопроводности обеих керамических пластин −
20 – 30 [Вт/(м·0С)] удалось обеспечить надежное охлаждение
генераторов
озона. Причем при униполярном способе питания появилась возможность
общую сплошную металлизированную на керамике пластину заземлить и
присоединить к устройству интенсивного охлаждения.
На рисунках 46, 47,48 представлен генератор озона выполненный на сеталовой подложке. Генератор, как показано, подключен к соединительному
119
Рис.46
Рис.47
кабелю. Центральная высоковольтная жила кабеля подключена к зеброобразному разрядному электроду, а экранирующая оплетка к индуцирующему
сплошному электроду (рис. 48). Следует отметить, что для изготовления
генераторов озона использовались стандартные пластинки из керамики
ВК-100-1 и ВК-94-1 размером 60×48×1 мм,
выпускаемые
отечественной
промышленностью. Эти пластины широко
используются для изготовления подложек
микросхем. Такая пластина является черновой заготовкой, из которой с помощью
специальных устройств
по шаблону
вырезается подложка нужного размера на
Рис.48
которой монтируются электроды. Изготовление генераторов озона небольших размеров позволяет разместить их в
различных труднодоступных местах и использовать в таких отраслях как
медицина, космические исследования, металловедение и других областях
народного хозяйства. Простота конструкции, небольшие геометрические
размеры значительно расширяют возможности их применения.
Одновременно, благодаря уникальным физическим свойствам, генератор
озона барьерного поверхностного разряда обладает не только присущим
ему свойством электрохимического преобразования, но и свойством све120
тового излучения ближайшего ультрафиолета, что повышает эффективность
озонирования (рис.33а, 33б).
Пластинчатые генераторы озона для увеличения площади излучения и
производительности могут набираться в пакеты. В пакеты могут входить
до нескольких десятков электрически соединенных между собой пластин.
Пакеты насквозь вдоль пластин продуваются кислородосодержащим газом.
На рис. 49 изображена структурная блок - схема параллельного соединения
N − го количества генераторов озона барьерно-поверхностнрго разряда.
Рис. 49. Параллельное соединение генераторов озона (ГО)
4.3 Структура источника питания.
Эффективность источников питания нового типа экономически более
выгодна, чем идти по пути разнообразия конструкций генераторов озона,
рассматривая их отдельно от источника питания. По-видимому, каждому
генератору озона нужен свой источник питания с определенной частотой
и формой пульсирующего напряжения. Оптимальное сочетание источника
питания и генератора озона − основная задача, которую необходимо решать
при разработке озонаторов нового типа.
На основе разработанных электрических схем высоковольтного питающего оборудования с ЭЛП преобразователями на частотах выше 10 кГц, с
униполярным пилообразным питающим напряжении с естественным возбуждением наносекундных импульсов тока длительностью 6-10 нс в разрядном промежутке генератора озона создана концепция построения комплекса оборудования для производства озона.
В комплекс оборудования входят:
121
- пассивный низкочастотный трансформатор, питающийся от стандартной сети частотой 50 – 400 Гц (желательно 3-х фазный);
- выпрямитель высоковольтный, выполненный на ЭЛП, или на других
приборах аналогичного назначения допустимого напряжения 20кВ;
- электрофильтр;
- преобразователь постоянного напряжения в пилообразное с заданной
частотой на приборах ЭЛП.
- генератор озона с поверхностным разрядом по диэлектрику.
Следует отметить, что ни одна из трансформаторных и тиристорных
схем не может воспроизвести форму высоковольтного пилообразного напряжения как, например, ЭЛП. Высокий КПД при полной управляемости
отличает эти устройства от традиционных.
Структурная блок-схема с примерными эпюрами напряжений представлена на рис.50.
Рис.50
Структурная блок-схема включает в себя 1 - повышающий низкочастотный силовой трансформатор. Повышающий трансформатор работает в присущем ему синусоидальном режиме на промышленной частоте. После повышения с 220 ÷ 380 вольт до напряжения 10÷ 12кВ напряжение прикладывается ко входу выпрямительного устройства 2, выпрямляется и преобразуется из синусоидального в униполярное пульсирующее напряжение.
Пульсирующее напряжение поступает на электрофильтр 3, на выходе
которого формируется постоянное напряжение Uпит. Далее постоянное
напряжение с помощью каскада 4, выполненного по специально разрабо122
танной схеме [103] рис.32 коммутируется по заданному закону. Высокое
напряжение пилообразной формы подается на генератор озона барьерного
разряда 5. Через генератор озона продувается кислородосодержащий газ 6.
Под воздействием микроразрядов на выходе генератора озона 5 выделяется озон 7. Благодаря пилообразному напряжению удалось создать
последовательный процесс возникновения стримеров различной энергии
разряда с естественным отбором стримеров, начиная от низкого
энергетического уровня разряда, до наивысшего значения рис.35.
Одновременно при таком питании достигается естественная длительность
импульсов тока 7÷10 нс = (7÷10)·10-9 с.
При частоте питающего генератор озона напряжения f = 10кГц время
разворачивания “пилы “ составит Т = 1/f = 1/104 = 10-4 с. За время разворачивания “пилы“ (от минимального до максимального значения напряжения)
количество наносекундных импульсов микроразрядов составит ≥ 104. Учитывая, что микроразряды могут возникать одновременно в нескольких точках барьера, реальное количество микроразрядов за период может значительно превышать 104. Практика показала, что преимущества источника питания на пролетных пентодах с гальванической связью с нагрузкой очевидны . Двухтактный выходной каскад 4 источника питания выполнен на
двух пролетных пентодах ПП1-0,5/20 (ПП3-0,5/20). Сущность такого каскада
источника питания заключается в том, что в начальный момент времени
на генератор озона подается зарядное напряжение с первого пролетного
пентода. После полного заряда емкости генератора озона и достижении на
его обкладках максимального напряжения, включается разрядный пролетный пентоди два и полностью разряжает емкость генератора озона. Скорость процесса заряд-разряд велика и определяется параметрами СВЧ прибора ПП 1- 0,5/20 и емкостью плоского генератора озона.
Емкость генератора озона (Рис.46) может быть определена по формуле:
C = εε0 S/d = (9,7×8,85×10-12×11,36×10-4)/ 10-3 = 97,52 пФ ≈ 100 пФ;
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость пластины - 9,7;
123
ε0 - электрическая постоянная 8,85 × 10-12 Ф/м;
S – площадь металлической рельефной обкладки генератора озона
высокого напряжения = 1, 36 ×10-4м2
d – толщина керамической пластины - 1 × 10-3м.
В рамках настоящей работы был разработан электронный фильтр сочетающий в себе электронно-лучевые пролетные пентоды В.Е.Гинзбурга и
электронно-лучевой вентиль В.И. Переводчикова. Сочетание этих приборов
позволило создать электрофильтр высокой производительности. Быстродействие пролетных пентодов и возможность ЭЛВ перекачивать значительные токи дало возможность увеличить энергоемкость и КПД устройства.
Для увеличения токов через нагрузку в качестве мощного проходного
каскада использован электронно-лучевой вентиль на ток превышающий
ток пролетного пентода, например, ЭЛВ 4/40 Замена пролетного пентода
на ЭЛВ позволило расширить диапазон регулирования токов через нагрузку. Вариант схемотехнического решения позволяющий сочетать, высоковольтность и высокочастотность с одновременным достижением больших
пропускаемых токов предложен авторами В.Л Верещагиным и А.А. Камуниным [90]. На рис. 51 представлен вариант электрической схемы электрического фильтра. Изобретение относится к электротехнике и может быть
использовано в высоковольтных источниках вторичного электропитания.
Устройство содержит высоковольтный 18 и дополнительный 1
источники постоянного напряжения, а также выходной вывод для
подключения нагрузки 20, электронно-лучевой вентиль (ЭЛВ-2), катод 3
ЭЛВ, ускоряющий электрод 4 ЭЛВ, коллектор 5 ЭЛВ, транзистор 6, титрон
7, управляющий электрод 8 титрона, ускоряющий электрод 9 титрона, каод 10 титрона, экранирующий электрод 11 титрона, анод 12 титрона, резистивный делитель 13, усилитель 14, первый конденсатор 15, первый 16 и
второй 17 резисторы, второй конденсатор 19, а также резисторы 21 и 22
резистивного делителя.
124
Устройство работает следующим образом. Напряжение от высоковольтного источника 18 питания прикладывается к делителю 13 и через параллельно включенные конденсатор 19 и нагрузку 20 к последовательно включенным
резисторам 16 и 17, а также к коллектору и катоду ЭЛВ 2. Резистор 16 в первый момент времени включения блокируется заряжающимся конденсатором 15,
при этом напряжение на инвертирующем
входе усилителя 14 относительно его общего вывода оказывается практически
равным нулю. Напряжение на последовательно включенных резисторах 21 и 22
отличается от нуля и определяется миниРич.51
мальным остаточным напряжением коллектор-эмиттер и анод-катод последовательно включенных транзистора и
титрона. В результате чего обеспечивается высокое напряжение на коллекторе 5 и низкое на ускоряющем электроде 4. ЭЛВ-2 заперт.
Конденсатор 19 заряжается от высоковольтного источника 18 питания
через последовательно включенные резисторы 16 и 17. К этим резисторам
в первый момент времени включения прикладывается напряжение высоковольтного источника 18 питания.
При этом напряжение на конденсаторе 15 увеличивается. При некотором значении напряжения, несколько превышающем напряжение на неинвертирующем входе усилителя 14, ток через транзистор 6 и титрон 7 уменьшается, а напряжение на ускоряющем электроде 4 ЭЛВ-2 увеличивается.
ЭЛВ-2 открывается.
В установившемся режиме напряжения на резисторах 16 и 21 равны,
а напряжения на последовательно включенных резисторах 22. 21 и 16, 17
зависят от коэффициента деления этих делителей и поддерживаются в за125
данном соотношении с помощью усилителя 14, транзистора 6, титрона 7
и ЭЛВ 2.
Ток, протекающий через ЭЛВ 2, зависит от приложенного к ускоряющему электроду напряжения, снимаемого с последовательно включенных
резисторов 21 и 22, и подчиняется закону степени 3/2.
В установившемся режиме выполняется следующее соотношение:
Uпит = Uу3/2 · P· Rн + Uу · (1 +R17 /R16) / (1 + R22 /R21)
(9)
где: Uпит - напряжение питания источника высокого напряжения 18;
Uу - напряжение на ускоряющем электроде ЭЛВ;
P - первеанс ЭЛВ;
Rн - сопротивление нагрузки.
Таблицы 3 и 4 демонстрируют полную программу расчетов напряжений
и токов на электродах ЭЛП при системной стабилизации параметра φК и
поясняют работу высоковольтного прибора в проводящий полупериод согласно эпюрам, представленным на рис.38.
Таблица 3(φК= UК / Uу =0,1)
Uпит(В)
U = Uу(φк + Р·Rн·UУ1/2
10020
8557,73
7174,098
5136,75
2542,28
1269,33
1184,25
901,76
646,09
420,45
229,6
81,762
29,2
20,98
10,48
3,78
0,99
α0
arcsinU/Um
900
58,7
45,7
30,8
14,7
7,3
6,8
5,2
3,7
2,4
1,3
0,47
0,2
0,1
0,06
0,0022
0,0057
Uпит(В)
U = Uу(φк + Р·Rн·UУ1/2
α
Uу(В)
I(А)
arcsinU/Um
I = Р ·Uу·Uу1/2
Uу(В)
5000
4500
4000
3200
2000
1257
1200
1000
800
600
400
200
100
80
50
25
10
I(А)
I = Р ·Uу·Uу1/2
0,35355
0,30187
0,25298
0,18102
0,08944
0,044566
0,04157
0,03162
0,02263
0,01469
0.008
0,002828
0,001
0,000716
0.000354
0,000125
0,000038
Uн(В)
КПД
I · Rн
Uн/(Uн+Uк)
9970
0,952
8512,73
0,95
7134,098
0,947
5104,75
0,941
2522,28
0,927
1256,76
0,909
1172,25
0,907
891,76
0,899
638,09
0,889
414,45
0,874
225,6
0,849
79,762
0,8
28,2
0,738
20,18
0,716
9,98
0,666
3,53
0,585
0,89
0,471
Таблица 4 (φК=UК / Uу =0,01)
0
126
Uн(В)
I · Rн
КПД
Uн/(Uн+Uк)
10020
8557,73
7174,098
5136,75
2542,28
1269,33
1184,25
901,76
646,09
420,45
229,6
81,762
29,2
20,98
10,48
3,78
0,99
900
58,7
45,7
30,8
14,7
7,3
6,8
5,2
3,7
2,4
1,3
0,47
0,2
0,1
0,06
0,0022
0,0057
5000
4500
4000
3200
2000
1257
1200
1000
800
600
400
200
100
80
50
25
10
0,35355
0,30187
0,25298
0,18102
0,08944
0,044566
0,04157
0,03162
0,02263
0,01469
0.008
0,002828
0,001
0,000716
0.000354
0,000125
0,000038
9970
8512,73
7134,098
5104,75
2522,28
1256,76
1172,25
891,76
638,09
414,45
225,6
79,762
28,2
20,18
9,98
3,53
0,89
0,995
0,995
0,994
0,994
0,992
0,99
0,99
0,989
0,988
0,986
0,983
0,976
0,966
0,961
0,952
0,934
0,899
Примечание: P – первеанс = 10-6 (А / В3/2); Rн = 28,2 кОм − сопротивление нагрузки; Uпит − напряжение питания; I − ток через нагрузку;
Uу – напряжение на ускоряющем электроде; Uк – напряжение на коллекторе UК = UУ· φК.
Полученные данные, представленные в таблицах 3 и 4, полностью подтверждают рис. 38. При стабилизации параметра φК стабилизируются все
выбранные рабочие точки находящиеся вблизи потенциального минимума,
но никогда не достигают аварийных значений. Это явление позволяет получить максимально возможный КПД вблизи границы допустимых значений и не допустить срыва нормальной работы ЭЛП .
В таблицах 3 и 4 представлен полный расчет мгновенных значений токов и напряжений на электродах ЭЛП в проводящий полупериод, а также
представлены мгновенные значения внутреннего сопротивления и КПД
преобразователя знакопеременного напряжения в униполярное при различных значениях стабилизатора φК = 0,1 и φК = 0,01.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Решена важная научно-техническая задача.
127
1.Анализ характеристик пролетных пентодов и ЭЛВ показал, что в
источниках питания генераторов озона наиболее пригодными являются
приборы с торможением электронного пучка на коллекторе.
2. На основании анализа электрических режимов работы генераторов озона барьерного разряда были разработаны технические решения создания
конкурентоспособных электрических схем высокочастотных источников
электропитания с гальванической связью с нагрузкой.
3. Отсутствие высоковольтного выходного трансформатора позволило:
- значительно снизить массогабаритные и стоимостные показатели;
- упростить конструкцию источника питания;
- повысить надежность и экономичность.
4. Наличие гальванической связи между выходным каскадом источника
питания и генератором озона позволило практически без потерь подавать
на генератор озона напряжение любой формы с независимой амплитудночастотной характеристикой в диапазоне частот от нескольких Гц до
нескольких десятков кГц.
5. На базе ЭЛВ и титронов разработан высокоэффективный активный
высоковольтный электронный фильтр. Показана целесообразность его использования в высоковольтных цепях для сглаживания пульсаций.
6. В результате экспериментальных исследований на лабораторных
стендах и теоретического анализа работы источника питания на генератор
озона барьерного разряда получены новые представления о сочетании
выходных параметров источника питания с разрядными процессами,
протекающими в барьерном разряде.
7. Разработан принцип и электрическая схема быстродействующей
электронной защиты от пробоев и коротких замыканий в нагрузке.
8. Исключена правая нерабочая зона ВАХ, где наблюдается превышение допустимых значений рассеиваемой мощности на коллекторе, что позволило повысить надежность работы ЭЛП.
128
9. Разработан принцип стабилизации основного системного параметра φк
= Uк/Uу. Это позволило исключить левую нерабочую часть ВАХ, понизить
потенциал коллектора до критического и достигнуть максимального КПД.
Разработана электрическая принципиальная схема.
10. Гибкость характеристик источника электропитания и широкий диапазон регулировок способствовали выявлению новых познаний в области
схемотехнических решений источников питания на ламповой электроннолучевой технике, а также в области построения генераторов озона барьерного разряда.
11. На основе проведенных экспериментальных исследований и теоретического анализа технологических процессов предложена концепция
построения универсального комплекса источников питания генераторов
озона, состоящего из высоковольтных блоков с гальванической связью с
нагрузкой. Базовой основой источников питания является наличие в них
активных элементов - ламп с рекуперацией энергии электронов на
коллекторе (ЭЛВ и пролетных пентодов), отсутствие громоздкого
выходного высоковольтного трансформатора, полная управляемость по
току и напряжению, высокочастотность до 40 кГц и выше.
12. Произведен полный расчет параметров ЭЛП в режиме стабилизации
основного системного параметра φк. При φк= 0,01 и φк= 0,1.
Таким образом, можно констатировать, что результатом диссертационных исследований в области построения унифицированных источников
электропитания генераторов озона барьерного разряда явилось решение
важнейшей научно-технической задачи в сфере экологии по созданию
высокоэффективных источников электропитания перспективных генераторов
озона.
Список публикаций автора
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:
129
1. А.С. 1337890 СССР. МПК G 05 F 1/569. Стабилизатор напряжения
[Текст] / Верещагин В.Л., Даниэлян С.А., Летичевский Р.Д., Павлов В.Г.,
(СССР).− 4037268/24-07; заявлено 18.03.86; зарегистрировано 15.05.87; опубл.
15.09.87. Бюл. 34.
2. А.С. 1403956 СССР. МПК H 02 М 7/12. Преобразователь переменного
напряжения в постоянное [Текст] / Верещагин В.Л., Камунин А.А. (СССР). −
4033007/24-07; заявлено 11.03.86; зарегистрировано 15.02.88. ДСП.
3. А.С. 1337894 СССР МПК G 05 F 1/59 Резервируемый источник вторичного электропитания [Текст] / Верещагин В.Л., Павлов В.Г., Летичевский Р.Д. (СССР). − 4046205/ 24-07; заявлено 31.03.86; зарегистрировано
15.05.87; опубл. 15.09.87. Бюл. 34.
4. А.С. 1436222 СССР МПК H 02 M 1/14. Высоковольтный сглаживающий электронный фильтр [Текст] / Верещагин В.Л., Камунин А.А. (СССР). −
4168154/24-07; заявлено 26.12.86; зарегистрировано 08.06.88; опубл. 07.11.88.
Бюл. 41.
5. Верещагин, В.Л. Высоковольтный сглаживающий электронный фильтр:
научно-технический сборник техника средств связи, сер. техника радиосвязи [Текст]/ В.Л. Верещагин, А.А. Камунин. − Москва: ЦООНТИ “ЭКОС“,
1988. вып.2, С.100-105.
6. А.С. 1483572 СССР МПК H 02 M 7 /10. Высоковольтный выпрямитель
[Текст] / Верещагин В.Л., Камунин А.А. (СССР). - 4310022/24-07; заявлено
29.07.87; зарегистрировано 01.02.89; опубл. 30.05.89. Бюл. 20.
7. А.С. 1590988 СССР, МПК G 05 F1/569. Вторичный источник питания
[Текcт]/ Верещагин В.Л., Мусаелян С.А., Монастырский В.Л., Павлов В.Г.,
Хейфец И.М. (СССР). − 4406717/ 24-07; заявлено 08.04.88; зарегистрировано
08.05.90; опубл. 07.09.90. Бюл.33.
8. А.С. 1576887 СССР, МПК G 05 F 1 /52. Стабилизирующий источник
высокого напряжения [Текст] / Верещагин В.Л., Жуков В.А., Камунин А.А.,
Калинин А.В., Макальский Л.М., Цетлин Ф.В., (СССР). − 4475172/24-07;
заявлено 12.08.88; зарегистрировано 08.03.90; опубл. 07.07.90. Бюл. 25.
130
9. Пат. на полезную модель 133950 Российская Федерация, МПК G
05 F 1/52. Стабилизирующий источник высокого напряжения с глубоким
разрядом для озонатора [Текст]/ Верещагин В.Л., Кондратьева О.Е., Макальский Л.М.; заявитель и патентообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Национальный исследовательский университет “МЭИ“. − № 2013124403/08; заявлено 28.05.2013; зарегистрировано 27.10.2013; опубл. 27.10.2013, Бюл. 30.
10. Пат. 2579354 Российская Федерация, МПК C 01 B 13/11. Способ
электропитания генератора озона поверхностного разряда [Текст]/ Верещагин В.Л., Кондратьева О.Е., Макальский Л.М.; заявитель и патентообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования “Национальный исследовательский университет “МЭИ“. − № 2015110433/07; заявлено 24.03.2015; зарегистрировано
04.03.2016; опубл. 10.04.2016, Бюл. 10.
Список литературы диссертационного исследования
1.1. Основные перспективные направления применения озонаторов
в народном хозяйстве, преимущества метода озонирования.
1. Хохрякова, Е.А. Современные методы обеззараживания воды [Текст]/
Е.А. Хохрякова. − Москва: ИЦ “Аква - Терм“, 2014.− 77 с.
2. Гончарук, В.В Современное состояние проблемы обеззараживания воды
[Текст]/ В.В. Гончарук, Н.Г. Потапченко. // Химия и технология воды. − 1998,
т. 20, №2. − С.190-213.
3. Reckhow D.A., Singer P.C. Chlorination By products in drinking water
from formation potentials to finished water concentrations. J.AWWA. 1990 – 82,
№4 – p.173 – 180.
4. Rilling S. und Viebahn R. Praxis der Ozon-Sauerstoff Therapies 3. Heidelberg: Verlag fur Medizin Fischer, 1990. − Bd.l. − S.198.
5. Masuda S., Kiss E., Ishida K. and Assai H. Quick disinfection of hand piece in
dental use. // Proceedings of International Conference on Modem Electrostatics,
131
Beijing, China, 1988, pp.507-512.
6. Орлов, В.А. Озонирование воды [Текст]/ В.А.Орлов.− Москва: Стройиздат, 1984.− 88 с.
7. Masuda S., Sato M., Seki T. High – efficiency ozonizer using travelling wave
pulse voltage. // IEEE Trans, on Ind. Appl., vol. IA- 22, № 5, 1986, pp 886-891.
8. Беляева, Е.А. Проектные решения станций водоподготовки с применением озонирования и адсорбции[Текст]/ Е.А. Беляева Г.Р. Рабинович, Е.А.//
Водоснабжение и санитарная техника. − 1998.− №6.− С. 8-11.
9. Амиров, Р.Х Применение импульсной короны для очистки дымовых
газов. 2. Окисление оксида азота [Текст]/ Р.Х.Амиров, Э.И.Асиновский,
И.С.Самойлов, и др. − Москва: ИВТАН, 1991. − 37с.
10. Masuda S. Pulse corona Induced plasma chemical processes: a horizont of
new plasma chemical technologies.// Pure and Applied Chem., vol.80, №5, 1988,
pp 727-731.
11. Валуев, А.А. Радиационно-плазмохимические методы очистки дымовых
газов [Текст]/ А.А Валуев, А.С. Каклюгин, Г.Э. Норманн и др. − ТВТ, т.28,
№5, 1990. − С.885-1008.
12. Bailey A., Stanley A.V., Williams M.R. Gas phase decomposition of organic
vapours in DC corona discharge.// 10th Int. Conf. on Gas Dish. and their Appl.,
13-18 Sept. 1992, Wales, Swansea, Proc., vol.1, pp. 356-358/
13. Орлов, А.А. Озонатор КС-4-60-10-6Д-01. Пояснительная записка. Гос.
регистрационный номер 01830008011. Тема 83-11 [Текст]/ А.А.Орлов,
В.Н. Шалыгин, В.М. Шестаков. − ЛенНИИхимнефтемаш, Дзержинский филиал: − 1993.− 25 с.
14. Васильев,Н.А. Озонатор КН-2-18-12-5Л-01. Пояснительная записка. Гос.
регистрационный номер 01830008033. Тема 83-63 [Текст]/ Н.А.Васильев
А.А.Орлов, В.Н Шалыгин. − ЛенНИИхимнефтемаш, Дзержинский филиал: −
1993. − 25 с.
15. Денисов, С.И., Очистка уходящих газов от 3,4 бенз(а)пирена. Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых га132
зов. Материалы семинара (ноябрь1992) [Текст]/С.И.Денисов, С.С.Денисов,
Ю.Г.Сивогривое. − Москва: ИВТАН, 1993. − С.22-24.
16. Zahoran M., Hajossy R., Skalny J. Oxidation of 3,4 benzopyrene in the corona discharge.// Actaphysica slovenija, vol. 29, 1979, ´3, pp. 237-241.
17. Егорова, Л.Е. Защита атмосферного воздуха от газообразных выбросов.
Учебное пособие по курсу “Методы защиты окружающей среды“ [Текст]/
Л.Е.Егорова, П.В.Росляков. − Москва: МЭИ, 1996.− С.71. Под ред. М.А. Изюмова.
18. Инструкция по охране труда при использовании стеклопластов [Текст ]/
Утверждена Минтрудом РФ 13 мая 2004г. 1.Общие требования охраны
труда.
19. Duveen R.F. Technology and its development in the viscose industry.// Lenzingen Berichte. 1997. №76, p.33-37.
20. Попков, С.А. Теоретические основы производства химических волокон
[Текст]/ С.П. Попков. − Москва: Химия, 1990. − 272 с.
21. Курников, А.С. Очистка выхлопных газов судовых дизелей методами
озонирования. Вторая Всесоюзная конференция “Озон. Получение и применение“. 30 янв. 1 февр. 1991. Тезисы докладов [Текст]/ А.С. Курников А.П. Мураков, А.В. Щепоткин. − Москва: МГУ, 1991.− 222 с.
22. Апостолюк, С.О. Охрана окружающей среды в деревообрабатывающей
промышленности [Текст] / С.О. Апостолюк, А.С. Апостолюк, В.С. Джигирей
и др. – Москва: Основа, 2003. − 174 с.
23. Валуев, А.А Перспективы развития электрофизических методов очистки. Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки
дымовых газов. Сборник тезисов докладов [Текст]/ А.А. Валуев, А.С. Каклюгин, Г.Э. Норман и др. − Москва: ИВТАН, 1991.− C. 3-7.
24. Handbook of ozone technology and applications. Ed.by Rice R.G. and Netzer
A., - Collingwood: Ann Arbor Science, 1982, vol.1.
25. Баранов, С.С. Современные конструкции озонаторов.[Текст] / С.С. Баранов, А.А Орлов, В.И. Семенов. − Москва: ЦНИИхимнефтемаш, 1984. − 39 с.
133
26. Абрамович, Л.Ю., Антонов В.Н., Данилин В.В., Достижения в создании современных промышленных озонаторов. TV Симпозиум “Электротехника 2010 год“, 20-23 мая [Текст]/ Л.Ю Абрамович, В.Н Антонов, В.В. Данилин. − Москва: 1997. Сборник докладов. Часть 2. С.263-268.
1.2. Тенденции развития строения электрических генераторов озона и
источников их электропитания.
27. Силкин, Е.М. Синтез озона в электрических разрядах и повышение его
эффективности. Часть1 [Текст] / Е.М. Силкин.// КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ - 2008 г.- №6 – С. 136-143.
28. Анализ состояния производства озонаторного оборудования [Текст]/
Информациционный центр “Озон“. − Москва: 1997. Вып. №4. − 27 с.
29. А.С. 1337890 СССР. МПК G 05 F 1/569. Стабилизатор напряжения
[Текст] / Верещагин В.Л., Даниэлян С.А., Летичевский Р.Д., Павлов В.Г.,
(СССР). − 4037268/24-07; заявлено 18.03.1986; зарегистрировано 15.05.1987;
опубл. 15.09.1987. Бюл. 34.
30. Masuda S., Kiss E.A. Ceramic based ozonizer using high freguencu discharge//
IEEE Trans Ind. Appl. – 1988 – V.24 №2, P223-2311.
31. А.С. 1576887 СССР, МПК G 05 F 1 /52. Стабилизирующий источник
высокого напряжения [Текст] / Верещагин В.Л., Жуков В.А., Камунин А.А.,
Калинин А.В., Макальский Л.М., Цетлин Ф.В., (СССР). − 4475172/24-07;
заявлено 12.08.1988; зарегистрировано 08.03.1990; опубл. 07.07.90. Бюл. 25.
32. А.С. 1337894 СССР МПК G 05 F 1/59 Резервируемый источник вторичного электропитания [Текст] / Верещагин В.Л., Павлов В.Г., Летичевский Р.Д. (СССР). − 4046205/ 24-07; заявлено 31.03.86; зарегистрировано
15.05.87; опубл. 15.09.87. Бюл. 34.
33. Верещагин, И.П., Громовой В.Б., Жуков В.А., Калинин А.В., Козлов М.В.
Исследование высокочастотного поверхностного разряда с целью разработки малогабаритных генераторов озона. Тезисы докладов 2-й Всесоюзной
конференции ”Озон: производство и применение“ [Текст]/ И.П Верещагин,
В.А.Жуков, А.В.Калинин и др. − Москва: МГУ, 1991, с.37-38.
134
34. Верещагин, И.П. Оптические наблюдения поверхностного разряда. Сб.
докладов 6-й Конференции по электротехнике, Кошице (ЧССР) [Текст]/
И.П. Верещагин, А.В. Калинин, В.В. Панюшкин. 1992. С 1-6.
35. Калинин, А.В Экспериментальное исследование характеристик высокочастотного поверхностного разряда [Текст]/ А.В.Калинин, М.В.Козлов,
В.В.Панюшкин// Известия РАН. Сер. Энергетика, 1993. №4. С.45-51.
36. Козлов, М.В. Исследование высокочастотного поверхностного разряда
с целью повышения эффективности работы электротехнических установок
[Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук (05.09.13)/ Козлов
Максим Вадимович. − Москва: МЭИ, 1993. − 26 c.
37. А.С. 1754647 СССР, МПК С 01 В 13/11 Озонатор [Текст]/ Энгельшт В.С.
(СССР). − 4878191/26; заявлено 28.10.90; опубл. 15.08.92, Бюл.№ 30.
38. Барамбаев, М.К. Барьерно-поверхностный разряд на двухжильном проводе [Текст] / М.К. Барамбаев, К.А. Шаршембиев, В.С.Энгельшт. − Бишкек:
Вестник КРСУ, 2002, Т.2. №2. − С. 53-58.
39. Пат. 2275324 Российская Федерация, МПК С 01В 13/11. Устройство для
получения озона в электрическом разряде [Текст]/ Пичугин Ю.П.; заявитель и
патентообладптель Пичугин Ю.П.− № 2004125832/15; заявлено 24.08.2004;
опубл. 27.04.2006. Бюл. 12.
40. Пат. 2200701 Российская Федерация, МПК С 01В 13/11. Генератор озона
[Текст]/ Баранов А.Ф., Елесин А.П., Михайлова Т.К.; заявитель и патентообладель ОАО “Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов
“Плазма“. − № 2002102584/12; заявлен 28.01.2002; опубл. 20.03.2003. Бюл. 26.
41. Пат. 2355627 Российская Федерация, МПК С01В13/11. Устройство для
генерирования озона [Текст]/ Кравченко Г.А Пичугин Ю.П.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова» − № 2007135585/15;
заявл. 25.09.07; опубл. 20.05.09, бюл.№5.
42. Долина, Л.Ф. Новые методы и оборудование для обеззараживания сточных вод и природных вод [Текст]/ Л.Ф. Долина. – Днепропетровск: Континент, 2003. С 40-41.
135
43. Пат. 122084 Российской Федерации, МПК С01В 13/11. Озонаторный
комплекс [Текст]/ Андреев В.В., Кравченко Г.А., Пичугин Ю.П., Телегин Г.Г.,
Телегин В.Г.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ЧГУ им. И.Н.Ульянова» − № 2012122980; заявлен 04.06.2012; опубл. 20.11.2012, Бюл. 32.
44. Кравченко, Г.А. Исследование диэлектрических барьеров с короностойким покрытием и разработка высокоресурсных систем электродов генераторов озона [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук
(05.09.13)/ Кравченко Галина Алексеевна. − Чебоксары, 2013. − 19 с.
1.3. Технические особенности и режимы работы источников питания
генераторов озона.
45. Пат. 2349021 Российская Федерация, МПК Н02М 7/523. Источник питания генератора озона с LC − резонансным контуром [Текст]/ Пуресев Н.И., Присенко Ю.С., Филиппов В.Г.; заявитель и патентообладатель
ФГУП “Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина“.№ 2007144286/09; заявлен 30.11.2007; опубл. 10.03.2009, Бюл. 7.
46. Кириенко, В.П. Промышленные озонаторы серий ТМ и ТС с источниками питания повышенной частоты [Текст]/ В.П. Кириенко, К.Ю. Кузнецов,
Ю.И Михин и др. // Известия Академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. − Москва – Н. Новгород: НГ - ТУ, 2005. Т. 15. С.52-53.
47. Пат. 58524 Российская Федерация, МПК С 01В 13/11. Озонатор с импульсным источником электропитания [Текст]/ Кириенко В.П., Ваняев С.В.,
Кузнецов К.Ю.; заявитель и патентообладатель госудапственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования
Нижегородский государственный университет. − № 2006122019/22; заявлен 20.06.2006; опубл. 27.11.2006, Бюл. 33.
48. Кузнецов, К.Ю. Полупроводниковый комплекс для импульсного
электропитания частотно-регулируемых озонаторов [Текст]: автореф. дис.
на соиск. учен. степ. канд. тех. наук (05.09.12)/ Кузнецов Кирилл Юрьевич. −
Н. Новгород, 2015. − 18 c.
136
49. Кириенко, В.П. Свид. о рег. программы для ЭВМ №2005612589. Имитационная математическая модель электротехнологической установки “Генератор импульсного напряжения − электрохимический преобразователь“
[Текст]/ В.П. Кириенко, К.Ю. Кузнецов, С.В. Ваняев. Заяв .09.08.2005; Зарег.
05.10. 2005// Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных
микросхем. ФГУ ФИПС, 2006. №1. С10.
50. Блинов, И.В.. Исследование характеристик источников питания озонаторов на основе математических моделей [Текст] / И.В. Блинов, К.Ю. Кузнецов, Д.А. Сосновский // Вестник УГАТУ, 2008. Т.10.№1(26). − С.161-165.
51. Лунин, В.В. Физическая химия озона [Текст]/ В.В. Лунин, В.В. Попович,
С.Н Ткаченко. − Москва: МГУ, 1998.
52. Shapiro S.V. High frequency resonance ozonators as mono economical method
to receive ozone (статья) // Proceedings regional conference of ozone generation
and application to water and waste water treatment. Moscow, 1988.
53. Патент №233746 Российская Федерация, МПК Н02 М 5/27. Способ управления преобразователем трехфазного напряжения в высокочастотное
однофазное и устройство для реализации этого способа [Текст]/ Шапиро С.В.,
Киселев Р.В.; заявитель и патентообладатель государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимская государственная академия экономики и сервиса. − № 2007124438/09; заявлен
28.06.2007; опубл. 27.10.2008, Бюл. 30.
54. Патент 2075433 Российская Федерация, МПК С01В 13/11. Высокочастотный озонатор [Текст]/ Шапиро С.В., Воронов Б.А.; заявитель и патентообладатель Шапиро Семен Вольфович. − № 5064705/06; заявлен 15.04.92;
опубл. 20.03.97, Бюл. №8.
55. Шапиро, С.В Полупроводниковый непосредственный преобразователь
повышенной частоты для генераторов озона [Текст]/ С.В. Шапиро, В.В. Жидков // Вестник УГАТУ, 2012. Т.16. №1(46). − С. 127-132.
137
56. Амирханов, А.Ш. Электротехнический комплекс генерирования озона
разрядом ультразвуковой частоты [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ.
канд. тех. наук (05.09.03)/ Амирханов Азат Шамильевич. − Уфа, 2002.− 10 c.
57. Патент 68819 Российская Федерация, МПК H 03 K 7/08, В 03 С3/38.
Устройство для питания электрофильтра [Текст]/ Кирюхин Ю.А., Мустафа Г.М., Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Щербаков А.В.; заявитель и патентообладатель ФГУП “Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина“. − № 2007126243/22; заявлен 09.07.2007; опубл. 27.11.2007,
Бюл.33.
1.4. Потери КПД в системе: источник питания - генератор озона.
58. Кириенко, В.П. Концепция создания импульсных источников электропитания озонаторов [Текст]// Материалы 2-й Всероссийской н-т. конф. “Проблемы электротехники, электромеханики и электротехнологии“. − Тольятти,
2007. С. 37-38.
59. Кириенко, В.П. Промышленные озонаторы серии ТМ и ТС с источниками питания повышенной частоты [Текст]/ В.П. Кириенко, К.Ю. Кузнецов,
Ю.И. Махин и др.// Изв. Академии инжен. наук, т.15. − Москва - Н.Новгород, 2005. С.93-97.
60. Блинов, И.В. Имитационная модель системы преобразователь частотыозонатор [Текст] / И.В. Блинов, К.Ю. Кузнецов, Ю.И. Махин// Совершенствование технико-эксплуатационных процессов энергетических средств в сельском хозяйстве и на транспорте: Сборник научных трудов/ Нижегород. гос.
с.-х. академия. − Н. Новгород, 2007. − С.309 -313.
61. Блинов, И.В. Снижение энергозатрат озонных технологий [Текст]/
И.В. Блинов, К.Ю. Кузнецов, Н.А. Пузиков.// Тезисы докладов межд. Конгресса “Великие реки 2005“. − Н. Новгород: ННГАСУ, 2005. Т.1. С. 196 - 198.
62. Блинов, И.В. Озонаторные установки с источниками питания повышенной частоты [Текст] / И.В. Блинов, К.Ю. Кузнецов, Ю.И. Махин// Совершенствование технико-эксплуатационных процессов энергетических средств
138
в сельском хозяйстве и на транспорте: Сборник научных трудов/ Нижегород. гос. с.-х. академия. − Н. Новгород, 2007. − С.314 -318.
63. Озонаторное оборудование [Электронный ресурс]: Каталог продукции
ООО “Курганхиммаш“ 2016. - С.16; содержание// Озонаторы ООО ”Курганхиммаш“; озонатор П - 31, С.8; рис. 8.1.2; http: // kurgankhimmash. ru.
64. Патент 49813 Российская Федерация, МКИ С01В 13/11, H01J 19/00.
Озонатор [Текст]/ Силкин Е.М.; заявитель и патентооблпдатель ЗАО “Электроника силовая“. − № 2005122859/22; заявлен 18.0.6.2005; опубл.10.12.2005.
Бюл.№34.
65. Патент 2020710 Российская Федерация, МКИ Н 02 М 5/45. Преобразователь частоты со звеном постоянного тока [Текст]/ Силкин Е.М. и др.; заявитель и патентообладатель Силкин Е.М, Балабина С.А., Пригодин В.И.,
Самойлов В.С., Силкина В.Н. − № 5031328/07; заявлено 23.12.1992; опубл.
30.09.1994. Бюл. №18.
66. Патент 2159497 Российская Федерация, МКИ Н 02 М 5/44. Способ управления преобразователем частоты [Текст]/ Силкин Е.М.; заявитель и патентообладатель АООТ “ЭЛСИ“. − № 99108542/09; заявлено 13.04.1999;
опубл. 20.11.2000, Бюл. 32.
67. Патент 2289190 Российская Федерация, МКИ Н 02 М 5/44, Н 05В 41/24
Способ управления преобразователем частоты [Текст]/ Силкин Е.М.; заявитель и патентообладатель АООТ “ЭЛСИ“. − № 2003113821/09; заявлен
12.05.2003; опубл. 10.12.2006, Бюл. 34.
68. Горский, А.Н. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания [Текст]/ А.Н. Горский, Ю.С. Русин, Н.Р. Иванов,
Л.А.Сергеева. – Москва: Радио и связь, 1988. − 176 с.
69. Гинзбург, Л.Д. Высоковольтные трансформаторы и дроссели с эпоксидной изоляцией [Текст]: научное издание / Л.Д. Гинзбург. - Л.: Энергия,
1978. − 192 c.
139
70. Кириенко, В.П. Системы импульсного электропитания озонаторов
[Текст]: учеб. пособие/ В.П. Кириенко; Нижегород. гос. техн. ун-т. им. Р.Е.
Алексеева. − 2-е изд., испр. − Н. Новгород, 2012. 91 с.
71. Детали и элементы радиолокационных станций [Текст]/ Перевод с английского под редакцией А.Я. Брейтбарта. - Москва: Сов. Радио, 1952. Часть
1. 560 с.
72. Китаев, В.Е. Трансформаторы [Текст]/ В.Е. Китаев. - Москва: Высшая
школа, 1974. − 110 c.
73. Детали и элементы радиолокационных станций [Текст]/ Перевод с английского под редакцией А.Я. Брейтбарта. - Москва: Сов. Радио, 1952. Часть
2. 463 с.
74. Патент 123605 Российская Федерация, МПК Н02М 7/00. Устройство для
реализации способа электропитания разрядного несимметричного генератора озона [Текст]/ Силкин. Е.М.; заявитель и патентообладатель Силкин Евгений Михайлович. − № 2012126778; заявлен 26.06.2012; опубл. 27.12.2012,
Бюл. 36
1.5. Новые направления в развитии высоковольтных источников электропитания на базе электронно-лучевых приборов.
75. А.С. 367482 СССР, МКИ Н01J 21/10. Электронный высоковакуумный
вентиль [Текст]/ Будкер Г.И., Переводчиков В.И. (СССР). - 1167036/26-25;
заявлено 10.06.67; опубл. 23.01.73, Бюл. 8.
76. Переводчиков, В.И. Использование глубокого торможения электронного
пучка для передачи энергии и создания электронно-лучевой коммутирующей аппаратуры [Текст]/ В.И. Переводчиков// В кн.: Всемирный электротехнический конгресс. Москва, 21 – 25 июня 1977. − Москва, 1977. Секция
2. 23 с.
77. Гинзбург, В.Е. Теория, проектирование, создание и особенности применения пролетных электровакуумных приборов - титронов [Текст]: автореф.
дис. на соиск. учен. степ. доктора тех. наук (05.27.02)/ Гинзбург Владимир
Ефимович. − Москва, 1987. − 29 c. ДСП.
140
78. Жигарев, А.А. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы [Текст]/
А.А. Жигарев, Г.Г. Шамаева. – Москва: Высшая школа, 1982. 464 с.
79. Переводчиков, В.И Экспериментальные исследования процесса глубокого торможения электронного потока в коллекторе типа цилиндра Фарадея [Текст]/ В.И. Переводчиков, Д.А. Скибитянский// Электронная техника.
Электроника СВЧ. − 1970, № 7, С. 74.
80. Гинзбург, В.Е. Экспериментальные исследования процессса глубокого
торможения электронных потоков в коллекторе типа цилиндра Фарадея
[Текст]/ В.Е. Гинзбург, В.Т. Овчеров // Электронная техника. СВЧ – Техника,
2008, вып. 5-6, С. 59 - 67.
81. А.С. 776371 СССР, МПК H 01 J 21/10. Многоэлектродная электронная
лампа [Текст]/ Гинзбург В.Е., Репин В.В., Гуревич В.А. и др. (СССР). −
2760910/25; заявлено 03.05.79; опубл. 07.03.92. Бюл. 9.
82. Акимов, П.И. К вопросу о проектировании электронно-оптических систем с глубоким торможением и оседанием пучка электронов на поверхность, ортогональную траекториям электронов [Текст]/ П.И Акимов, В.И. Переводчиков// В кн: Задачи физической электроники. − Москва: Наука, 1982.
− С.152. Рис.5.
83. Переводчиков, В.И Коэффициент полезного действия и предельные токи в электронно-лучевых вентилях [Текст]/ О.Ю.Нагучев, О.Ю. Переводчиков.// В кн.: Задачи физической электроники. − Москва: Наука, 1982.
− С.132.
84. Куделайнен, В.И. Глубокое торможение электронного пучка в системе
с продольным магнитным полем [Текст]/ В.И. Куделайнен, И.Н. Мешков,
В.В. Пархомчук и др.- “Ж. техн. физ.“, 1976, т. 46, вып.8, С.1678.
85. Гинзбург, В.Е. История отечественной электроники [Текст]: в 2-х т.
т. 1./ В.Е. Гинзбург. − Москва: ЗАО “Издательский дом “Столичная энциклопедия“, 2012г. − 759 c.
86 А.С. 606467 СССР, Многоэлектродная электронная лампа [Текст]/ Гин-
141
збург В.Е., Лебединский С.В., Репин В.В. и др. (СССР). - 2368989/25; заявлено 04.06.76; опубл. 07.03.92. Бюл. 9.
87. А.С. 1251249 СССР, МПК Н 02 М 1/14. Высоковольтный сглаживающий фильтр [Текст]/ Орехов А.П., Гинзбург В.Е., Гуревич В.А., Репин В.В.
(СССР).- 3715510/24-07; заявлено 29.03.84; опубл. 15.08.86. Бюл. 30.
88. А.С. 1379904 СССР, МПК Н 02 М 1/14. Сглаживающий фильтр [Текст]/
Артюх И.Г., Веселов И.А., Гинзбург В.Е., Орехов А.П.(СССР). - 3848459/24-07;
заявлено 28.01.85; опубл. 07.03.88. Бюл. 9.
89. Каталог научно − технической документации. [Текст] // Технические
условия на титрон ПП 2 − 2/85; ТУ 11 − БВО, 334.003 ТУ − 82; ГУП РТ
“Татарстанский ЦНТИ“. − Казань: − 2016. − 56 с.
90. А.С. 1436222 СССР, МПК Н 02 М 1/14. Высоковольтный сглаживающий
электронный фильтр [Текст]/ Верещагин В.Л, Камунин А.А. (СССР). - 4168154/
24-07; заявлено 26.12.86; опубл. 07.11.88. Бюл. 41.
91. А.С. 1269842 СССР, МПК В 03 С 3/68. Устройство питания электрофильтра знакопеременным напряжением [Текст] / Догадин Г.С., Макальский Л.М., Мирзабекян Г.З. и др. (СССР). - 3891948/23-26; зявлено 06.05.85;
опубл. 15.11.86. Бюл. 42.
92. А.С. 1519777 СССР, МПК В 03 С 3/68. Устройство для питания электрофильтров [Текст]/ Шапенко В.Н., Переводчиков В.И., Лисин В.Н., Стученков В.М. и др. (СССР). - 3824811/23-26; заявлено 17.12.84; опубл. 07.11.89.
Бюл. 41.
93. А.С. 2207191 СССР, МПК В03С 3/00. Н03К 7/08 Способ питания электрофильтра и устройство для его реализации [Текст]/ Калинин В.Г., Переводчиков В.И., Стученков В.М., Шапенко В.Н., Щербаков А.В.(СССР). - 2001111389;
заявл. 24.04.2001; опубл. 27.06.2003. Бюл. 18.
94. Шампе, Р. Физика и техника электровакуумных приборов [Текст].
Т.2: Теория и производство электровакуумных приборов / Р. Шампе: Под
редакцией Р.А. Нилендера: − Москва: “Энергия“ 1964. 448 c.
142
95. Гинзбург, В.Е Взгляд на технологические проблемы устойчивого развития человеческой цивилизации с позиции первеансной электронной оптики [Текст] / В.Е., Гинзбург, С.В. Кибальников. − Дубна: Электронное научное издание “Устойчивое инновациионное развитие: проектирование и управление“. Том 7 № 4 (13), 2011. C. 3. Государственный университет “Дубна“.
www. rypravlenie. ru.
96. А.С. 1339518 СССР, МПК G 05 F 1/56. Многоканальный источник питания [Тест]/ Кисельников И.А., Макальский Л.М., Мирзабекян Г.З. Переводчиков В.И. и др. (СССР). – 3904592/24 - 07; заявлено 24.05.85; опубл.
23.09.87. Бюл. 35.
97. Щербаков, А.В. Научно-технические основы создания систем питания
высоковольтных устройств пыле - и газоочистки на основе электроннолучевцх вентилей и газорязрядных приборов [Текст]: автореф. дис. на соиск.
учен. степ. доктора тех. наук (05.27.02)/ Щербаков Александр Владимирович.Москва, 2010. − 40 c.
98. А.С. 1382493 СССР, МПК В 03 С 3/38.Устройство для питания электрофильтра знакопеременным напряжением [Текст]/ Александров Л.П., Липатов В.С., Расссадина Н.А., Переводчиков В.И. и др. (СССР). − 4129909/24-26;
заявлено. 04.10.86; опубл. 23.03.88. Бюл. №11.
99. Пат. 2212729 Российская Федерация, МПК H010 21/04, B03C 3/38. Коммутатор и устройство для питания нагрузки знакопеременным напряжениием на его основе [Текст]/ Щербаков А.В.; заявитель и патентообладатель
Государственное унитарное предприятие “Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина“. − 20022100494/09; заявлен 08.01.2002;
опубл. 20.09.2003, Бюл. 26.
100. Пат. 2291000 Российская Федерация, МПК В 03С 3/68, В 03С 3/38.
Устройство для питания электрофильтра (варианты) [Текст]/ Щербаков А.В.;
заявитель и патентообладатель Государственное унитарное предприятие “Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина“. 2005110714/09; заявлен 04.12.2005; опубл. 10.01.2007, Бюл.1.
143
101. Щербаков, А.В. Перспективные источники знакопеременного и импульсного питания электрофильтра и реакторной камеры [Текст]/ Электро,
2006, № 5, С. 16-20.
102. А.С. 1190476 СССР, МПК Н03К 3/53, В03С 3/38. Генератор импульсов для питания электрофильтра знакопеременным напряжением [Текст]/
Джус Н.И. (СССР). − 3616954/ 24-21; заявл. 06.07.83; опубл. 07.11.85. Бюл. 41.
103. А.С. 1576887 СССР, МПК G 05 F 1/52. Стабилизирующий источник
высокого напряжения [Текст]/ Верещагин В.Л., Камунин А.А., Макальский Л.М. и др. (СССР). − 4475172/24-07; заявлено 12.08.88; опубл. 07.07.90.,
Бюл. 25.
104. Патент 133950 Российская Федерация, G05F 1/52. Стабилизирующий
источник высокого напряжения с глубоким разрядом для озонатора [Текст]/
Верещагин В.Л., Кондратьева О.Е., Макальский Л.М.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО “Национальный исследовательский университет ”МЭИ“.
− № 2013124403/ 08; заявлен 28.05.2013; опубл. 27.10.2013. Бюл. 30.
105. А.С. 843149 СССР, МПК Н 02Р 13/16. Устройство для управления
электроннолучевым вентилем [Текст]/ Липатов В.С. (СССР). − 2811756/24-07;
заявлено 31.08.79; опубл. 30.06.81. Бюл. № 24.
106. А.С. 1403956 СССР, МПК Н 02М 7/12. Преобразователь переменного напряжения в постоянное [Текст]/ Верещагин В.Л.. Камунин А.А. (СССР).
− 4033007/24-07; заявлено 11.03. 86, ДСП.
107. А.С. 309645 СССР, МПК Н02М 7/12. Устройство для преобразования ВЧ энергии в постоянный ток [Текст]/ Гинзбург В.Е., Лебединский С.В.
(СССР). − Заявлено 09.07.1969, ДСП.
108. А.С. 1483572 СССР, МПК Н02М 7/10. Высоковольтный выпрямитель
[Текст]/ Верещагин В.Л., Камунин А.А. (СССР). − 4310022/24-07; заявлено
29.07.87; опубл. 30.05.89., Бюл. № 20.
109. Dunn D., Borgi R., Morwood R. Axially-symmetric space-charge flow in
a decelerating space. - In: Mucrowaves Proc. of the 4 - th Intern. Congress on
144
Mucrowaves Tubes, Scheweningen (Holland), 3 – 7 sept., 1962. Scheweningen,
1962, p. 526.
110. Абрамян, Е.А. Коллектор для рекуперации энергии интенсивного
электронного пучка [Текст]/ Е.А. Абрамян, А.Н. Шарапа// В кн.: Физическая
электроника: Материалы совещаний по физической электронике. − М.: Издво МГУ, 1973, С. 69.
111. Токарев, А.В. Барьерно – поверхностный разряд с плазменным индукционным электродом [Текст]/ А.В Токарев, В.А Юданов, О.П. Кель и др.
Вестник КРСУ, 2003, Т3, №5. С. 23 – 28.
112. Пат. 2579354 Российская Федерация, МПК C 01 B 13/11. Способ
электропитания генератора озона поверхностного разряда [Текст]/ Верещагин В.Л., Кондратьева О.Е., Макальский Л.М.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО “Национальный исследовательский университет
“МЭИ“. − № 2015110433/07; заявлено 24.03.2015; опубл. 10.04.2016, Бюл. 10.
145
146