專利名稱：臭氧發(fā)生裝置的高頻電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是對現(xiàn)有臭氧發(fā)生裝置上的電源進(jìn)行的改進(jìn)。
臭氧發(fā)生裝置是利用無聲放電的原理，在含氧氣體中通過高壓無聲放電，產(chǎn)生工業(yè)用臭氧氣的裝置。臭氧氣是一種強(qiáng)氧化劑，可用于殺菌，在清除污染方面，用它來處理飲用水，對生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)行無害處理，對水和氣體進(jìn)行除臭脫色處理等，具有不產(chǎn)生二次污染的優(yōu)點(diǎn)。
臭氧發(fā)生裝置是將無油壓縮含氧氣體通過干燥處理后進(jìn)入由電極和絕緣介質(zhì)層組成的放電室，外電源通過變換升壓，引入放電室電極，進(jìn)行無聲放電，即可產(chǎn)生含臭氧氣的混合氣體而輸出。
目前國內(nèi)此類產(chǎn)品的電源供給都是通過工頻(50Hz)電源，經(jīng)變壓器升壓至10千伏以上，直接引入放電室而產(chǎn)生臭氧氣。其工作電流、電壓波形都是正弦波。缺點(diǎn)是電耗大，設(shè)備笨重，成本高，而且工作可靠性差。
為了減少設(shè)備體積，提高單位設(shè)備體積的臭氧生成率，采用提高電源頻率的辦法是有效的。如美國專利US4123664、日本專利昭57-191208等文獻(xiàn)提出的方法，就是將工作頻率提高，電流波形為正弦波或方波，電壓波形為低電壓上升率波形或呈直線上升波形，其電壓上升率dv/dt都在0.5kv/μs以下。它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是盡可能地防止電流突變引起過高的電壓上升率而產(chǎn)生過電壓，因?yàn)檫^電壓會擊穿放電室的絕緣介質(zhì)而造成事故。因此目前的臭氧發(fā)生裝置的高頻電源，通常采用增加回路電感的辦法來防止電流突變，并有不允許電源突然合閘的規(guī)定。
近年來國外在探討降低單位臭氧氣生成電耗的辦法時(shí)，有的采用了利用窄脈沖、高峰值電壓及高電壓上升率dv/dt的辦法，取得了一定的效果。如美國專利文獻(xiàn)US4283291，US4016060蘇聯(lián)專利文獻(xiàn)SU941276、SU1000391等。它們利用高壓放電脈沖，要求脈沖寬度小于氣體離子通過兩極間的渡越時(shí)間(例如US4283291為2.1μs)。在文獻(xiàn)SU1000391中要求電壓上升率達(dá)到200-1700kv/μs，為實(shí)現(xiàn)這一要求，以上文獻(xiàn)均采用了氣體閘流管(Thyratron)或真空管(VacuumTube)電路，由于真空器件的固有局限性很難大量推廣應(yīng)用。
另外也有人利用固體功率器件(如晶閘管、晶體管等)來做臭氧發(fā)生裝置的電源，如文獻(xiàn)US3875035、US4027169，昭58-99271，但都未著眼于提高電源輸出電壓的上升率(dv/dt)，從而進(jìn)一步降低臭氧生成的電耗。
為了提高臭氧生成的效率，同時(shí)又克服現(xiàn)有高頻電源的真空器件的局限性，特提出本發(fā)明。
這種臭氧發(fā)生裝置的高頻電源，與現(xiàn)有技術(shù)相同，都由以下幾部分構(gòu)成升壓變壓器(T)、儲能電容器(C)、開關(guān)元件(K)和等效電阻(R)等，本發(fā)明的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)首先，其開關(guān)元件(K)采用固體功率器件，以代替現(xiàn)有技術(shù)中使用的氣體閘流管和真空管等器件。
其次，電容(C)為振蕩電容，應(yīng)選擇高頻損耗小的電容，其容量在1-50μf之間。
再有，變壓器(T)折合到原邊的等值電感(L)的電感量在5μh到2.5mh之間。
由于采取了以上措施，就能有效地提高該電源輸出電壓的上升率，從而提高臭氧的生成效率。
下面，結(jié)合附圖進(jìn)一步說明

圖1為臭氧發(fā)生裝置高頻電源的原理圖，其中E為直流電源，L0為限流電感，C為振蕩電容，K為開關(guān)元件，T為升壓變壓器，GS為電暈放電室。
設(shè)計(jì)升壓變壓器時(shí)，要求放電器的容性負(fù)載通過變壓器的變化及變壓器的漏電感，等值折合到變壓器原邊時(shí)呈感性負(fù)載，以保證當(dāng)開關(guān)元件K合閘時(shí)形成一次CLR欠阻尼振蕩過程。該電路圖如圖2所示，圖中R為等值電阻，L為等值電感。
圖中的開關(guān)元件K為所說的固體功率器件，它可以由晶閘管(SCR)或可關(guān)斷晶閘管(GTO)構(gòu)成。
限流電感L0的電感量為1.0mh至1H，直流供給電源E的電壓為100V至1000V之間。
由以上參數(shù)，通過RLC電路解微分方程，即可計(jì)算出輸出電流和電壓的波形，如圖3所示，圖中a為電流波形，波形b為電壓波形。
通過選擇適當(dāng)?shù)淖儔浩髯兓憧傻玫剿蟮妮敵雒}沖電壓幅值，它與變壓器原邊等值的L (di)/(dt) 成正比，同時(shí)在設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí)，盡量提高脈沖電壓的上升率 (dv)/(dt) ，它與L (d2i)/(dt2) 成正比，這時(shí)回路工作的 (di)/(dt) 值也應(yīng)能被所選用的功率半導(dǎo)體器件(如晶閘管)所接受。此處必須強(qiáng)調(diào)指出的是，RLC放電回路的時(shí)間常數(shù)不是越小越好。因?yàn)闀r(shí)間常數(shù)太小會導(dǎo)致回路的 (di)/(dt) 過高，使開關(guān)元件的壽命縮短乃至損壞。我們所要求的是在開關(guān)元件正常允許的 (di)/(dt) 工作范圍內(nèi)，盡量提高 (d2i)/(dt2) (即電流變化的加速率)的值，因?yàn)閐v/dt值與L (d2i)/(dt2) 成正比。
如果用功率晶體管(GTR)作為開關(guān)元件，則可盡量減少時(shí)間常數(shù)，利用晶體管的放大特性，由晶體管基極輸入如圖3所示的三角波窄脈沖，這樣在電源輸出端的電壓波形就如圖3中的b所示。雖然如此，電路時(shí)間常數(shù)的減少也是有限的，在放電回路中變壓器兩端必須保留一定的電感值(是感性而不是容性)，因?yàn)橐笥凶銐虻腖 (d2i)/(dt2) 值。
下面舉用晶閘管(SCR)組成的電路的實(shí)例，來描述這種脈沖型臭氧發(fā)生裝置的電源。圖4就是該電路圖。如圖所示，開關(guān)元件SCR是阻斷型晶閘管，額定電流50A，額定電壓800V。升壓變壓器T的原邊為20匝，付邊為1000匝，使用E-36鐵氧體鐵芯。振蕩電容C選用3μF，1000V耐壓的電容器。L′為補(bǔ)償電感，50μh。Cs為吸收電容，0.1μf。Rs為吸收電阻，100Ω。L0為限流電感，30mh。C0為濾波電容，470μf。e為交流電源。Z為整流橋。由于電路中有較大的濾波電容C0，故不存在突然合閘引起的沖擊威脅。晶閘管門極G通以1KHz底寬為10μs的方波訊號。工作時(shí)晶閘管所承受的di/dt＝60A/μs。放電回路等值電感18μh。變壓器輸出端的電壓上升率dv/dt＝80kv/μs。與國內(nèi)工頻工作的同類臭氧發(fā)生器的電源比較，單位臭氧量的電耗率由原16-18KWH/kgO3下降到6～14KWH/kgO3。整機(jī)重量由335kg降為60kg。
如果使用可關(guān)斷晶閘管(GTO)或巨型晶體管(GTR)直接代替上例中的晶閘管作為開關(guān)元件，可以得到同樣的效果。在使用GTO時(shí)，輸出電流電壓的波形與SCR的波形相同(如圖5所示)。
權(quán)利要求
1.一種脈沖型臭氧發(fā)生裝置的高頻電源，由升壓變壓器T、儲能電容器C、開關(guān)元件K和電阻R構(gòu)成，其特征在于采取了以下措施，來提高電源輸出電壓的上升率dv/dt；(1)開關(guān)元件K采用固體功率器件；(2)振蕩電容C為高頻損耗小的電容，其容量在1～50μf范圍內(nèi)；(3)變壓器T折合到原邊的等值電感L的電感量在5μh到2.5mh之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體功率器件，其特征是指快速晶閘管(SCR)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體功率器件，其特征是指可關(guān)斷晶閘管(GTO)。
全文摘要
一種臭氧發(fā)生裝置的高頻電源，可廣泛應(yīng)用于各種規(guī)格的臭氧發(fā)生裝置。本發(fā)明采用固體功率器件充分利用元器件的合理參數(shù)配合，產(chǎn)生窄脈沖電流，得到高壓、高dv/dt的脈沖。通過這種簡便的方法可以大幅度提高臭氧發(fā)生效率，并減少設(shè)備的體積、重量及成本，在食品衛(wèi)生、環(huán)?；さ阮I(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號C01B13/11GK1033779SQ8710756
公開日1989年7月12日 申請日期1987年12月31日 優(yōu)先權(quán)日1987年12月31日
發(fā)明者甘小杰, 李漢忠, 黃曼青, 王淑玲 申請人:清華大學(xué)