CN101627530B - 用于电容性负载的电源设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种将电能提供至电容性负载的电源设备。该设备具有变压器；正半周期驱动器和负半周期驱动器，向第一线圈提供电压的正负半周期。第二线圈形成电谐振电路并且提供电压至负载。从变压器上的第三线圈确定提供至第一线圈的电压的过零点，并且在提供至第一线圈的电压的过零点处进行提供至第一线圈的电压的正负半周期之间的交替。

Description

用于电容性负载的电源设备
技术领域
本发明涉及用于向电容性负载提供电能的电源设备。本发明还涉及用于操作这样的具有电容性负载的电源设备的方法，电容性负载例如连接至电源设备的臭氧产生装置。此外，本发明还涉及适用于这样的电源设备的高压变压器。
背景技术
电容性负载的例子是臭氧产生装置，臭氧产生装置连接至产生将被提供至臭氧产生装置的AC电压的电源设备。这样的电源设备具有感应输出阻抗，并且当臭氧产生装置连接至电源设备的输出时，电源设备的感应输出阻抗和臭氧产生装置的电容阻抗形成具有谐振频率的谐振电路。以足够高的以在臭氧产生装置中产生电晕放电的频率和电压来驱动这样的臭氧产生装置。向臭氧产生装置提供含有氧气(O2)的气体，例如空气或纯氧，电晕将臭氧产生装置中的氧气分子(O2)转换为臭氧(O3)，并且从臭氧产生装置提供与提供至臭氧产生装置的气体相比具有更高容量臭氧的气体。由臭氧产生装置产生的臭氧的量随着对其施加的电压的增加而增加，并且为了最小化在驱动臭氧产生装置的电源设备中的损耗，应该以谐振频率或接近谐振频率来操作电源设备。然而，实际上由于某些原因，谐振频率可能不恒定，并且随着时间变化并作为包括在提供的气体/氧气中的温度和压力的操作参数的函数；例如为了服务或维护的目的而替换臭氧产生装置的全部或部分可能由于电容的差异或容差而改变谐振频率；因为电晕是非线性现象，所以谐振频率可能随着臭氧产生装置操作的电压而改变。由此使得电源设备以谐振电路的实际谐振频率操作并将其操作频率适配为谐振电路实际谐振频率是有益的。
臭氧产生装置可以在若干KV的范围内、在若干KHz的频率以及在若干kW的功率级别操作。电源设备可以具有以高压次级线圈作为输出的高压变压器。当设计高压高频变压器的时候，特别对于高压线圈的设计应该给予特别的考虑以避免高压线圈的线圈之间和线圈与周围物体之间的燃弧(arcing)。燃弧本身可以损坏高压线圈和其它元件，但是燃弧将产生对设备和环境具有不期望的效果的臭氧。由此使得高压变压器具有其中减少或避免高压线圈的线圈之间的燃弧的高压线圈是有益的。
从包含氧气的气体中的氧气(O2)产生商业和工业范围的臭氧。包含氧气的气体可以空气或富含氧气的气体。存在从空气中提取氧气以产生富含氧气的气体的方法。可以主要通过两种方法从氧气中产生臭氧，一种是以紫外线光照射氧气，另一种是电晕放电装置。提供富含氧气的气体和从氧气中产生臭氧是消耗能量的处理，并且两个处理的能量和其它资源的消耗是可比较的。
在一些使用臭氧的应用中，需要或规定了预定产量的臭氧，或者需要的臭氧产量可以改变。调整产量的简单和直接的方法是仅调整臭氧产生装置的电能并且使得包含臭氧的气体的流或供应不变，反之亦然。这对于最小化包括包含臭氧的气体的资源以及从电源设备提供的电能并的消耗不是最优的，并且也许不能得到期望的产量甚至不可能得到期望的产量。
发明目的
本发明的目的在于提供一种具有感应输出阻抗的电源设备，用于将电能提供至电容性负载，以确保在谐振频率操作由感应输出阻抗和电容性负载阻抗形成的谐振电路。
本发明的另一个目的在于提供一种操作臭氧产生装置的方法，以最小化包括包含氧气的气体的资源以及从电源设备提供的电能的消耗。
本发明的另一个目的在于提供一种高压变压器，在高压线圈的线圈之间燃弧的危险减少，适于在kV范围的电压、kHz范围的频率和kW范围的功率级别操作。
发明内容
本发明的提供了一种电源设备，用于提供电能至具有电容性负载阻抗的电容性负载，所述设备包括：变压器，具有第一线圈和第二线圈；正半周期驱动器和负半周期驱动器，用于分别向第一线圈交替地提供正半周期电压和负半周期电压，第二线圈可连接至电容性负载以形成具有谐振频率的电谐振电路并提供电压至所述负载；以及用于确定提供至第一线圈的电压的过零点以及用于引起在提供至第一线圈的电压的过零点处提供至第一线圈的电压的正半周期和负半周期之间的交替的装置，其中用于确定过零点的所述装置包括在变压器上的第三线圈。
这个的效果是由变压器的第二线圈和电容性负载形成的谐振电路的实际谐振频率控制施加到第一线圈的电压的正负半周期之间的交替。
另一个效果是因为在开关元件上没有或具有十分低的电压时完成切换，所以可以避免来自开关元件的电开关噪声。
这样的电源设备对于向例如臭氧产生装置的具有电容性负载阻抗的电容性负载提供电能是有用的，特别是其中频率和电压的适当的组合足够高以在臭氧产生装置中产生电晕放电的臭氧产生装置。
电容性负载的其它例子包括但不将本发明局限于下述：
-用于破坏或瓦解物质或气体的反应堆。如果释放对环境会产生负影响的气体的例子是Halon 1301以及其它具有灭火特性的气体，SF6以及由于例如它们的电特性而使用的其它气体，以及用于冷却设备中的气体；
-用于在介质中产生超声波的压电变换器，用于清洗浸入介质中的物体；
-电发光器件，例如用于LCD屏幕和荧光灯中的电发光薄膜；以及
-用于产生光弧和电晕放电的装置。这样的装置用于例如从包含氧气的气体中产生臭氧。
用于确定过零点的装置可以感应电压本身，但是在高压应用中，这可能是不可行的，并且该装置可以包括在变压器上的分离的线圈。这确保了感应的电压与线圈中的电压同相，由此确保了实际上在施加到第一线圈上的电压的过零点处进行施加到第一线圈的电压的正半周期和负半周期之间的交替。
在一个实施例中，正半周期驱动器和负半周期驱动器的每一个用于将电压通过感应元件馈送到第一线圈，其中馈送的持续时间不多于与预定最高谐振频率对应的周期的四分之一。感应元件减少提供至第一线圈的电压的高频成分，由此也减少了电磁干扰。
在一个实施例中，通过感应元件馈送的电压的持续时间可控制为在零和与预定最高谐振频率对应的周期的四分之一之间的持续时间。这对于控制和改变施加到电容性负载的电能是有用的。这个最大持续时间是半周期的第一半，其中建立电压，以及半周期的第二半，用于降低电压。
在一个实施例中，谐振频率高于人类的听觉频率范围。这确保由施加到第一线圈的电压的正半周期和负半周期之间的交替引起的声音是不能听到的。
在一个实施例中，正半周期驱动器和负半周期驱动器均包含电开关元件，例如固态半导体开关或真空管。
在一个实施例中，臭氧产生装置连接至电源设备的第二线圈以形成臭氧产生设备，所述设备可以一种方法来操作，所述方法包括将从电源设备提供到臭氧产生装置的电能控制到预定功率级别；提供包含氧气的气体流至臭氧产生装置；以及控制包含氧气的气体流以从臭氧产生装置获得预定浓度的臭氧。
在一个实施例中，所述电源设备包括变压器，所述变压器包括：磁芯；磁芯上的低压线圈，以及磁芯上的高压线圈，高压线圈具有重叠布置的多个绝缘载体基板，每个载体基板承载具有端部的导电路径，所述路径形成围绕磁芯的一个或多个匝，并且连接器焊盘将一个基板上的路径的端部连接至重叠的基板上的路径的端部。
传统的变压器具有两层或多层，每层具有若干匝，外层围绕内层，并且通过若干匝将相邻层中的物理相邻的匝分离。这需要层之间非常好的绝缘以避免层间的燃弧。根据本发明的高压变压器具有高压线圈的物理相邻的匝之间的最大电压被限制为两个电相邻匝之间的电压差的优势。这最小化了匝之间的燃弧风险，由此可以期望线圈的长的使用期限。此外，这样的变压器的高压线圈可以具有沿着磁芯测量的短的长度，由此可以是紧凑的，由此与从长线围绕的线圈相比，可以以高精度制造。线圈可以被制造为一个单元，并且如果需要，整个线圈可以被容易地替换，并且承载一个或多个匝的单个基板也可以被替换。线圈可以根据实际应用按照需要由许多基板组成。
附图说明
下面参考附图更详细地描述本发明。附图表示实施本发明的一种方式，并不用于限制落入附带的权利要求的范围中的其它可能的实施例。
图1示意性地表示本发明的电源设备的第一实施例，
图2表示在图1的实施例中第一和第二半周期驱动器的时序，
图3是在图1的实施例中使用的高压变压器的横截面，以及
图4和图5均表示承载用于图3的变压器中的导电路径(trace)的基板。
具体实施方式
图1示出了具有负载300的电源设备100，负载300包括具有电容分量C以及可能还具有电阻分量的负载阻抗。由此负载300被称为电容性负载并被图示为电容器。负载300可以是任何电容性负载，例如臭氧产生装置。电源设备100包含具有第一线圈120和第二线圈130的变压器110。第一线圈120具有连接至感应线圈150和开关元件151的中心抽头121。开关元件151可以在控制器160的控制下操作以打开和关闭，由此建立和解除感应线圈150和DC电源之间的连接。在第一线圈120的各自端点的开关元件170和180也在控制器160的控制下操作以建立和解除对地的连接。开关元件151、170和180优选地为固体半导体开关元件，例如CMOS晶体管、SCR或其它快速开关元件。在一些应用中，可以考虑使用真空管开关元件。变压器110的第二线圈130具有电感分量L以及可能还具有电阻分量R的阻抗。由此复阻抗Z是Z＝R+jωL的形式，电容性负载300被可分开地连接到变压器110的第二线圈130以形成具有谐振频率fr的谐振电路，该谐振频率是根据公式 f r = 1 / 2 π LC 由变压器110的第二线圈130的电容负载的电容分量C和电感分量L确定的。变压器110还具有连接至控制器160的第三线圈140。
在图2中示出了图1中的电源设备100的操作。由连接至变压器110的第二线圈130的电容性负载300形成的谐振电路具有使用相应周期T的谐振频率。在第一半周期中，控制器160控制开关元件151和开关元件170闭合，由此电流从DC电源通过感应线圈150并通过中心抽头121流到第一线圈120的上半部分，并且通过开关元件170流到地面。变压器110的感应线圈150和第一线圈120的感应阻抗具有该电流不是即刻上升而是朝向上渐进线指数上升的效果。在周期t之后，开关元件151受控打开，并且由于在包含感应线圈150的电路中的感应阻抗，在第一线圈120的上半部分中的电流继续但是现在引出为通过二极管150而不是来自DC电源。在开关元件180上的电压以由谐振频率确定的速率减少。在谐振频率的周期的一半2/T之后，该电压减少为零，开关元件170和180均受控以改变它们的状态，使得开关元件170打开以及开关元件180闭合，并且开始下一个半周期。电流从DC电源通过感应线圈150以及通过中心抽头121流到第一线圈120的下半部分，并且通过开关元件180流到地面。在另一个周期t之后，开关元件151被控制为打开，并且在第一线圈120的下半部分的电流继续，但是再次被引出为通过二极管152而不是来自DC电源。开关元件170上的电压以由谐振频率决定的速率减少。在谐振频率的另一个半周期之后，即，整个周期之后重复该处理。
实际谐振频率确定当开关元件170和180的打开(open)的一个的电压为零的时间，该时间在每个半周期之后发生，并且当进行开关元件151、170和180的开关时发生。这个时间是使用变压器上的第三线圈140来确定的。线圈140感应与开关元件170和180的打开的一个上的电压同相的电压，这特别意味着过零点(zero crossing)同时发生。由第三线圈140感应的电压被输入到控制器160，并且控制器160确定由第三线圈140感应的电压的过零点，在这个时候如上所示控制开关元件。
开关元件151闭合的周期t可以是变化的，并且可以控制以当例如电流达到预定值时打开开关元件151。由此可以控制例如第一和第二线圈上的电压的平均值和RMS值，并且由此传送至负载的电能可以是变化的。开关元件151闭合的最大时间周期t被确定为不大于周期T的四分之一，周期T对应于设备被设计以操作的预定最高谐振频率。
在设备的操作过程中电容性负载断开的情况下，谐振频率将增加，这可能导致不期望的操作情况，特别是如果开关151被允许在这样增加的谐振频率上操作。为了避免这样的情况，对于开关151的操作设置最大重复频率。该最大重复频率对应于设备设计以操作的预定最高谐振频率或略高。
在设备操作的过程第二线圈130的接线端的短路的情况下，也可能引起不期望的操作情况，特别是变压器的第一和第二线圈中的高电流。当电流升到预定值时开关元件151的打开限制了可以从第二线圈引出的电流，这在第二线圈130的接线端的短路的情况下是有用的。
图3表示适用于图1的实施例的高压变压器500的实施例。变压器500具有由两个优选的相同的E磁芯502和503构成的磁芯501，磁芯502和503的中间管脚彼此接触由此彼此磁接触。它们的外部管脚比中间管脚更短，由此在磁芯的每个外部管脚上形成空气间隙。第一线圈510缠绕在线轴511上并且围绕中间管脚放置。第二高压线圈520包含2个半个线圈，每个半个线圈放置在第一线圈510的一侧。
图4表示在图3的高压变压器的单个匝的实施例。具有中央开口601的电绝缘材料的平板或基板600承载形成围绕中央开口601的环路的导电路径610。在外端部611上，导电路径610具有在基板600的相同侧上的连接器焊盘612作为导电路径610，并且在内端部613，导电路径610具有在基板600的相反侧上的具有贯穿连接(through-going connection)的连接器焊盘614。导电路径610可以具有中央开口601周围的一个或多个匝。
图5表示在图3的高压变压器的单个匝的另一个实施例。具有中央开口701的电绝缘材料的平板或基板700承载形成围绕中央开口701的环路的导电路径710。除了在外端部711上，导电路径710具有在基板700的相反侧上的具有穿过连接的连接器焊盘712，以及在内端部713，导电路径710具有在基板700的相同侧上的连接器焊盘714作为导电路径710之外，图7中的结构是图6中的结构的镜像图像。导电路径710可以具有中央开口701周围的一个或多个匝。
在图3中，高压线圈520的半线圈的每一个通过堆叠交替的基板600和700构成。当基板600在重叠布置中被放置到了第一基板700的顶部时，焊盘614将放在焊盘714的正上方，并且两个焊盘614和714可以通过例如焊接被电连接。由此在各自基板上这样互联的路径610和710可形成围绕中央开口的两个匝或环路，第二基板700放置在基板600的顶部，使得焊盘712放在焊盘612的正上方，并且两个焊盘612和712可以以相同方式电连接以形成具有三个匝的线圈。以这种方式，若干基板600和700可以被交替堆叠以形成具有任何期望匝数的线圈。变压器500的高压线圈520包括每个都类似的2个半个线圈。在图3中，从基板的边缘看具有这样堆叠的基板的高压线圈520。
从导电路径610和710到基板边缘的距离应该足够大以防止相邻基板上的路径之间的燃弧。
如上所述，在实施例中，如上所述的臭氧产生装置将在高于人力听觉范围之上的频率操作，例如在15-25kHz的频率范围。这也具有与低频所需尺寸相比可以减小变压器磁芯的尺寸的效果。
用于高频的目的，绞合线被用于第一线圈510。绞合线由可以被扭曲或编织在一起的多个绝缘线股构成。在高频中，电流将在随着频率增加而减少厚度的表面层流动-这被称为表面效应。在20kHz的频率上，对于铜的表面深度约为0.5mm。在变压器的外部管脚的空气间隙处，杂散磁场可以影响第一线圈510。绞合线的使用减少第一线圈510中的涡流。
为了高频的目的，可以使用层积变压器磁芯或铁氧体磁芯来减少或消除磁芯中的涡流。
磁芯502、503在外部管脚上具有空气间隙。这样的变压器对于提供体现负阻值的负载是特别有用的，例如用于本发明的设备中产生臭氧的电晕放电装置。在空气间隙处将存在杂散磁场，并且从第一线圈510到空气间隙存在距离，并且第二线圈的两个半个线圈保持分开，使得绕组被保持在杂散场之外。在高于人类的听觉频率范围的频率处以及在本发明的设备中操作的若干kW的功率值，磁场将大量能量分散到处于杂散场的所有金属部分，并且由此保持杂散场和金属部分分离是重要的。该布置确保了杂散场和金属部分的分离。
在使用臭氧的某些应用中，需要或规定预定产量的臭氧，或者需要的臭氧产量可以改变。在一个实施例中，包含氧气的气体流和从电源设备向臭氧产生装置提供的电能均被控制以从臭氧产生装置获得预定产量的臭氧并且最小化包括包含氧气的气体和从电源设备提供的电能的资源的消耗。该控制可以基于包括理论和实践数据的设备和处理的数学模型，并且也可以包括在例如反馈控制系统中使用的相关参数的实际测量。
尽管接合特定实施例描述了本发明，本发明不应被理解为以任何方式限定为表达的例子。本发明的范围由附带的权利要求确定。在权利要求的上下文中，术语“包括”不排除其它可能的元件或步骤。此外，例如“一”或“一个”不应被理解为排除多个。在权利要求中关于附图中指示的元件的附图标记的使用不应被理解为限制本发明的范围。此外，在不同权利要求中提及的单独特征可以被优选地合并，并且在不同权利要求中的这些特征的提及不排除特征的组合是不可能的和不优选的。

Claims (8)

1.一种电源设备(100)，用于提供AC电能至具有电容性负载阻抗的电容性负载(300)，所述设备包括：
变压器(110、500)，具有第一线圈(120、510)和第二线圈(130、520)，第一线圈包含具有共同中央抽头(121)的第一半线圈和第二半线圈；以及，
正半周期驱动器(160、151、170)和负半周期驱动器(160、151、180)，用于分别向第一线圈(120、510)的第一半线圈和第二半线圈交替地提供正半周期电压和负半周期电压，第二线圈(130、520)可连接至电容性负载(300)以形成具有谐振频率的电谐振电路并提供处于所述谐振频率的AC电能至所述负载(300)；以及，
用于确定提供至第一线圈(120、510)的电压的过零点以及用于引起在提供至第一线圈(120、510)的电压的过零点处提供至第一线圈(120、510)的电压的正半周期和负半周期之间的交替的装置(160)，用于确定过零点的所述装置(160)包括在变压器(110、500)上的分离的第三线圈(140)，并且正和负半周期驱动器(160、151、170、180)的每一个用于通过感应元件(150)将电压馈送至第一线圈(120、510)的中央抽头(121)；以及，
用于将馈送至中央抽头(121)的电压的持续时间控制为在零和与谐振电路的预定最高谐振频率对应的周期的四分之一之间的持续时间从而控制传送给负载(300)的AC电能的装置(151，160)。
2.根据权利要求1所述的电源设备(100)，其中，谐振频率高于人类的听觉频率范围。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的电源设备(100)，其中，正和负半周期驱动器(160、151、170、180)均包含电开关元件(170、180)。
4.根据权利要求1或2所述的电源设备(100)，其中，所述变压器(110、500)包括：
磁芯(501)，并且其中
所述第一线圈是磁芯上的低压线圈(120、510)，以及
所述第二线圈是磁芯(501)上的高压线圈(130、520)，所述高压线圈具有重叠布置的多个绝缘载体基板(600、700)，每个载体基板(600、700)承载具有端部(611、613、711、713)的导电路径(610、710)，所述路径(610、710)形成围绕磁芯(501)的一个或多个匝，并且连接器焊盘(612、614、712、714)将一个基板(600)上的路径(610)的端部(611、613)连接至重叠的基板(700)上的路径(710)的端部(711、713)。
5.根据权利要求3所述的电源设备(100)，其中，所述变压器(110、500)包括：
磁芯(501)，并且其中
所述第一线圈是磁芯上的低压线圈(120、510)，以及
所述第二线圈是磁芯(501)上的高压线圈(130、520)，所述高压线圈具有重叠布置的多个绝缘载体基板(600、700)，每个载体基板(600、700)承载具有端部(611、613、711、713)的导电路径(610、710)，所述路径(610、710)形成围绕磁芯(501)的一个或多个匝，并且连接器焊盘(612、614、712、714)将一个基板(600)上的路径(610)的端部(611、613)连接至重叠的基板(700)上的路径(710)的端部(711、713)。
6.根据权利要求4所述的电源设备(100)，其中，每个载体基板(600、700)在一个基板表面上承载自己的导电路径(610、710)，并且所述连接器焊盘(614、712)位于相反的基板表面并且具有电连接，所述电连接通过基板(600、700)将连接器焊盘连接至导电路径(610、710)的端部(613、711)。
7.根据权利要求5所述的电源设备(100)，其中，每个载体基板(600、700)在一个基板表面上承载自己的导电路径(610、710)，并且所述连接器焊盘(614、712)位于相反的基板表面并且具有电连接，所述电连接通过基板(600、700)将连接器焊盘连接至导电路径(610、710)的端部(613、711)。
8.一种操作根据前述权利要求中的任一项所述的电源设备(100)的方法，所述电源设备包含具有连接至变压器的二级线圈(130)的电容性阻抗的臭氧产生装置(300)，所述方法包括：
提供包含氧气的气体流至臭氧产生装置(300)；
控制包含氧气的气体流以及控制从电源设备(100)提供至臭氧产生装置(300)的电能，以从臭氧产生装置(300)获得预定产量的臭氧以及最小化包括包含氧气的气体和从电源设备(100)提供的电能的资源的消耗。
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