CN110709351A - 臭氧产生装置及臭氧产生装置用的电源装置 - Google Patents

臭氧产生装置及臭氧产生装置用的电源装置 Download PDF

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Abstract

实施方式的臭氧产生装置具有逆变器、臭氧产生器及电抗器。逆变器通过PWM(Pulse Width Modulation)控制使开关元件接通或断开，将直流电力转换为交流电力并输出。在臭氧产生器中，电介质电极被施加从逆变器输出的交流电力的电压，在流入该电介质电极与金属电极之间的放电间隙的原料气体中产生放电，通过该放电产生臭氧。电抗器与电介质电极串联连接，用于在通过逆变器中的PWM控制将开关元件从断开切换为接通时降低流过电介质电极的冲击电流。

Description

臭氧产生装置及臭氧产生装置用的电源装置
技术领域
本发明的实施方式涉及臭氧产生装置及臭氧产生装置用的电源装置。
背景技术
臭氧产生装置是特殊的负载，因此由专用电源驱动。例如，臭氧产生装置用的电源装置将从作为工业电源的一例的三相电源供给的交流电力在转换器中转换为直流电力。接着，电源装置将从转换器输出的直流电力通过高频逆变器转换为高频的交流电力后，经由变压器向臭氧产生装置供给。
然而，在用等效电路表示的情况下，臭氧产生装置成为将表示电介质电极的静电电容和表示该电介质电极与金属电极之间的放电间隙的静电电容串联连接的电路。另外，放电间隙在施加于该放电间隙的放电间隙电压超过放电维持电压的情况下，在流入该放电间隙的原料气体内产生阻挡放电，通过该阻挡放电产生臭氧。而且，阻挡放电在用等效电路表示的情况下，具有恒压特性，在放电中，为了保持放电维持电压，用齐纳二极管表示。这样，臭氧产生装置成为电容性负载，因此为了使功率因数接近1，串联或并联连接绕组以抵消电容性负载。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-189455号公报
专利文献2：日本特开2014-090641号公报
专利文献3：日本特开2002-345263号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，作为臭氧产生装置用的电源装置的高次谐波逆变器，在使用利用PWM(PulseWidth Modulation：脉冲宽度调制)控制将直流电力变换为交流电力的逆变器的情况下，由于将高次谐波逆变器所具有的开关元件从断开切换为接通时流过电介质电极的冲击电流，可能会导致放电间隙中的臭氧的产生变得不稳定。
用于解决课题的手段
实施方式的臭氧产生装置具有逆变器、臭氧产生器及电抗器。逆变器通过PWM(Pulse Width Modulation)控制使开关元件接通或断开，将直流电力转换为交流电力并输出。在臭氧产生器中，电介质电极被施加从逆变器输出的交流电力的电压，在流入该电介质电极与金属电极之间的放电间隙的原料气体中产生放电，通过该放电产生臭氧。电抗器与电介质电极串联连接，用于在通过逆变器中的PWM控制将开关元件从断开切换为接通时降低流过电介质电极的冲击电流。
附图说明
图1是表示第1实施方式的臭氧产生装置的结构的一例的图。
图2是表示第1实施方式的臭氧产生装置所具有的电源装置的结构的一例的图。
图3是用于说明由通用的VVVF逆变器进行的PWM控制的一例的图。
图4是表示通用的VVVF逆变器中的基本频率与载波频率的关系的一例的图。
图5是表示第2实施方式的臭氧产生装置中的基本频率与臭氧浓度的关系的一例的图。
图6是表示第2实施方式的臭氧产生装置的VVVF逆变器中的基本频率与载波频率的关系的一例的图。
图7是表示第3实施方式的臭氧产生装置中的基本频率与臭氧浓度的关系的一例的图。
具体实施方式
以下，使用附图对本实施方式的臭氧产生装置及臭氧产生装置用的电源装置进行说明。
(第1实施方式)
图1是表示第1实施方式的臭氧产生装置的结构的一例的图。本实施方式的臭氧产生装置是电介质阻挡方式的臭氧产生装置。在图1中，Y轴是沿着后述的气密容器14的中心轴的轴，X轴是与Y轴正交的轴，Z轴是与Y轴以及X轴正交的轴。如图1所示，臭氧产生装置具备装置主体11、高压电源12、冷却水供给部13、熔断器18以及电源装置20。装置主体11(臭氧产生器的一例)具备气密容器14、电介质电极15、金属电极16。
气密容器14是圆筒状的容器。具体而言，气密容器14是具有沿着Y轴方向的中心轴的圆筒形状的容器。另外，气密容器14在其内部收容有电介质电极15及金属电极16。在气密容器14的外周部形成有气体入口141、气体出口142、冷却水入口143以及冷却水出口144。气密容器14经由气体入口141从外部供给含氧的原料气体。原料气体的压力即原料气体压力优选为0.1～0.3MPa。而且，气密容器14经由气体出口142向外部导出未反应的原料气体及臭氧。另外，经由冷却水入口143使冷却水流入气密容器14。而且，气密容器14经由冷却水出口144将冷却水向外部排出。
电介质电极15设置在气密容器14的内部。电介质电极15具有电介质部151、导电膜152和高压供给端子153。电介质部151包含介电性的材料，形成为具有沿着Y轴方向的中心轴的圆筒形状。电介质部151的中心轴与气密容器14的中心轴大致平行。导电膜152包含导电性的材料，设置在电介质部151的内部。高压供给端子153设置在导电膜152的内侧，与导电膜152电连接。
金属电极16包含导电性的材料。金属电极16是气密容器14的内部，设置在电介质电极15的外侧。在金属电极16与电介质电极15之间设置有放电间隙17。金属电极16与接地电位连接。另外，金属电极16具有间隔件161。间隔件161从金属电极16的一部分朝向电介质电极15突出，在金属电极16与电介质电极15之间维持放电间隙17。另外，金属电极16在与气密容器14的内周面之间形成供冷却水流入的水路162。水路162与气密容器14的冷却水入口143及冷却水出口144相连。因此，从冷却水入口143流入的冷却水经由水路162从冷却水出口144排出。
高压电源12经由熔断器18及电源装置20与高压供给端子153电连接。而且，高压电源12经由电源装置20、熔断器18及高压供给端子153对电介质电极15(导电膜152)施加电压。由此，在流入放电间隙17的原料气体中产生放电，通过该放电产生臭氧。冷却水供给部13例如是泵。冷却水供给部13从气密容器14的冷却水入口143向气密容器14的水路162供给冷却水。
接着，使用图2，对本实施方式的臭氧产生装置所具有的电源装置20的结构的一例进行说明。图2是表示第1实施方式的臭氧产生装置所具有的电源装置的结构的一例的图。
电源装置20将从高压电源12供给的交流电力转换为预先设定的电压的交流电力，并将该交流电力的电压施加于电介质电极15。在本实施方式中，如图2所示，电源装置20具有输入电抗器21、VVVF逆变器22、零相电抗器23、电阻24、变压器25以及输出电抗器26。
输入电抗器21连接在高压电源12与后述的VVVF逆变器22之间，抑制从该VVVF逆变器22输出的交流电力中包含的高次谐波。VVVF(Variable Voltage Variable Frequency：变压变频)逆变器22是通过PWM(Pulse Width Modulation)控制使开关元件接通或断开，将直流电力转换为交流电力并输出的逆变器的一例。在本实施方式中，VVVF逆变器22具有将从高压电源12供给的交流电力转换为直流电力的转换器。接着，VVVF逆变器22通过PWM控制将从该转换器输出的直流电力转换为交流电力。然后，VVVF逆变器22将交流电力的电压施加于装置主体11所具有的电介质电极15。
在本实施方式中，VVVF逆变器22中使用与输出的交流电力的基本波形的基本频率成比例地该输出的交流电力的电压变高的VVVF逆变器，但，只要是通过PWM控制将直流电力转换为交流电力的逆变器即可，例如，还能够使用即使基本频率变高也输出恒定电压的交流电力的CVVF(Constant Voltage Variable Frequency：恒压变频)逆变器。
零相电抗器23是将在连接VVVF逆变器22和高压供给端子153的布线中流动的载波频率成分的谐波成分的零相电流抵消的电抗器。电阻24使VVVF逆变器22的零相流过电流，防止后述的变压器25的短路。变压器25连接在VVVF逆变器22与电介质电极15之间，将从VVVF逆变器22输出的交流电力的电压升压到预先设定的电压(例如，180、200、220V)。
输出电抗器26(电抗器的一例)是相对于电介质电极15串联连接、降低在通过VVVF逆变器22中的PWM控制将开关元件从断开切换为接通时流过电介质电极15的冲击电流的电抗器。
另外，在用等效电路表示的情况下，装置主体11成为将表示电介质电极15的静电电容和表示放电间隙17的静电电容串联连接的电路。另外，放电间隙17在施加于该放电间隙17的电压超过在放电间隙17内产生阻挡放电的电压即放电维持电压的情况下，在流入到放电间隙17内的原料气体内产生阻挡放电，通过该阻挡放电产生臭氧。而且，阻挡放电在用等效电路表示的情况下，具有恒压特性，在产生阻挡放电的期间，为了保持放电维持电压而用齐纳二极管表示。这样，装置主体11成为电容性负载，因此若在通过VVVF逆变器22中的PWM控制将开关元件从断开切换为接通时流过电介质电极15冲击电流，则有时会出现臭氧的产生量变动等不良影响。
因此，在本实施方式中，通过在VVVF逆变器22与电介质电极15之间设置输出电抗器26，抑制在通过PWM控制将开关元件从断开切换为接通时流过电介质电极15的冲击电流，抑制放电间隙17中的臭氧的产生量变动。在本实施方式中，输出电抗器26在将载波频率设为角频率的情况下，具有比装置主体11的电抗大的电抗。由此，抵消装置主体11的电容成分，使臭氧产生装置整体的电路为感应性，不易相对于电介质电极15流动冲击电流。
这样，根据第1实施方式的臭氧产生装置，能够减少在通过VVVF逆变器22中的PWM控制将开关元件从断开切换为接通时流过电介质电极15的冲击电流，因此能够抑制放电间隙17中的臭氧的产生量变动。
(第2实施方式)
本实施方式是将与输出的交流电力的基本波形的基本频率成比例地、该交流电力的载波的载波频率连续变高的同步逆变器用作VVVF逆变器的例子。在以下的说明中，省略对与第1实施方式相同的结构的说明。
图3是用于说明由通用的VVVF逆变器进行的PWM控制的一例的图。在图3中，横轴表示时间，纵轴表示从通用的VVVF逆变器输出的交流电力的电压。通用的VVVF逆变器为了低成本化，大多通过PWM控制将直流电力变换为交流电力。在PWM控制中，如图3所示，为了输出以正弦波的电压波形为基本波形的交流电力，反复进行开关元件的接通或断开，输出高次谐波的载波频率的脉冲波(载波)。
然而，通用的VVVF逆变器是载波频率不与基本波形的基本频率同步的非同步逆变器。在此，载波频率与基本频率不同步是指，在随着提高基本频率而提高了载波频率的情况下，载波频率不与基本频率成比例地升高，每当载波频率达到载波频率的上限(以下，称为载波频率上限)时，载波频率下降，之后，载波频率再次变高。换言之，载波频率与基本频率不同步是指，在随着提高基本频率而提高了载波频率的情况下，载波频率不与基本频率成比例地升高，载波频率不连续地变化。这是由于在随着提高基本频率而提高了载波频率的情况下，相对于基本波形的一个周期未包含针对每个基本频率而预先设定的脉冲数(以下称为规定脉冲数)的载波而产生的。因此，当载波频率达到载波频率上限时，从通用的VVVF逆变器输出的交流电力的电压下降。
图4是表示通用的VVVF逆变器中的基本频率与载波频率的关系的一例的图。在图4中，横轴表示基本频率，纵轴表示载波频率。如图4所示，通用的VVVF逆变器在与基本频率成比例地提高了载波频率的情况下，若载波频率达到载波频率上限(例如，16.0kHz)，相对于基本波形的一个周期，未包含针对每个基本频率(例如，0～0.7kHz)预先设定的规定脉冲数(例如24脉冲)的载波，则载波频率下降。伴随于此，从通用的VVVF逆变器输出的交流电力的电压也下降。
图5是表示第2实施方式的臭氧产生装置中的基本频率与臭氧浓度的关系的一例的图。在图5中，横轴表示基本频率，一个纵轴表示放电间隙17中的臭氧的浓度(以下称为臭氧浓度)，另一个纵轴表示从VVVF逆变器22输出的交流电力。在将通用的VVVF逆变器用于VVVF逆变器22的情况下，基本频率为2.0kHz，若载波频率达到载波频率上限，则载波频率下降(参照图4)。与此相伴，如图5所示，从VVVF逆变器22输出的交流电力也下降，因此放电间隙17中的臭氧浓度也降低。
因此，在本实施方式中，将与基本频率成比例地载波频率连续变高的同步逆变器用作VVVF逆变器22。图6是表示第2实施方式的臭氧产生装置的VVVF逆变器中的基本频率与载波频率的关系的一例的图。在图6中，横轴表示基本频率，纵轴表示载波频率。如图6所示，将与基本频率成比例地载波频率连续变高的同步逆变器用作VVVF逆变器22。由此，能够防止从VVVF逆变器22输出的交流电力的变动，因此能够防止臭氧浓度降低。
这样，根据第2实施方式的臭氧产生装置，通过将同步逆变器用于VVVF逆变器22，能够防止从VVVF逆变器22输出的交流电力的变动，因此能够防止臭氧浓度降低。
(第3实施方式)
本实施方式是使用随着基本频率变高而载波频率不连续地变化的非同步逆变器作为VVVF逆变器的例子。在以下的说明中，对于与上述的实施方式相同的结构省略说明。
在本实施方式中，使用随着基本频率变高而载波频率不连续地变化的非同步逆变器(通用的VVVF逆变器)作为VVVF逆变器22。另外，在本实施方式中，输出电抗器26在装置主体11(放电间隙17)中的臭氧产生所需的交流电力的范围(以下，称为额定功率)被调整电抗，以使与从VVVF逆变器22输出的交流电力的基本频率成比例地载波频率连续变高。在此，额定功率是在装置主体11中能够产生预先设定的臭氧浓度的臭氧的交流电力的范围(例如，5～100％)。由此，从VVVF逆变器22所输出的交流电力的基本频率中排除掉随着基本频率变高而载波频率的变化不连续的基本频率。
然而，在使从通用的VVVF逆变器(非同步逆变器)输出的交流电力变化的情况下，一般是使从该通用的VVVF逆变器输出的交流电力的基本波形的基本频率变化的方法。通用的VVVF逆变器大多用于马达的驱动，通过使基本频率变化来控制马达的转速。另外，在将通用的VVVF逆变器用于臭氧产生装置的VVVF逆变器22的情况下，通过使基本频率变化，能够使向装置主体11供给的交流电力变化，能够调整臭氧浓度。
然而，通用的VVVF逆变器具有随着基本频率变高而载波频率的变化不连续的基本频率(以下，称为不连续点)。例如，通用的逆变器例如如图5所示，在基本频率2.0kHz附近具有载波频率不连续地变化的不连续点。在不连续点，如图5所示，从通用的VVVF逆变器输出的交流电力下降，因此臭氧浓度也不连续地变化。需要说明的是，放电间隙17中的臭氧的产生量通过臭氧浓度与原料气体的流量的乘积而求出，但多数情况下原料气体的流量是变的。因此，认为若臭氧浓度降低则放电间隙17中的臭氧的产生量也降低。
因此，在本实施方式中，变更输出电抗器26的电抗，使不连续点向比从VVVF逆变器22输出额定电力的交流电力的基本频率靠高频的一侧偏移。由此，在从VVVF逆变器22输出额定电力的交流电力时，载波频率不会不连续地变化，因此能够防止臭氧浓度降低。
图7是表示第3实施方式的臭氧产生装置中的基本频率与臭氧浓度的关系的一例的图。在图7中，横轴表示基本频率，一个纵轴表示臭氧浓度，另一个纵轴表示从VVVF逆变器22输出的交流电。如图7所示，变更输出电抗器26的电抗，使不连续点偏移到2.25kHz。由此，在从VVVF逆变器22输出了与额定功率(0.5～5.0kW)对应的交流电力的情况下，基本频率不包含不连续点，随着基本频率变高而载波频率变高，因此能够使臭氧浓度连续地变化。
这样，根据第3实施方式的臭氧产生装置，即使在将通用的VVVF逆变器(非同步逆变器)用于VVVF逆变器22的情况下，由于在从VVVF逆变器22输出了与额定功率对应的交流电力时基本频率不包含不连续点，因此即使在使基本频率变化的情况下也能够稳定地产生臭氧。
如以上说明的那样，根据第1至第3实施方式，能够抑制放电间隙17中的臭氧的产生量变动。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围、主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

Claims (5)

1.一种臭氧产生装置，具备：
逆变器，通过PWM(Pulse Width Modulation)控制使开关元件接通或断开，将直流电力转换为交流电力并输出；
臭氧产生器，电介质电极被施加从所述逆变器输出的所述交流电力的电压，在流入该电介质电极与金属电极之间的放电间隙的原料气体中产生放电，通过该放电产生臭氧；以及
电抗器，与所述电介质电极串联连接，用于在通过所述逆变器中的PWM控制将所述开关元件从断开切换为接通时降低流过所述电介质电极的冲击电流。
2.根据权利要求1所述的臭氧产生装置，其中，
所述电抗器具有比所述臭氧产生器的电抗大的电抗。
3.根据权利要求1所述的臭氧产生装置，其中，
所述逆变器是与所述交流电力的基本波形的基本频率成比例地、所述交流电力的载波的载波频率连续变高的同步逆变器。
4.根据权利要求1所述的臭氧产生装置，其中，
所述逆变器是随着所述交流电力的基本波形的基本频率变高而所述交流电力的载波的载波频率不连续地变化的非同步逆变器，
所述电抗器在所述臭氧产生器中的臭氧的产生所需的所述交流电力的范围内具有与所述基本频率成比例地所述载波频率连续变高的电抗。
5.一种臭氧产生装置用的电源装置，具备：
逆变器，通过PWM(Pulse Width Modulation)控制使开关元件接通或断开，将直流电力转换为交流电力，并将所述交流电力的电压施加至臭氧产生器的电介质电极，该臭氧产生器在流入其电介质电极与金属电极之间的放电间隙的原料气体中产生放电，通过该放电产生臭氧；以及
电抗器，与所述电介质电极串联连接，用于在通过所述逆变器中的PWM控制将所述开关元件从断开切换为接通时降低流过所述电介质电极的冲击电流。
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