DE2240986C2

DE2240986C2 - Koronareaktor mit Frequenzwandlerschaltung

Info

Publication number: DE2240986C2
Application number: DE2240986A
Authority: DE
Inventors: Frank E. Severna Park Lowther, Md.
Original assignee: Purification Sciences Inc
Current assignee: Purification Sciences Inc
Priority date: 1971-08-25
Filing date: 1972-08-21
Publication date: 1982-05-19
Also published as: AR197198A1; BR7205747D0; JPS4831091A; FR2151394A5; CA979486A; NL7211424A; US3784838A; DE2240986A1; GB1407249A; SE379126B; CH580875A5

Description

Die Erfindung betrifft einen Koronareaktor mit einer Frequenzwandlerschaltung zur Umwandlung niederfrequenter Spannung aus einer Wechselspannungsquelle in eine höherfrequente Spannung zur Speisung des Koronareaktors, wobei der Koronareaktor wenigstens eine Koronareaktorzelle aufweist, die mit zwei im Abstand voneinander angeordneten, zwischen sich ein Dielektrikum aufnehmenden Elektroden versehen ist, wobei die Frequenzwandlerschaltung mit einer Primärwicklung eines Transformators und dessen Sekundärwicklung mit dem Koronareaktor verbunden sind, und wobei die niederfrequente Wechselspannungsquelle mit einer Gleichrichterschaltung der Frequenzwandlerschaltung verbunden ist.

Bei einer bekannten Frequer.zwandlerschaltung dieser Art (US-PS 34 96 092) handelt es sich um eine durch in Reihe geschaltete Kondensatoren kommutierte Inverterschaltung (Spalte 1, Zeile 17), die von einer Netzspannungsquelle über einen Autotransformator und einen Ganzwellengleichrichter mit Diodenbrückenschaltung mit einem steuerbaren Gleichspannungspotential versorgt wird. Diese bekannte Frequenzwandlerschaltung benötigt zwei Thyristoren 37, 39 und verschiedene weitere, die Schaltung verhältnismäßig komplex machende Bauelemente, um eine bevorzugte, für diese Art der Kommutierung erforderliche Spannungswellenform zu erzeugen.

ίο Es ist ferner bekannt, daß die Ozonausbeute bei einem Ozonerzeuger proportional zu der Frequenz der an seine Elektroden angelegten Spannung ist. Jedoch steigen auch die Wärmeverluste proportional zur Frequenz an, und da bei den meisten kommerziellen Ozonerzeugern die Leistung durch die Wärmeverluste begrenzt ist, kann die Ozonausbeute nicht durch Erhöhen der Frequenz vergrößert werden. Die angelegte Spannung ist verhältnismäßig hoch. Die Anzahl der Ausfälle steigt aber bei Ozonerzeugungszellen mit der Höhe der angelegten Spannung. Zudem sind Transformatoren für hohe Spannungen teuer, und die Betriebsgefahr ist im allgemeinen bei hohen Spannungen vergleichsweise hoch.
Gewöhnlich würde man wegen der benötigten Leistungen zum Liefern der benötigten mittelfrequente;i Spannungen einen rotierenden Umformer verwenden, da die Kosten für übliche Halbleiter-Frequenzwandler der hier interessierenden Frequenz und Leistung etwa 5- bis lOmal höher sind als diejenigen für eiren rotierenden Umformer. Dies beruht zum Teil darauf, daß ein solcher Halbleiter-Frequenzwandler in der benötigten Leistung Thyristoren verwenden muß, zu deren Abschaltung spezielle Löschschaltungen mit teuren und hochwertigen Bauelementen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Frequenzwandlerschaltung zu vereinfachen und kostengünstiger zu gestalten und die Nachteile der bekannten kommerziellen Koronareaktoren zu vermeiden.

to Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. In überraschender Weise wird dabei keine gesonderte Löschschaltung benötigt, da es sich gezeigt hat, daß die über den Transformator beim Thyristor abgebildeten elektrischen Parameter einer im Betrieb befindlichen Koronareaktorzelle wie eine Löschschaltung für den Thyristor wirken. Hierdurch verringern sich die Kosten für die Frequenzwandlerschaltung wesentlich. Die genauen Gründe, weshalb ein Koronareaktor in Verbindung mit dem Transformator als Löschschaltung wirkt, sind nicht bekannt, dürften jedoch auf elektrische Besonderheiten des Koronareaktors beruhen, die über den Transformator am Thyristor gewissermaßen abgebildet werden. Es ist auch keine besondere Spannungswellenform erforderlich, wodurch erneut die Herstellungskosten gesenkt werden können.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Frequenzwandlerschaltung, wobei ein angeschlossener Koronareaktor schematisch angedeutet ist, und

F i g. 2 eine von der Schaltung gemäß F i g. 1 erzeugte unregelmäßige Spannungswellenform.

In Fig. 1 ist eine Frequenzwandlerschaltung 10 mit einem Koronareaktor 14 verbunden und zum Betrieb an

einem Wechselstromnetz (ζ. B. 220 V Wechselstrom, 50 TR-2 oder 60 Hz) ausgelegt Der Koronareaktor 14 kann mehrere Koronareaktorzellen 19 aufweisen, von denen 77?-1 in F i g. 1 eine als Beispiel dargestellt ist.

Die Frequenzwandlerscha'.tung 10 dient dazu, die Frequenz (und beim gezeichneten Ausführungsbeispiel Thyristor auch die Spannung) von Strom aus einer 220 V, 60 Hz-Quelle 12 und aus einer 110 V, 60 Hz-Quelle 42 R heraufzusetzen und dem Koronareaktor 14 zuzuführen.

Die Koronareaktorzelle 19 des Koronareaktors 14 ist 10 R2 in F i g. 1 nur schematisch in Form von zwei im Abstand R voneinander angeordneten Elektroden 11 dargestellt, /?4 welche jeweils einen dielektrischen Oberzug 13 auf den einander zugewandten Flächen aufweisen. Zwischen den Überzügen 13 und einer umlaufenden Abstandsdichtung 20 ist eine Koronareaktionskammer 21 definiert, die im Betrieb zur Erzeugung von Ozon von einem Reaktionsströmungsmittel, z. B. Luft oder Sauerstoff, über nicht gezeichnete Anschlüsse durchströmt wird.

Die Frequenzwandlerschaltung 10 weist eine Gleichrichterschaltung 16 und eine Zerhackerschaltung 18 in Form einer sogenannten Impulsschaltung auf. Die Gleichrichterschaltung 16 enthält eine als Einweggleichrichter geschaltete Diode D1 (z. B. Typ IN 1190A der Firma RCA) und einen Siebkondensator Cl (z. B. 1000 Mikrofarad, 350 V).

Zum Zerhacken der Gleichspannung am Kondensator Cl dient die Zerhackerschaltung 18, die einen steuerbaren Gleichrichter in Form eines Thyristors 34, eine Zündschaltung 36 und einen Transformator 77?-1 aufweist, welch letzterer den Thyristor 34 mit dem Koronareaktor 14 verbindet.

Als Zündschaltung 36 ist hier eine an sich bekannte Schaltung mit relativ geringer Leistung verwendet, die periodisch Zündimpulse zum Zünden des Thyristors 34 erzeugt; beim Ausführungsbeispiel sind dies 10 Volt-Zündimpulse, die einer Steuerelektrode 40 des Thyristors 34 zugeführt werden. Zur Spannungsversorgung der Zündschaltung 36 dient die Netzspannungsquelle 42 von 110 V und 60 Hz. Die Zündschaltung 36 enthält einen Zweibasistranstistor T-i, der über einen Transformator TR-2 an die Spannungsquelle 42 angeschlossen ist, ferner eine Gleichrichterdiode D 2, Kondensatoren C2 und C3, einen veränderbaren Widerstand R 1 zum Verändern der Impulsfrequenz, sowie Widerstände R 2, R 3 und RA. Beim Einschalten hat der Widerstand R 2 z. B. einen Wert von etwa 50 000 Ohm, wodurch dem Koronareaktor 14 eine niederfrequente Spannung zugeführt wird. Allmählich wird das Sysiem auf Leistung ω gebracht, wobei der Widerstand R 1 dann z. B. einen Wert von 11 500 Ohm hat und eine Spannung mit einer Frequenz von ca. 2 kHz erzeugt wird. Der Transformator 77?-1 hat ein Übersetzungsverhältnis von etwa 1:15, so daß am Koronareaktor 14 dann eine Wechselspannung mit einem Effektivwert von etwa J500 V anliegt. Die Arbeitsweise der Zünschaltung 36 beruht auf einer periodischen Aufladung des Kondensators C3 und seiner nachfolgenden Entladung über den Zweibasistransistor T-i.

In der Schaltung nach Fig. 1 können z. B. folgende typische Werte für die einzelnen Schaltelemente verwendet werden:

Transformator mit 25 V Sekundärspannung

Spezialtransformator 4KV6 3500V, 2000Hz von NWL Ina, Trenton, New Jersey, V.SLA.
Typ 40RCS70 von International Rectifier

veränderbarer Widerstand,
50 000 Ohm
150 0hm
4700 Ohm
100 Ohm.

D2	GElN 537
C2	100 Mikrofarad. 50 V
C3	0,047 Mikrofarad, 100 V
T-1	GE 2N2646

In überraschender Weise hat es sich bei der beschriebenen Frequenzwandlerschaltung 10 gezeigt, daß beim Anschluß des Koronareaktors 14 über den Transformator 77?-1 der Thyristor 34 automatisch gelöscht wird, ohne daß hierzu eine besondere Löschschaltung erforderlich wäre. In dieser Maßnahme, nämlich dem Einsparen einer gesonderten Löschschaltung, wird ein wesentliches Merkmal der vorliegenden bYfindung gesehen. Die Vorgänge, die zum automatischen Abschalten des Thyristors 34 führen, sind noch nicht völlig geklärt, doch wird angenommen, daß niclitlineare Kapazitätsänderungen des Koronareaktors 14 über den Transformator 77?-l auf den Thyristor 34 zurückwirken. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Thyristor 34 etwa eine Viertel-Periodendauer nach dem Zünden wieder gelöscht.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist, daß ein Koronareaktor von einer Frequenzwandlerschaltung keine glatte, oberwellenfreie Sinusspannung benötigt. Man spart hierdurch die Kosten und den technischen Aufwand für das Ausfiltern der Oberwellen, wodurch sich die Kosten einer Halbleiter-Frequenzwandlerschaitung wesentlich verringern lassen.

Bei einem Ozonerzeuger ist die Ozonausbeute proportional dem Produkt aus Ψ und f, wobei V die angelegte Spitzenspannung und /"die Frequenz sind. Die Wellenform der angelegten Spannung ist also von untergeordneter Bedeutung, und es kommt im wesentlichen auf die Größe der Spitzenspannung und auf die Höhe der Frequenz an. Die Größe der dem Koronareaktor 14 ⁷.ugeführten Leistung ist mittels des Widerstands R 1 einstellbar.

In Fig.2 ist die unregelmäßige Spannungsform 60 dargestellt, wie sie von der Frequenzwandlerschaltung 10 erzeugt wird. Diese Spannungsform hat sich als durchaus zufriedenstellend erwiesen. Ersichtlich ist diese Spannungsform weit von einer glatten Sinusform entfernt. Unter dem Begriff »unregelmäßig«, wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, soll dabei eine Kurvenform verstanden werden, die keine Sinus-, Rechteck-, Dreieck- oder sonstige »regelmäßige« Kurve ist, denn diese »regelmäßigen.« Kurven erfordern spezielle Schaltungen zu ihrer Erzeugung. Bei der Erfindung ist man also in sehr vorteilhafter Weise von der Verbraucherseite her nicht auf eine besondere Spannungsform festgelegt, sondern es werden praktisch nur bestimmte Forderungen hinsichtlich der Höhe der Spannung und der Höhe der Frequenz gestellt. Zum Beispiel ist die »unregelmäßige« Spannungsform 60 nach Fig. 2, die mit einer sehr einfachen Schaltung erzeugt wird, durchaus nützlich für den beschriebenen Anwendungszweck, und man muß sie nicht in eine bestimmte »regelmäßige« Form umwandeln oder in dieser »regelmäßigen« Form erhalten. Der Punkt 62 der Spannungskurve 60 stellt den Punkt dar, an dem der

Thyristor 34 eingeschaltet wird, während 64 den Punkt darstellt, an dem der Thyristor 34 gelöscht (abgeschaltet) wird.

Naturgemäß sind bei der Schaltung nach Fig. 1 Abwandlungen möglich. Obwohl z. B. nach den bisherigen Feststellungen ein Transformator an der Stelle TVM unerläßlich erscheint, braucht dies kein Aufwärtstransformator zu sein, sondern es könnte auch ein Transformator mit dem Übersetzungsverhältnis 1 :1 verwendet werden. Anstatt die Spannung zu zerhacken und dann mittels des Transformators TRA hinaufzutransformieren, kann man auch die Spannung zuerst erhöhen, dann (mittels eines Hochspannungsgleichrichters) gleichrichten, und dann zerhacken. Es wäre jedoch immer noch erforderlich, den Ozongenerator über einen Transformator (ggf. mit dem Übersetzungsverhältnis 1:1) anzuschließen, um ein automatisches Löschen des Thyristors 34 zu bewirken. Falls Thyristoren mit der erforderlichen Spannung nicht zur Verfügung stehen, kann man eine Reihenschaltung von Thyristoren oder aber ein Thyratron verwenden. Anstelle des beschriebenen Koronareaktors können andere Bauarten verwendet werden.

Beispiel

Für einen typischen Betrieb des Koronareaktors 14 (F i g. 1) zur Erzeugung von Ozon werden vorzugsweise folgende Parameter verwendet:

Trockener Sauerstoff als Reaktionsströmungsmittel;

ein Druck in jeder einzelnen Koronareaktionskammer von etwa 0,7 bar;
eine zugeführte Leistung von 600 W;
eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 42,5 dm³/ min;

zwei Koronareaktorzellen im Koronareaktorkern; eine Koronaelektrodenspaltbreite (Elektrodenabstand) von etwa 1,5 mm;
eine Spannung mit einem Spitzenwert von 6000 V je Koronareatorzelle;
eine Netzfrequenz von 60 Hz;
und eine Koronafrequenz von 2000 Hz.

Mit diesen Parametern ergibt sich eine Ozonausbeute von etwa 2,3 kp pro Tag.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Koronareaktor mit einer Frequenzwandlerschaltung zur Umwandlung niederfrequenter Spannung aus einer Wechselspannungsquelle in eine höherfrequente Spannung zur Speisung des Koronareaktors, wobei der Koronareaktor wenigstens ehe Koronareaktorzelle aufweist, die mit zwei im Abstand voneinander angeordneten, zwischen sich ein Dielektrikum aufnehmenden Elektroden versehen ist, wobei die Frequenzwandlerschaltung mit einer Primärwicklung des Transformators und dessen Sekundärwicklung mit dem Koronareaktor verbunden sind, und wobei die niederfrequente Wechselspannungsquelle mit einer Gleichrichterschaltung der Frequenzwandlerschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Gleichrichterschaltung (16) eine gleichgerichtete Spannung zerhackende Zerhackerschaltung (18) angeschlossen ist, wobei die Zerhackerschaltung (18) einen mit der Primärwicklung des Transformators (TR-i) in Reihe geschalteten Thyristor (34) und eine mit einer Steuerelektrode (40) des Thyristors (34) verbundene Zündschaltung (36) aufweist, wobei die Löschung des Thyristors (34) durch die Verbindung des Thyristors (34) mit dem Koronareaktor (14) über den Transformator (TR-\) erfolgt.

2. Koronareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zünschaltung (36) als Schaltung niedriger Leistung ausgebildet ist und dem Thyristor (34) Zündimpulse von etwa 10 V zuführt.

3. Koronareaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündschaltung (36) eine Vorrichtung zum Ändern der Frequenz der dem Thyristor (34) zugeführten Zündimpulse aufweist.

4. Koronareaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Ändern der Frequenz der Zündimpulse dienende Vorrichtung einen veränderbaren Widerstand (R 1) aufweist.

5. Koronareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Zerhackerschaltung (18) und dem Koronarekator (14) eingeschaltete Transformator (TR-i) ein Windungsverhältnis von 1 :1 aufweist.