DE3521496A1

DE3521496A1 - Verfahren und vorrichtung zur mittel- und hochfrequenten hochspannungsversorgung fuer impedanzartige lasten, insbesondere bei gasentladungen

Info

Publication number: DE3521496A1
Application number: DE19853521496
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: SORBIOS VERFAHRENSTECHNISCHE GERAETE und SYSTEME GmbH; SORBIOS VERFAHRENSTECH
Current assignee: Trailigaz Compagnie Generale de lOzone SA
Priority date: 1985-04-22
Filing date: 1985-06-13
Publication date: 1986-10-23

Description

Verfahren und Vorrichtung zur mittel- und hochfrequenten
Hochspannungsversorqunq für impedanzartiqe tasten, insbesondere bei Gasentladunaen Verfahren und Vorrichtung zur mittel- und hochfrequenten Hochspannunqsversorqung fUr impedanzartiqe Lasten, insbesondere bei Gasentladunqen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mittel- und hochfrequenten Hochspannungsversorgunq für impedanzartige Lasten, insbesondere bei Gasentladungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2.
Aus der DE-OS 30 27 112 ist eine Spannunosversorgung für einen Ozonisator bekannt, bei der aus einem Dreiphasennetz über einen steuerbaren Gleichrichter eine Gleichspannung erzeugt wird, die von einem Glättungskondensator geglättet wird.
An den Klemmen des Gleichrichters ist ein Wechselrichter geschaltet, der jeweils zwei in Reihe qeschaltete Thyristoren aufweist. An den Verbindungspunkten zwischen den Thyristoren ist die Primärwicklung eines Transformators angeschlossen, dessen Sekundärwicklung parallel die einzelnen Ozonisatoren speist.
Durch eine entsprechende Ansteuerung der Thyristoren läßt sich eine pulsförmige Spannung mit vorgeqebener Frequenz erzeugen. Die Thyristoren benötigen zum Schalten eine geringe Schaltleistunq, allerdings ist ihre Verwendung auf Frequenzen unter 1 kHz begrenzt, da bei höheren Frequenzen Ldschkreise zum Abschalten der Thyristoren benötigt werden, wodurch große Leistungsverluste entstehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur Hochspannungsversorgung mit 0,5 - 10 kV effektiv und einem Frequenzbereich bis zu 100 kHz für impedanzartige tasten, insbesondere bei Gasentladungen zu schaffen, die einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist und beispielsweise bei der Verwendung für einen Ozongenerator das Verhältnis der Ozonausbeute zur benötigten elektrischen Leistung verbessert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 oder 2 in Verbin dung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Dadurch, daß die, die Pulswechselspannung liefernden Schalter mit der Resonanz frequenz des Sekundärkreises schaltet, wird der Leistunqsverlust bei der Energieübertragung auf ein Minimum begrenzt, wobei gleichzeitig der Bauteileaufwand geringer gehalten werden kann.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Durch Vorsehen eines Frequenzregelkreises, der die Resonanz frequenz des Sekundärkreises erfaßt und die Ansteuerfrequenz der Schalter entsprechend regelt, wird auch bei sich SndernderLast die Fmwandlunã-wor Blindleistunq in Verlustleistunq durch Resonanzverstimrnuna verhindert.
Die Ausbildung der elektronischen Schalter als P-MOS Schalter bringt ein schnelles Ein- und Ausschalten ohne die Notwendigkeit von L5schkreisen mit sich. Im Vergleich zu tiblichen Leistungstransistoren sind die Ansteuer- und Schaltverluste sehr viel geringer.
Die Dimensionierung des Stützkondensators in der Weise, daß sich die Resonanzfrequenz des Sekundärkreises ohne Last und mit Last nur um 50 t ändert, erlaubt eine sichere Nachfahrung der Ansteuerfrequenz der elektronischen Schalter.
Dadurch, daß die elektronischen Schalter bei einer vorzugsweise im Minimum des nahezu sinusfönnigen Resonanzspannungsverlaufs der SekundErseite liegenden niedriqen Spannung geschaltet werden, können die Schaltverluste und die Zahl der elektronischen Schalter geringgehalten werden.
Das Vorsehen eines externen Oszillators, der beim Einschalten der Spannungsversorgung eine Ansteuerfrequenz entsprechend der Resonanzfrequenz der Sekundärseite bei maximaler Last liefert, ermöglicht eine Einschaltung auch im hohen Frequenzbereich unter Vollast, so daß keine Uberlastung durch eine schnellere Xnderung der Resonanz frequenz der Sekundärseite aufgrund der gespeicherten Enerqie als eine Nachführung der Ansteuerfrequenz der elektronischen Schalter möglich ist, auftreten kann.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeit ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Hochspannungsversorgung.
In dem in der Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild ist ein mit dem Netz verbundener Netzgleichrichter 1 über einen Speicher- und Glättungskondensator 2 an eine Gleichspannungsschalteranordnung 3 anqeschlossen, die ihrerseits mit der Primärwicklung eines Hochspannungstransformators 4 verbunden ist.
Parallel zu der Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators 4 ist ein Stiltzkondensator 5 vorgesehen, zu dem parallel eine impedanzartige Last 6, beispielsweise ein Ozonisator liegt. Die Sekundärwicklung des Transformators 4 oder eine zusätzliche mit der Sekundärseite verbundene Wicklung oder ein nicht dargestellter, hochohmiger Spannungsteiler im Sekundärkreis 14 ist mit einer Frequenzerkennung 7 verbunden, die über einen Umschalter 8 an eine steilflankise Impulsansteuerung 10 angeschlossen ist, die ihrerseits die Gleichspannungsschalteranordnung 3 ansteuert. Mit dem Umschalter ist außerdem ein Oszillator 9 verbunden. Das Einganassiqnal der Frequenzerkennung wird zusätzlich auf einen Soll-Ist-Spannungsvergleicher 11 geqeben, der weiterhin mit einer Spannungsvorgabe 12 verbunden ist. Der Ausgang des Soll-Ist-Spannungsverqleichers 11 ist an ein Spannungsstellglied 13 anqeschlossen, das mit der steilflankigen Impulsansteuerung 10 in Verbindung steht.
Der Sekundärkreis 14 bildet mit der Induktivität der Sekundärwicklung des Transformators 4, der vorzugsweise ein FerritXerntransformator ist, dem Stützkondensator 5 und der Impedanz 6 einen Parallelschwingkreis, wobei die Blindleistunq bei der Resonanz frequenz des Schwingkreises nahezu Null ist. Diese Resonanzfrequenz ändert sich im Betrieb der Bochspannungsversorgung, da sich die Last 6 ändert. Um diese FrequenzAnderung zu berücksichtigen, ist die Frequenzregelschaltung vorgesehen, wobei die steilfiankiqe Impulsansteuerung 10, die als Flip-Flopschaltung ausgebildet ist, abhängig von dem Ausgangssignal der die Resonanzfrequenz des Sekundärkreises 14 feststellenden Frequenzerkennung 7 die Gleichspannungsschalter 3 ansteuert, so daß diese immer mit der Resonanzfrequenz schalten. Die Frequenzerkennung 7 kann als.PLL-Schaltung ausgebildet sein. Für die Gleichspannungsschalter werden P-MOS-Transistoren verwendet, deren Ansteuerung zur Erzielung geringer Verluste mit sehr steilflankigen Rechteckimpulsen erfolgen sollte. Die Gleichspannungsschalteranordnung ist zur Erhöhung des Wirkungsgrades in der Weise aufgebaut, daß die einzelnen Schalter im Gegentakt schalten.
Durch die Kopplung der Sekundärseite auf die Primärseite zurück können auf der Ausgangsseite der nicht geschalteten P-NOS Schalter bei einer Netzspannung von 220 V Spannungen bis 600 Volt liegen.
Dies Schalten der Gleichspannungsschalter findet mit Resonanz frequenz und aufgrund der Kopplung phasenrichtig im Minimum des Resonanzspannungsverlaufes statt, so daß die Schaltverluste gering gehalten werden. Die Ansteuerimpulse sollten im Veroleich zur Periodendauer kurz sein, da sonst Oberschwingungen auftreten.
Beim Einschalten der Spannungsversorgung ist der Umschalter 8, der ein retriggerbares Monoflop aufweist, in der Weise geschaltet, daß die Ansteuerung der Gleichspannungsschalter 3 mit der Frequenz des Oszillators 9 erfolgt. Somit wird ein sicheres Einschalten auch bei Vollast gewährleistet. Die Frequenz des Oszillators 9 ist zur Minimieruns der Blindverluste auf die Resonanzfrequenz des Sekundärkreises 14 bei maximaler Leistung eingestellt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Frequenz des Oszillators entsprechend der Resonanzfrequenz des wahrscheinlichen Arbeitspunktes zu wShlen.
Nach Erkennen der Frequenz des Sekundärkreises 14 durch die Frequenzerkennunq 7 schaltet der Umschalter 8 um, so daß die Ansteuerung der Gleichspannungs schalter 3 nunmehr abhNngig vom rückgekoppelten Signal erfolgt.
Neben dem Frequenzregelkreis ist ein Spannungsregelkreis vorgesehen, dessen Soll-Ist-Wertvergleicher 11 das sekundärseitige Spannungssignal mit einer vorgegebenen Spannung vergleicht. Bei einer Gasentladung, die aus einem Parallelschwinqkreis gespeist wird, ändert sich der Widerstand beim Uberschreiten der Zündspannung. Diese Laständerung führt zu einer Verminderung der Resonanzfrequenz und zu einem Absinken der Spannung.
Die Spannunasregelung kann dann huber eine Pulsmodulation erfolgen, bei der entsprechend dem Signal des Spannungsstellgliedes 13 die Breite der Ansteuerunssimpulse verandert wird, wobei sich dann auch die Resonanz frequenz des Sekun- därkreises ändert. In einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Spannungsregelung über eine Phasenanschnittsteuerunq am Netzgleichrichter erfolgen. Eine weitere, nicht dargestellte Möglichkeit liegt in der Regelung über Wirkung der Last beispielsweise bei einem Ozongenerator über die erzeugte Ozonmenge. Die Ozonmenge wird gemessen, und bei Abweichung von einem gewünschten Wert wird, wie oben beschrieben, eine Spannungsreqelunq vorgenommen. Der Stütukondensator 5 bildet mit der Sekundärwicklung einen Schwinqkreis mit einer Grundresonanzfrequenz.
Durch Einfügen der Last 6 in den Schwingkreis ändert sich die Gesamtresonanzfrequenz der Sekundärseite 14. Um eine sichere Nachführung der Schaltfrequenz der Gleichspannungsschalter 3 zu gewährleisten, sollte die Änderung der Grundresonanzfrequenz auf die Gesamtresonanzfrequenz möglichst klein gehalten werden. Daher wird der Stützkondensator 5 in der Weise dimensioniert, daß diese Änderung möglichst unter 50 % liegt.
Stützkondensatoren für Spannungen bis 10 kV(eff) sind sehr teuer. Deshalb kann durch eine Sparanzapfens auf der Sekundärseite des Transformators mit nur einigen 100 Volt die Stützfunktion auch im Niederspannunqsbereich ausgeübt werden. In diesem Fall schwinqt die elektrische Energie im Resonanzkreis auf der Sekundärseite bei niedrigen Spannunaen, dagegen wird die Last unter Hochspannung gespeist. Die Sekundärwicklung des Transformators ist dann im Teil der Sparschaltuns mit großem Drahtquerschnitt, im Teil der Hochspannunqsversorgunq mit niedriaem Drahtquerschnitt auszuführen.
In dem Ausführunqsbeispiel ist der Sekundärkreis 14 als Parallelschwingkreis ausgebildet. Selbstverständlich kann auch ein Reihenschwingkreis vorgesehen sein, wobei dann der Strom anstelle der Spannung geregelt wird.
Bei der Verwenduna der Hochspannungsversorgung als Ozongenerator ist eine Abschaltmöglichkeit der Hochspannung für den Fall vorgesehen, daß die Sekundärspannung einen höchstzulässigen Wert überschreitet oder daß die Ozonkonzentration oder die Ionenkonzentration zu hoch wird.
Weiterhin ist eine Strombegrenzung über die P-MOS Schalter vorgesehen. Durch diese Maßnahme wird das Netzgerät kurzschlußfest und eine Stromüberlastung verhindert. Das wahlweise von einer Rückkopplunswicklung oder von einem sehr hohen Spannungsteiler im Sekundärkreis abqeleitete Rückkopplungssignal wird gleichzeitig zur Anzeige der Hochspannung an dem Gerät selbst verwendet.
Das an der Rückkopplungswicklung gewonnene Signal wird auch zur Uberprüfung der Transformatorsymetrie und des ferromagnetischen Sättiqunasqrades herangezogen.
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Claims

Patentansprüche Verfahren zur mittel- und hochfrequenten Sochspannungsversorgung für impedanzartige Lasten, insbesondere bei einer Gasentladung, bei dem eine gleichgerichtete Netzwechselspannung in eine Pulswechselspannung umgeformt wird und über einen Hochspannungstransformator an die Last geliefert wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Umformung mit der Resonanz frequenz des Sekundärkreises durchgeführt wird.
2. Mittel- und hochfrequente Hochspannungsversorgung für impedanzartige Lasten durch Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Netzgleichrichter, mindestens einem elektronischen Schalter und einem Hochspannungstransformator, der sekundärseitig mit der Last verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schalten des elektronischen Schalters (3) in der Resonanzfrequenz des Sekundärkreises durch Impulse mit einer qerenüber der Periodendauer kleinen Impulsbreite erfolqt.
3. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (9) mit einer der Resonanz frequenz des Sekundärkreises entsprechenden Frequenz vorgesehen ist, der den elektronischen Schalter (3) ansteuert.
4. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch qekennzeichnet, daß eine Frequenzregelschaltung (4,7,8,10) vorgesehen ist, die abhängig von der durch die Last (6) veränderbaren Resonanz frequenz des Sekundärkreises die elektronischen Schalter (3) ansteuert.
5. Rochspannungsversorgung nach Anspruch 3 und i, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (9) nur beim Einschalten der Spannungsversorgung wirksam ist und die Ansteuerfrequen: des elektronischen Schalter (3) liefert.
6. Bochspannungsversorgung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (3) als P-MOS Transistoren ausgebildet sind.
7. Hochspannungsversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schalten der elektrischen Schalter (3) bei niedriger Spannung, vorzugsweise im Minimum der Resonanzspannung der Sekundärseite erfolgt.
8. Hochspannungsversorgung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch qekennzeichnet, daß parallel zur Sekundärwicklung des Transformators (4) ein Stützkondensator (5) geschaltet ist.
9. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stdtzkondensator (5) in der Weise dimensioniert ist, daß die Gesamtresonanzfrequenz des Sekundärkreises (14) mit Last (6) gegenüber der Resonanzfrequenz ohne Last sich um maximal 50 % ändert.
10. Hochspannungsversorgung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungs- bzw. Stromregelschaltung (4,11,12,13,10) vorgesehen ist, die die Spannung bzw. den Strom an der Last (6) auf einen voreinstellbaren Wert regelt.
11. Bochspannungsversorgung nach einem der Anspruche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelschaltung vorgesehen ist, die die durch die Last hervorgerufene Wirkung auf einen gewünschten Wert regelt.
12. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeluga über die Impulsbreite der Ansteuerimpulse der elektronischen Schalter (3) erfolgt.
13. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung über eine Phasenanschnittsteuerung am Netzgleichrichter (1) erfolgt.
14. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Oszillators (9) auf die Resonanzfrequenz des Sekundärkreises (14) bei maximaler Leistung eingestellt ist.
15. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Oszillators (9) auf die Resonanzfrequenz beim wahrscheinlichen Arbeitspunkt der Last (6) des Sekundärkreises (14) eingestellt ist.
16. Hochspannungsversorgung nach einem der Ansprüche 3,5,14,15, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzregelschaltunq einen Umschalter (8) aufweist, der nach dem Einschalten der Spannungsversorgung und nach der Feststelluncr der Resonanzfrequenz des Sekundärkreises (14) den Oszillator (9) abschaltet.
17. Hochspannungsversorgung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator ein Ferritkerntransformator ist.
18. Verwendung der Hochspannungsversorgung für einen Ozongenerator.
19. Hochspannunasversorgunq nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkondensator durch eine Sparanzapfunq der Sekundärseite im Spannungsbereich einiger hundert Volt derart eingesetzt wird, daß die anteile Sekundärsparwicklunq und der Stützkondensator den Resonanzkreis bilden und die Last mit Hochspannung versorgt wird.