DE3724639A1 - Regelbare wechselstromquelle zur ozonerzeugung - Google Patents

Description

Das Gas Ozon (O₃) ist ein wesentlich stärkeres Oxydations­ mittel als reiner Sauerstoff (O₂). Ozon setzt man beispiels­ weise für die Reinigung von Abwässern ein. Die Erzeugung des Ozons erfolgt durch unselbständige elektrische Entladungen zwischen 2 Elektroden in Luft oder in reinem Sauerstoffgas. Um den Übergang zur selbständigen Entladung (Lichtbogen) zu verhindern, befindet sich in der Regel noch ein dielek­ trisches Material (z. B: Glas) zwischen den Elektroden zur Strombegrenzung. Vor dem Einsetzen der Entladung liegt ein reiner Verschiebungsstrom vor, der durch die Reihenschaltung von Gas und dielektrischem Material fließt. Da nun die Strom­ stärke mit der Änderungsgeschwindigkeit der Spannung über der Zeit (i = C · du/dt) steigt und damit auch die produzierte Ozon­ menge größer wird, setzt man neuerdings weniger die 50 Hz- Netzspannung ein, sondern zunehmend Umrichter mit höheren Frequenzen der Ausgangsspannung. Als besonders vorteilhaft erwiesen sich Umrichter mit Rechteckstrom am Ausgang. Dadurch lädt sich die Kapazität des Ozonerzeugers rasch um und es wird schnell wieder der Bereich der unselbständigen Entladung mit der Ozonbildung erreicht.

Bekannt sind Umrichter mit einem gesteuerten Gleichrichter am netzseitigen Eingang und einer Induktivität im Gleichstrom­ zwischenkreis zur Bildung eines eingeprägten Stromes, der im Wechselrichter zu einem Rechteckstrom für den Ozonerzeuger umgeformt wird. Die Leistung regelt man über die Gleichspan­ nungshöhe, die aus dem Steuerwinkel des Gleichrichters folgt.

Als wenig vorteilhaft erweist sich bei diesem Verfahren die schlechte Ausnutzung des Gleichrichters. Er darf in der Span­ nung nur etwa zur Hälfte ausgenutzt werden und muß daher für die gleiche Leistung doppelt soviel Strom liefern. Nun müssen nicht nur die Bauteile dem doppelten Strom standhalten, sondern auch das speisende Netz. Es muß eine große Blindleistung lie­ fern und wird auch noch mit höherfrequenten Oberschwingungs­ strömen belastet. Weiterhin erweist sich als nachteilig, daß die Induktivität im Zwischenkreis wegen des großen Stromes groß gebaut werden muß und eine nennenswerte Verlustleistung hat.

Die Ursache für die oben genannten Nachteile liegt in der Besonderheit der kapazitiven Last. Bild 4 zeigt hierzu maßstäb­ liche typische Verläufe der Spannungen und Ströme. Der Gleich­ strom der Induktivität (2) (Bild 2) wird vom Wechselrichter (3) in einen Rechteckstrom i _OZ (Bild 4) für den Ozonerzeuger umge­ wandelt. Hieraus folgt eine abschnittsweise linear ansteigende Ozonerzeugerspannung u _OZ (Bild 4). Diese Spannung ergibt eine Wechselrichter-Eingangsspannung u _{d 2}, die im Mittel die gleiche Größe haben muß wie die Spannung u _{d 1} der Gleichspan­ nungsquelle (1). Wegen der großen negativen Spannungszeitfläche zwischen den Zeiten t ₁ und t ₂ wird das Maximum von u _{d 2} etwa dreimal größer als u _{d 1}. Da nun das öffentliche 380 V-Netz bei ungesteuerten Gleichrichtern eine 530 V-Gleichspannung liefert, findet man keine elektronischen Schalter mehr mit entsprechend hoher Spannungsfestigkeit und muß gesteuerte Gleichrichter einsetzen, die mit halber Ausgangsspannung betrieben werden und daher doppelten Strom liefern müssen um die gleiche Leistung zu erbringen.

Hier schafft die Erfindung Abhilfe durch eine Reihenschal­ tung von Thyristoren gemäß Bild 1. Dabei sichert der Transfor­ mator durch mehrere Primärwicklungen eine gleichmäßige Span­ nungsaufteilung. Jetzt können höhere Eingangsspannungen bewäl­ tigt werden und es ist sogar ein ungesteuerter Gleichrichter einsetzbar. Dadurch wird der dem Netz entnommene Strom hal­ biert und das Netz kaum noch mit Blindstrom und Oberschwin­ gungsströmen belastet. Die Ozonerzeugerleistung kann man über die Änderung der Wechselrichter-Taktfrequenz steuern.

Eine weitere Lösung der Aufgabe bietet der Tiefsetzsteller gemäß Bild 3. Dabei nutzt man die Vorteile des ungesteuerten Gleichrichters (1 a), der preiswerter ist und weniger Netzbe­ lastung ergibt. Durch den Pufferkondensator (1 c), die Freilauf­ diode (1 e) und einen elektronischen Schalter (1 d) (z. B. Tran­ sistor) kann man die Induktivität (2) mit einer getakteten Gleichspannung u _{d 11} speisen, die wenig Spannungszeitfläche für die Induktivität ergibt. Dies ermöglicht zusammen mit dem kleineren Strom den Einsatz einer wesentlich kleineren, leichteren und preiswerteren Induktivität. Die Leistung kann nicht nur über die Taktfrequenz gesteuert werden, sondern vor­ teilhafter über die Einschaltdauer t ₃ bis t ₄. Damit kann die Taktfrequenz auf einem hohen Wert bleiben und so nicht nur Induktivität, sondern auch der Transformator kleiner, leichter und preiswerter ausgeführt werden. Ein weiterer Vorteil des Tiefsetzstellers zeigt sich bei einem Betrieb unterhalb der Nennleistung. Der Netzstrom geht proportional mit der Wirklei­ stung zurück, weil der Leistungsfaktor des Netzstromes nahezu den Wert 1 hat. Beim gesteuerten Gleichrichter hingegen sinkt der Leistungsfaktor noch weiter ab. Der etwa doppelt so hohe Wert von u _{d 11} hat seine Ursache in der Einschaltdauer von 50% für u _{d 11}. Dadurch kann in der Regel auf eine Reihenschaltung der elektronischen Schalter im Wechselrichter verzichtet werden.

Claims (6)

1. Netzgerät, das am Ozonerzeuger Spannungen mit in weiten Bereichen konstanter Steigung über der Zeit erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß eine gesteuerte oder ungesteuerte Gleich­ spannungsquelle (1) (s. Bild 1) über eine Zwischenkreisinduk­ tivität (2) den Wechselrichter (3) speist, der dann über den Hochspannungstransformator (4) den Strom für den Ozonerzeuger liefert.

2. Netzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ungesteuerter Gleichrichter (1 a) (Bild 2) über die Induktivi­ tät (2) den Wechselrichter (3) speist und die Leistungsregelung über die Änderung der Wechselrichter-Taktfrequenz erfolgt.

3. Netzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ungesteuerter Gleichrichter (1 a) (Bild 2) einen Kondensator (1 c) (Bild 3) speist und ein leistungselektronischer Schalter (1 d) zusammen mit einer Freilaufdiode (1 e) eine Spannungs­ verstellung erlaubt und hohe Eingangsspannung mit kleinem Strom fast verlustfrei umwandelt in kleine Spannung mit hohem Strom zur Regelung der Ozonerzeuger-Leistung.

4. Netzgerät nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefsetzsteller (1 d, 1 e) synchron zum Taktgenerator des Wechselrichters (3) arbeitet und so eine besonders kleine Zwischenkreisinduktivität (2) einsetzbar wird.

5. Netzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (3) nicht nur aus einer Brückenschaltung (3 a-d) von 4 elektronischen Schaltern (z. B. Thyristoren) bestehen kann, sondern auch aus mehreren in Reihe geschalteten Brücken (3 a bis 3 h usw.), die über die Primärwicklungen des Transfor­ mators (4) eine gesichert gleichmäßige Spannungsaufteilung erfahren und hohe Eingangs-Gleichspannungen ermöglichen.

6. Netzgerät nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Wechselrichter (3) anstelle der Lastkommutierung eine Zwangs­ kommutierung aufweist, die durch einen LC-Kommutierungskreis und eine zum Thyristor in Reihe geschaltete Diode erreicht wird.