DE4235766C1 - Corona generator having two resonant circuits - automatically adjusts to match electrical properties of materials under treatment - Google Patents

Corona generator having two resonant circuits - automatically adjusts to match electrical properties of materials under treatment

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Abstract

The corona generator has two resonant circuits. The first is a series circuit (1) with a choke (6) before a capacitor (8) and a parallel resonating circuit (3) on the secondary side of a high voltage transformer (4). The capacitor is regularly discharged by a switch (2) after it has taken up most of its maximum potential charge. The discharge current flows through a choke (12) and primary winding (14) and a dampened oscillation with high voltage spikes is generated in the parallel resonant circuit. While the series resonant circuit oscillates in the audio frequency range, the frequency of the dampened oscillations is in the 100 kHz range and is determined by material passing through the corona. The material is part of the dielectric in the capacitor formed by the corona electrode (16) and the opposing electrode (18). USE/ADVANTAGE - Complexity of electrical circuit is sharply reduced in comparison with previous arrangements. Corona discharge has plasma properties and discharges without formation of ozone.

Description

Die Erfindung betrifft einen Koronagenerator mit einem aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten Generator für die Er­ zeugung von Spannungsimpulsen, die an die Primärwicklung eines Hochspannungstransformators gelegt über dessen Sekundärwick­ lung zwischen einer Koronaelektrode und einer Gegenelektrode eine Koronaentladung erzeugt.The invention relates to a corona generator with one a DC-powered generator for the Er Generation of voltage pulses that are applied to the primary winding High-voltage transformer placed over its secondary winding between a corona electrode and a counter electrode generates a corona discharge.

Durch die DE 39 23 694 C1 ist ein Koronagenerator der gattungs­ gemäßen Art bekannt geworden, der mit mehreren elektronischen Schaltern, einem veränderbaren Frequenzgenerator und einer Pha­ senmeßschaltung eine aufwendige Steuerschaltung aufweist, die zudem jeweils an die durch die Korona zu behandelnden Materi­ alien bedingten elektrischen Eigenschaften frequenzmäßig ange­ paßt werden muß.DE 39 23 694 C1 is a corona generator of the genus according to the known type, with several electronic Switches, a variable frequency generator and a Pha has a complex control circuit, the also to the matter to be treated by the corona alien related electrical properties in terms of frequency must be fitted.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Koronagenerator zu beschreiben, der sich automatisch an die elektrischen Eigen­ schaften der zu behandelnden Materialien anpaßt und eine stark vereinfachte elektronische Schaltung mit einem einzigen Schal­ ter ausgestattet ist. The invention has for its object a corona generator to describe who automatically adopts the electrical properties adapts to the materials to be treated and a strong simplified electronic circuit with a single scarf ter is equipped.  

Die gestellte Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.The task is given by the in the hallmark of the patent claims 1 specified features solved.

Der wesentliche und außerordentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Generators ist darin zu sehen, daß, von einer zeitlich sehr kurzen Erwärmungsphase abgesehen, praktisch keine Ozonbildung auftritt.The essential and extraordinary The advantage of the generator according to the invention is that that, apart from a very short warming phase, practically no ozone formation occurs.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.Advantageous further training the invention are set out in the subclaims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtEmbodiments of the invention are explained in more detail in the drawings. It shows

Fig. 1 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild des Generators, Fig. 1 is a simplified schematic block diagram of the generator,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für die Gestaltung des elek­ tronischen Schalters, Fig. 2 shows an embodiment for the design of the elec tronic switch,

Fig. 3 eine Abwandlung der Ausgestaltung des elektronischen Schalters, Fig. 3 shows a modification of the embodiment of the electronic switch,

Fig. 4 den Spannungsverlauf an einigen Punkten der Schaltung, Fig. 4 shows the voltage curve at some points of the circuit,

Fig. 5a die konventionelle Strahlung der Koronaentladung, FIG. 5a, the conventional radiation of corona discharge,

Fig. 5b die Gestalt der Koronaentladung beim Koronagenerator und Fig. 5b, the shape of the corona discharge at the corona generator and

Fig. 6 eine Gegenüberstellung des prinzipiellen Entladungs­ ablaufs bei der konventiellen Korona und der Korona gemäß der Erfindung. Fig. 6 is a comparison of the basic discharge process in the conventional corona and the corona according to the invention.

Der Koronagenerator (Fig. 1) besteht im wesentlichen aus einem ersten Schwingkreis, einem Schalter 2 und einem zweiten Schwing­ kreis, dem ein Hochspannungstransformator 4 zugeordnet ist. Der erste Schwingkreis ist ein Reihenschwingkreis 1 (RS) mit einer Drossel 6 und einem Kondensator 8, der über einen Schal­ ter 10 (Sch), eine Diode 11 und eine Drossel 12 an die Primär­ wicklung 14 des Hochspannungstransformators 4 angeschlossen ist. Die Diode 11 sperrt den Induktionsstrom beim Öffnen des Schal­ ters 10, während die Drossel 12 den Einschaltstrom beim Schließen des Schalters 10 auf einen Maximalwert begrenzt, den der Schalter verarbeiten kann. Der Hochspannungstransformator 4 ist ein verlustarmer Impulstransformator konventioneller Bauart, mit einer Primärwicklung 14 mit verhältnismäßig geringer Win­ dungszahl, an dessen Sekundärwicklung 15 die Koronaentladungs­ strecke angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung 15 und die an sich sehr geringe Kapazität der Koronaentladungsstrecke mit der Koronaelektrode 16 und der geerdeten Gegenelektrode 18 bilden den zweiten Schwingkreis, einen Parallelschwingkreis 3 (PS).The corona generator ( Fig. 1) consists essentially of a first resonant circuit, a switch 2 and a second resonant circuit, to which a high-voltage transformer 4 is assigned. The first resonant circuit is a series resonant circuit 1 (RS) with a choke 6 and a capacitor 8 which is connected via a scarf ter 10 (Sch), a diode 11 and a choke 12 to the primary winding 14 of the high-voltage transformer 4 . The diode 11 inhibits the induction current when opening the scarf ters 10, while the throttle 12 limits the inrush current when the switch 10 to a maximum value, which the switch can handle. The high-voltage transformer 4 is a low-loss pulse transformer of conventional design, with a primary winding 14 with a relatively small number of winings, to whose secondary winding 15 the corona discharge path is connected. The secondary winding 15 and the very small capacitance of the corona discharge path with the corona electrode 16 and the grounded counter electrode 18 form the second resonant circuit, a parallel resonant circuit 3 (PS).

Die Koronaelektrode 16 mit einem dielektrischen Mantel ist in einem geringen Abstand von wenigen Millimetern über der geerdeten Gegenelektrode 18 angeordnet, über die das zu bestrah­ lende Material, z. B. eine Kunststoff-Folie geführt wird.The corona electrode 16 with a dielectric jacket is arranged at a short distance of a few millimeters above the grounded counter electrode 18 via which the material to be irradiated, e.g. B. a plastic film is guided.

Es ist zweckmäßig, den Schalter 10 als periodisch arbeiten­ den elektronischen Schalter mit einem oder mehreren Thyristo­ ren (Fig. 2) auszubilden. Es ist grundsätzlich ausreichend, einen Thyristor 20 vorzusehen, wenn seine Leistung ausreichend ist. Aus Sicherheitsgründen können mehrere Thyristoren 20 bis 22 angeordnet werden, deren Anoden, Kathoden und Gates parallel geschaltet sind. Der bzw. die Thyristoren 20 bis 22 werden über eine Steuerschaltung 24 gezündet, die von einem Spannungs­ sensor 26 aktiviert wird, der die Spannung des Kondensators 8 überwacht und bei einer bestimmten Spannungshöhe die Steuer­ schaltung 24 ansprechen läßt. Vorteilhafter kann es sein, wenn lediglich die Anoden bzw. die Kathoden der Thyristoren 27 bis 29 parallel geschaltet sind (Fig. 3) und über die Gates durch die Steuerschaltung 30 nacheinander zyklisch geschaltet sind. Durch diese Maßnahme werden die Zeitabschnitte zwischen den Zündungen der einzelnen Thyristoren 27 bis 29 um ein mehrfaches entsprechend der Anzahl der parallel geschalteten Thyristoren verlängert und die Belastbarkeit vergrößert. Selbstverständ­ lich können auch andere elektronische Bauelemente, wie z. B. Transistoren oder Röhren anstelle der Thyristoren als Schalter vorgesehen werden.It is expedient to form the switch 10 as a periodic electronic switch with one or more Thyristo ren ( Fig. 2). It is generally sufficient to provide a thyristor 20 if its performance is sufficient. For safety reasons, several thyristors 20 to 22 can be arranged, the anodes, cathodes and gates of which are connected in parallel. The or the thyristors 20 to 22 are ignited via a control circuit 24 , which is activated by a voltage sensor 26 , which monitors the voltage of the capacitor 8 and can trigger the control circuit 24 at a certain voltage level. It can be more advantageous if only the anodes or the cathodes of the thyristors 27 to 29 are connected in parallel ( FIG. 3) and are cyclically connected in succession via the gates through the control circuit 30 . As a result of this measure, the time intervals between the firings of the individual thyristors 27 to 29 are extended by a multiple corresponding to the number of thyristors connected in parallel, and the load capacity is increased. Of course, other electronic components, such as. B. transistors or tubes can be provided as switches instead of the thyristors.

Mit dem Anschalten einer Gleichspannung U= mit z. B. 300 Volt wird der Kondensator 8 über die Drossel aufgeladen. Die dabei am Kondensator erreichbare Spannung kann erhebliche Werte er­ reichen, z. B. +1000 Volt (Fig. 4a). Der Spannungssensor 26 an der Steuerschaltung 24 kann so eingestellt sein, daß z. B. bei einer Spannung von etwa +800 Volt ein Zündungsimpuls von der Steuerschaltung 24 an das Gate bzw. an die Gates der Thy­ ristoren 20 bis 22 geliefert wird (Fig. 4b). Die Thyristoren 20 bis 22 zünden und liefern einen Entladungsstrom über die Drossel 12 auf die Primärwicklung 14 des Hochspannungstrans­ formators 4. Die Drossel 12 hat u. a. die Aufgabe, die Höhe des Entladungsstromstoßes so zu begrenzen, daß die Thyristoren 20 bis 22 nicht überlastet werden. Sobald die Spannung des Kon­ densators 8 den Nullwert erreicht, sperren die Thyristoren 20 bis 22 wieder und die Aufladung des Kondensators 8 erfolgt aufs neue. Die Induktivität der Drossel 6 ist so gewählt, daß die Aufladung des Kondensators 8 bis zur nächsten Entladung in einer vorbestimmten Zeit, z. B. t=50 sec erfolgt, d. h., daß die Zündfolge z. B. mit einer Frequenz von 20 kHz erfolgt, also mit einer Frequenz oberhalb der hörbaren Schallfrequenz. Im ge­ nannten Ausführungsbeispiel erfolgen also die Spannungsstrom­ stöße in der Primärwicklung 14 mit 20 kHz und erzeugen in der Sekundärwicklung 15 gedämpfte Schwingungen mit einer Frequenz, die sich aus der Resonanz des aus der Induktivität der Sekun­ därwicklung 15 und der Kapazität der Koronaelektrode 16 mit der Gegenelektrode 18 gebildeten Parallelschwingkreises 3 ergibt, die z. B. in der Größenordnung von 150 kHz liegen kann (Fig. 4c). Die Spitzenspannung dieser gedämpften Schwingungen, die dann mit einer Impuls folge von den hier angenommenen 20 kHz auftreten, kann sehr hohe Werte in der Größenordnung von 100 kV annehmen. Die hierdurch auftretende Korona ist fächerhaft ausgeweitet, wie in Fig. 5b schematisch dargestellt ist. Die Breite b2 der flächenhaft ausgebreiteten Glimm­ erscheinung auf dem zu behandelnden Material, z. B. einer Kunststoff-Folie ist erheblich größer als die Breite b1 einer konventionellen Korona (Fig. 5a).By switching on a DC voltage U = with z. B. 300 volts, the capacitor 8 is charged via the choke. The voltage achievable on the capacitor can reach considerable values, e.g. B. +1000 volts ( Fig. 4a). The voltage sensor 26 on the control circuit 24 can be set so that, for. B. at a voltage of about +800 volts an ignition pulse from the control circuit 24 to the gate or to the gates of the Thy ristors 20 to 22 is supplied ( Fig. 4b). The thyristors 20 to 22 ignite and deliver a discharge current through the inductor 12 to the primary winding 14 of the high-voltage transformer 4 . The choke 12 has, inter alia, the task of limiting the level of the discharge current surge in such a way that the thyristors 20 to 22 are not overloaded. As soon as the voltage of the capacitor 8 reaches zero, the thyristors 20 to 22 lock again and the capacitor 8 is charged again. The inductance of the inductor 6 is chosen so that the charging of the capacitor 8 until the next discharge in a predetermined time, for. B. t = 50 sec, that is, the firing order z. B. at a frequency of 20 kHz, that is, at a frequency above the audible sound frequency. In the above-mentioned exemplary embodiment, the voltage current surges occur in the primary winding 14 at 20 kHz and generate damped vibrations in the secondary winding 15 with a frequency that results from the resonance of the inductance of the secondary winding 15 and the capacitance of the corona electrode 16 with the counter electrode 18 formed parallel resonant circuit 3 , the z. B. may be on the order of 150 kHz ( Fig. 4c). The peak voltage of these damped vibrations, which then occur with a pulse sequence of the 20 kHz assumed here, can assume very high values in the order of 100 kV. The corona that occurs as a result is expanded in a fan-shaped manner, as is shown schematically in FIG. 5b. The width b 2 of the spread-out glow phenomenon on the material to be treated, for. B. a plastic film is considerably larger than the width b 1 of a conventional corona ( Fig. 5a).

Besonders erwähnenswert ist außerdem der Umstand, daß die Koronaelektrode 16 des Generators gemäß der Erfindung (Fig. 5b) ohne Kühlung betrieben wird, während bei den bekannten Gene­ ratoren (Fig. 5a) eine Kühlung erforderlich ist, um Schäden an der Koronaelektrode zu vermeiden.Also particularly worth mentioning is the fact that the corona electrode 16 of the generator according to the invention ( Fig. 5b) is operated without cooling, while in the known generators ( Fig. 5a) cooling is required to avoid damage to the corona electrode.

Es besteht die Vermutung, daß die fehlende Ozonbildung auf die höhere Temperatur der Koronaelektrode, die höhere Elektro­ denspannung und die verhältnismäßig langen Pausen zwischen den Spannungsspitzen zurückzuführen ist, wobei der Eindruck einer plasmaähnlichen Entladung entsteht.There is a presumption that the lack of ozone formation the higher temperature of the corona electrode, the higher electrical tension and the relatively long pauses between the Voltage peaks can be attributed to the impression of a Plasma-like discharge occurs.

Fig. 6 veranschaulicht die Leistungs- und Energieverhältnisse der Koronaentladung gemäß der Erfindung gegenüber der konven­ tionellen Korona. Während bei den bekannten Koronageneratoren die Korona im wesentlichen von einer von der Sekundärwicklung 15 des Hochspannungstransformators 4 gelieferten (Sinus-) Spannung 32 der Größenordnung von 10 kV erzeugt wird, erfolgt die Korona des Generators gemäß der Erfindung durch zeitlich sehr kurze Impulse mit sehr hohen Spannungswerten, die mit verhältnismäßig großen zeitlichen Abständen auftreten. Die von der Sekundärwicklung 15 abgegebene Leistung wird in einer außerordentlich kurzen Zeitspanne geliefert. Veranschaulicht wird dies durch die Flächen unter der Kurve 32 für den kon­ ventionellen Spannungsverlauf und der Kurve 33 für den Span­ nungsverlauf an der Sekundärwicklung des erfindungsgemäßen Generators. Fig. 6 illustrates the power and energy ratios of the corona discharge according to the invention compared to the conventional corona. While in the known corona generators the corona is essentially generated by a (sine) voltage 32 of the order of magnitude of 10 kV supplied by the secondary winding 15 of the high-voltage transformer 4 , the corona of the generator according to the invention is effected by very short pulses with very high voltage values that occur with relatively large time intervals. The power output by the secondary winding 15 is delivered in an extremely short period of time. This is illustrated by the areas under curve 32 for the conventional voltage curve and curve 33 for the voltage curve on the secondary winding of the generator according to the invention.

Bemerkenswert ist, daß die plasmaähnliche Koronaentladung eine verstärkte violette Färbung aufweist, was einen Hinweis auf eine verstärkte Reaktion mit Stickstoff gibt.It is noteworthy that the plasma-like corona discharge has an intensified purple color, which is an indication for an increased reaction with nitrogen.

Claims (6)

1. Koronagenerator mit einem aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten Generator für die Erzeugung von Spannungsimpulsen, die an die Primärwicklung eines Hochspannungstransformators gelegt über dessen Sekundärwicklung zwischen einer Koronaelektrode (16) und einer Gegenelektrode (18) und eine Koronaentladung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Schwingkreis (1) für periodisch auftretende Impulse einer niedrigen Frequenz an der Primärwicklung (14) eines Hochfrequenztransformators vor­ gesehen ist und auch ein zweiter Schwingkreis (3) mit der Sekundärwicklung (15) und der Kapazität des durch die Elek­ troden (16, 18) gebildeten Kondensators für eine gedämpfte Schwingung einer Koronaentladung mit hoher Frequenz im Takt der niedrigen Impulsfrequenz vorgesehen ist, wobei die Impulse des ersten Schwingkreises (1) von der Spannung eines Konden­ sators (8) abgeleitet ist, der in Reihe mit einer Drossel (6) an der Gleichspannung liegt, und über einen periodisch arbei­ tenden Schalter (2) der Primärwicklung (14) zugeführt ist. 1. corona generator with a generator fed from a direct voltage source for the generation of voltage pulses which is applied to the primary winding of a high voltage transformer via its secondary winding between a corona electrode ( 16 ) and a counter electrode ( 18 ) and generates a corona discharge, characterized in that a first resonant circuit ( 1 ) for periodically occurring pulses of a low frequency on the primary winding ( 14 ) of a high-frequency transformer is seen before and also a second resonant circuit ( 3 ) with the secondary winding ( 15 ) and the capacitance of the capacitor ( 16 , 18 ) formed by the electrodes is provided for a damped oscillation of a corona discharge with a high frequency in time with the low pulse frequency, the pulses of the first resonant circuit ( 1 ) being derived from the voltage of a capacitor ( 8 ) which is connected in series with a choke ( 6 ) to the DC voltage lies, and over a per iodically working switch ( 2 ) of the primary winding ( 14 ) is supplied. 2. Koronagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der periodisch arbeitende Schalter (2) durch ein oder mehrere elektronisch gesteuerte Thyristoren (20 bis 22) gebildet ist.2. corona generator according to claim 1, characterized in that the periodically operating switch ( 2 ) is formed by one or more electronically controlled thyristors ( 20 to 22 ). 3. Koronagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (Thyristoren 20 bis 22) durch eine von einem Spannungssensor (26) getrig­ gerte Steuerschaltung (24) betätigt ist, wobei der Spannungs­ sensor (26) bei einer bestimmten Aufladung des Kondensators (8) des Reihenschwingkreises (1) anspricht. 3. corona generator according to one of claims 1 to 2, characterized in that the electronic switches (thyristors 20 to 22) is actuated by a by a voltage sensor (26) getrig siege control circuit (24), wherein the voltage sensor (26) at a certain charging of the capacitor ( 8 ) of the series resonant circuit ( 1 ) responds. 4. Koronagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere parallel geschaltete Thyristoren (20 bis 22) vorgesehen sind, deren Ausgänge über eine Induktanz (12) mit der Primärwicklung (14) des Hochspannungstransformators (4) verbunden sind.4. corona generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that one or more thyristors ( 20 to 22 ) connected in parallel are provided, the outputs of which are connected via an inductance ( 12 ) to the primary winding ( 14 ) of the high-voltage transformer ( 4 ) . 5. Koronagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren (27 bis 29) nur mit ihren Anoden bzw. Kathoden parallel geschaltet sind und über ihre Gates durch die Steuerschaltung (30) nacheinander zyklisch geschaltet sind.5. corona generator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thyristors ( 27 to 29 ) are only connected in parallel with their anodes or cathodes and are cyclically connected in succession via their gates by the control circuit ( 30 ). 6. Koronagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koronaentladung Plasmaeigenschaften aufweist, wobei die Entladung ohne Ozonbildung erfolgt.6. corona generator according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that the corona discharge plasma properties has, the discharge takes place without ozone formation.
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