JP2010035402A - 放電セル放電回路及び放電セル放電回路制御システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電力を供給する電力供給部(Uw)と、インバータ(Uj)と、トランス(Tr)と、トランス(Tr)の2次側の放電セル(Ds)と共振インダクタ(Lm)とを接続した閉ループからなり共振インダクタ(Lm)と寄生容量(Cm)とによって構成される共振部とを具備する。共振部の共振周波数とインバータ(Uj)の駆動周波数とを同調させるようにインバータ(Uj)の駆動周波数を制御する同調制御部(Us)と、電力供給部(Uw)の出力電力を調整可変して規定の出力電力になるように制御する電力制御回路(Uwc)とを具備し、同調制御部(Us)によるインバータ(Uj)の駆動周波数の制御と、電力制御回路(Uwc)による電力制御との2つの制御系によって放電セル(Ds)の放電を継続させる。
【選択図】図1
Description
〔放電セル放電回路の第一実施形態〕
図1は本発明の第一実施形態にかかる放電セル放電回路を簡略化して示すブロック図である。同図に示す放電セル放電回路において、放電セル(Ds)への電力の供給元となる商用交流電源、例えば3相電源は、ノード(R、S、T)より整流部(Ur)に接続される。前記整流部(Ur)は複数のダイオードを備えていて全波整流を行い、規定された電力を供給するための電力制御回路(Uwc)を備えた電力供給部(Uw)にてDC出力となって、平滑コンデンサ(C1、C2)に蓄えられる。インバータ(Uj)は、前記DC出力を交流化し、この交流電力は、昇圧トランス(Tr)を介して高電圧に変換され、前記昇圧トランス(Tr)の2次巻線側に配置されたインダクタ(Lm)を介して誘電体を介在させた放電セル(Ds)に印加される。
V1:100V
V2:200V
Imax:4A
W0:400W
主として、前記放電セル(Ds)のばらつきや放電条件を十分加味し、通常使われる出力電力状態は、定電力範囲(WC)内に中心電圧付近となるように設定されるべきである。そして、オゾン濃度を変更する際は、定電力領域のライン(W0)が電力変調可変領域区(ΔW)内である、例えば電力ライン(W1)へシフトし、放電セル(Ds)に対しての電力供給量を制限するように働く。これにより、従来、消費電力が無管理状態であった部分においても前記インバータ(Uj)に依存することなく前記電力制御回路(Uwc)が独立して電力管理することで高効率なオゾン生成という利点を享受できる。すなわち、前記電力制御回路(Uwc)がオゾン濃度制御を行ったとしても、前記インバータ(Uj)は、常にオゾン生成に最適な共振作用による高電圧Sin波を印加し続けることができると言える。
インバータ周波数: 24.9kHz
放電セル出力電流: 0.9Arms
放電セル出力電圧: 4.8kVp―p
この実験例でのその他のパラメータとしては以下の通りである。
供給電力: 略200W
Lm: 11.5mH
放電セル: 荏原製作所製2Cells
Tr巻線比率: Pri:Sec/1:8
放電セルへの酸素供給量4L/M
放電セルへの窒素添加量32ccm
オゾン生成量:78ppm
W=V×I×cosφ
と表現すれば、インバータ(Uj)の駆動周波数を常時共振状態とした本発明では前記トランス1次側の電流及び電圧波形の位相が一致していることになるのでcosφ=1となるが、位相が異なっていればφが増加するため、cosφは1以下となる。その結果、同じ電力を出力する場合においては、位相が一致している条件に比してVとIを増加させなければならないことから、本来の電流値よりも大きいピーク値が必要となる。これは、例えばトランスにとっては、銅損が増加するばかりでなく、鉄損も増加するため、トランスの巻き線の径を増大させ、トランス自体のサイズもより大型化する方向になる。この問題からも本発明により最適の電圧と電流を供給するためトランスにとっても小型軽量化、コスト低減に寄与することが可能である。
・時点(tA)にて放電を開始する。
・最大電流上限値を徐々に0から最大制限電流値(Imax)へ制御する。
・最大電流上限値が最大制限電流値(Imax)に到達するまでの時点(tB)を規定する。
・時点(tC)以降は定電力領域で通常の運転状態に入る。
図20は本発明の第二実施形態にかかる放電セル放電回路を簡略化して示すブロック図である。なお以下の第二実施形態の説明において、第一実施形態と同一部分については同一符号を付している。図20に示す放電セル放電回路においても、放電セル(Ds)への電力の供給元となる商用交流電源、例えば3相電源は、ノード(R、S、T)より整流部(Ur)に接続される。前記整流部(Ur)は複数のダイオードを備えていて全波整流を行い、規定された電力を供給するための電力制御回路(Uwc)を備えた電力供給部(Uw)にてDC出力となる。当然のことながら電力供給部(Uw)は内部に平滑コンデンサを備えているものとする。インバータ(Uj)は、前記DC出力を交流化し、この交流電力は、昇圧トランス(Tr)を介して高電圧に変換され、前記昇圧トランス(Tr)の2次巻線側に配置されたインダクタ(Lm)を介してサファイア等の誘電体を介在させた放電セル(Ds)に印加される。
インバータ周波数: 略23kHz
インバータ出力電圧:略150V
インバータ出力電力:略110W
放電セル出力電圧: 略7.4kVp―p
放電セル: 荏原製作所製 0.5A−13型セル+コンデンサ負荷1nF
放電セルへの酸素供給量0.5L/M
放電セルへの窒素添加量4ccm
オゾン生成量:160g/Nm3
共振インダクタ:34mH
高圧トランス:1次13ターン/2次19ターン/フェライトコア
図22は放電セル放電回路制御システム(以下「装置制御システム」という)(ES)と放電セル放電回路(PS)とオゾン検知器(Od)の信号の取り合いの一例を簡略化して示すブロック図である。同図においてオゾン検知器(Od)からは、検出できるオゾン濃度の最大から最小を規定された電圧、または電流の範囲で信号出力をする。信号出力は、検出したオゾン濃度が電圧または電流レベルにスケーリング処理されて、検出したオゾン濃度に見合った信号をオゾン検知器(Od)がアナログ出力信号を生成し、つまりは装置制御システム(ES)が入力信号(Ods)として受け取る。一般的に言って、電流信号である場合は、電流信号は4mA〜20mAで表現されているから、装置制御システム(ES)は、一度、抵抗(R50)で受ける。抵抗(R50)は250Ωであり、抵抗(R50)の両端に発生する電圧は1V−5Vの電圧信号に変換して、バッファ(Ub)を介してオゾン濃度制御回路(Up)に取り込む。これによりオゾン濃度制御回路(Up)は現在のオゾン濃度を認識することができる。前記オゾン濃度制御回路(Up)には、プログラマブルロジックコントローラー(PLC)と呼ばれる、例えば三菱電機社製のシーケンサのアナログ入力ユニットを用いても良い。
Uw 電力供給部
Uj インバータ
Tr トランス
Lm 共振インダクタ
Cm 寄生容量
Us 同調制御部
Uwc 電力制御回路
Ui 電流位相検出手段
Uv 電圧位相検出手段
Sfi 電流位相信号
Sfv 電圧位相信号
Sfr 共振位相差信号
Uf 比較部
Sfg 周波数制御信号
Uz 演算比較手段
Uv’ 電圧検出手段
Su 共振電圧信号
τx 制御周期
τz 制御周期
WO 出力電力
VO 出力電圧
IO 出力電流
R、S、T ノード
Ur 整流部
C10、C11 平滑コンデンサ
T10 昇圧トランス
L1 インダクタ
Q10、Q11 スイッチング素子
Us’ 同調制御部
Gq10 駆動回路
f0 共振周波数
Δf 周波数領域区間
Q 共振の鋭さ
Gq20 駆動部
Q20、21、22、23 スイッチング素子
T1 周期
T2 オン時間
Ug 周期駆動回路
Q1、Q2 スイッチング素子
VI 入力電圧
Q20 主スイッチング素子
L20 インダクタ
C21 平滑コンデンサ
D20 ダイオード
Sv 出力電圧信号
Si 出力電流信号
R22 電流検出抵抗
A20 増幅器
Sw 電力設定信号
MPU マイクロコンピュータ
GQ20 ドライブ回路
Imax 最大制限電流値
WC 定電力範囲
W0 定電力領域のライン
ΔW 電力変調可変領域区
W1 電力ライン
A40、A41 コンパレータ
Exclusive−OR 排他的論理和
R45、C40 CR回路
C40 コンデンサ
Vsd 電圧
D50、D51、D52、D53 ダイオード
R50、C50 CR回路
C50 コンデンサ
Vse 電圧
Fmax 上限周波数
Fmin 下限周波数
t1 時点
t2 時点
t3 時点
Δf 周波数帯域
CND1 制御開始条件
B1〜B15 ブロック
B20〜B25 ブロック
k 設定値
m 設定値
OLD_AD 前回の値
NOW_AD 最新の値
F_ALLOW 増減方向決定フラグ
Exclusive−OR 反転
TIMER タイマ
Lt 所望の時間
COUNTER1 カウンター1
N 設定値
COUNTER2 カウンター2
M 設定値
tA 時点
tB 時点
tC 時点
PS 放電セル放電回路
ES 装置制御システム
Od オゾン検知器
Ods 入力信号
PSd 出力信号
Up オゾン濃度制御回路
O2 酸素
O3 オゾン
WO 電力投入ポイント
Ub バッファ
t11 時点
t12 時点
t13 時点
t14 時点
ΔPSd 電力帯域
max‘ 上限
b1〜b6 ブロック
K1 式
K2/S 式
K3*3 式
1/(S2+3S+1) 式
Claims (11)
- 対となる放電板の間に誘電体を設置してなる放電セル(Ds)を放電させる放電セル放電回路であって、
直流電力を供給する電力供給部(Uw)と、
前記電力供給部(Uw)から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ(Uj)と、
前記インバータ(Uj)で変換された交流電力を昇圧するトランス(Tr)と、
前記トランス(Tr)の2次側に前記放電セル(Ds)と共振インダクタ(Lm)とを接続した閉ループを構成することで共振インダクタ(Lm)と前記放電セル(Ds)の寄生容量(Cm)とによって構成される共振部と、を具備し、
さらに、前記共振部の共振周波数と前記インバータ(Uj)の駆動周波数とを同調させるようにインバータ(Uj)の駆動周波数を制御する同調制御部(Us)と、
前記電力供給部(Uw)の出力電力を調整可変して規定の出力電力になるように制御する電力制御回路(Uwc)と、を具備し、
前記同調制御部(Us)によるインバータ(Uj)の駆動周波数の制御と、前記電力制御回路(Uwc)による電力制御との2つの制御系によって放電を継続させることを特徴とする放電セル放電回路。 - 前記同調制御部(Us)は、前記共振部に流れる電流位相検出手段(Ui)と、前記共振部の電圧位相検出手段(Uv)とに接続され、前記電流位相検出手段(Ui)で得た電流位相信号(Sfi)と前記電圧位相検出手段(Uv)で得た電圧位相信号(Sfv)とを比較して共振位相差信号(Sfr)を得る比較部(Uf)と、
前記位相差信号(Sfr)を受けて前記インバータ(Uj)の駆動周波数を前記共振部の共振周波数に同調させるように周波数制御信号(Sfg)の値を決定してインバータ(Uj)にフィードバック制御する演算比較手段(Uz)とを有することを特徴とする請求項1に記載の放電セル放電回路。 - 前記同調制御部(Us)による同調動作は、前記周波数制御信号(Sfg)を、上限周波数から開始して下限周波数に向かって掃引動作を行い、前記共振位相差信号(Sfr)レベルが最良の共振状態を得た状態での前記周波数制御信号(Sfg)を記憶すると共に、その後、前記共振部の共振周波数に対応する前記周波数制御信号(Sfg)近傍の、前記上限周波数から下限周波数に対応する範囲よりも狭い範囲において掃引動作を行うことで、常時、前記共振部をその共振周波数近傍で動作させることを特徴とする請求項2に記載の放電セル放電回路。
- 前記同調制御部(Us)は、前記共振インダクタ(Lm)に印加される電圧を検出する電圧検出手段(Uv’)に接続され、前記電圧検出手段(Uv’)から得られる共振電圧信号(Su)を受けて前記インバータ(Uj)の駆動周波数を前記共振部の共振周波数に同調させるように周波数制御信号(Sfg)の値を決定してインバータ(Uj)にフィードバック制御する演算比較手段(Uz)とを有することを特徴とする請求項1に記載の放電セル放電回路。
- 前記同調制御部(Us)による同調動作は、前記周波数制御信号(Sfg)を、上限周波数から開始して下限周波数に向かって掃引動作を行い、前記共振電圧信号(Su)レベルが最良の共振状態を得た状態での前記周波数制御信号(Sfg)を記憶すると共に、その後、前記共振部の共振周波数に対応する前記共振電圧信号(Su)近傍の、前記上限周波数から下限周波数に対応する範囲よりも狭い範囲において掃引動作を行うことで、常時、前記共振部を共振周波数近傍で動作させることを特徴とする請求項4に記載の放電セル放電回路。
- 規定の電力を供給するための前記電力供給部(Uw)を制御する前記電力制御回路(Uwc)の制御周期(τx)と、前記周波数制御信号(Sfg)の値を決定して前記インバータ(Uj)の駆動周波数をフィードバック制御するように動作する前記演算比較手段(Uz)の制御周期(τz)とが、n:m(n≠m)の関係により時間的頻度差をもって制御されることを特徴とする請求項2乃至5の内の何れかに記載の放電セル放電回路。
- 前記電力供給部(Uw)をフィードバック制御するように動作する前記電力制御回路(Uwc)と、前記インバータ(Uj)の駆動周波数をフィードバック制御するように動作する前記演算比較手段(Uz)とを、一つのマイクロコンピュータで構成したことを特徴とする請求項2乃至6の内の何れかに記載の放電セル放電回路。
- 放電を開始する始動初期において前記同調制御部(Us)は前記インバータ(Uj)の駆動周波数を上限周波数から下限周波数に向けて掃引動作を行うとともに、前記電力制御回路(Uwc)は前記電力供給部(Uw)の出力電力(WO)、または、前記電力供給部(Uw)の出力電圧(VO)、または、前記電力供給部(Uw)の出力電流(IO)を低く設定して徐々に定格に移行していくことを特徴とする請求項1乃至7の内の何れかに記載の放電セル放電回路。
- 放電を開始する始動初期以前において前記同調制御部(Us)は前記インバータ(Uj)の駆動周波数を上限周波数から下限周波数に向けて掃引動作を行い、前記インバータ(Uj)の駆動周波数を予め共振周波数近傍の値を検出し、この値を記憶し設定した後、放電開始を行い、さらに共振周波数への精度を高めることを持続することを特徴とする請求項1乃至7の内の何れかに記載の放電セル放電回路。
- 請求項1に記載の放電セル放電回路(PS)を外部から制御する放電セル放電回路制御システム(ES)であって、
前記放電セル放電回路制御システム(ES)は、オゾン濃度を検出するオゾン検知器(Od)から入力信号(Ods)を入力するとともに、前記放電セル放電回路(PS)の電力供給部(Uw)の出力電力を外部から制御する出力信号(PSd)を前記電力制御回路(Uwc)に出力することでオゾン濃度を制御するオゾン濃度制御回路(Up)を具備することを特徴とする放電セル放電回路制御システム。 - 前記オゾン濃度制御回路(Up)は、前記入力信号(Ods)によって得られたオゾン濃度が所望のオゾン濃度に達しない場合は前記出力信号(Psd)を増加し、
前記入力信号(Ods)によって得られたオゾン濃度が所望のオゾン濃度より過剰な場合は前記出力信号(PSd)を減少させるようにフィードバック制御し、
さらに前記出力信号(PSd)を増加しているにも関わらず前記入力信号(Osd)が減少に転じた際は操作変化量の符号を負とし、
逆に前記出力信号(PSd)を減少しているにも関わらず前記入力信号(Osd)が減少に転じた際は操作変化量の符号を正とするフィードバック制御を行う制御系を具備していることを特徴とする請求項10に記載の放電セル放電回路制御システム。
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