NO751082L - - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrorer koronageneratorer og nærmere bestemt en forbedret kraftforsyningskrets og tilknyttet koronagenerator som opererer med hoy frekvens og virkningsgrad.

Det er generelt kjent at kapasiteten for en koronagenerator er

avhengig delvis av frekvensen for kraftforsyningene over dens --plater. Tradisjonelt tilfores hoyspenningseffekt til en koronagenerator ved frekvensen for primærkilden, dvs. linjefrekvensen. For å oke frekvensen for effekten som påtrykkes koronageneratorer er det blitt foreslått at mekanisk drevne (motorgenerator) frekvensomformere skal anvendes. Det er også blitt foreslått at elektroniske kretser som innbefatter elektronror eller faststoff -anordninger også kan anvendes for å oke frekvensen.

t Generelt har man funnet at motorgenerator-frekvensomformere

er kostbare og ikke spesielt holdbare. Videre er kjente fre-kvensomf ormere som anvender elektronror eller faststoffkretser, ofte begrenset med hensyn til virkningsgrad.

Det er et formål ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en forbedret hoyfrekvens-kraftforsyningskrets som er spesielt hensiktsmessig for operasjon med koronageneratorer.

Ifolge den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt et hoyfrekvens-kraftforsyningssystem som omfatter en DC-kraftkilde som er koblet i serie med en lavspenningsvikling på en transformator, et flertall siliciumstyrte likerettere (SCR)

som er koblet i serie med hverandre og i serie med nevnte DC-kraftkilde og nevnte lavspenningsvikling, en kilde for triggerspenningspulser koblet til portene på nevnte siliciumstyrte likerettere, og midler for å koble en elektrisk last i serie

med hdyspenningsviklingen på nevnte transformator.

Nærmere bestemt tilveiebringer oppfinnelsen også et koronageneratorsystem som omfatter en DC-kraftkilde koblet i serie med en lavspenningsvikling i en transformator, et flertall siliciumstyrte likerettere koblet i serie med hverandre og i serie med nevnte DC-kraftkilde og nevnte lavspenningsvikling, -en kilde for triggerspenningspulser koblet til portene på nevnte siliciumstyrte likerettere, og en koronagenerator som har motstående elektroder koblet i serie med hoyspennings-viklingene i nevnte transformator.

For at den foreliggende oppfinnelse lettere skal kunne forstås, er denne beskrevet i den etterfolgende beskrivelse, dog kun i eksempels form, og med henvisning til vedlagte tegninger, hvor

fig. 1 er et kretsdiagram som viser den hoyspente og høyfrekvente kraftforsyningskretsen til en koronagenerator,

fig. 2, 3 og 4 viser forskjellige utforelser av koronageneratorer, (med deler brutt bort) som kan anvendes i forbindelse med kraftforsyningskretsen i fig. 1,

fig. 5 er en grafisk fremstilling av data som oppnås fra en krets ved å anvende en enkelt siliciumstyrt likeretter med spenningen plottet på den vertikale aksen og tiden langs den horisontale aksen,

fig. 6 er et ytterligere diagram som er plottet på samme måte som i fig. 5, men som viser i tillegg,som en prikket linje, sammenlikningsdata som oppnås fra kretsen ifolge den foreliggende oppfinnelse, og

fig. 7 og 8 viser foretrukkede sendingsulikgjorende nettverk som kan anvendes i kretsen i fig. 1.

Kretsen som er vist generelt ved den brutte linjen 10 i fig. 1, er en konvensjonell,utjevnet halvbolgelikeretterkrets for til-forsel av pulset DC og innbefatter en likeretterdiode 11 som er jsammenkoblet med kondensatoren 12 og en kilde 13 for 60 Hz i -1 220 V AC. Selv om tegningen viser anvendelsen av en enkelt halvbolgelikeretterkrets som er hensiktsmessig for operasjon j med enkeltfasestrom, er det tatt i betraktning at trefase-brotype-likeretterkretser vil være spesielt hensiktsmessige for kommersiell anvendelse av oppfinnelsen, og at helbolge-likeretting kan anvendes hvis onskelig i stedet for halvbolge. --En konvensjonell pulsgeneratorkrets, hvilken er angitt innenfor den brutte linjen 20, innbefatter en transformator 21 og en unijunction-transistor 22. En vikling av transformatoren 21 er koblet i serie med en kilde 23 for 60 Hz 210 V AC, mens den andre viklingen er koblet til dioden 24, og til en felles leder for flere andre kretskomponenter som innbefatter en side av kondensatorene 25 og 26. Pulsgeneratorkretsen 20 innbefatter også en variabel motstand 27 og en fast motstand 28, som også er koblet til unijunction-transistoren 22. En leder fra unijunction-transistoren 22 er sammenkoblet med de faste motstandene 29 og 30. Man vil forstå at en stor variasjon av kommersielt tilgjengelige pulsgeneratorer vil være hensiktsmessige for anvendelse i den foreliggende oppfinnelse. Fig. 1 innbefatter også en faststoff-invertererkrets som generelt er angitt ved den brutte linjen 30, og som innbefatter to siliciumstyrte likerettere (SCR)31 og 32 som er koblet i serie. SCR 31 har en portleder 35,og SCR 32 har en portleder 36. Også innbefattet i invertererkretsen er en transformator 37 som har to sekundærviklinger som er sammenkoblet med portene 35 og 36 i de seriekoblede likeretterne 31 og 32.

Invertererkretsen 30 innbefatter videre en hoyspenningstrans-formator 38 og en koronagenerator 40. Koronageneratoren 40

er skjematisk vist og innbefatter en ovre elektrode 41 og en nedre elektrode 42 med et dielektrisk lag 43 på den ovre elektroden 41 og et dielektrisk lag 44 på den nedre elektroden 42. Et koronagap 45 fremkommer mellom elektrodene 41 og 42.

Koronageneratoren 40 er i det viste eksempel koblet til hoyspenningsviklingen for transformatoren 38 ved hjelp av lederne 46 og 47.

I -I

Fig. 2, 3 og 4 i tegningen viser i storre detalj modifikasjoner !ay typiske utforelser av koronageneratorer som kan anvendes i ' kretsen i fig. 1.

Koronageneratoren 40, som er vist i fig. 1, kan være som vist

i fig, 2, hvor et reaksjonskammer 50 er utstyrt med et gass-foringsinnlop 51 og et gassforingsutlop 52. Inne i kammeret 50 befinner det seg en ovre elektrode 53 og en nedre elektrode

54 således at det derimellom fremkommer et koronagap 59, og

hvor nevnte elektroder respektivt er forsynt med porselens-dielektriske lag 55 og 56. Elektrodene 53 og 53 er koblet til lederne 57 og 58, hvilke i sin tur er koblet til en kilde for hoyspent hoyfrekvenspotensial, slik som frembringes i kretsen i fig. 1.

Fig. 3 viser en alternativ koronageneratorkonstruksjon hvor elektrodene 60 og 61 er separert ved hjelp av en enkelt glass-dielektrisk plate 62 som bevirker to koronagap 63 og 64. Fig. 4 viser enda en hensiktsmessig koronagenerator-utforming for anvendelse i den foreliggende oppfinnelse, hvor elektrode-platene 70 og 71 er separert ved hjelp av en enkelt dielektrisk plate 72, i dette tilfellet av porselen, som er festet til den overste elektrodeplaten 70 for å gi et enkelt koronagap 73 mellom den nedre elektrodeplaten 71 og den dielektriske platen 72. Selv om fig. 2, 3 og 4 viser typisk platetype-koronageneratorer, vil man forstå at andre vel kjente koronagenerator-utf ormninger, slik som rortypegeneratoren, kan anvendes. Man vil forstå, ved operasjonen av kretsen som er vist i fig. 1, at likeretter/kondensatorkombinasjonen i krafttilforselskretsen 10 tilforer et stabilt DC-potensial ved en typisk verdi på 311V { T2 X 220 V), til invertererkretsen 30 ved hjelp av lavspennings-viklingene i hoyspenningstransformatoren 38, som er koblet i serie med krafttilforselskretsen 10 gjennom de to seriekoblede likeretterne 31 og 32. Pulsgeneratorkretsen 20 er justert til å frembringe den onskede pulsrepetisjonsfrekvensen for trigger-pulser, hvilken strekker seg fra ca. 1/3 til 20 000 Hz, gjennom pulstransformatoren 37 hvis utmatning fremkommer i de to sekun-dærviklingene ved portene 35 og 36 på likeretterne 31 og 32. Triggerpulsene fra pulskretsene 20 bevirker likeretteren 31 og |32 til å lede (tenne) for å slippe gjennom en strom gjennom en side (dvs. lavspenningsviklingen) i hoyspenningstransformatoren 38. Ved hoyspenningsviklingen i transformatoren 38 vil det være til stede en hoyspenningseffektpuls med storrelse på ca. 2,0 KV til 20,0 KV, som så fremkommer mellom platene 41 og 42 av koronageneratoren 40 for å skape en korona innenfor koronagapet 45. —En gass som befinner seg innenfor gapet 45, vil bli utsatt for denne hoyspenningskorona. I tilfellet hvor gassen er eller innbefatter oksygen, vil oson bli produsert. Så snart likeretterne 31 og 32 er i ledetilstand, må de svitsjes til en ikke-ledende tilstand for å frembringe de hoyfrekvente strømpulsene gjennom hoyspenningstransformatoren 38. I den foreliggende krets med likeretterne 31 og 32 koblet i serie, "er svitsjingen til en ikke-ledende tilstand som folger: Når den ovenfor beskrevne effektpuls påtrykkes koronageneratoren 40, inntreffer den fSigende sekvens: a) Hoyspenningspulsen frembringer en elektrisk utladning i det oyeblikk spenningen overstiger gasstenningspotensialet over gapet 45. Elektronene som frembringes, tiltrekkes mot den av elektrodene 41 og 44 som er den positive elektroden. Denne elektronstrom danner strbmmen som gir opphav til koronaeffekt-tapet ved den spesielle spenningen. Elektronene kan ikke pas-sere den dielektriske barrieren, og således akkumulerer de seg på dielektrikumet som i en kondensator. Således vil: b) strommen i sekundærsiden av transformatoren 38 opphore, og ytterligere koronavirkning stopper inntil den neste effektpulsen

påtrykkes. Imidlertid induserer den plutselige stromstans:

c) en motspenningspuls i sekundærsiden på transformatoren 38 ifolge Lenz's lov. Denne motspenningspuls transformeres til

primæren, og således tilforer motspenningen som kreves for:

d) å slå av (kommutere) likeretterne 31 og 32. Hvis portfor-bindelsene 35 og 36 på likeretterne 31 og 32 nå er de-energisert,

vil det bli en forsinkelse inntil den neste triggerpuls, og under denne forsinkelse vil spenningen over likeretterne 31 og 32 byg-ges opp.

Fordelen ved å anvende to serielikerettere som vist i fig. 1,i. - J er at den foreliggende oppfinnelse utnytter evnene til enhver jenkelt SCR når hoye gjennomsnittsef f ekter trengs. Hoye i denne j sammenheng betyr ca. 40 000 W , i gjennomsnitt korresponderende med litt over 135 kg oson pr. dag. De begrensende SCR-parametre er "avslått" tid og frekvens ved de toppstrommer som kreves.

Fig. 5 viser det typiske SCR-spenningsprogram for en krets i

- hvilken en enkelt SCR anvendes. Den forste tenning skjer ved T^, hvor SCR-spenningen således faller (svitsjer) fra Vmaks til en meget lavere verdi Vmin ettersom SCR tenner, og likeretteren SCR leder så fra T til T (typisk 100 mikro sekunder) . Ved T£fremkommer den motsatte (kommuterings) puls, som et resultat av ladningsoppbygning i generatoren 40. Ved T 3 skjer en utkobling ettersom spenningen går negativ , ved er motpulsens

nettoeffekt lik null, og SCR-spenningen kryper tilbake til Vmaks klar for den neste tenningen.

De best tilgjengelige SCR-likerettere krever å bli utsatt for en mot- eller nullspenning i i det minste IO - 15 mikrosekunder ved de hoyeste effektnivåer, av interesse. Dette betyr at intervallet til T. må være i det minste 10-15 mikrosekunder. Hvis f.eks. spenningen går positiv (ved T^) innenfor en forsinkelse etter T-, for mindre enn den onskede forsinkelse (10 - 15 mikrosekunder), så vil SCR-likeretteren ikke være blitt utkoblet fullstendig, og vil oyeblikkelig enten odelegge seg selv eller sprenge de beskyttende sikringer som er til stede.

Fig. 6 viser hvorledes man ved å redusere topp-påtrykt SCR-spenning, ved å anvende seriekoblede SCR-likerettere ifolge den foreliggende oppfinnelse, kan utvide tidsintervallet under hvilket SCR-likeretterne forblir utkoblet. I kretsen i fig. 1 okes varigheten av den aktuelle motspenning med inkrementet som vist ved T4- T4, i fig. 6. Således, hvis to SCR-likerettere er elektrisk i serie, og hvis de er perfekt tilpasset hverandre, okes utkoblingstiden med så meget som 30% til 50%. Hvis SCR-likeretterne har ubalansert fremspenning/ladnings-karakteristikk, dvs. hvis de to (eller fler) SCR-likeretterne er ulike med hensyn til fremspenningsfall-karakteristikkene, kan en SCR forbli utkoblet så meget som 100 - 200% lenger enn |

I -J

den ville være hvis den ble anvendt alene, mens den andre kun^erfarer en relativt liten forbedring. Ettersom imidlertid SCR-likeretterne er i serie, må de begge "låse opp" (dvs. forbli ledende) for skade vil inntreffe, således at 100 - 200%-forbedringen på den ene SCR vil representere en total forbedring av samme størrelsesorden, ettersom den ene SCR kan "låse opp" ofte mens den andre aldri gjor det.

Denne ubalanse er helt motsatt av den normale anvendelse av seriekoblede SCR-1ikerettere. Normalt er SCR-likerettere,

som enhver annen form for likeretter, begrenset i motspennings-evne, f.eks. inntil 1000 V. Hvis 3000 V-operasjon kreves,

vil tre serie-enheter klare arbeidet hvis de er perfekt tilpasset hverandre. Hvis ikke vil den svakeste (la oss si

900 V) bryte sammen, hvilket gjor at de resterende folger like-som en linje av veltende dominoer eller spill-kort.

I essens tillater den ovenfor angitte, foretrukne,ubalanserte serie-SCR-anordning hurtigere operasjon (kortere tidsintervall T- - T. under utkoblingsaksjonen) enn med en enkelt SCR eller endog med et balansert par av SCR-1ikerettere, hvilket i seg selv vil by på betydelige tekniske fremskritt overfor anvendelsen av en enkelt SCR. Det er klart at ytterligere forbedring kan oppnås med tre eller flere SCR-1ikerettere i serie.

Den ubalanserte fremspennings-ladningskarakteristikken for de flertallige SCR-likeretterne kan være en naturlig elektrisk karakteristikk for SCR-likeretterne som fremstilles ved pro-duksjonsteknikker. Ubalansen kan også frembringes ved å plas-sere ubalanserte,shunt-forbundne impedanselementer med SCR-likeretterne. En slik anordning er vist i fig. 7, som viser seriekoblede SCR-1ikerettere 31 og 32 i fig. 1, til hvilke det er blitt tilfoyet ulik-gjorende nettverk-shuntimpedanser i form av motstander 80 og 81. Motstandene 80 og 81 har fortrinnsvis en verdiforskjell på minst + 10%. Hvis derfor motstanden 80 har en verdi på 5 ohm, vil motstanden 81 ha en verdi på omkring enten 4,5 eller 5,5 ohm.

jl fig. 8 er et mer foretrukket ulik-gjorende nettverk vist, i

hvilket shunt-impedansen innbefatter reaktive komponenter, iJdette tilfellet kondensatorer 87 og 88 sammen med de ulike j motstandene 80 og 81, som ble anvendt alene i fig. 7. Kondensatorene 87 og 88 tjener til å beskytte SCR-likeretterne 31 og 32 fra uonskede hoyspenningstransienter, og folgelig tjener den vel kjente "korrigerings"-(snubber) funksjon. Verdien av

kondensatorene 85 og 86 kan være av størrelsesorden 0,2 mikro---farad ± 10%.

Kretsen som er vist i fig. 1, er konstruert av konvensjonelle komponenter hvilke er lett tilgjengelige fra kommersielle kil-der. I en foretrukket utfdreise av den foreliggende oppfinnelse kan de forskjellige kretskomponenter som er gitt i fig. 1, falle innenfor definisjonen som er angitt i tabellene nedenfor. Som vist i fig. 1, innbefatter den foreliggende krets en koronagenerator som er generelt vist å være av den-motstående-flate-typen. Forskjellige konstruksjoner av koronageneratorer er beskrevet i US-patent nr. 3,798,457. Som vist i dette patent, inneholder koronageneratorer elektrodeflater som er fortrinnsvis belagt med porselenemalje-dielektrikum som har en tykkelse av størrelsesorden fra ca. 0,10 til 0,5 mm. Koronagapet som befinner seg mellom de motstående platene, er fortrinnsvis av storrelsesorden 0,35 til 2,0 mm. Disse koronageneratorer opererer fortrinnsvis ved hoyspenninger av storrelsesorden 2,0 til 30,0 KV ved en frekvens som strekker seg fra ca. 1/3 til 20 000 Hz.

Ved en foretrukket operasjon for en koronagenerator omformes oksygen, eller et oksygen inneholdende en gass slik som luft, eller oksygenanriket luft, til oson. Man har. funnet at kapasiteten for en gitt koronagenerator til å frembringe oson fra oksygen til en viss grad er avhengig av frekvensen av den på-trykte effekt over elektrodeplåtene av koronageneratoren. I henhold til den praksis som anvendes ved den foreliggende oppfinnelse kan frekvensen som frembringes av kraftforsyningskretsen i fig. 1, strekke seg fra ca. 2000 til 3000 Hz. Man vil forstå at, sammenliknet med tidligere kjente kraftforsy-ninger, som normalt frembringer en frekvens av storrelsesorden

I 1

50 Hz til 60 Hz, vil krafttilforselen ifolge den foreliggende pppfinnelse derfor være i stand til å frembringe et overlegent j resultat i form av forokning av kapasiteten og virkningsgraden for en koronagenerator.

For å illustrere spesielt operasjonen av anordningen, er det etterfolgende eksempel gitt.

Eksempel

Kraftforsyningskretsen som er vist generelt i fig. l,er koblet til lederne av en koronagenerator av den type som er vist i fig. 2,

og pulsgeneratoren 20 i fig. 1 er justert til å operere ved en frekvens på 2000 Hz. Arealet av hver elektrodeplate er 322 cm 2, elektrodegapet er 1,1 mm, og tykkelsen av porselensdielektrikum-belegget på platene er av storrelsesorden 0,2 mm.

Som en kontrollprove ble koronageneratoren senere koblet til

en konvensjonell kilde med 60 Hz pulset potensial. Det ble funnet at, i det forste tilfellet, ved å anvende en 2000 Hz frekvens, var anordningen i stand til å frembringe 4500 gram pr. time av oson ved å anvende en oksygenmatning på 400 000

gram pr. time. Når det imidlertid ble anvendt 60 Hz kraftforsyning, var generatoren i stand til å produsere 135 gram oson pr. time ved anvendelse av den samme oksygenmatning.

Selv om beskrivelsen ovenfor og det spesielle eksempel omhand-

ler anvendelsen av den nærværende, hdyspente og hoyfrekvente kraftforsyning i forbindelse med en koronagenerator, kan den foreliggende krets anvendes for å tilveiebringe kraft til andre anordninger som har tilsvarende lastkarakteristikker.

Således kan i fig. 1 koronageneratoren 40 erstattes av en plasmagenererende eller en lasereffektgivende anordning.

Claims (12)

1. Hoyfrekvent og hoyspent,genererende system for å drive en last slik som et koronageneratorsystem, omfattende en kilde for pulset DC-effekt koblet i serie med en lavspenningsvikling på en transformator, hvor hoyspenningsviklingen på transformatoren

er koblet til lasten, karakterisert ved at jkilden for pulset DC-effekt innbefatter en kilde (10) for DC- i effekt, et flertall SCR-siliciumstyrte likerettere (31, 32) som er koblet i serie med hverandre og i serie med både nevnte DC-kraftkilde (10) og nevnte lavspenningsvikling på transformatoren (38), og en kilde (20) for triggerspenningspulser som er koblet (ved 35 og 36) til portene i nevnte likerettere (31 og 32).

2. Genereringssystem som angitt i krav 1, karakterisert ved at de seriekoblede likeretterne (31 og 32) har avvikende fremspenningsfall-karakteristikker.

3. Genereringssystem som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte seriekoblede likerettere (31 og 32) er forsynt med shunt-koblede impedanser av ulik verdi.

4. Genereringssystem som angitt i krav 3, karakterisert ved at nevnte shunt-koblede impedanser innbefatter reaktive komponenter i serie teoretisk.

5. Genereringssystem som angitt i ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at det kun er to SCR-1ikerettere (31 og 32) koblet i serie.

6. Genereringssystem som angitt i ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at lasten (40) har både resistive og kapasitive komponenter.

7. Genereringssystem som angitt i krav 6, karakterisert ved at lasten er en koronagenerator (40).

8. Genereringssystem som angitt i ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at i det minste en av elektrodene (53, 54, 70) i koronageneratoren (40) er belagt med et porselensdielektrikum (55, 56 eller 72).

9. Genereringssystem som angitt i ethvert av kravene 1-7, karakterisert ved at koronageneratoren omfatter elektroder (60 og 61) som er atskilt av et glassdielektri-kum (62).

10. Genereringssystem som angitt i krav 9, ka rakte ri-js e r t ved at glassdielektrikumet er et glassror. j

11. Genereringssystem som angitt i krav 7, karakterisert ved at nevnte last er en plasmagenerator.

12. Genereringssystem som angitt i krav 7, karakter i- •--s ert ved at nevnte last er en lasereffektgivende anordning.