DE4217621C1 - Vorrichtung zur Ozonerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ozonerzeugung mit einem netzgespeisten Gleichrichter, einem Zwischenkreis, der einen transistorisierten Einphasen-Wechselrichter speist, welcher eine Spannung variabler Frequenz und variabler Amplitude über einen Hochspannungstransformator einem angeschlossenen Ozonerzeuger bereitstellt, der zwischen seinen Elektroden mindestens ein festes Dielektrikum und eine Gasstrecke aufweist, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Ozonerzeugers.

Eine solche Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon ist aus der EP 0 205 911 B1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung liefert der Umrichter einen frequenzvariablen Rechteckstrom, dessen Amplitude ebenfalls variabel ist. Hierdurch läßt sich eine Vorrichtung zur Ozonerzeugung so ausbilden, daß sich ein Betrieb in einem breiten Leistungsdichtespektrum ermöglichen läßt. Hierzu ist es erforderlich, daß dem Ozonerzeuger eine Kompensationsdrossel parallel geschaltet ist, um die kapazitive Belastung der Stromversorgung auszugleichen. Bei dieser Vorrichtung ist die am Ozonerzeuger anliegende Spannung näherungsweise sinusförmig. Obwohl die bekannte Vorrichtung einen vergleichsweise hohen elektrischen Wirkungsgrad aufweist, ist der Betrieb von Ozonerzeugern mit sinusförmiger Spannung nicht optimal. Für die Erzeugung von Ozon ist es nämlich wünschenswert, möglichst kurzfristig die Ionisierungsspannung zu erreichen, bei der die Ozonbildung einsetzt. Andererseits ist es aber nicht angezeigt, den Wert der Ionisierungsspannung maßgeblich zu überschreiten, da oberhalb einer optimalen Temperatur für die Ozonerzeugung die Ozonmenge reduziert wird.

Aus der US 49 34 822 ist ein transistorisierter Wechselrichter bekannt, der einen kapazitiven Zwischenkreis aufweist und von einer PWM-Steuerung angesteuert wird, die als Teil eines Regelkreises wiederum von der an der Last anliegenden Spannung beeinflußt wird.

Aus der DE 31 08 563 C2 ist ein Ozonerzeuger bekannt, wobei die gewünschte Ozonproduktion durch den zeitlichen Verlauf der anliegenden Spannung beeinflußbar ist.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß der zeitliche Verlauf der am Ozonerzeuger anliegenden Spannung geeignet an die die Ozonerzeugung bestimmenden Prozeßgrößen, d. h. Ozonmenge und Ozonkonzentration anpaßbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Zwischenkreis kapazitiv ist und daß die Transistoren des Wechselrichters von einer Pulsweitenmodulations- Steuereinheit angesteuert werden, die Teil eines ersten Regelkreises für den Effektivwert der Spannung am Ozonerzeuger ist, dessen Eingangssignal von einem Spannungsdetektor für die am Ozonerzeuger anliegende Spannung gebildet ist, wobei die Pulsweitenmodulation mittels einer Formschaltung derart modifizierbar ist, daß ein vorbestimmbarer zeitlicher Verlauf der am Ozonerzeuger anliegenden Spannung vorgebbar ist.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß einerseits der Effektivwert der am Ozonerzeuger anliegenden Spannung über die Pulsweitenmodulation der Transistoren des Wechselrichters regelbar ist und daß zusätzlich der zeitliche Verlauf der am Ozonerzeuger anliegenden Spannung über die Formschaltung an die gewünschten Prozeßbedingungen anpaßbar ist. Bei gleichem Effektivwert gibt es somit Spannungskurvenformen, bei denen eine besonders hohe Ozonkonzentration (bei kleinerer Menge) oder eine besonders große Ozonmenge (bei geringerer Konzentration) erzeugt werden kann.

Die Formschaltung kann einerseits zur Vorgabe eines festen Spannungsverlaufs, beispielsweise eines dreieckförmigen, rechteckförmigen oder sinusförmigen Spannungsverlaufs dienen. Hierbei kann es sich vorzugsweise um eine vorprogrammierte Spannungskurvenform handeln, die auf experimentellem Wege anhand eines Idealprozesses ermittelt wurde. In diesem Falle arbeitet die Formschaltung als Steuerung.

Es ist aber in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch vorgesehen, daß die Formschaltung Teil eines rückgekoppelten Regelkreises ist, welcher als zweiter Regelkreis dem ersten Regelkreis für den Effektivwert der am Ozonerzeuger anliegenden Spannung nebengeordnet ist. Als Regelgröße für diesen zweiten Regelkreis kommen in Frage die Ozonmenge oder die Ozonkonzentration am Ausgang des Ozonerzeugers, welche mittels üblicher meßtechnischer Hilfsmittel erfaßt werden. Vorzugsweise ist der zweite Regelkreis in zwei parallele Teilregelkreise aufgespalten, von denen der eine die Ozonmenge und der andere die Ozonkonzentration als Regelgröße hat. Hierdurch ergibt sich eine exakte Prozeßführung, da die Regelkreise kurzfristig auf Schwankungen der Regelgrößen reagieren können und diese ausgleichen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß der Formschaltung ein Umschalter vorgeordnet ist, mittels dem der Eingang der Formschaltung alternativ mit dem Funktionsgenerator oder mit dem zweiten Regelkreis bzw. den den zweiten Regelkreis bildenden Teilregelkreisen verbindbar ist. Hierdurch erhöht sich die Flexibilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung, da je nach Prozeßerfordernissen die Anlage als Steuerung oder als Regelung arbeiten kann. Für den Fall, daß die Ozongeneratorspannung nicht als Stellgröße benötigt wird, sondern ein bestimmtes Verhältnis von Konzentration und Menge gewünscht wird, ist es nicht erforderlich, einen kompletten Regelkreis vorzusehen, so daß die Steuerung über eine fest vorprogrammierte Spannungskurvenform erfolgen kann.

Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung mit den erfindungsgemäßen Merkmalen vor, wobei das zeitliche Profil der Spannung am Ozonerzeuger mittels einer Formschaltung in Abhängigkeit von der gewünschten Ozonmenge oder Ozonkonzentration vorgebbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Der von einem Dreiphasennetz gespeiste Brückengleichrichter 1 arbeitet auf einem kapazitiven Zwischenkreis, an den ein Wechselrichter 3 angeschlossen ist, der als Einphasen-Wechselrichter arbeitet. Hierzu weist der Wechselrichter 3 vier Transistoren auf, die jeweils einen Brückenpfad des Wechselrichters bilden und an dessen Diagonalpfad ein Hochspannungstransformator 4 angeschlossen ist. Der Anschluß erfolgt über eine Filterschaltung mit den Bauelementen L, C, deren Grenzfrequenz so eingestellt ist, daß die Grundwelle der Ausgangsspannung des Wechselrichters 3 übertragen wird, nicht jedoch die durch die noch zu beschreibende Pulsweitenmodulation erzeugten Oberwellen. Hierdurch wird eine unerwünschte Erwärmung des Hochspannungstransformators 4 vermieden und eine bessere Abbildung der Pulsmuster am Ozonerzeuger 5 erreicht.

Der Hochspannungstransformator 4 ist mit einem Ozonerzeuger 5 verbunden, der als gemischt ohmsch 7 - kapazitive 6 Last elektrisch dargestellt ist. Am Ausgang des Ozonerzeugers 5 sind Sensoren 8a, 8b angeordnet, die die erzeugte Ozonmenge 8a bzw. die erzeugte Ozonkonzentration 8b erfassen. Jeder der Sensoren 8a, 8b ist mit einem Regelkreis 9a, 9b verbunden, denen jeweils ein einstellbarer Sollwert 10a, 10b für die Ozonmenge bzw. Ozonkonzentration vorgebbar ist. Beide Regelkreise 9a, 9b sind zueinander parallel geschaltet und über einen Umschalter 10 mit einer Formschaltung 12 verbindbar.

Alternativ zu den parallel geschalteten Teilregelkreisen 9a, 9b ist über den Umschalter 10 ein Funktionsgenerator 11 auf den Eingang der Formschaltung 12 schaltbar.

Die Formschaltung 12 bildet eine weitere Eingangsgröße einer Pulsweitenmodulations-Steuereinheit 13, deren Ausgang auf die Basisanschlüsse der vier Transistoren des Wechselrichters 3 einwirkt.

Der erste Eingang der Pulsweitenmodulations- Steuereinrichtung 13 wird von einem Regelkreis gebildet, welcher als Eingangsgröße die am Ausgang des Hochspannungstransformators 4, d. h. am Eingang des Ozonerzeugers 5 anliegende Spannung mittels eines Spannungsdetektors 14 erfaßt. Für die am Eingang des Ozonerzeugers anliegende Spannung ist ein Sollwertgeber 15 vorgesehen.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wie folgt:

Der Effektivwert der am Ozonerzeuger 5 anliegenden Spannung kann über den ersten Regelkreis, d. h. über den Spannungsdetektor 14, den Sollwertgeber 15 und die Pulsweitenmodulations-Steuereinrichtung 13 innerhalb eines Bereiches von Null bis zum Nenneffektivwert eingestellt werden. Die vom Ozonerzeuger abgegebene Ozonmenge ist dabei direkt proportional zum Effektivwert der am Ozonerzeuger anliegenden Spannung.

Will man mit einem konstanten Verhältnis aus Ozonmenge und Ozonkonzentration arbeiten, so kann in der in der Zeichnung dargestellten Position des Umschalters 10 die Formschaltung 12 mit einem Funktionsgenerator 11 derart verbunden sein, daß ein festes zeitliches Spannungsprofil vorgebbar ist. Das Spannungsprofil ist dabei aus experimentellen Daten vorprogrammiert. Entsprechend der vom Funktionsgenerator 11 abgegebenen Kurvenform wirkt die Formschaltung 12 dabei so auf die Pulsweitenmodulations-Steuereinrichtung 13 ein, daß sich die gewünschte zeitliche Veränderung der am Ozonerzeuger 5 anliegenden Spannung ergibt.

Eine andere Betriebsweise der Vorrichtung ergibt sich, wenn der Umschalter 10 in der anderen (nicht dargestellten) Position ist, bei dem die Ausgänge der Teilregelkreise 9a, 9b mit dem Eingang der Formschaltung 12 verbunden sind. Hierbei ist nicht eine fest vorgegebene zeitliche Funktion als Führungsgröße für die Pulsweitenmodulations-Steuereinrichtung 13 vorgesehen, sondern eine solche, die je nach dem tatsächlichen Verlauf der Prozeßgrößen am Ausgang des Ozonerzeugers 5 variabel ist.

In Abhängigkeit von den tatsächlichen Prozeßbedingungen des Ozonerzeugers läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung somit so betreiben, daß auch beim Ausfall einer oder mehrerer Ozonerzeugungseinheiten innerhalb eines Ozonerzeugers sich gleichwohl stabile Betriebsbedingungen ergeben.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Ozonerzeugung mit einem netzgespeisten Gleichrichter (1), einem Zwischenkreis (2), der einen transistorisierten Einphasen-Wechselrichter (3) speist, welcher eine Spannung variabler Frequenz und variabler Amplitude über einen Hochspannungstransformator (4) einem angeschlossenen Ozonerzeuger (5) bereitstellt, der zwischen seinen Elektroden mindestens ein festes Dielektrikum und eine Gasstrecke aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkreis (2) kapazitiv ist und daß die Transistoren des Wechselrichters (3) von einer Pulsweitenmodulations- Steuereinheit (13) angesteuert werden, die Teil eines ersten Regelkreises für den Effektivwert der Spannung am Ozonerzeuger (5) ist, dessen Eingangssignal von einem Spannungsdetektor (14) für die am Ozonerzeuger anliegende Spannung gebildet ist, wobei die Pulsweitenmodulation mittels einer Formschaltung (12) derart modifizierbar ist, daß ein vorbestimmbarer zeitlicher Verlauf der am Ozonerzeuger (5) anliegenden Spannung vorgebbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschaltung (12) mit einer Funktionsgeneratoreinrichtung (11) verbindbar ist, in der fest abgespeicherte Profile für die Spannung am Ozonerzeuger abgelegt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschaltung (12) Teil eines zweiten Regelkreises (8a, b-10a, b) für die Spannung am Ozonerzeuger ist, wobei dem Regelkreis als Istwerte die Werte für die Ozonmenge und/oder die Ozonkonzentration am Ausgang des Ozonerzeugers zugeführt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regelkreis aus zwei parallelen Teilregelkreisen besteht, von denen der eine die Ozonmenge und der andere die Ozonkonzentration als Regelgrößen hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formschaltung (12) ein Umschalter (10) vorgeordnet ist, mittels dessen der Eingang der Formschaltung (12) alternativ mit dem Funktionsgenerator (11) oder mit dem zweiten Regelkreis (8a, b; 9a, b; 10a, b) verbindbar ist.

6. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitliche Profil der Spannung am Ozonerzeuger mittels der Formschaltung in Abhängigkeit von der gewünschten Ozonmenge oder Ozonkonzentration vorgebbar ist.