EP0948836A1 - Dispositif d'alimentation en energie electrique d'un ozoneur - Google Patents

Dispositif d'alimentation en energie electrique d'un ozoneur

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EP0948836A1
EP0948836A1 EP98951557A EP98951557A EP0948836A1 EP 0948836 A1 EP0948836 A1 EP 0948836A1 EP 98951557 A EP98951557 A EP 98951557A EP 98951557 A EP98951557 A EP 98951557A EP 0948836 A1 EP0948836 A1 EP 0948836A1
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EP
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ozonator
frequency
load
dual
power
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Withdrawn
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EP98951557A
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German (de)
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Inventor
Larbi Ayad
Denis Moras
Peter Uhlig
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Trailigaz Compagnie Generale de lOzone SA
Original Assignee
Trailigaz Compagnie Generale de lOzone SA
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    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/10—Preparation of ozone
    • C01B13/11—Preparation of ozone by electric discharge
    • C01B13/115—Preparation of ozone by electric discharge characterised by the electrical circuits producing the electrical discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/505—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/515—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/523—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with LC-resonance circuit in the main circuit
    • H02M7/5233—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with LC-resonance circuit in the main circuit the commutation elements being in a push-pull arrangement
    • H02M7/5236—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with LC-resonance circuit in the main circuit the commutation elements being in a push-pull arrangement in a series push-pull arrangement

Definitions

  • the present invention relates to a device for supplying electrical energy to an ozonizer for frequencies from 400 Hz to several tens of KHz.
  • the presently known industrial ozonizers comprise two electrodes separated by a dielectric and a discharge space in which a dry gas containing oxygen circulates. If a voltage high enough to reach the gas disruptive point is applied to the terminals of these electrodes, there is an emanation between them. The corona dissociates oxygen in the discharge space and thus forms a gas containing an ozone concentration depending on the power applied and the gas flow rate.
  • two different types of devices for supplying these ozonizers are two different types of devices for supplying these ozonizers.
  • Supply devices include a frequency converter making it possible to increase the supply frequency of 1 ozonator relative to the network frequency and to improve the production of ozone.
  • These converters are constituted by inverters of the parallel or series type, to which is connected either a resonant load of the LC type or a non-resonant load, uncompensated and with forced switching, much less expensive than the LC loads but having a power factor deplorable.
  • An arrangement of a series type inverter is described in French Patent No. 39,770 (FR 1,544,857) having the title "Electric power system for ozonator".
  • the improvement in the performance of ozone generators and more particularly their capacity to economically produce ozone at high concentration leads to increasingly capacitive charges inducing a significant reduction in the power factor of the charge seen from the source of power. These conditions require the use of load compensation in order to optimize the dimensioning of the power source.
  • improving the performance of ozone generating components leads to rec h ercher an increase in the power applied by unit f ace (power density) which requires for a given ⁇ configura tion (formula Manley) to increase the power of ensity of an increase in the frequency or increased sex ⁇ mentation of tension.
  • the object of the invention is to create a device making it possible to design, at the lowest cost, a supply for an industrial ozonator operating stably at frequencies between 400 Hz and high frequencies which can reach several tens of KHz.
  • the invention relates to a feeding device into electrical energy of an ozonizer, characterized in that it comprises a neck supply source ⁇ rant continuously, the terminals of which are connected an inverter bridge series dual coupled to a resonant load composed of a high voltage inductor in series with the ozonator.
  • Fig.l shows a diagram of a series load composed of a choke and an ozonator illustrating the load used according to the invention
  • Fig.2 and 3 show curves of the evolution of 1 impedance as a function of the frequency and of the applied current illustrating the principle of operation of the device according to the invention
  • FIGS. 4A and 4B respectively represent a diagram of a dual thyristor entering into the constitution of the device according to the invention and its characteristics d 'impedance
  • Fig.5 shows a block diagram of dual series inverter supply device according to the invention.
  • the resonant circuit of the charge of an ozonator is composed of a high voltage reactor designated by the reference 1 and of an ozonator made up of two capacitors, respectively Cd 2 and Cg 3, representing one, Cd 2, a dielectric and the other, Cg 3, a discharge space filled with a volume of gas, and a zener diode 4 symbolizing the disruptive voltage Eo of the gas.
  • the inductor 1 and the ozonator 2,3,4 are coupled in series.
  • the self plays a double role. On the one hand, it compensates for the reactive energy of the circuit, and on the other hand, it raises the voltage on the ozonator to the desired power level.
  • the assembly oscillates at a resonance frequency F 0 .
  • the main characteristics of the ozone generator are to have a capacitor 3 of variable capacity Cg according to the applied voltage and therefore the resulting power.
  • the frequency being a function of this capacity, the frequency of the circuit is naturally variable as a function of the power. It is shown in Fig. 2.
  • This graph shows the evolution of the frequency as a function of the active power applied to the ozonator.
  • the main difficulty with this type of circuit is the fall in the resonant frequency F 0 as a function of active power. Indeed, at low power, the frequency is higher than at high power.
  • Fig.3 shows the evolution of the impedance as a function of the oscillation frequency of the circuit.
  • the natural state rel of the circuit breaks down, depending on the nature of the load as follows:
  • the ozonator therefore has a non-linear and highly variable impedance as a function of the oscillation frequency of the circuit. It also presents a risk of short circuit which, in the case of a conventional series thyristor type inverter, keeps the thyristors of the inverter bridge in conduction.
  • a power device of the dual thyristor type is used according to the invention, which makes it possible, on the one hand, to maintain the operating frequency of the ozonator at a value greater than the resonance frequency of the load. and, on the other hand, to block the dual thyristors in the event of a short circuit.
  • a dual thyristor consists of a switching member designated by the reference 5 which may be a biocable thyristor, or even a bipolar transistor such as an IGBT or field effect and , placed in antiparallel, a switching diode designated by reference 6.
  • the dual thyristor is a switching device which has the characteristic of being closed or conductive in its natural state, of being controllable on opening and then of closing naturally by reversing the voltage across its terminals.
  • the characteristic of current impedance as a function of the voltage shown in FIG. 4B illustrates the switching principle of this member used in the invention.
  • This switch unlike the conventional thyristor, lets current flow in its natural state. It is blocked by an order sent to the trigger. The voltage rises at its terminals until the current is canceled through the switch member 5, the current can always flow in reverse in the antiparallel diode 6. Thus the current can to be behind the tension. With this type of switch, the load must be globally inductive.
  • the electrical energy supply device makes it possible to supply an ozonizer designated by the reference 7 from a direct current supply source designated by reference 8.
  • This DC power source can conventionally comprise a rectifier bridge of the Graetz bridge type, with thyristors, designated by the general reference 9, a smoothing inductor 10 and a set of capacitors 11.
  • the series resonant circuit comprises an inductor 14 and the ozonator 7.
  • four semiconductor thyristor dual technology switching members 15 controlled by electronic tripping means are connected in parallel to the terminals of the load by via a high voltage transformer 16 which has a parasitic leakage inductor 17.
  • the four dual thyristors 15 operate alternately in order to obtain a voltage signal of rectangular shape.
  • the charging circuit consisting alternately of the leakage choke 17 of the transformer 16 of the high-voltage choke 14 and of the ozonator 7 constitutes a globally inductive impedance and operates at a frequency higher than the resonance frequency locked by a control device (not shown) and of the conventional type.
  • the inverter follows this frequency which varies according to the level of power injected (Fig. 2).
  • the undu- their works in autopilot mode in which the frequency is imposed by the oscillating circuit (operation in natural mode).
  • the load is therefore resistive and the phase difference between the voltage and the current on the load is very small.
  • the main role of the high-voltage inductor 14 is to compensate for the low power factor of the load represented by the ozonator and at the same time has the effect of raising the voltage across the terminals of the ozonator.
  • lower versions are obtained at the output of the high voltage transformer 16. These voltage levels become closer to the output voltages of the inverter. The drop in this output voltage eliminates this high voltage transformer 16 and thus achieves direct coupling between the dual series inverter and the load composed of the high voltage inductor and the ozonator.

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Abstract

Ce dispositif d'alimentation en énergie électrique d'un ozoneur (7), est caractérisé en ce qu'il comporte une source d'alimentation en courant continu (8), aux bornes de laquelle sont connectés un pont onduleur série dual couplé à une charge résonnante composée d'une self à haute tension (14) en série avec l'ozoneur (7).

Description

DISPOSITIF D'ALIMENTATION EN ENERGIE ELECTRIQUE D'UN OZONEUR
La présente invention concerne un dispositif d'alimentation en énergie électrique d 'un ozoneur pour des fréquences de 400 Hz à plusieurs dizaines de KHz.
Les ozoneurs industriels connus actuellement comportent deux électrodes séparées par un diélectrique et un espace de décharge dans lequel circule un gaz sec contenant de l'oxygène. Si on applique aux bornes de ces électrodes une tension suffisamment élevée pour atteindre le point disrup- tif du gaz, il apparaît un effluve entre celles-ci. L'effluve dissocie 1 ' oxygène dans 1 'espace de décharge et forme ainsi un gaz contenant une concentration d'ozone fonction de la puissance appliquée et du débit de gaz. II existe dans l'état de la technique, deux types différents de dispositifs d'alimentation de ces ozoneurs.
Des dispositifs d'alimentation comportent un convertisseur de fréquence permettant d'augmenter la fréquence d'alimentation de 1 Ozoneur par rapport à la fréquence du réseau et d'améliorer la production d'ozone. Ces convertisseurs sont constitués par des onduleurs de type parallèle ou série, sur lesquels est connectée soit une charge résonnante de type L.C. soit une charge non résonnante, non compensée et à commutation forcée, beaucoup moins coûteuse que les charges L.C. mais présentant un facteur de puissance déplorable. Un agencement d'un onduleur de type série est décrit dans le brevet français n* 39.770 (FR 1 544 857) ayant pour titre "Système d'alimentation électrique pour ozoneur".
Un autre type d'onduleur série est décrit dans le brevet français n* 69.17372 ayant pour titre "Perfectionnement aux dispositifs d'alimentation à fréquence moyenne d'un circuit récepteur présentant une impédance variable" .
D' une part 1 ' amélioration des performances des ozo- neurs et plus particulièrement leur capacité de produire économiquement de l'ozone à forte concentration conduit à des charges de plus en plus capacitives induisant une réduction importante du facteur de puissance de la charge vu de la source de puissance. Ces conditions imposent l'utilisa- tion d'une compensation de la charge afin d'optimiser le di- mensionnement de la source de puissance. D'autre part, l'amélioration des performances des composants de génération d'ozone conduit à rechercher une augmentation de la puissance appliquée par unité de surface (densité de puissance) ce qui nécessite pour une configura¬ tion donnée ( formule de Manley) d ' augmenter la densité de puissance par une augmentation de la fréquence ou une aug¬ mentation de la tension. Les fréquences généralement utili¬ sées pour les ozoneurs industriels sont actuellement infé¬ rieures à 2000 Hz. De petits ozoneurs fonctionnent à plus haute fréquence en utilisant des alimentations qui ne peu¬ vent pas être économiquement appliquées à la conception dOzoneurs industriels.
Dans les dispositifs décrits précédemment, il est indispensable de mettre en oeuvre une technique bien parti- culière de réglage de l'ensemble, notamment pour accorder le transformateur haute tension afin d'obtenir les meilleures conditions de fonctionnement. Il est également très important de maîtriser la technologie des interrupteurs de puis¬ sance liée à une commutation plus contraignante de par la charge. Par ailleurs ces systèmes présentent également le désavantage d'avoir besoin de moyens de démarrage compli¬ quant les séquences de fonctionnement et élevant le coût de l'appareil. Ceci aboutit à des dispositifs relativement com¬ plexes, d'un prix de revient élevé et dont le fonctionnement n'est pas optimisé.
Le but de 1 ' invention est de créer un dispositif permettant de concevoir au moindre coût une alimentation d'un ozoneur industriel fonctionnant de façon stable à des fréquences comprises entre 400 Hz et des fréquences élevées pouvant atteindre plusieurs dizaines de KHz.
A cet effet l'invention a pour objet un dispositif d'alimentation en énergie électrique d'un ozoneur, caractérisé en ce qu'il comporte une source d'alimentation en cou¬ rant continu, aux bornes de laquelle sont connectés un pont onduleur série dual couplé à une charge résonnante composée d'une self à haute tension en série avec l' ozoneur.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : La Fig.l représente un schéma d'une charge série composée d'une self et d'un ozoneur illustrant la charge utilisée selon l'invention, la Fig.2 et 3 représentent des courbes de l'évolu- tion de 1 ' impédance en fonction de la fréquence et du courant appliqué illustrant le principe du fonctionnement du dispositif selon l'invention, les Fig.4A et 4B représentent respectivement un schéma d'un thyristor dual entrant dans la constitution du dispositif selon l'invention et ses caractéristiques d'impédance, et la Fig.5 représente un schéma synoptique de dispositif d'alimentation d'onduleur série dual selon l'invention.
Ainsi qu'on peut le voir la Fig.l, le circuit réson- nant de la charge d'un ozoneur est composé d'une self haute tension désignée par la référence 1 et d'un ozoneur constitué de deux condensateurs, respectivement Cd 2 et Cg 3, représentant l'un, Cd 2, un diélectrique et l'autre, Cg 3, un espace de décharge empli d'un volume de gaz, et d'une diode zener 4 symbolisant la tension disruptive Eo du gaz.
La self 1 et l' ozoneur 2,3,4 sont couplés en série. La self joue un double rôle. D'une part elle permet de compenser l'énergie réactive du circuit, et d'autre part, elle élève la tension sur l' ozoneur au niveau de puissance dési- ré. L'ensemble oscille à une fréquence de résonance F0.
LOzoneur présente comme caractéristiques principales d'avoir un condensateur 3 de capacité Cg variable en fonction de la tension appliquée et donc de la puissance résultante. La fréquence étant fonction de cette capacité, la fréquence du circuit est variable naturellement en fonction de la puissance. Elle est représentée sur la Fig.2. Ce graphique montre l'évolution de la fréquence en fonction de la puissance active appliquée à l' ozoneur.
La principale difficulté de ce type de circuit est la chute de la fréquence de résonance F0 en fonction de puissance active. En effet, à basse puissance, la fréquence est plus élevée qu'à forte puissance.
La Fig.3 montre 1 'évolution de 1 ' impédance en fonction de la fréquence d'oscillation du circuit. L'état natu- rel du circuit se décompose, suivant la nature de la charge de la manière suivante :
- circuit globalement inductif à droite du point de résonance et - circuit globalement capacitif à gauche du point de résonance.
L ' ozoneur présente donc une impédance non linéaire et fortement variable en fonction de la fréquence d'oscillation du circuit. II présente en outre un risque de court-circuit qui entraîne, dans le cas d'un onduleur de type série classique à thyristors le maintien en conduction des thyristors du pont onduleur.
Pour pallier ces inconvénients, on utilise suivant l'invention un organe de puissance du type thyristor dual, ce qui permet, d'une part de maintenir le fréquence de fonctionnement de 1 ' ozoneur à une valeur supérieure à la fréquence de résonance de la charge et, d'autre part, de bloquer les thyristors duals en cas de court-circuit. Ainsi qu'on peut le voir sur la Fig.4A un thyristor dual est constitué d'un organe commutateur désigné par la référence 5 qui peut être un thyristor biocable, ou encore un transistor bipolaire tel qu'un IGBT ou à effet de champs et, placée en antiparallèle, une diode de commutation dési- gnée par la référence 6.
Le thyristor dual est un organe commutateur qui présente la caractéristique d'être fermé ou conducteur à l'état naturel, d'être contrôlable à l'ouverture puis de se refermer naturellement par inversion de la tension à ses bornes. La caractéristique d'impédance courant en fonction de la tension représentée à la Fig. 4B illustre le principe de commutation de cet organe utilisé dans l'invention.
Ce commutateur, contrairement au thyristor classique, laisse passer un courant dans son état naturel. Il se bloque par un ordre envoyé sur la gâchette. La tension monte à ses bornes jusqu'à l'annulation du courant à travers l'organe commutateur 5, le courant pouvant toujours circuler en inverse dans la diode antiparallèle 6. Ainsi le courant peut être en retard par rapport à la tension. Avec ce type de commutateur, la charge doit être globalement inductive.
Dans ce cas, il est possible de fonctionner en circuit série avec 1 ' inductance 1 et 1 ' ozoneur composé des con- densateurs 2 et 3 de capacités respectives Cd et Cg. La fréquence de fonctionnement sera stable car la charge étant toujours inductive, la fréquence de fonctionnement sera toujours supérieure à la fréquence de résonance permettant une régulation stable de la puissance. L'utilisation de thyristors dual permet un fonctionnement stable d'un onduleur série sur une charge inductive.
Comme on peut le voir sur la Fig.5, le dispositif d'alimentation en énergie électrique selon l'invention, permet d'alimenter un ozoneur désigné par la référence 7 à par- tir d'une source d'alimentation en courant continu désignée par la référence 8.
Cette source d'alimentation en courant continu peut comporter de manière classique un pont redresseur du type pont de graetz, à thyristors, désigné par la référence géné- raie 9, une inductance de lissage 10 et un ensemble de condensateurs 11.
Le circuit résonnant série comprend une inductance 14 et l' ozoneur 7. Par ailleurs, quatre organes commutateurs de technologie thyristor dual à semi-conducteurs 15 pilotés par des moyens de déclenchement électronique (non représentés) sont connectés en parallèle aux bornes de la charge par l'intermédiaire d'un transformateur haute tension 16 qui présente une self de fuite parasite 17.
Les quatre thyristors duals 15 fonctionnent alterna- tivement afin d'obtenir un signal de tension de forme rectangulaire. Le circuit de charge composé alternativement de la self de fuite 17 du transformateur 16 de la self haute tension 14 et de 1 ' ozoneur 7 constitue une impédance globalement inductive et fonctionne à une fréquence supérieure à la fréquence de résonance verrouillée par un dispositif de commande (non représenté) et de type classique.
La fréquence de résonance de cette charge étant variable, l'onduleur suit cette fréquence qui évolue suivant le niveau de puissance injecté (Fig.2). Dans ce cas, l'ondu- leur fonctionne en mode autopiloté dans lequel la fréquence est imposée par le circuit oscillant ( fonctionnement en régime naturel ) . La charge est donc résistive et le déphasage entre la tension et le courant sur la charge est très fai- ble.
Dans des technologies de type onduleur parallèle, lorsque la fréquence de fonctionnement devient trop importante, la self de fuite 17 du transformateur haute tension 16 devient un élément perturbateur car les temps de commuta- tion deviennent trop importants pour des fréquences élevées, le fonctionnement à fréquence élevée implique une réduction importante de la self de fuite ce qui rend difficile voire impossible la conception du transformateur haute tension.
Ce problème n'apparaît pas dans une technique d'on- duleur série car la self de fuite s'ajoute au circuit de charge sans devenir un élément perturbateur et permet ainsi d' obtenir des temps de commutation corrects pour 1 ' onduleur série.
L' inductance haute tension 14 a pour rôle principal de compenser le faible facteur de puissance de la charge que représente 1 ' ozoneur et a en même temps pour effet d 'élever la tension aux bornes de l' ozoneur. Ainsi, pour une puissance donnée, on obtient des versions plus basses en sortie du transformateur haute tension 16. Ces niveaux de tension deviennent plus proches des tensions de sortie de l'onduleur. La chute de cette tension de sortie permet d'éliminer ce transformateur haute tension 16 et ainsi de réaliser un couplage direct entre l'onduleur série dual et la charge composée de 1 ' inductance haute ten- sion et de l' ozoneur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'alimentation en énergie électrique d'un ozoneur (7), caractérisé en ce qu'il comporte une source d ' alimentation en courant continu ( 8 ) , aux bornes de laquelle sont connectés un pont onduleur série dual couplé à une charge résonnante composée d'une self à haute tension ( 14 ) en série avec 1 ' ozoneur ( 7 ) .
2. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pont onduleur série dual fonc- tionne en mode autopilotage.
3. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le pont onduleur série dual est couplé à la charge résonnante (7,14) par l'intermédiaire d'un transformateur haute tension (16) dont la self de fuite (17) constitue avec la self à haute tension (14) et l'ozoneur (7) une impédance globalement inductive à la fréquence de fonctionnement de 1 ' ozoneur déterminée par un dispositif de commande du pont onduleur série dual, la fréquence de fonctionnement étant supérieure à la fréquence de résonance de la charge.
4. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le pont onduleur série dual est connecté directement à la charge résonante.
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