JP4228524B2 - オゾナイザ用電源 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、オゾン反応器負荷に高電圧を印加して沿面放電を発生させるためのオゾナイザ用電源に係り、特に、オゾン反応器負荷に応じた漏れ磁束を選定したトランスで二次側電圧波形を成形し、電源の効率の向上を図ったオゾナイザ用電源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
オゾナイザ用電源は、放電ギャップを介して多段に積層した電極体からなるオゾン反応器負荷に、高電圧を印加して沿面放電を発生させるためのものであり、整流部、インバータ部、トランスで構成される。
【0003】
このオゾナイザ用電源は、商用交流電源を整流部で整流して直流電源にし、直流電源をインバータ部で所望の周波数の交流電源に変換し、このインバータ部からの交流電圧をトランスで沿面放電に適した電圧に昇圧するものである。
【0004】
オゾン反応器負荷は容量性なので、負荷に流れる電流の位相が電圧に対して進む。オゾナイザ用電源とオゾン反応器負荷とで整合をとらない場合には、電源の効率が低くなる。
【0005】
従来のオゾナイザ用電源は、トランスの一次側または二次側に新たにコイルを接続し、トランスとコイルを別々に持つシステムで負荷と整合をとって電源の効率の低下を抑えている。
【0006】
また、トランスのインダクタンスを利用し、トランスだけで負荷と整合をとって電源の効率の低下を抑えるオゾナイザ用電源もある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、トランスとコイルを別々に持つシステムで負荷と整合をとる場合、トランスとコイルがそれぞれ必要であり、電源自体が大型になってコストが高いという問題がある。
【0008】
また、トランスだけで負荷と整合をとる場合には、上記の問題は解決するものの、トランスがもともと昇圧前後の電圧を基準にして製作されているので、負荷と正確に整合させることが難しく、電源の効率が低いという問題がある。
【0009】
そこで、本発明の目的は、小型かつ低コストであり、電源の効率を向上させたオゾナイザ用電源を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項1の発明は、放電ギャップを介して多段に積層した電極体からなるオゾン反応器負荷に、高電圧を印加して沿面放電を発生させるためのオゾナイザ用電源において、商用交流電源を整流する整流部と、整流部で整流された直流電源を、周波数が約数kHzの交流電源に変換するインバータ部と、一次側がインバータ部に接続され、二次側が上記オゾン反応器負荷に接続され、インバータ部からの交流電圧を昇圧するトランスとからなり、
そのトランスは、鉄心に漏れ磁束を発生させるためのギャップが設けられ、かつ一次側のインダクタンスL 1 と二次側のインダクタンスL 2 と漏れ磁束によるリーケージインダクタンスL l との合成インダクタンスが、上記オゾン反応器負荷の合成容量と整合するように上記オゾン反応器負荷に印加する二次側電圧の周波数に応じて決定されると共に、リーケージインダクタンスL l が上記トランスの結合係数をKとして下式
L l =2(1−K)×L 2
で求められて構成され、
上記オゾン反応器負荷に応じた漏れ磁束を選定した上記トランスで二次側電圧波形を成形するオゾナイザ用電源である。
【0011】
請求項2の発明は、上記インバータ部は、4個のバイポーラ形トランジスタを接続したブリッジ回路と、これらブリッジ回路のバイポーラ形トランジスタをON・OFF制御するパルス電源駆動制御装置とからなる請求項1記載のオゾナイザ用電源である。
【0012】
請求項3の発明は、上記4個のバイポーラ形トランジスタのON時間を上記インバータ部で変換した交流電源の1/4周期とする請求項2記載のオゾナイザ用電源である。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【0014】
図1は、本発明の好適実施の形態であるオゾナイザ用電源の概略図を示したものである。
【0015】
図1に示すように、本発明のオゾナイザ用電源1は、オゾン反応器負荷2に高電圧を印加して沿面放電を発生させるためのものである。このオゾナイザ用電源1は、商用交流電源3を整流する整流部4と、整流部4で整流された直流電源を、周波数が約数kHzの交流電源に変換するインバータ部5と、一次側がインバータ部5に接続され、二次側が上記オゾン反応器負荷2に接続され、インバータ部5からの交流電圧を沿面放電に適した電圧に昇圧するトランス6とからなる。
【0016】
トランス6は、オゾン反応器負荷2に応じた漏れ磁束を選定したものであり、その漏れ磁束を利用して二次側電圧波形を成形するものである。漏れ磁束は、例えば、トランス6の鉄心にギャップを設けて積極的に多く発生させるようにしている。
【0017】
次に、オゾナイザ用電源1をより具体的に説明する。
【0018】
図2は、本発明のオゾナイザ用電源の主要部の回路図を示したものである。
【0019】
図2に示すように、オゾナイザ用電源1の主要部は、インバータ部5と、トランス6とからなる。トランス6は一次側がインバータ部5に接続され、二次側が上記オゾン反応器負荷2に接続されている。
【0020】
オゾン反応器負荷2は、例えば、放電ギャップを介して多段に積層した電極体からなる。図では、オゾン反応器負荷2を等価回路で表している。
【0021】
オゾン反応器負荷2の等価回路を説明する。
【0022】
電極体の容量7、放電ギャップの容量8、電極体の容量9が直列に接続されている。放電ギャップの容量8と閉回路を形成するように、沿面放電特性としてのツェナーダイオード10、11が接続されている。ツェナーダイオード10は、アノード側が電極体の容量7と放電ギャップの容量8間に接続され、一方、ツェナーダイオード11は、アノード側が放電ギャップの容量8と電極体の容量9間に接続されており、双方のツェナーダイオード10、11のカソード側同士が接続されている。放電ギャップの容量8、ツェナーダイオード10、11で形成した閉回路には、電極体を覆う誘電体層としての抵抗12、13が並列に接続されている。
【0023】
オゾン反応器負荷2には、例えば等価回路の数値で言うと、電極体の容量7、9が290nF、放電ギャップの容量8が32.4nF、抵抗12、13が100GΩのものを使用している。このときのオゾン反応器負荷2の合成容量は約29nFである。
【0024】
さて、トランス6は、インバータ部5からの交流電圧を沿面放電に適した電圧に昇圧するように決定されると共に、一次側のインダクタンスL1 と、二次側のインダクタンスL2 と、漏れ磁束によるリーケージインダクタンスLl との合成インダクタンスが、オゾン反応器負荷2の合成容量と整合するように、オゾン反応器負荷2に印加する二次側電圧の周波数に応じて決定される。
【0025】
本実施の形態では、インバータ部5として、例えば、整流部4で整流された280Vの直流電源14を周波数約4kHzの交流電源に変換するものを用いており、その交流電圧をトランス6で昇圧してオゾン反応器負荷2に約5kVの電圧を印加するようにしている。
【0026】
よってトランス6としては、例えば、一次側の巻数N1 と二次側の巻数N2 が1:16.7、一次側のインダクタンスL1 が15mH、二次側のインダクタンスL2 が4.17H、結合係数Kが0.997、二次換算リーケージインダクタンスLl が25mHのものを用いている。
【0027】
結合係数Kは、トランス6の相互インダクタンスMを用いて次式で表されることが知られている。
【0028】
K=M×(Ll ×L2 )-1/2
そして、二次換算リーケージインダクタンスLl の値は、トランス6の等価回路より次式で求めることができる。
【0029】
Ll =2(1−K)×L2
インバータ部5は、例えば、4個のバイポーラ形トランジスタ(以下、IGBT)15〜18を接続したブリッジ回路と、これらブリッジ回路のIGBT15〜18をON・OFF制御するパルス電源駆動制御装置19とからなる。
【0030】
各IGBT15〜18のエミッタ−コレクタ端子間には、カソード側がエミッタ端子側に、アノード側がコレクタ端子側となるようにダイオード20〜23がそれぞれ接続されている。
【0031】
パルス電源駆動制御装置19は、各IGBT15〜18のゲート−エミッタ端子間にパルス電圧24〜27をそれぞれ印加するようにしている。図では、IGBT15を代表して説明すると、端子a、b間にパルス電圧24を印加するようにしている。このパルス電源駆動制御装置19の駆動パルスのON・OFFのタイミングは、オゾン反応器負荷2の容量とトランス6のリーケージインダクタンスLlとから決定するようにしている。
【0032】
IGBT15〜18の実際のON時間は、インバータ部5で変換した交流電源の1/4周期となるようにするとよい。本実施の形態では、インバータ部5として、直流電源14を周波数約4kHzの交流電源に変換するものを用いているので、IGBT15〜18の実際のON時間は65μsにするとよい。
【0033】
図3(a)は、本発明のオゾナイザ用電源1における電流・電圧波形を、横軸を時間Tにとり、縦軸を電流I・電圧Vにとって示した図である。ここで、インバータ部5から流れ出す電流波形X、トランス6の二次側の電圧波形Y、パルス電源駆動制御装置19の駆動パルスのON・OFFのタイミングZを示している。
【0034】
図2および図3(a)に示すように、まず、インバータ5のパルス電源駆動制御装置19により、パルス電圧24、27をIGBT15、18にそれぞれ入力し、IGBT15、18をONする。電流は、直流電源14の正極側からIGBT15のコレクタ端子、エミッタ端子へと流れ、節点αを経由してトランス6の一時側に流れ、節点βを経由した後、IGBT18のコレクタ端子、エミッタ端子へと流れて直流電源14の負極側に流れ込む。(手順1)
このとき、インバータ部5から流れ出す電流Iの瞬時値は、オゾン反応器負荷2の容量の時定数とトランス6のリーケージインダクタンスLl の影響を受け、電流上昇時間Tu (約72μs)かけて0Aから約219.3Aまで上昇する。
【0035】
次に、パルス電源駆動制御装置19により、IGBT15、18をOFFした後、パルス電圧25、26をIGBT16、17にそれぞれ入力し、IGBT16、17をONする。今度は、電流が、直流電源14の正極側からIGBT17のコレクタ端子、エミッタ端子へと流れ、節点βを経由してトランス6の一時側に流れ、節点αを経由した後、IGBT16のコレクタ端子、エミッタ端子へと流れて直流電源14の負極側に流れ込むようにする。(手順2)
このとき、インバータ部5から流れ出す電流Iは、オゾン反応器負荷2の容量の時定数とトランス6のリーケージインダクタンスLl の影響を受け、電流下降時間Td (約48.8μs)かけて約219.3Aから0Aまで下降する。
【0036】
さらに、パルス電源駆動制御装置19により、IGBT16、17をOFFする。この後、本発明では、4.2μsという非常に短い時間だけ手順1を行う (手順3)ことができ、これが無電流時間T0 となり、半周期分の電流波形Xが求められる。以下、同様にして略正弦波となる電流波形Xが求まる。
【0037】
以上のようにして、インバータ5におけるパルス電源駆動制御装置19の駆動パルスのON・OFFのタイミングZを決定しているので、トランス6の2次側電圧Vの電圧波形Xもピーク値が約4.3kVの略正弦波となる。
【0038】
電流波形Xは、トランス6でリーケージインダクタンスLl 分も加味されて位相が遅れた後、オゾン反応器負荷2では位相が進むので、最終的には電圧波形Yと位相が一致する。これにより、本発明のオゾナイザ用電源1は、トランス6のみによって電源の効率を向上させることができる。
【0039】
ここで、本発明との比較のために、漏れ磁束があまりないトランスを用いた従来のオゾナイザ用電源について説明する。
【0040】
図4は、従来のオゾナイザ用電源の主要部の回路図を示したものである。
【0041】
図4に示すように、従来のオゾナイザ用電源40は、トランス41として、一次側のインダクタンスL1 が25.6mH、二次側のインダクタンスL2 が7000mH、結合係数Kが0.9989、二次換算リーケージインダクタンスLl が15.4mHのものを用いており、その他の構成は、本発明のオゾナイザ用電源1とほぼ同じ構成である。
【0042】
図3(b)は、従来のオゾナイザ用電源40における電流・電圧波形を、横軸を時間tにとり、縦軸を電流i・電圧vにとって示した図である。ここで、インバータ部5から流れ出す電流波形x、トランス6の二次側の電圧波形y、パルス電源駆動制御装置19の駆動パルスのON・OFFのタイミングzを示している。
【0043】
図3(b)に示すように、従来のオゾナイザ用電源40では、トランス41が、昇圧前後の電圧を基準にして製作されており、電流iの瞬時値のピーク約282.2Aを基準にしてIGBT15〜18の実際のON時間を決定している。
【0044】
従来のオゾナイザ用電源40では、トランス6のリーケージインダクタンスLl が15.4mH程度しか影響せず、電流波形xは、電流上昇時間tu が約53μs、電流下降時間td が約48.8μsとなり、無電流時間t0 においては、約38μsと非常に長い。電流波形x、電圧波形yは、ともに歪んでいる。
【0045】
本発明のオゾナイザ用電源1は、オゾン反応器負荷へ流す電流波形の無電流時間極力無くすことで、電流ピークも抑えられ、必然的に実効電流を下げることができる。本実施の形態の例で言えば、オゾナイザ用電源40の電流の実効値が156.5Aなのに対し、本発明のオゾナイザ用電源1の電流の実効値は136.3Aである。
【0046】
よって、各部分(整流部・インバータ部・トランス部)で生じる消費電力を下げることができるのでトータルとしての電源の効率向上が図れ、かつ、トランスとコイルの機能が一体化したことで部品点数が削減されコンパクト化やコストダウンが達成できる。
【0047】
本発明は、いわば、トランスとリアクタンス調整用コイルを一体化した構成であり、オゾン反応器負荷に流れる電流波形と繰返し周期の関係をトランスのリーケージ量を調整することで電源の効率向上を図ることができる。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のごとき優れた効果を発揮する。
【0049】
(1)オゾン反応器負荷へ流す電流波形の無電流時間を極力無くすことで電流ピークも抑えられ、必然的に実効電流を下げることができる。
【0050】
(2)各部分(整流部・インバータ部・トランス部)で生じる消費電力を下げることができるので、トータルとしての電源の効率向上が図れる。
【0051】
(3)トランスとコイルの機能が一体化したことで部品点数が削減され、コンパクト化やコストダウンが達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適実施の形態を示す概略図である。
【図2】本発明のオゾナイザ用電源の主要部の回路図である。
【図3】本発明のオゾナイザ用電源における電流・電圧波形図(a)、従来のオゾナイザ用電源における電流・電圧波形図(b)である。
【図4】従来のオゾナイザ用電源の主要部の回路図である。
【符号の説明】
1 オゾナイザ用電源
2 オゾン反応器負荷
3 商用交流電源
4 整流部
5 インバータ部
6 トランス
Claims (3)
- 放電ギャップを介して多段に積層した電極体からなるオゾン反応器負荷に、高電圧を印加して沿面放電を発生させるためのオゾナイザ用電源において、商用交流電源を整流する整流部と、整流部で整流された直流電源を、周波数が約数kHzの交流電源に変換するインバータ部と、一次側がインバータ部に接続され、二次側が上記オゾン反応器負荷に接続され、インバータ部からの交流電圧を昇圧するトランスとからなり、
そのトランスは、鉄心に漏れ磁束を発生させるためのギャップが設けられ、かつ一次側のインダクタンスL 1 と二次側のインダクタンスL 2 と漏れ磁束によるリーケージインダクタンスL l との合成インダクタンスが、上記オゾン反応器負荷の合成容量と整合するように上記オゾン反応器負荷に印加する二次側電圧の周波数に応じて決定されると共に、リーケージインダクタンスL l が上記トランスの結合係数をKとして下式
L l =2(1−K)×L 2
で求められて構成され、
上記オゾン反応器負荷に応じた漏れ磁束を選定した上記トランスで二次側電圧波形を成形することを特徴とするオゾナイザ用電源。 - 上記インバータ部は、4個のバイポーラ形トランジスタを接続したブリッジ回路と、これらブリッジ回路のバイポーラ形トランジスタをON・OFF制御するパルス電源駆動制御装置とからなる請求項1記載のオゾナイザ用電源。
- 上記4個のバイポーラ形トランジスタのON時間を上記インバータ部で変換した交流電源の1/4周期とする請求項2記載のオゾナイザ用電源。
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