Содержание к диссертации
Введение
1. Современные электротехнологии производства озона 8
1.1.Применение озона в современных экологических и экологически чистых технологиях 8
1.2. Электросинтез озона 10
1.3. Основные тенденции конструирования оборудования для производства озона 17
1.3.1. Теоретические подходы к разработке озонаторов 17
1.3.2. Требования, предъявляемые к современным озонаторам 22
1.3.3. Обзор современного состояния рынка генераторов озона 25
1.4. Современное состояние полупроводниковой техники 29
1.4.1. Транзисторы IGBT... 29
1.4.2. Основные области применения и промышленное
производство IGBT-модулей в России 35
1.4.3. Драйверное управление в современных преобразователях 37
1.4.4. Защелкивание транзисторов и драйверов 37
1.5. Выводы по первой главе. Цель и задачи диссертации 41
2. Математическая модель бегущего барьерного разряда 43
2.1. Физическая модель озонатора с бегущим барьерным разрядом 43
2.1.1. Аэродинамическая модель озонатора 44
2.1.2. Электрическая модель озонатора 47
2.1.3. Динамика развития бегущего барьерного разряда 47
2.2. Математическая модель бегущего барьерного разряда 49
2.2.1. Основные допущения и упрощения 49
2.2.2. Методика моделирования 51
2.2.3. Определение координат эквипотенциальных линий 59
2.3. Компьютерная модель озонатора с бегущим барьерным разрядом 60
2.3.1. Моделирование ББР 60
2.3.2. Моделирование основных параметров работы озонатора 65
2.4. Выводы и результаты 75
3. Система управления озонаторнымоборудованием 76
3.1. Управление транзистором IGBT 76
3.2. Драйверное управление процессом генерирования озона 78
3.3 Схема замещения высоковольтного высокочастотного трансформатора 83
3.4. Схема замещения преобразователя частоты 88
3.5 Расчетные характеристики преобразователя з
3.6. Выводы и результаты 95
4. Экспериментальное исследование опытно - промышленной установки генерирования озона 97
4.1 .Описание установки 97
4.2.Исследование источника питания (полупроводникового преобразователя частоты) 101
4.3 .Исследование высоковольтного трансформатора 104
4.4. Экспериментальные характеристики озонатора в целом 106
4.6.Выводы и результаты 110
5. Разработка системы автоматизированного проектирования озонаторного электрооборудования 112
5.1 .Алгоритм инженерного расчета 112
5.2.Вычисления в процессе реализации алгоритма 115
5.3 Расшифровка программы автоматизированного проектирования озонатора 121
5.4.Выводы и результаты 127
Заключение. 128
Список использованной литературы
- Теоретические подходы к разработке озонаторов
- Динамика развития бегущего барьерного разряда
- Схема замещения высоковольтного высокочастотного трансформатора
- Экспериментальные характеристики озонатора в целом
Теоретические подходы к разработке озонаторов
Развитие разряда идет в этом случае в направлении металлического электрода. Вновь образуется стример, но при подходе его головки к аноду все электроны уходят в металл. Накопления заряда на аноде не происходит. Но развитие стримера идет и в сторону катода, к которому перемещаются положительно заряженные ионы. Подходя к барьеру, они оседают на нем, образуя положительный заряд, являющийся причиной возникновения поверхностного разряда. В данном случае поверхностный разряд носит стримерный характер и на поверхности барьера остается пятно в виде звездочки (рис. 3, б), максимальная напряженность поля ос, также составляет несколько кВ/см. В результате суммарная напряженность поля в промежутке снижается и разрядные процессы в этой части промежутка прекращаются. Диаметр звездочек одиночных разрядов достигает 20ч-25 мм. Когда напряжение на промежутке достигает Um, разряд прекращается.
Иначе обстоит дело, когда разряд развивается в промежутке, в котором на диэлектрическом барьере уже имеется заряд, оставшийся от предыдущего полупериода. Поскольку поверхностное сопротивление материала барьера очень велико, заряд не успевает релаксировать за время одного периода. Распределениє зарядов на поверхности к началу разряда в данный полупериод остается практически тем же, как в момент окончания разряда в предыдущий полупериод. Это означает, что в новый полупериод поле осевших зарядов складывается с внешним полем, усиливая его. Поэтому в местах, где расположены пятна или звездочки осевших зарядов, напряженность поля достигает начальной Еи раньше, чем в остальной части промежутка. Развитие ионизационных процессов и "разряд оказываются «привязанными» к местам разряда в предыдущий полупериод.
Картина разряда в промежутке становится еще более сложной после длительного воздействия переменного напряжения. Но есть определенные закономерности, проявляющиеся во всех случаях: в каждый полупериод разряд имеет вид отдельных, быстро затухающих искр. Разряд начинается, когда напряжение, приложенное к электродной системе, меньше разрядного напряжения газового промежутка. В каждый полупериод образуются импульсы тока, число и амплитуда которых являются статистическими величинами [8].
Образование озона. В процессе развития каждой отдельной искры происходят электрохимические реакции, результатом которых является образование озона и его разложение. Процесс образования озона состоит из нескольких этапов, хотя в общем случае число реакций, связанных с образованием озона и его разложением, превышает 70, существуют основные, без прохождения которых получение озона невозможно. Основной реакцией является процесс диссоциации молекул кислорода при взаимодействии со свободным электроном; 02 + е- 0 + 0 + е, постоянная времени этого процесса очень мала и составляет единицы наносекунд. Следующий этап состоит в образовании молекулы озона О + 02 + М - 03+ М, в котором принимает участие третья частица М: молекула, ион, электрон или атом в нейтральном или возбужденном состоянии. Исследования показывают, что образование озона требует времени до 10 мкс. Кроме образования озона, при движении частиц газа происходит разложения молекул Оз по реакции: 03 + М - 02 + О + М. Эта реакция идет тем интенсивнее, чем выше температура газа.
Образующийся в зоне разряда озон диффундирует в соседние области. В результате прохождения рабочего газа через разрядную зону озонатора на выходе получается озоно-воздушная или озоно-кислородная смесь с концентраци-ей озона (10 4-Ю) г/м , при этом получаемое количество озона зависит от превышения интенсивности образования над интенсивностью разложения [89].
Рассмотренный механизм развития разряда в однородном поле промежутка с диэлектрическим барьером на электроде позволяет установить те особенности, из-за которых барьерный разряд стал одним из основных источников озона. Главная особенность - дискретность разрядных процессов в пространстве и во времени. В течение части каждого полупериода воздействующего напряжения разряд распределен по всему промежутку. Это позволяет интенсивно охлаждать всю разрядную зону охлаждением электродов, что особенно важно для предотвращения термического разложения уже образовавшегося озона. Барьерный разряд, кроме того, является наиболее рациональной формой разряда и для образования озона. Барьер выступает в роли токоограничивающего сопротивления для каждой отдельной искры, что предотвращает большие токи, т.е. потери энергии на разогрев разрядного канала. Вместе с тем, в таком разряде процессы диссоциации молекул кислорода идут с наибольшей интенсивностью, что обеспечивается имеющим место распределением по энергиям свободных электронов [39].
Образование искры в каждой области промежутка, где напряженность поля превысит пробивную и затухание этой искры из-за спада напряженности поля, вызванного осевшими зарядами, поддерживает на электродах практически неизменное напряжение на газовом промежутке UT в течение всего времени горения разряда в данный полупериод. Поэтому средняя напряженность поля в газовом промежутке в течение всего времени горения разряда лишь незначительно отличается от начальной. Постоянство напряженности обеспечивает при разряде стабильное распределение электронов по энергиям, что важно для прохождения электрохимических реакций образования озона.
С ростом приложенного напряжения время горения разряда в каждый полупериод увеличивается, увеличивается число искр и возрастает выход озона. Однако почти пропорциональный рост выхода озона с ростом напряжения продолжается до определенного предела (рис. 5), [8]. С ростом числа искр увеличивается температура разрядной зоны, усиливается разложение озона. Работа озонатора при перегреве становится неэффективной. Поэтому рабочий режим озонатора должен лежать в области линейной части кривой зависимости концентрации озона Соз от напряжения. Такая зависимость справедлива для озонаторов без интенсивного охлаждения зоны разряда. Теоретически, мощность разряда, а следовательно и производительность озонатора, пропорциональна приложенному напряжению U03 (см. формулу 1.1).
Так же выглядит зависимость выхода озона от частоты питающего напряжения. Начиная примерно с 6 кГц, выход озона перестает расти с увеличением частоты, а затем уменьшается. Это объясняется так же - сильный нагрев зоны разряда, прямо пропорциональный частоте.
Приведенное выше описание процессов в озонаторе отражает только физическую картину барьерного разряда в газовом промежутке. Для электрической цепи, включающей источник питания и озонатор, последний представляет сложную нагрузку, изменяющуюся при каждом зажигании разряда. Анализ процессов в эквивалентной электрической цепи, содержащей озонатор, позволяет связать физические процессы с электрическими величинами, определяющими эти процессы. Что, в свою очередь, позволяет грамотно проектировать разрядные камеры озонаторов.
Динамика развития бегущего барьерного разряда
Из приведенной схемы видно, что если выходное напряжение драйвера Vout станет выше напряжения питания Vcc (или ниже Vcom) на величину отпирания биполярного транзистора Vbe, то откроется один из паразитных биполярных транзисторов и защелкнется триггер, закоротив питание драйвера. Ток, протекающий при этом, достаточен, чтобы разрушить металлизацию интегральной схемы.
Благодаря структуре выходного каскада и наличию внутренних диодов КМОП-транзисторов драйверы способны противостоять защелкиванию до определенных значений наведенного тока. Например, драйверы серии IR21XX не защелкиваются при наведенном на выход токе до 0,5 А. Кроме того, из-за низких частотных характеристик паразитных транзисторов выходной каскад может не защелкнуться при длительности наведенного импульса менее 1 мкс. Следует также отметить, что ток защелки имеет отрицательный температурный коэффициент.
В документации по применению драйверов многие фирмы указывают максимальную скорость нарастания напряжения (dV/dt immunity), которую способен выдерживать драйвер. Для драйверов фирмы International Rectifier эта величина составляет ±50 В/нс. Это говорит о том, что при более высоких скоростях нарастания фронт напряжения, продифференцированный паразитной емкостью, может вызвать смещение выходного напряжения драйвера на указанную выше величину и, следовательно, повлечет за собой срабатывание триг-герной структуры. Таким образом, правильное включение каскадов управления и силовых транзисторов имеет важное значение для обеспечения надежности.
Методы исключения защелки. Основное, на что надо обращать внимание при разработке топологии выходного каскада, — это правильное подключение цепей питания и общего провода. Ни при каких условиях силовые токи не должны протекать по цепям управления затвором. Вывод СОМ драйвера должен быть связан непосредственно с эмиттером IGBT (или истоком МОП ПТ). Соединение драйвера с затвором и эмиттером должно быть выполнено прямыми линиями минимальной длины. Если нет возможности установить транзистор на печатную плату, то провода цепи управления необходимо сделать бифилярными и прямыми. Высоковольтный конденсатор питания должен быть установлен максимально близко к силовому транзистору и иметь выводы с минимальной индуктивностью. International Rectifier указывает, что при суммарной индуктивности выводов 100 нГ перенапряжение в момент переключения может достигать 200 В. Для борьбы с перенапряжением ряд фирм выпускает конденсаторы с полосковыми низкоиндуктивными выводами.
Для ограничения dV/dt, которое может вызвать защелку из-за емкости Миллера, можно увеличивать резистор затвора Rg, однако при этом будут возрастать потери переключения. Можно также использовать RC цепи формирования траектории переключения (рис. 20).
Цепочка (иногда она называется снаббер), показанная на рис. 20, затягивает фронт напряжения на время, определяемое емкостью и параметрами нагрузки. Перезаряд емкости происходит через резистор и открытый транзистор. Такие цепи также вносят дополнительные потери и усложняют аппаратную реализацию, однако иногда они являются единственной альтегйатшбож случае при расчете схемы разработчику приходится искать компромисс между потерями и надежностью и часто пожертвовать потерями представляется более рациональным. Хотя снаббер и решает проблему dV/dt практически во всех схемах, постоянная времени RC цепочки ограничена величиной паузы («deadtime») при переключении транзисторов верхнего и нижнего плеча. Обычно ее величина составляет 1-2 мкс. Поэтому иногда лучше увеличить номинал резистора затвора. Диапазон изменения этого резистора и его номинальная величина являются справочными данными. Резистор затвора — это элемент, задающий в основном динамические свойства каскада, и к его выбору надо относиться крайне осторожно. Он определяет потери при переключении и скорость переключения, так как вместе с емкостью затвора Cge образует RC цепь, на которую подается практически прямоугольный импульс управления. Вместе с обратной емкостью Cgc он создает затягивание фронтов за счет эффекта Миллера.
При правильном выборе резистора затвора большая часть наведенного тока смещения течет через емкость Cge, минуя выход драйвера. Таким образом, если выбрать резистор так, чтобы обратные токи драйвера не превышали 0,5 А, защелкивания не произойдет. Г ОСУД Д.. ЛІЩ
Максимальная величина этого резистора ограничена многими факторами, главным из которых является следующий. При работе полумостовой схемы после паузы, когда оба транзистора закрыты, начинает открываться верхний транзистор. При этом фронт напряжения, нарастающего на нижнем транзисторе, дифференцируется емкостью Cgc и попадает на затвор, наводя ток смещения на резисторе Rg. Если его величина будет достаточно большой, то напряжение, возникающее из-за протекания этого тока, может стать достаточным для открывания нижнего транзистора. Следствием этого будет непредсказуемый сквозной ток [54].
Вообще, увеличение резистора затвора противоречит требованию максимальной скорости переключения IGBT или МОП ПТ, ради которой и используют эти элементы. Для того чтобы, с одной стороны, предотвратить защелкивание, а с другой, не допустить самопроизвольного открывания и получить максимальную скорость выключения, иногда целесообразно разделить резистор Rg для включения и выключения и оптимизировать соответственно каждый из них (Rgl и Rg2).
Классическая модель озонатора неоднократно подвергалась критике. Например, в работе [70] говорится следующее. В установках для производства озона, используемых в настоящее время, в качестве озонирующих элементов почти всегда применяются концентрические трубы с очень малым, точным зазором между внутренней и наружной трубами. В этом зазоре благодаря приложенному высокому электрическому напряжению возникает коронный разряд. Через этот зазор продувают кислород или сухой воздух и на выходе получают газ, содержащий определенную концентрацию озона.
Данная конструкция озонатора является наиболее распространенной в мире. Недостатки этой конструкции следующие: зазор между трубами должен быть очень точным по всей длине, это приводит к высокой стоимости озонатора; величина зазора мала (1,5-2 мм), поэтому невозможно создать большой поток газа через озонатор из-за большого аэродинамического сопротивления; невозможно создать высокое давление газа в трубах, так как при этом нарушается геометрия зазора, что приводит к нарушению равномерности коронного разряда и выходу из строя озонатора; охлаждение обязательно водяное; механическая прочность очень мала, и установки необходимо защищать от вибраций; размеры и вес установок требуют больших площадей и фундаментов. Наиболее перспективной представляется конструкция разрядника озонатора созданная в лаборатории физики и техники высокочастотных озонаторов при кафедре физики УТИС [72]. Высокочастотный озонатор оригинальной конструкции, позволяющий осуществлять охлаждение зоны разряда при адиабатическом расширении озонообразующего газа. От классического трубчатого озонатора (озонатор Симменса, [102]) данная конструкция отличается тем, что внутренний высоко вольтный электрод заменен нитевидными электродами (рис 28). За счет этого увеличивается объем, в который поступает озонообразующий газ. Если этот газ, предварительно очищенный и осушенный, продувать через воздуховод малого диаметра под давлением в 2-3 Атм, то воздуховод начнет нагреваться. Воздуховод необходимо интенсивно охлаждать, тогда газ, поступив из воздуховода малого диаметра в камеру разрядника гораздо большего объема, резко охладится до отрицательной температуры, порядка (-40... - 50) С. Теперь, даже если разряд поднимет температуру газа на 60 С, то в итоге температура его не поднимется выше (+20.. .+30) С, при которой образовавшийся озон сохраняется достаточно долго [5].
Использование токов высокой частоты позволяет снизить стоимость озонатора за счет уменьшения объема диэлектрических материалов. Нитевидные высоковольтные электроды (ВВЭ ) создают специфическую картину развития барьерного разряда, так называемого бегущего барьерного разряда (ББР ) [1А6].
Схема замещения высоковольтного высокочастотного трансформатора
При помощи уравнений (2.12) вычисляем координаты центра кривизны изотензионной кривой в нескольких ее точках. Для этих же точек по формуле (2.13) вычисляем радиус кривизны изотензионной кривой. Координаты расчетных точек находим решив уравнение Епр =Е(х,у) относительно у, при х = X], где Епр есть напряженность пробоя воздуха. Для полученных координат центра кривизны изотензионной кривой находим среднее значение, которое и будет новым центром высоковольтного электрода при осуществлении следующего шага расчета (координаты отраженного электрода соответственно изменятся и их необходимо пересчитать). На следующем шаге напряжение на электродах озонатора возрастает, и мы ищем координаты новой изотензионной кривой с Е = Епр. Для того, чтобы определить, насколько точно изотензионная линия совпадает с окружность можно воспользоваться двумя способами. Первый способ - графический. На изображение замкнутой изотензионной кривой накладываем окружность такого же радиуса и визуально оцениваем разницу. Второй способ заключается в следующем. При помощи формулы ар=Др/рСр определяем относительное расхождение рассчитанных радиусов ар и, если ее значение не превышает 5%, продолжаем расчет. В противном случае уменьшаем шаг между двумя изотензионными кривыми. Как правило, на начальном этапе развития бегущего барьерного разряда изотензионные кривые представляют собой практически идеальные окружности. Затем, начиная с некоторого значения, кривая начинает вытягиваться в сторону соседних высоковольтных электродов. Для такой кривой координаты отображенного электрода определяются координатами центра кривизны фронтального (по направлению к низковольтному электроду) сектора изотензионной кривой. Координаты электрода для расчета поля определяются для средней и задней частей замкнутой изотенезионной кривой [4]. .
Одновременно с построением изотензионных линий, нахождением координат их центров находим координаты эквипотенциальных линий. Любая произвольная точка внутри разрядной трубки будет располагаться на какой-либо эквипотенциальной поверхности. Если рассмотреть эту точку в плоской системе координат, то через нее будет проходить эквипотенциальная линия. Потенциал р в точке А, созданный двумя зарядами, будет равен: 9л = r ln 2k + 1п зк = ln f 2жє0 2жє0 2жє0 А2к = const где Ar2k - расстояние между стержнем к и точкой А; АгЗА - расстояние между зеркально отображенным стержнем к и точкой А.
Очевидно, что р в любой точке окружности (эквипотенциальной линии) является величиной постоянной. После подстановки уравнения (2.4) в (2.8 и 2.9) получается формула функции для моделирования эквипотенциальных поверхностей в разрядной трубке озонатора Л
Итак, мы вывели уравнения для определения координат изотензионных и эквипотенциальных линий. Для чего мы можем их использовать? Конечным этапом расчета бегущего барьерного разряда, согласно приведенной выше методике, могут стать три состояния.
В первом случае изотензионная поверхность не касается диэлектрической трубки. Область, занятая разрядом не является максимально возможной во первых, и во вторых не происходит полного пробоя воздушного промежутка. Величина генерирования озона не является оптимальной. Такой результат свидетельствует о неэффективном режиме работы озонаторной установки.
Во втором случае в момент пробоя воздушного промежутка (или до пробоя) все изотензионные кривые сливаются в единое замкнутое поле вокруг высоковольтных электродов. Их поля шунтируются, и генерирования озона не происходит.
В третьем случае изотензионная поверхность касается диэлектрической трубки и между соседними изотензионными поверхностями минимальное расстояние. При такой картине площадь, занятая разрядом максимальна, следовательно, выход озона наиболее возможный при прочих равных условиях (геометрические размеры, напряжение, частота тока, температура промежутка, скорость газового потока, давление газа). Такой результат моделирования свидетельствует о корректно решенной задаче. Таким образом, задача расчета сводится к отысканию максимально возможной площади, ограниченной изотензионной линией.
Рассчитать поле и построить картину поля в озонаторе без помощи современных вычислительных средств было бы очень трудоемкой задачей. К счастью современные ЭВМ позволяют облегчить труд ученого и ускорить получение конечного результата, решив при этом большое количество промежуточных задач. Таким образом, мы последовательно переходим к компьютерному моделированию бегущего барьерного разряда, где, применяя полученную математическую модель, построим картину развития разряда в нашем озонаторе.
Компьютерная модель появилась в результате реализации математической модели средствами современного персонального компьютера. В качестве среды программирования использовалась система математического программирования Maple V R4 фирмы Waterloo. Так как при анализе результатов моделирования приходится просматривать большое количество графического материала, то выбор данного продукта закономерен: - Maple отвечает требованиям быстрого получения конечного результата без большого объема программирования и интенсивной предварительной проработки интерфейса; способность мгновенно вычислять и упрощать громоздкие математические выражения; - Maple в диалоговом режиме решает большое число математических задач, от простых расчетов и численного моделирования до аналитических преобразований и вычислений; - Maple имеет почти 2500 встроенных и библиотечных функций, большие возможности графической визуализации вычислений [35, 36, 37]. НАЧАЛО Алгоритм реализации математической модели на ЭВМ Согласно разработанной и описанной в предыдущем параграфе методике разработан алгоритм, приведенный на рис 31. в соответствии с этим алгоритмом написана программа tension.mws, текст которой приведен в приложении П.1. С помощью этой программы определяются геометрические параметры озонатора, наиболее эффективного с точки зрения получения наибольшего объема ионизированной области [6].
С помощью данной программы рассчитывается процесс развития разряда в нашем озонаторе для различного количества высоковольтных электродов. При вводе констант вводятся локальные постоянные: геометрические размеры трубки, количество стержней, физические константы, используемые при расчетах. Все расчеты проводятся при внутреннем радиусе трубки 10 ед. При вводе координат электрических осей вводится радиус, на котором располагаются ВВЭ. Далее по формуле (2.1) определяется радиус отраженных электродов.
Затем после нахождения в символьном виде уравнения для напряженности задаемся расчетной точкой Р(х,у) на небольшом удалении от ВВЭ и определяем значение напряженности Ер в этой точке. Затем для функции Е = f(x,y,k)=Ep находим центр кривизны и радиус кривизны в нескольких точках. При условии, что изотензионная линия не сильно отличается от окружности, центр кривизны будет электрической осью ВВЭ при следующем шаге расчета. Отдельно рассчитываются координаты электрической оси для расчета напряженности и для отыскания координат отраженного электрода. И так до пробоя воздушного промежутка.
Экспериментальные характеристики озонатора в целом
Реализованный автором преобразователь частоты является неотъемлемой частью силового блока питания, выполненного единым модулем, см. рис. 55. Блок питания озонатора осуществляет преобразование сетевого напряжения 220 В, 50 Гц в выходное напряжение 9 кВ с частотой 7-10 Кгц. Элементами блока питания являются: индуктивный фильтр питания, силовой выпрямитель, полумостовой инвертор, блок управления инвертором, высокочастотный индуктивный фильтр, высокочастотный повышающий трансформатор.
В справочных листах на IRG4BC30FD указано, что эти транзисторы способны работать в режиме жесткого переключения на частотах до 20 кГц. Следовательно, применяемая нами рабочая частота (20 кГц) целиком определяется частотой, задаваемой драйвером управления. Рабочая частота регулируется параметрами RtCt цепочки в соответствии с выражением 1.4(Д + 150Q)C, Согласно технической документации на драйвер в схеме управления применен конденсатор Ct=l пФ. Соответственно применен переменный резистор, изменением сопротивления которого в пределах (71... 140) кОм можем изменять выходную частоту от 10 до 5 кГц.
Индуктивный фильтр питания является помехоподавляющим элементом и препятствует резким всплескам тока. В качестве двухполупериодного силового выпрямителя использована диодная микросборка фирмы "Kingdom Bright" KB 1004, рассчитанная на напряжение 400 В и ток 10 А. В нашем случае мощность преобразователя составляет величину порядка 1,2 кВт, и ток через выпрямитель может достигать 6 А, то есть для данного выпрямителя остается запас по току 4 А. Выпрямленное напряжение, величина которого составляет 310 В, поступает на электролитические конденсаторы, сглаживающие пульсации выпрямленного напряжения.
Эти же конденсаторы являются коммутирующими емкостями в плечах полумостового инвертора. Полумостовой инвертор реализован по стандартной схеме, и состоит из двух электролитических конденсаторов и пары силовых транзисторов IGBT марки IRG4BC30FD с интегрированными обратными диодами. Параллельно включенные электролитические конденсаторы типа К50-7 рассчитаны на номинальное напряжение 400 В и имеют суммарную емкость 320мкФ, см. рис.55.
Мощность преобразователя определяется напряжением, приложенным к нагрузке и сопротивлением нагрузки. В полумостовом инверторе в течение каждого полупериода к нагрузке прикладывается половина полного напряжения имеющегося на входе инвертора. В данном случае на входе инвертора имеется 310 В выпрямленного напряжения, соответственно к нагрузке в течении каждого полупериода прикладывается напряжение 155 В. Расчетная мощность преобразователя равна 1.2 кВт, прямой ток через транзисторы при полумостовой схеме преобразования равен
Транзисторы IRG4BC30FD рассчитаны на максимально допустимое обратное напряжение 600 В, максимально допустимый прямой ток 31 А при температуре коллектора 25 С, при 100 С этот ток равен 17 А. Максимально допустимый импульсный ток коллектора - 120 А [138]. Максимальная рассеиваемая коллектором мощность равна 100 Вт при 25 С и 42 Вт при 100 С. Особенностью применения транзисторов IGBT в преобразовательной технике является зависимость тока коллектора от частоты преобразователя. Приводимое в справочных данных значение тока транзистора является максимальным при минимальной частоте. При выборе силовых IGBT следует учесть первый график в справочных листах по конкретному прибору. На рис. 58 показан такой график. Из графика видно, что для выбранных транзисторов предельный ток нагрузки в полумостовом преобразователе на частоте 10 кГц составляет 10 А при температуре перехода 125 С, в то время, как в первой таблице справочных листов дано значение продолжительного тока коллектора 17 А. Таким образом, в нашей схеме для силовых IGBT имеется запас по току порядка двух ампер. Для того чтобы определить тепловые потери воспользуемся графиком зависимости падения напряжения на переходе коллектор-эмиттер от тока коллектора. Такой график приведен в справочных данных на втором рисунке, здесь он показан на рис.59. Как следует из графика, при прямом токе коллектора порядка 8 А падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер составляет величину порядка 1.4 В в широком диапазоне температур.
Мощность рассеиваемая на переходе определится как 8А-1.4В=11.2Вт. Дополнительное выделение мощности происходит и в переходе затвор-эмиттер транзистора при его включении. Как было показано в первом параграфе текущей главы мощность, выделяемая при включении транзистора IRG4BC30FD равна 0,012 Вт за один период. Таким образом, суммарная рассеиваемая мощность транзистора не должна превышать 12 Вт. Для охлаждения транзисторов применены алюминиевые радиаторы, обдуваемые вентилятором, общим для всего преобразователя. Вентилятор обдувает силовые транзисторы и силовой трансформатор, тепловые потери в котором достаточно велики, что связано с проявлением эффекта вытеснения тока.
Так как озонатор является емкостной нагрузкой для трансформатора, то при переключении происходят сильные всплески тока, которые могут вывести из строя силовые транзисторы. Для ограничения таких всплесков использована катушка индуктивности, включенная последовательно с первичной обмоткой трансформатора, что увеличивает индуктивность рассеяния первичной обмотки. Катушка индуктивности Ы (рис. 48) содержит 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,7 мм и наматывается на каркас без сердечника
