DE4029447A1 - Ozonerzeugungsanlage mit ozonerzeugungselementen und mit einem wechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ozonerzeugungsanlage mit Ozon- Erzeugerelementen, bei denen zwischen zwei Elektroden sowohl sauer­ stoffhaltiges Einsatzgas durchströmt als auch ein Dielektrikum vorge­ sehen ist, und mit einem Wechselrichter, der selbstgeführt ist, steuer­ bare Stromrichterventile aufweist, eine Ausgangsspannung im Mittelfre­ quenzbereich einstellbarer Frequenz und/oder einstellbaren Spannungs­ wertes abgibt und eine Drossel in der Gleichstromzuleitung hat; sowie auf ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Ozonerzeugungsanlage.

Die Ozonerzeugungsanlage der eingangs genannten Art sowie das Verfah­ ren zu ihrem Betrieb sind aus der US-Patentschrift 40 51 045 bekannt. Diese Veröffentlichung beschreibt allgemein auch die derzeit benutzte Art der Ozonerzeugung sowie typische Anwendungsfälle für den industri­ ellen Einsatz von Ozon.

Die Spannungsversorgung dieser vorbekannten Ozonerzeugungsanlage be­ steht aus einer drehstromgespeisten Gleichrichtereinheit, deren Aus­ gänge mit dem Wechselrichter verbunden sind, zu dem die Drossel ge­ hört. Sie ist in der Gleichstromzuleitung, also zwischen der Gleich­ richtereinheit und den Stromrichterventilen, angeordnet. Es sind ins­ gesamt vier Stromrichterventile, die als Thyristoren ausgebildet sind, vorgesehen, sie sind in einer Zweipuls-Brückenschaltung angeordnet und ausgangsseitig mit einem Transformator verbunden, der die Ausgangs­ spannung des Wechselrichters hochtransformiert und dessen Ausgangs­ wicklung an die Ozonerzeugerelemente angeschlossen ist.

Zur Funktionsweise von Wechselrichtern wird auch auf die DIN 41 750 verwiesen.

Die Ozonerzeugung der Anlage der hier in Rede stehenden Art ist steuerbar, auf diese Weise kann den jeweils betehenden Anforderungen entsprochen werden. Es wird jeweils nur soviel Ozon erzeugt, wie für den Prozeß, bei dem das hohe Oxidationspotential des Ozons ausgenutzt werden soll, benötigt wird. Bei der vorbekannten Ozonerzeugungsanlage werden Stromstärke und Frequenz der elektrischen Energie im Wechsel­ richter in Abhängigkeit von der benötigten Ozonmenge gesteuert. Hierzu ist für den Wechselrichter ein Steuersatz vorgesehen, der Steuerimpul­ se für die Stromrichterventile zu vorgegebenen Zeitpunkten erzeugt. Erfaßt werden der Strom in der Gleichstromzuleitung, die momentane Ozonerzeugungsrate und gegebenenfalls auch die Hochspannung über dem Ozonerzeugerelement. Neben Steuerimpulsen für die Stromrichterventile wird auch ein Steuersignal für die Gleichrichterbrücke erzeugt.

Unter dem Begriff Mittelfrequenz wird ein Frequenzbereich oberhalb der Netzfrequenz verstanden, dessen obere Grenze bei einigen kHz, allge­ mein aber unter 100 kHz liegt. Die Ozonproduktion ändert sich in diesem Bereich praktisch linear mit der Frequenz, so daß durch Frequenzsteue­ rung die Ozonproduktion beeinflußt werden kann.

Zumeist regelt man die Ozonproduktion jedoch nicht über die Frequenz, sondern über die Ausgangsspannung des Wechselrichters. Die Ozonproduk­ tion steigt mit dem Quadrat der Spannung. Die Ausgangsspannung kann durch Ändern der Spannung und/oder des Stromes am Wechselrichter be­ einflußt werden. Bei selbstgeführten Wechselrichtern mit eingeprägtem Gleichstrom, wie er aus dem vorbekannten Patent bekannt ist, wird zumeist die Eingangs-Gleichspannung des Wechselrichters eingestellt, um die Ausgangsleistung zu beeinflussen. Entsprechend verfährt man bei einem Wechselrichter mit eingeprägter Gleichspannung.

Ozonerzeugerelemente der hier betrachteten Art sind im allgemeinen zylindersymmetrisch aufgebaut, sie arbeiten zumeist nach dem Prinzip der stillen elektrischen Entladung. Die angelegte Wechselspannung verursacht einen im wesentlichen rechteckförmigen Stromverlauf. Hin­ sichtlich der Einzelheiten wird auf die Doktorarbeit von Ulrich B. Küchler "Zur Optimierung luftbetriebener Ozonerzeuger" RWTH Aachen, Juni 1990, verwiesen.

Ein Ozon-Erzeugerelement der eingangs genannten Art stellt für die Spannungsversorgung eine im wesentlichen kapazitive Last dar. Beim praktischen Betrieb wird die Kapazität ständig umgeladen. Die elektrische Energie pendelt zwischen der Drossel und der Kapazität, die die Ozon-Erzeugerelemente bilden, hin und her, gesteuert durch die Stromrichterventile, Verluste werden durch die Gleichstromversorgung ausgeglichen. Dabei darf die den Ozon-Erzeugerelementen zuge­ führte elektrische Leistung einen gewissen Schwellenwert, der von dem jeweiligen Ozon-Erzeugerelement abhängig ist, nicht überschreiten. Bei zu hoher Energiezufuhr steigt die Temperatur des Gases zwischen den zwei Elektroden des Ozon-Erzeugerelementes soweit an, daß die Ozoner­ zeugungsrate abfällt. Gleichzeitig können Beschädigungen der Glaskör­ per der Ozon-Erzeugerelemente auftreten. Auf diese Probleme weist die genannte US-Patentschrift 40 51 045 in ihrer Einleitung hin.

Bei der Ozonerzeugungsanlage der eingangs genannten Art ist die Induk­ tivität der Drossel in der Gleichstromzuleitung fest vorgegeben. Dies ist nachteilig. Die Drossel wird benötigt, um während der Kommutierung der Stromrichterventile einen Kurzschluß der Gleichstromversorgung zu vermeiden, die Drossel wirkt als induktives Speicherelement. Ihre Induktivität bestimmt das Maß der in ihr gespeicherten elektrischen Energie, die gespeicherte elektrische Energie ist der Selbstinduktion proportional.

Der Wert der Induktivität der Drossel muß für die tiefste Frequenz, bei der die Anlage arbeiten soll, ausgelegt werden. Ebenso muß die Induktivität für die niedrigste mögliche Betriebsspannung ausgelegt werden. Wird die Induktivität nicht für die tiefste Betriebsspannung berechnet, so kommt es bei der tiefsten Betriebsspannung zu einem Lücken des Stromes. Bei höheren Spannungen, als für die Berechnung der Drossel zugrunde gelegt, steigt die in der Drossel gespeicherte elek­ trische Energie stark an.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, die Ozonerzeugungsanlage der eingangs genannten Art sowie das Verfahren zu ihrem Betrieb dahingehend weiterzuentwickeln, daß unabhängig von einer Regelung der Ausgangsspannung und/oder Frequenz stets eine energiegün­ stige Ozonproduktion, gemessen beispielswese in Wattstunden pro Gramm erzeugtem Ozon, stattfindet. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merk­ male des Patentanspruchs 1 hinsichtlich der Vorrichtung und durch die Merkmale des Patentanspruchs 5 hinsichtlich des Verfahrens.

Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, die Drossel hinsichtlich ihres Induktivitätswertes einstellbar zu machen. Verfahrensmäßig wird die einstellbare Drossel in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Ozon­ erzeugungsanlage verstellt, um so stets im Bereich einer energiegün­ stigen Ozonproduktion arbeiten zu können.

In einfachster Ausbildung der Erfindung ist die Drossel manuell auf den günstigsten Wert einstellbar. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Induktivitätswert der Drossel nicht manuell, son­ dern durch eine Regeleinrichtung verstellt. Dadurch läßt sich ein optimaler Arbeitsbereich automatisch einhalten.

Die einstellbare Drossel selbst kann beliebig ausgeführt sein. So können beispielsweise mehrere Einzeldrosseln eingesetzt werden, die je nach Anforderung eingesetzt werden, wobei sie auch parallel- oder seriellgeschaltet werden können. Für die Zusammenschaltung können Stromrichterventile oder auch Relais eingesetzt werden. In einer ande­ ren Ausbildung ist die Drossel wie ein Stelltransformator ausgeführt, zwischen dessen Schleifkontakt und einem Wicklungsende die jeweils benötigte Induktivität eingestellt und abgegriffen werden kann. Darü­ ber hinaus können auch Drosseln (in Form von Transduktoren) eingesetzt werden, die zusätzliche Wicklungen aufweisen und bei denen der Kern durch einen Stromfluß in diesen zusätzlichen Wicklungen mehr oder weniger stark vormagnetisiert wird, so daß für die eigentliche Dros­ selwicklung nur noch die verbleibende Magnetisierung genutzt werden kann, auf diese Weise wird die Induktivität geregelt.

Die Induktivität der Drossel wird über einen Betriebsparameter der Ozonerzeugungsanlage geregelt, beispielsweise durch Erfassen der Aus­ gangsspannung und der Frequenz, durch Erfassen der Konzentration des momentan erzeugten Ozons usw.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übri­ gen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht ein­ schränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen:.

Fig. 1 ein Diagramm der Abhängigkeit der Ozonkonzentration Q von der zugeführten elektrischen Energie E in vereinfachter und ideali­ sierter Form,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Ozonerzeugungsan­ lage,

Fig. 3 eine Anlage entsprechend Fig. 2, jedoch in geänderter Ausfüh­ rung der Regelung.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter und idealisierter Form die Abhän­ gigkeit zwischen der momentan erzeugten Ozonkonzentration Q und der momentan zugeführten elektrischen Energie E, dieser Zusammenhang ist in dieser Form nicht vorbekannt.

Damit überhaupt eine Ozonerzeugung stattfinden kann, muß ein gewisser Schwellenwert der zugeführten elektrischen Energie Es überschritten werden. Ausgehend von diesem Schwellenwert Es steigt die momentan erzeugte Ozonkonzentration mit zunehmender Zufuhr der elektrischen Energie E an. Dabei ist vorausgesetzt, daß die sonstigen Parameter konstant bleiben, beispielsweise ein konstanter Gasdurchfluß erfolgt.

Oberhalb eines kritischen Energiewertes Ek wird durch weitere Steige­ rung der zugeführten Energie E die Ozonproduktion nicht mehr gestei­ gert, vielmehr bleibt sie annähernd konstant. Dies gilt bis zu einer weiteren Energieschwelle Ew oberhalb welcher die zugeführte elektri­ sche Energie nun das Gas im Spalt so stark aufheizt, daß erzeugtes Ozon wieder zerfällt, also weniger Ozon am Ausgang zur Verfügung steht als unterhalb des Schwellenwertes Ew.

Diese Erkenntnisse macht sich die Erfindung zu nutze, sie ist be­ strebt, im wesentlichen im Bereich des Schwellenwertes Ek zu arbeiten, jedenfalls diesen Schwellenwert möglichst nicht zu überschreiten.

Möglich wird dies erfindungsgemäß durch eine Schaltung, wie sie in Fig. 2 (oder Fig. 3) dargestellt ist. In bekannter Weise ist ein Gleichrichter 20 in Form einer Brücke vorgesehen, der eingangsseitig an eine Drehstrom-Netzversorgung angeschlossen ist und ausgangsseitig eine ungeglättete Gleichspannung abgibt. Sie wird über eine Drossel 22 vier Thyristoren 24 zugeleitet, die eine selbstgeführte Brückenschal­ tung bilden. Sie sind wiederum an die Primärwicklung eines Transforma­ tors 26 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung mit einem hier nicht näher dargestellten Ozon-Erzeugerelement 28 in Verbindung steht. Die Ansteuerung der Thyristoren 24 erfolgt nach dem Stand der Technik mittels eines Steuersatzes 25.

Die Drossel 22 ist einstellbar, anders ausgedrückt kann ihr Induktivi­ tätswert gestuft oder auch (in anderer Ausführung) stufenlos verändert werden. Diese Veränderung kann in einfachster Ausführung manuell er­ folgen, in den gezeigten Ausführungsbeispielen erfolgt sie jedoch mechanisch und in Abhängigkeit von einer Regelschaltung, auf die nun eingegangen wird:
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird über einen Stromsensor 30 der jeweilige Stromwert in der Gleichstromzuleitung erfaßt und eine Regel­ schaltung 32 zugeleitet. Ebenso wird die Ausgangsspannung, also die am Ozon-Erzeugerelement 28 anliegende Spannung über einen Spannungssensor 34 erfaßt, der ebenfalls an der Regelschaltung 32 angeschlossen ist. Schließlich wird die Frequenz der Ausgangsspannung über einen entspre­ chenden Sensor 36, der beispielsweise ale Frequenz-Spannungsumsetzer ausgeführt ist, erfaßt und der erhaltene Wert der Regelschaltung 32 zugeleitet.

In der Regelschaltung 32, in der beispielsweise ein Mikroprozessor vorgesehen sein kann, wird aus den jeweiligen Daten der optimale Wert der Induktivität der Drossel 22 errechnet bzw. ein entsprechendes Signal erzeugt. Dieses Signal wird einer Stelleinrichtung 38 zugelei­ tet, die ihrerseits auf die Drossel 22 einwirkt und deren Induktivität entsprechend der erhaltenen Stellspannung einstellt. Auf diese Weise sind kurzfriste Änderungen der Ozonerzeugung möglich, die Regelschal­ tung sorgt dafür, daß dabei die Ozonerzeugungsanlage im optimalen Arbeitspunkt verbleibt.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind ebenfalls eine Regelschaltung 32 und eine Stelleinrichtung 38 vorgesehen, anstelle der Sensoren 30, 32 und 36 ist jedoch ein einziger Sensor 40 für ein Erfassen der mo­ mentanen Ozonproduktion vorgesehen, er ist mit der Regelschaltung 32 verbunden. Diese erhält über eine Leitung 42 zusätzlich eine Informa­ tion über die aktuell benötigte Ozonmenge. In der Regelschaltung 32 ist ein Speicher vorgesehen, in dem optimale Betriebsdaten für die jeweils benötigte Ozonproduktion abgespeichert sind. Entsprechend wird die Ozonerzeugungsanlage eingestellt und entsprechend wird insbesonde­ re die Drossel 22 gestellt. Über den Sensor 40 wird die tatsächlich erreichte Ozonproduktion überwacht und die Drossel so verstellt, daß die optimale Ozonproduktion erhalten wird.

Eine Kombination der Schaltungen nach Fig. 2 und Fig. 3 ist möglich. Schließlich ist es besonders vorteilhaft, über die Regelschaltung 32 auch Einfluß auf den Steuersatz 25 zu nehmen, der die Steuerimpulse für die Thyristoren 24 erzeugt und/oder den Gleichrichter 20 zu steuern.

Claims (6)

1. Ozonerzeugungsanlage mit Ozon-Erzeugerelementen (28), bei denen zwischen zwei Elektroden sowohl sauerstoffhaltiges Einsatzgas durchströmt als auch ein Dielektrikum vorgesehen ist, und mit einem Wechselrichter, der selbstgeführt ist, steuerbare Stromrichterven­ tile (24) aufweist, eine Ausgangsspannung im Mittelfrequenzbereich einstellbarer Frequenz und/oder einstellbaren Spannungswertes ab­ gibt und der eine Drossel (22) in der Gleichstromzuleitung auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (22) eine einstell­ bare Induktivität aufweist.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Drossel (22) zwischen einer maximalen Induktivität für die minimale Frequenz und einer minimalen Induktivität für den maximalen Frequenzwert einstellbar ist.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Drossel (22) zwischen einer maximalen Induktivität für den minimalen Spannungswert und einer minimalen Induktivität für den maximalen Spannungswert einstellbar ist.

4. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Drossel (22) zwischen einer maximalen und minima­ len Induktivität für den maximalen und minimalen Gasdurchfluß und/oder Gasdruck einstellbar ist.

5. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (22) eine Einstellvorrichtung (38) aufweist und diese mit einer Regelschaltung (32) verbunden ist, die ihre Eingangsgröße von mindestens einem Sensor (z. B. 30, 34, 36, 40) erhält, der einen Betriebszustand der Ozonerzeugeranlage erfaßt, z. B. die Konzentra­ tion des momentan erzeugten Ozons, die Spannung an den Ozonerzeu­ gerelementen (28), die Frequenz oder den Strom am Ausgang des Wechselrichters oder an den Ozonerzeugerelementen (28), den Gas­ druck und/oder den Gasdurchfluß.

6. Verfahren zum Betreiben einer Ozonerzeugungsanlage mit Ozon-Erzeu­ gerelementen (28), bei denen zwischen zwei Elektroden sowohl sauer­ stoffhaltiges Einsatzgas durchströmt als auch ein Dielektrikum vorgesehen ist, und mit einem Wechselrichter, der selbstgeführt ist, steuerbare Stromrichtervnetile (24) aufweist, eine Ausgangs­ spannung im Mittelfrequenzbereich einstellbarer Frequenz und/oder einstellbaren Spannungswertes abgibt und eine Drossel (22) in der Gleichstromzuleitung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (22) einstellbar ist und ihre Induktivität in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter des Betriebszustandes der Ozonerzeu­ geranlage geregelt wird, z. B. in Abhängigkeit von der momentan erzeugten Ozonkonzentration, von der Spannung an den Ozonerzeuger­ elementen (28), der Frequenz oder dem Strom, dem Gasdruck und/oder dem Gasdurchfluß.