cenidef Jaime... · conocidos como figuras de Lissajous, ... the breakdown voltage to produce a discharge was lower and the area of Lissajous ... COMENTARIOS Y CONCLUSIONES

S.E.P S.E.1.T D.G.I.T CENTRO NACIONAL DE INVISTIGACIÓN

Y DESARROLLO TECNOLÓGICO

cenidef CARACTERTZ CIÓN ELÉCTRICA DE UNA CÉ ULA

GENERADORA DE OZONO DE TIPO PLACAS PARALELAS

T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO ’ EN CIENCIAS EN INGENIElÚA ELECTRÓNICA

P R E S E N ’ T A :

JAIME FERNÁNDEZ ELIZALDE

DIRECTORES DE TESIS

DR. MARIO PONCE SILVA DR. JAIME EUGENIO ARAU ROFFIEL

CUERNAVACA, MORELOS FEBRERO 2005

,.enid& Ceniro Nacional de lnvesiigacidn y Desarrollo Tecn016gico , . Sistema Nacional de Institutos Tecnológicos

ANEXO No.11 M10

ACEPTACI~N DEL DOCUMENTO DE TESIS

Cuemavaca, Mor., a 3 I de enero del 2005

C. Dr. Enrique Quintero-Mármol Márquez Jefe del departamento de Electrónica Presente.

At’n C. Dr. GerardoV. Guerrero Ramírez Presidente de la Academia de Electrónica

Nos es grato comunicarle, que conforme la Ciencias de este Centro, y después de h~~~

lineamientos para la obtención del grado de Maestro en ier sometido a revisión académica la tesis titulada:

“Caracterización Eléctrica de una Célula Generadora de Ozono de Tipo Placas Paralelas”, realizada por el C. Jaime Fernández Elizalde, y dirigida por el Dr. Mario Ponce Silva y el Dr. Jaime E. Arau Roffiel, y habiendo realizado las correcciones que le fueron indicadas, acordamos ACEPTAR el documento final de tesis, así mismo le solicitamos tenga a bien extender el correspondiente oficio de autorización de impresión.

Atentamente La Comisión de

Dr. Frahcisco Canales Abarca Nombre y firma Nombre y firmay DESARROLLO Revisor Revisor .TFCNOLOGlCO

”.‘D’fl. DE ELECTRONICA

C.C.P. Subdirección A c a d h i c a Departamento de Servicios Escolares Directores de tesis

1 2 mgmma Acla~rnko. Rwlamrno y Pmcmimkma Auaemicaarninbb.tlms dc 10s pmgmrnar de Malstdi en clendah del CENIDET

cenidet Centro Nacional de Investigacibn y Desarrollo Tecnoldgico Sistema Nacional d e Institutos Tecnologicos

ANEXO No. 12 M11

AUTORIZACI~N DE I M P R E S I ~ N DE TESIS

Cuernavaca, Mor., a 7 de febrero del 2005

C. Ing. Jaime Fernández Elizalde Candidato al grado de Maestro en Ciencias en Ingenieria Electrónica Presente.

Después de haber atendido las indicaciones sugeridas por la Comisión Revisora de la Academia de Electrónica en relación a su trabajo de tesis cuyo titulo es: “Caracterización Eléctrica de una Célula Generadora de Ozono de Tipo Placas Paralelas”, me es grato comunicarle que conforme a los lineamientos establecidos para la obtención del grado de Maestro en Ciencias en este centro se le concede la autorización para que proceda con la impresión de su tesis.

Atentamente

g&&z - C. Dr. Enrique Quiitero-Mármol Márquez Jefe del Departamento de Electrónica

C.C.P. Subdirección Académica Presidente de la Academia de Electrhica Departamento de Servicios Escolares Expediente

CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICADE UNA CÉLULA GENERADORA DE OZONO DE TIPO PLACAS PARALELAS

JAIME I’ERNÁNDEZ ELIZALDE

MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENERIA ELECTRONICA

FEBRERO 2005

Resumen

En este trabajo se revisa el uso del ozono como una alternativa de desinfección e incluye una breve descripción de los tipos de descarga empleados para generar ozono en aplicaciones domésticas. Entre las cuales destaca la descarga en barrera dieléctrica DBD. que consiste de una inultitud de filamentos de corriente de corta duración los cuales, para esta aplicación, normalmente se presentan a presión atmosférica o mayores. La generación de ozono basada en este tipo de descarga ha sido utilizada desde hace tiempo tanto en equipos industriales coino doinésticos. La estructura básica del ozonizador ó celda que utiliza la DBD, consta de dos electrodos entre los cuales se encuentra un dieléctrico y un espacio donde se produce la descarga.

En la representación eléctrica de la celda que se utilizó, se incluye el coinportaiiiiento no lineal de la misma debido a los dos intervalos de operación que se presentan: pausa y actividad de la descarga. Los diagramas de voltaje-carga ó también conocidos como figuras de Lissajous, se utilizan para establecer un procediiniento que ayude a estimar los parámetros de la cela de farina experimental. Adeinás, el área de estos diagramas representa la energia de descarga por ciclo, y de la cual se puede obtener la potencia activa aplicada a la celda.

Con la finalidad de observar el coinportainiento de la celda, se desarrolló una fuente de aliinentación que proporciona los voitajes requeridos para producir la descarga a diferentes frecuencias de operación. Los armónicos del voltaje de salida del inversor se trasladaron a frecuencias mayores a IOOkHz para evitar que el circuito resonante, formado por el conjunto transformador-celda, afecte los diagrainas voltaje- carga. Las frecuencias de operación de esta fuente de alimentación se encuentran dentro del intervalo de 5kHz a 30kHz, las cuales están dentro de la clasificación de generadores de ozono de alta frecuencia.

En las diferentes pruebas realizadas a una celda de tipo placas paralelas, se verificó su comportainiento capacitivo no lineal y la presencia de los dos intervalos de operación de la descarga, en las diferentes frecuencias de operación de la fuente y para una misma potencia. Los resultados presentados en frecuencias de operación más altas indicaron lo siguiente: que la duración de la actividad de la descarga fue inenor, que el voltaje en el espacio para la descarga (determinado indirectamente) presentó una forma de onda más sinusoidal que la que presenta en bajas frecuencias, el voltaje requerido para producir la descarga también fue menor y el área presentada en la figura de Lissajous correspondiente fue más reducida. Por otra parte, la concentración de ozono aumentó alcanzado un máxiino donde posteriormente disminuyó. Finalmente, con respecto a la temperatura, ésta aumentó a frecuencias más altas para la Inisma potencia.

. .

ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF A PARALLEL PLATE OZONIZER

JAIME FERNÁNDEZ ELIZALDE

MASTER IN SCIENCES IN ELECTRONIC ENGINEERING

FEBRUARY 2005

Abstract

In this work is reviewed the use of ozone as a disinfection alternative and is included a brief desciptiori of some types of electrical discharges used to ozone generation in domestic aplicactions. One of them is the dielectric barrier discharge DBD or silent discharge, which consists of a multitude of current filament of short duration and for this application it is usually operated in a high pressure gas. The ozone generation based in this kind of discharge has been used for long time as in industrial equipment as domestic. Basic structure, where the DBD occurs, it is the discharge reactor also called cell or ozonizer, it consists of two electrodes between which there are a dielectric material and a gas gap where the discharge takes place. ,

In the electric model utilized for the cell, it is included the non linear behavior due the two intervals of operation that they are presented: pause and activity of the electrical discharge. The voltage-charge diagram, also called Lissajous figure, are used to set a procedure which help to estimate parameters of the cell in experimetally form. I n addition, the area of these diagrams represents the energy per cycle in the silent discharge, and from which the active power applied can be obtained.

With the purpose to .observe the behaviour of the ozonizer, a power supply that provides the required voltage to produce the discharge at different operation frequencies was developed. The output voltage harmonics of the inverter appers in frequencies higher than 100 kHz to avoid that the resonant circuit formed by whole transformer- ozonizer affects the voltage-charge diagrams. The operation frequencies of this power supply are within the interval of 5 kHz to 30 kHz, which are within the classification of high frequency ozone generators.

In the tests realized in a parallel plate ozonizer, its non linear capacitive behavior and the existence of the two intervals of discharge operation were observed in the different operation frequencies of the power supply and for the same power. The results obtained in high frequencies indicate that the time of activity discharge was shorter, the voltage of the discharge gap (indirectly calculated) showed a waveform more sinusoidal, the breakdown voltage to produce a discharge was lower and the area of Lissajous figure also was smaller. On the other hand, the ozone concentration arised until a inaxitnun value was reached but this one was falled laterly. And with regard to the temperature, this one was increased in higher frequencies for the same power.

Dedicatoria

AI amor de mi vida, Irene.

A mis padres y hermunos quienes me Iran apoyado incondicionalmente.

. . :

Agrade-cimientos

De manera especial a mis asesores: Dr. Mario Ponce S. y Dr. Jaime Arau R., promotores del tema de tesis y quienes compartieron conmigo sus conocimientos y experiencias.

A los revisores: Dr. Carlos Aguilar C., Dr. Hugo Calleja G. y Dr. Francisco Canales A, por sus comentarios, asesorias y buenos consejos durante el desarrollo de este trabajo.

A mis amigos y compañeros de generación: Tico, Sanabria, Jancth, Arturo, Efrén, Mario, José, Pablo, Branlio, Miguel, Mauricio, Mariano, Efraín, Edson, Edwin, Arceo y Jacobo.

A mis compañeros de tema: José M. Calderón A,, Erwin Beutelspacher S., y Jorge Aguilar R.

Al jefe del departamento, al personal administrativo y a los profesores que me ayudaron a concluir este trabajo.

Y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por su apoyo económico.

Tabla de Contenido

Tublu de Coiilcnido ............................................................................................... i

Sirnbologíu.. .......................................................................................................... iv

Listu dc Figurus ................................................................................................... v i

Lisfu de Tublus. .................................................................................................. vii

cupílulo 1 ............................................................................................................. I

INTROD UCCIÓN ............................................................................................... I

1 .1 Importancia del ozono ......................................................................................... I

1.2 Revision de la literatura .......................... : ........................................................... 2

1.3 Objetivo ................................................................................................................. 8

1.1 Organizacion del documento ............................................................................... 8

1.5 Referencias ............................................................................................................ 9

Cupitulo 2 ........................................................................................................... 1 I

.I

.,

DESCARGA EN BARRERA DIELÉCTRICA APLICADA A LA

GENERACiON DE OZONO ........................................................................................ 11

2. I Introduceion ....................................................................................................... I 1

2.2 Ruptura eléctrica ................................................................................................ 12

2.3 Tipos de descarga empleados ............................................................................ 14

.,

2.4 Descarga en barrera dieléctrica, DBD ............................................................. 16

2.5 Representación eléctrica. ................................................................................... 18 ....................................................... I9 2.5.1 Intervalo t i a t2 ........................

2.5.2 lntewaloi2 at, ....................................................................................

2.6 Estimación d e los parámetros ........................................................................... 21

.. 2.7 Est imacion de l a potencia .................................................................................. 24

2.8 Referencias .......................................................................................................... 26

C(Ipít1rlrl 3 ........................................................................................................... 28

BANCO DE PRUEBAS ..................................................................................... 28

3.1 In t roducc ion ....................................................................................................... 28

3.2 Esl)ecificaciones Generales ................................................................................ 29 3.2.1 Frecuencia (5k a 3OkHz) .... ........ ........................................ 29

3.2.2 Potencia ........................................................................................................ 30

3.2.3 Eliniinar los armóiiicos de iiieiior orden .................................................................... 30

3.3 Conve r t i do r CD-CA ........................................................................................... 31 3.3. I Selección del interruptor ..... ......................................... 31

. .

3.3.2 Impulsores .......................................................................................... 32

3.4 C i r c u i t o de gobierno .......................................................................................... 32

3.4.1 Fuiidanieiitos del esqiienia PWM con Coiiiiiutación de Tensión Unipolar ................ 33

3.4.2 Iinpleiiientación del esquema I’WM con Conmutación de Tensión Unipolar 38

3.5 Trans fo rmado r elevador ................................................................................... 45

3.6 Simulaciones ....................................................................................................... 41

3.7 Referencias .......................................................................................................... 51

Capífirlo 4 ........................................................................................................... 53

PRUEBAS Y RESULTADOS ............................................................................ 53

4.1 Pruebas de l modelo ............................................................................................ 53 ........................................... 54

4.1.2 Verificación del caiiibio en la capacitancia equivalente de la celda GO .................... 56

4 .I . 3 Verificación del voltaje de mantenimiento. V, 58

$1.4 Simulación del inodelo eléctrico ................................................................................ 60

4.2 Caracter ización de la celda GO ........................................................................ 62

4.1 . 1 Observación de la presencia de iiiicrodescargas

4.2. I Condiciones de operacidn ........ ........ 62

Voltaje de mantenimiento de la descarga. Vz ................................................................ 63

Capacitancias ................................................................................................................. 64

.. I 1

4.2.2 Coiiceiitracióii de ozoiio ............................................................................................. 66

Cupit11lr, 5 ........................................................................................................... 69

COMENTARIOS Y CONCLUSIONES ............................................................ 69

Airexos ................................................................................................................ 74

A . Filtro pasa bajas .................................................................................................. 74

B . Programa PWM sinusoidal de tensión unipolar ............................................... 75

C . Programa para leer y seleccionar las secuencias de conmutación .................. 7 1

D . Diseño del transformador ................................................................................... 78

BIBLIOGRAFIA GENERAL ............................................................................ 81

... 111

Sim bología

Capacitaiicia del espacio para la descarga

Capacitancia equivaleiite durante l a pausa de l a descarga

Capacitaiicia del dieléctrico

Capacitor de inedición auxiliar

Espacio para la descarga

Campo eléctrico

Frecuencia

Frecuencia de la componente fundamental de la salida del inversor

Frecuencia del componente armónico

Frecuencia del componente armónico de menor orden

Frecuencia del cristal del inicroconirolador

Frecuencia de portadora (señal triangular)

Espesor del dieléctrico

Corriente en la celda generadora de ozono

Corriente de avalancha

Corriente inicial de avalancha

Pulso de corriente

Indice de modulación de amplitud

indice de modulación en frecuencia

Densidad del gas

Presión del gas

Potencia

iv

Carga a través de la celda generadora de 0~0110

Tiempo por cada operación del inicrocoiitrolador

Volta.je iiistaiitáiieo i en la celda generadora de ozono

Voltaje eii la celda generadora de ozono

Voltaje instantáneo i en el capacitor C,,

Voltaje en el capacitor de medición auxiliar

Señal de voltaje sinusoidal

Voltaje de salida del inversor

Señal de voltaje triangular

Volta,je de alimentación del inversor

Aiiiplitud del voltaje en la celda

Aiiiplitud de la señal de voltaje senoidal

Voltaje mínimo en la celda para producir la descarga

Voltaje de umbral

Amplitud de la señal de voltaje triangular

Voltaje de mantenimiento de la descarga

Energía

Incremento del voltaje en la celda durante el intervalo A B

Incremento de voltaje en la celda durante e l intervalo BC

Incremento del voltaje en el capacitor C, durante el intervalo AB

Incremento del voltaje en e l capacitor C,, durante el intervalo BC

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/;IR 4.3 . Sefiales de rolloie I covieníe o I l N I ~ l ~ ............................................................................. 4- j j

l.'ig . 4.4 Sefinles de i~ol/i!je y coi.rieiire a 3í ik Ik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I / j j

tl:-Jg.~.j twi.ode.ycoi.gos O ion1.i: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . jj l.lg.4.6 i~lici.o[ie.~c[i~g[i.y n 3nnti: .............................................................................................. 4- j j

Fig . 4 . 7 / ? p r o de Li.rs"jo,is o I O kl.1:. 711' Lje ,Y . I(.(;,, ( C l l l : j í i n l ~ ' ~ l ~ i ~ ~ ~ c j e y . I ' ~ . , , , (CI-/2: 2i</l>iv) ..... 57

I i g . 4.5 Figrim de Lissajor, s O 30 kHz . il.1' /$e A .. v(.<;<, (Clfi:500i.7l>ii:, ?: C;CJ, . I,(.,,, (CH2: 2i//l>i1, ) .... 57

Fig . 4.9 Volraje eii el espaciopoi-a lo descoiga a IOklir ................................................................. 59

Fig . # . IO I'ollaje en el e.spacio1mi.a la descwga a 30klfz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Fig . 4 . I I Ciirrrilo eleclrico siiiidado ....................................................................................................... 60

l.-ig. 4 . 12 F7gttm de lhsajorrs e.~periiiieiilnlde 26.62 ii'aiisy 2.Xkl.ii. ................................................... 61

Fig . 4 . 13 Figwn de 1hsa;oris en . sirrrt,lación de 26.35 ii'nrrsy 2.Rkl'jj

Fig . 4 . I4 Dliniaciori del volraje eii el espacio de la de.scarga r(.<,,,, ............................

Fig . J 15 Sitirrrlación del ilolraje del espacio para la descarga v(li,, .................................................... 61

.

.......................................

Fig . 4 . 16 Variacióii del volraje de iiianrer+~ieriro de la descargo 1.i . coli re;l>ecro de la. .eciieircia ....... 64

Fig . 4. I & liariación de la capaciraiicio del espacio de In descarga C, coli x q ~ e c r o de lafiecrieiicia

....................... /'ig . 4.17 I~Rrinciórr de la capaciiancia eqrrii. aleiire C,,,, con i-epecro de 1a.fircriencia 63

65

/.-ig, I/ . 19 I;ariacióii de /a capociraiicin del dielécrrico C,, . ........................................... ........................... 66

,'ig. 4.20 I.Bi.iacióii de /a coiiceiiiracióii de oioiro .............................................................................. 66

. . . .

Fig 4.21 Variación de Io leiiiperatrira .......................................................................................... 67

Lista de Tablas

Tabla I . I Cla. rificación de los ge>iemdores de ozono .............................................................................. 4

Tabla 3 . I D!ferrii/es combinaciones de los iiirerrrtprores en coiidrrcción ........................................... 36

Tabla 4 . I Especificaciones del ozoiii~ador ........................................................................................... 54

Tabla 4 3 Condiciones de operaciin de I o caracrerización .................................................................. 62

7abln D . I EspeciJicaciones del ri.a,isfoi-erndor .................................................................................... 78

Tabla 3.2 Posiciones de los inrerrirploves para la selección de riimfi.eci,encirr. ....................................... 39

Tabla 4.2 Variación de la copocirancia a l0áHzy a 30kHi ...................................................................... 56

. -

Capítulo I

1.1 Importancia del ozono

La eliininación de contaminantes orgánicos en sustancias como el agua requiere

de sistemas de desinfección más eficaces' que actúan en una variedad más amplia de

condiciones microbiológicas esperadas, y menores efectos indeseables para obtener un

mayor beneficio para la salud humana. Esto hace cada vez menos atractivo el empleo de

los métodos tradicionales de desinfección como es el caso del cloro.

Una alternativa para sustituir e l cloro es utilizar ozono como desinfectante

principal. Éste es considerado uno de los desinfectantes más eficaces y presenta la

enorme ventaja de no producir residuos peligrosos para la salud humana.

Las dos décadas pasadas fueron de gran importancia en la generación y uso del

ozono, permitiendo una mayor aplicación en diferentes campos de la tecnología y una

mejora de los fiindainentos para tener eficieiicias más altas en la producción de ozono.

Existen cada vcz más aplicaciones que requieren de equipos para la desinfección a

pequeña escala. Las tendencias en estos sistemas se enfocan a reducir el costo e

incrementar la concentración de ozono [ I ]

1

Entre las diferentes forinas de gcncrar ozono. las descargas eléctricas

proporcionan los niveles de coiiceiitracióii iiiás altos y son bastante utilizadas cii

sistemas coinerciales.

Una opción para mejorar e l tamaño de estos equipos. es aumentar la fi-eciiencia

de operación. Las altas frecuencias de operación periniten inipleiiientar rtientes de

aliiiientacióii de iiienor tainatio, peso y costo' comparadas con las fuentes tradicionales

que operan a la frecuencia de línea. Sin embargo, el aunieiito de l a frecuencia también

provoca un aumento de temperatura que desfavorece la forinación de ozono. En

sistemas de poca producción este problema no es tali significativo debido al bajo

consumo eléctrico y puede atenuarse iinplenientando algún sistema de enfriainiento. Por

lo que este trabajo se enfoca en sistemas de generación de ozono que operan en alta

frecuencia y que consuinen poca potencia.

Con la finalidad de conocer el coinpoilamiento eléctrico del reactor donde se

produce la descarga eléctrica (celda) operando en alta frecuencia, se requiere desarrollar

una fuente de alimentación que proporcione los volia.jes requeridos a diferentes

frecuencias.

1.2 Revisión de la literatura

El ozono es un forma alotrópica del oxígeno cuya formula es O;, que se genera

por varios inétodos incluyendo las descargas eléctricas, la radiación ultravioleta y la

electrólisis [2]. En aplicaciones que requieren de concentraciones de ozono altas, las

descargas eléctricas son el método más utilizado.

Actualmente, la energía útil para producir ozono representa un bajo porcentaje

de la energía aplicada a l a celda (entre IO y 20% en condiciones óptimas). Con el

propósito de mejorar la eficiencia en e l reactor ó celda, se han iinpletnentado diferentes

tipos de descarga cuyo nombre depende de los materiales dieléctricos, configuración de

los electrodos, fuente de alimentación, etc.

L

Entre los diferentes tipos de descarga, existen sistemas que no utilizan

dielectrico cuya finalidad es producir un caiiipo eléctrico fuertemente no iioinogéneo,

utilizados tanto eii equipos doinésticos 1:3] como iiidtistriales [4].

El tipo de descarga más utilizado en la geiieracióii de ozono es la descarga en

bai-rera dieléctrica DBD. la cual tiene como ventaja conirolar la producción de ozono

por inedio de factores externos y puede generarse a presiones altas [5]. Se dispone desde

equipos industriales para el tratamiento de aguas residuales, que consumen varios kW

operando a frecuencia de linea: hasta equipos domésticos utilizados para la desinfección

que coiisuiiien decenas watts ó menos y operan a frecuencias de algunos kHz [6].

La iinplemeiitación de sistemas en alta frecuencia permite un mejor control de la

producción de ozono con fuentes de menor tamaño [7]. En aplicaciones doinésticas un

tainaiío reducido es una característica deseable ya que la inestabilidad del ozono impide

transportarlo o alinacenarlo, requiriendo generarse en el lugar donde seaplica.

L a clasificación de los generadores de ozono por su frecuencia de operación [8],

se divide en tres categorías: geiieradores en frecuencia baja que operan en 50 ó 60Hz;

generadores de frecuencia inedia cuya operación está entre 60Hz y lkHz y; los

generadores de alta frecuencia operando a más de IkHz. L a Tabla 1.1 resume las

características de estas categorías.

3

Frecuencia (IW Baja

(50 a 60)

Media

(60 a Ik )

Alta

(mayor a 1 k)

Tabla 1.1 Clasificación de los generadores de ozoiio.

Caracterisiicas

I

Tecnología inás antigua, los equipos coinerciales se obtuvieron alrededor de los 70s.

Equipos iiiás voluminosos pero inás siinples.

Ba.jo nivel de concentración de ozono e i i e l rango de 0.8% a 1 .j%.

Alto volta,je en el dieléctrico hasta 20kVrins.

1 0

Tecnología relativaiiiente reciente, los equipos coinerciales aparecen en los 80s.

Aproximadainente 50% inás reducidos que los de baja frecuencia.

Proporciona altas concentraciones de ozono (1.2% a 2.5%).

Tecnología más reciente.

o Equipos inás reducidos.

Proporciona concentraciones de ozono más altas.

Sistema de enfriamiento inás elaborado.

En trabajos realizados recientemente, se han desarrollado sistemas operando en

la categoría de generadores de ozono de alta frecuencia, tanto para aplicaciones

domésticas [6],[9],[ IO]como industriales [13], los cuales operan a frecuencia de hasta

20kHz.

Debido a la complejidad del proceso de formación del ozono, la frecuencia de

operación de algunos sistemas se determina experimentalmente considerando la

producción de ozono [9 ] . El coinportainiento es que al aumentar la frecuencia se tiene

un incremento de la producción de ozono hasta alcanzar un valor máximo y

posterioriiiente disminuye [I O ] .

L a Fig. I u n diagrama de las partes básicas que forman uti generador de ozono:

una fuente de aliiiieiitacióii de alto voliaje capaz de producir la descarga eléctrica; un

sistema de aliiiieiiiacióii del gas que contieiic las iiiolécillas de oxígeiio: generalmente

aire u oxígeno puro y: una celda donde ocurren las reacciones que periniteii la

formación del ozono.

Sistema del 1

alinieiitacióii u 0 2 "

Fig. 1.1 Partes básicas de un generador de ozono.

L a celda consta de dos electrodos entre los cuales se encuentra al imenos un

dieléctrico y un espacio donde ocurre l a descarga. Desde el punto de vista eléctrico, el

dieléctrico se puede representar como un capacitor y la impedancia del espacio para la

descarga se puede representar como el paralelo de un capacitor y una resistencia. cuyo

valor cambia debido a la descarga.

En celdas diseñadas para una frecuencia de operación específica, se agregan

elementos reactivos formando un esquema resonante. Básicamente consiste en conectar

un inductor para compensar el comportamiento capacitivo de la carga [I I ] , el cual se

calcula para operar en la frecuencia de resonancia ó en una frecuencia cercana. Sin

embargo, el cálculo del inductor es complejo debido al comportamiento no lineal de la

carga [12].

Existe un modelo eléctrico. mostrado en el capítulo dos, que describe el

comportamiento no lineal de las celdas generadoras de ozono y que se utiliza en

generadores de ozono de alta frecuencia [ i 3 ] . Sin embargo, e l procedimiento para

obtener sus paráinetros no es claro. Pero por otro lado. para aplicaciones de muy baja

5

potencia se han realizado simplificaciones que omiten el coiiiportamienio no lineal de la

carga [14].

El requisito para producir la DBD es proporcionar un campo eléctrico alterno

suficientemente elevado para provocar la ruptura eléctrica del espacio donde ocurre la

descarga. Las soluciones más comúnmente utilizadas en alta frecuencia incluyen

convertidores CD-CA que permiten modificar la amplitud yio la frecuencia de la señal

de salida. Y para alcanzar el voltaje requerido las soluciones más comunes son:

Tanque resonante. En esta opción la ganancia de voltaje depende de las

características del circuito resonante, como su factor de calidad y su frecuencia de resonancia.

Transformador elevador. La ganancia de voltaje depende prácticamente

dc la relación de vueltas y mantiene en un nivel aceptable los voitajes en

el inversor. Estos transformadores presentan una capacitancia parásita

significativa que influye en la eficiencia del convertidor [15]. Aunque en

algunas aplicaciones se puede utilizar como parte del circuito resonante.

La salida de un convertidor CD-CA generalmente es una forma de onda

cuadrada conteniendo armónicos que se pueden amplificar por las frecuencias de

resonancia entre los elementos parásitos del transformador. Para reducir el contenido

armónico de dicha forma de onda las técnicas comúnmente empleadas son [16]:

Modulación senoidal del ancho del pulso. Esta técnica se basa en la

comparación de una señal senoidal y una señal triangular. L a señal

senoidal controla la magnitud y frecuencia del voltaje de salida. En esta

técnica los armónicos de menor orden son reducidos significativamente y

las pérdidas por conmutación en los interruptores se incrementan

proporcionalmente con la frecuencia de la señal triangular.

Modulación senoidal modificada de ancho de pulso. En esta técnica la

señal triangular se aplica durante e l primer y último intervalo de 60" de

6

, . .. ,

cada medio ciclo (es decir de cero a 60" y de 120" a I SO"). El i-esuliado

es tina reducción de iiúiiiero de conmutaciones y por lo tanto iiieiiores

pérdidas eii los iiiiei-rtiptores. S in embargo los ariiióiiicos de iiienor orden

no se reducen si~nificaiivaiiieiitc.

Control por desplazamiento de fase. Coiisiste eii desplazar uti cierto

ángulo los voltajes de salida de cada rama del inversor puente completo.

L a suma de esios voltajes produce una salida de tres niveles. Esie tipo de

control es especialmente út i l en aplicaciones de alta potencia.

0 Modulación en escalera. L a señal de modulación es una onda en escalera

cuyos escalones son calculados para eliniinar armónicos específicos. Este

es un PWM optitnizado y 110 se recomienda para casos coil ineiios de 15

ptilsos por ciclo.

Modulación por inyección de armónicas. La se,jíal de iiiodulación es

generada mediante la inyección de armónicas seleccionadas en la onda

senoidal. Suministra una mayor amplitud de la fundamental y una menor

distorsión del voltaje de salida.

De la revisión de la literatura de los generadores de ozono en alta frecuencia se

concluye lo siguiente:

. Es necesario verificar el modelo eléctrico de l a DBD en alta frecuencia y

observar su comportamiento.

El transformador elevador representa una forma fácil de alcanzar los

voltajes requeridos para producir la descarga.

La técnica PWM senoidal atenúa significativamente los componentes

armónicos más cercanos a la componente fundamental del volta.je de

salida del inversor, de manera sencilla.

7

1.3 Objetivo I

Como se iiieiicioiio aiiterioriiieiite. existe la tendencia de aiiiiieiitar la frecuencia

eii las fueiitcs de aliiiieiitacióii de los generadores de ozono. especialineiite en los

equipos de poca producción (doiiiésiicos). Este aumento periiilite reducir el tamaño y

peso de la fuente de alimentación. Sin embargo, la frecuencia de operación es incierta

así coino su representación. Considerando dicha necesidad, este trabajo tiene como

principal objetivo:

Desai-rollar un banco de pruebas que permita caracterizar la celda generadora de

ozono.

Y cuyos objctivos particulares son:

Iinpleinentar la fuente de aliineiitacióii que proporcione los voltajes requeridos para producir la descarga a diferentes frecuencias.

Verifitar la representación eléctrica de la celda.

Caracterizar la celda.

1.4 Organización del documento

El capítulo dos presenta aspectos básicos sobre descarga en barrera dieléctrica

aplicada a la generación de ozono. Contiene una descripcióii breve sobre la ruptura en

gases y los tipos de descarga utilizados en aplicaciones domésticas. Además, incluye

una descripción del coinportainiento de la descarga. su representación eléctrica y la

obtención de sus elementos por inedio de figuras de Lissajous.

El capítulo tres contiene un resumen de la técnica de modulación de ancho de

pulso senoidal y describe el prototipo construido con los programas desarrollados para

implementar dicha técnica.

En el capítulo cuatro están documentados los resultados obtenidos al desarrollar

este trabajo. Incluye las pruebas realizadas para verificar el inodelo y la caracterización

de la celda.

8

Finalmente en el capítiilo cinco se presentan las conclusiones obtenidas con este

trabajo de tesis.

1.5 Referencias

[ I ] . L. Blaich, M. Friedrich, A. Hosseiii. ”Development of Ozone Technology and Aplicaction”. Proceeding o f 14th Ozone M’orld Congress Dearborii, Michigan, USA 1999, Vol I . pags. 203-215.

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[ 5 ] . U. Kogelschatz. “Non-Equilibrium Air Plasma at Atmospheric Pressure“, 2003. Chapter 2, Review of Air Discharge Plamas, p 70.

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M. A. Dimitrow. “Desing Guidance Manual for Ozone Systems”. International Ozone Association, 1990. Chaper 3> Ozone Generation, pp. 58- 59.

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Shengpei Wang, M. Ishibashi, M. Nakaoka. “Series Compensated Inductor Type Resonant Inverter Ozonizer Using Pulse Density Modulation Scheme Scheme for Efficient Ozonizer”.lnternational Conference on Power Electronics and Drive System, Vol. I , pp. 19-23, 1997.

[2].

[3].

[4].

[7].

[SI.

[ IO] .

[ I I ] .

9

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[13]. Kudryavtsev Oleg, S. Waiig, Koiioshi Y . M. Nakaoka "A Novel Pulse- Desnsiíy-Modulated High-Frequency Inverter for Silent-Discharge- Type Ozonizer". IEEE Transaction on Iiiduiry Application, Vol. 38: No. 2. pp. 369-378, Marcli/April, 2002.

Alonso J. M, Valdés M, Calleja A . J, Ribas J, Losada J . "High Frequency Testing and Modeling of Silent Discharge ozone Generators".Ozone Science & Engineering. Vol 25, No. 25. 2003.

M. J. Prieto, A. Fernandez, J . M. Lopera, J . Cebastián. "Influence of Transformer Parasitics in Low-Power Applications". Universidad de Oviedo. 1999. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1999. APEC'99. Vol 2, pp. 1 175-1 180.

M. H. Rashid. "Electrónica de Potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones". Cap. I O . 2" Edición espaiíol, 1995' Ed. Preiitice Hall.

[14].

[Is].

[i6].

I O

Capítulo 2

DESCARGA EN BARRERA DIELÉCTRICA

APLICADA A LA G E N E R A C I ~ N DE OZONO

Esie capítiilo presenru los aspectos básicos de la riipitira eléctrica en gases para

ayiidar a eniender el finóiiieno de la descarga, iiiiiesira los i+os de descarga uiilizados

para la generación de ozono en aplicaciones doriiésiicas y, jnalnienie, niiiesira el

iiiodelo elécírico de la descarga en barrera dielécírica así coino la esiiniación de .sus

parámelros y de su potencia por iiiedio de figuras de Li.wajous.

2.1 Introducción

La foriiiación de ozono consiste en romper el eiilace de la molécula de oxigeiio

0 3 : para disociar sus átomos que al recombinarse con otra inolécula de oxígeno 02

produce la molécula 03. Esta recombinación se muestra en la ecuación (2.1), la cual es

una reacción eiidotériiiica y requiere una considerable cantidad de energía.

En el caso de la generación de ozono mediante descargas eléctricas, el principal

mecanisino para romper el enlace de la molécula de oxígeno O,, es por medio del

choque con electrones acelerados por un cainpo eléctrico intenso [ l ] , como se muestra en la ecuación (2 .2 ) . Este cainpo eléctrico provoca los inecanismos que hacen

11 I

0 5 - 0 0 7 5

coiidiictivo al gas que contiene las moléculas

ioiiizacióii por colisión. la fotoioiiizacióii y

Aunque la ciiiética de foriiiacióii de ozono es compleja e involucra iiiás reacciones[l], las ecuaciones (2. I ) y (2.2) son I las principales reacciones que intervienen

1 , en la formación de ozono por medio de aire 11 oxigeno.

de oxígeno, como son: la ionizacióii, la

l a recoiiibiiiacióii.

Un aspecto importante en la teoria de la formación de la descarga gaseosa es la

ruptura eléctrica. El fenómeno de descarga es complejo y se debe a la dependencia de

iniichos factores como son la presión y composición de gas, la geoinetria y composición

de los electrodos, y de los magnitudes eléctricas del voltaje y la corriente, etc. No

obstante, los conceptos básicos sobre la ruptura eléctrica permiten uii m j o r

entendimiento del comportamiento de la celda.

A continuación se presentan los conceptos básicos de la ruptura eléctrica en

gases, los tipos de descarga empleados en sistemas domésticos y los aspectos relevantes

de la descarga en barrera dieléctrica.

2.2 Ruptura eléctrica

La ruptura eléctrica es el proceso de transformación de un material no conductor

en conductor, mediante la aplicación de un campo eléctrico lo suficientemente intenso y

ocurre cuando e l campo eléctrico excede un valor de umbral permitiendo una avalancha

de electrones.

L a avalancha consiste en un aumento de electrones debido a los mecanismos de

ionización del campo eléctrico. Para un campo homogéneo, este aumento de corriente

está determinado por l a ecuación (2.3) establecida por Townsend [2].

emd

I = I , I - y(e"" - 1)

(2.3)

12

donde: 1; es la corriente inicial; a es el coeficieiiie de ioiiizacióii; yes e l coeficiente de

eiiiisióii secuiidario y; d e s la distancia entre los elecii-odos.

El coeficiente de ioiiización a, define el iiúiiiero de electrones producidos en la

trayectoria de tin electrón viajando 1111 ceiitiiiietro en la dirección del caiiipo eléctrico.

Townsend estableció una aproxiiiiacióii del coeficienie de ionización a temperatura

constante [ 31 coino se iiiuestra en la ecuación (2.4).

donde: A y B son constantes propias para cada gas; E es el cainpo eléctrico entre los

eléctrodos y ;p es la presión del gas.

El coeficiente de emisión secuiidarioy, depende del inaterial del caiodo y del gas,

e incluye las contribuciones de ¡ones positivos, fotones, átomos rápidos y moléculas.

La ruptura ocurre cuando la corriente I en la ecuación (2.3) tiende a infinito, es

decir cuando y(eud - I ) = 1. Este es el criterio de Townsend para la ruptura en campos

eléctricos homogéneos. L a ecuación (2.4) y el criterio anterior deterininan e l voltaje de

umbral V,,,, de la siguiente inanera [4]:

L a ecuación (2.8) muestra que el voltaje de uinbral V,,8, depende de las

de la presión y del espacio características del gas a, del material de los electrodos

entre electrodospd.

Las curvas de Paschen muestran la variación del voltaje de uinbral en función

del producto de la presión y el espacio entre electrodos pd. En e l caso del aire A = 18, B

= 368 y para un coeficiente de emisión secundario y=IO-* [j], su correspoiidieiite curva

de Paschen se muestra en la Fig. 2. I.

13

~ . . . . . . . lo5 . . . . .. - . . .. .~. ~

1

10': _L ~i , ~ .,.. J 10.' 1 oo 1 o' 1 o' 1 o3

Producto presion-espacio, pd (Torr c m )

Fig. 2.1 Voltaje de umbral Vih, a diferentes productos presión-espacio.

2.3 Tipos de descarga empleados

Los tipos de descarga utilizados para la generación de ozono en equipos

comerciales, son las descargas clasificadas como de alta presión e incluye presiones más

altas que la presión atmosférica. El nombre del tipo de la descarga depende del material

dieléctrico, configuración de electrodos, fuente de alimentación, etc.

En aplicaciones que requieren de poca producción de ozono, las descargas más

utilizadas son la descarga corona y la descarga en barrera dieléctrica DBD.

La descarga corona no requiere de un dieléctrico entre los electrodos y es

causada por la parcial ruptura eléctrica del gas dentro de un campo eléctrico fuertemente

no homogéneo. Para formar una distribución de este campo eléctrico al menos uno de

los electrodos debe estar agudizado con un radio de curvatura menor a la longitud del

espacio entre electrodos.

La descarga corona en corriente directa existe de varias maneras dependiendo de

la polaridad del campo eléctrico, el sistemas de electrodos y la corriente de la descarga.

Las configuraciones típicas de sistemas de electrodos usados en la práctica son: punto a

14

plano, iiiiiltipuiito a plano, alaiiibi-e a tubo, alambre a plano ó entre dos planos,

iniiltialaiiibre a plano ó iniiltialaiiibre entre dos planos, etc. Ida Fig. 2.2 inucsira los

diferciites tipos de descarca corona para tina configuración piiiita a plano. y para ambas

polaridades. La secuencia dc las figuras de izquierda a derecha corresponde a iiiayorcs

corrientes de descarga [ 6 ] .

Coroiia Posiiiva

(burst) plasiiia (glow) (arc) (streamer)

Corona Negativa

Fig. 2.2 Tipos de descarga corona en la configuración punta a plano.

El inconveniente de las descarga coroiias es la dificultad para obtener una

descarga estable debido a que el voltaje requerido puede fácilmente desarrollar un arco

eléctrico.

Por otra parte, una característica de la DBD es que al menos uno de los

electrodos está cubierto por un dieléctrico que limita la corriente de la descarga evitando

la formación de un arco eléctrico. La presencia del dieléctrico evita que la descarga se

forme con voltajes de CD, por lo que este acoplamiento requiere de voltajes alternos. La Fig. 2.3 muestra diferentes configuraciones de este tipo de descarga [7].

Entre las venta.jas de la DBD sobre otros tipos de descarga. utilizadas para

generar ozono, es que e l plasma se puede generar de forma sencilla a presión

atmosférica ó presiones más altas y se puede controlar fácilmente por factores externos

PI.

Los coiiccptos básicos de la DBD se aplican iaiito para equipos de pequcña

escala coiiio para equipos iiidiisiriales. A contiiiiiacióii se describe breveiiieiite si l

coiiipoi-taiiiieiito y sc iiiiiesii-a su representación eléctrica.

Eieti odos - c Dielectrico

fuei i te dealto AC voltaje

AC

I- -

Pig. 2.3 Diferentes configuraciones de la descarga en barrera dieléctrica.

2.4 Descarga en barrera dieléctrica, DBD

Eli las presiones norinalineiite utilizadas para generar ozono, la descarga en barrera dieléctrica DBD consiste de una inultitud de filamentos de corriente de corta

duración [ 9 ] . L a estructura fisica de la DBD consiste de una par de electrodos paralelos.

entre los cuales se encuentra un dielectrico de espesor g, y un espacio ó hueco de

espesor d, coino se inuestra en la Fig. 2.4. La descarga ocurre dentro del espacio qi ie

contiene e l gas.

16

Fig. 2.4 Estructura física de la descarga en barrera dieléctrica.

La descarga se produce cuando el voltaje alterno aplicado a los elecirodos,

excede el correspondiente campo eléctrico de Paschen E h dentro del espacio. Este

campo eléctrico se obtiene dividiendo el voltaje Paschen entre el producto de la

densidad 1s y la distancia d (ecuación (2.6)).

A presiones altas, la descarga consiste de una multitud de filamentos cuyo

diámetro esta en el orden de 100pm y tienen una duración de IOOns o menos. La

duración y el diámetro dependen de la presión y el gas utilizados. A presiones más bajas

los diámetros de los filamentos aumentan y tienden a ser más numerosos provocando

una apariencia más difusa [IO].

Existen tres eventos durante el ciclo de vida de una microdescarga:

L a formación de la ruptura eléctrica del espacio debido al intenso campo

eléctrico.

El transporte de la carga por medio de la formación del filamento de

corriente.

La excitación simultanea de átomos y inoléculas presentes, produciendo

los diferentes mecanismos de reacción en el espacio de la descarga.

17

La duración de los tres eventos es diferente. La ruptura local es usualmente

completada en nanosegundos: el transporte de carga toma típicamente entre 1 y 100ns; y

la excitación de las especies puedc durar desde nanosegundos hasta segundos,

dependiendo de la aplicación donde se utiliza la DBD. En este caso, l a formación del

ozono toma algunos inicrosegundos.

La Fig. 2.5 se muestra un esquema del ciclo de vida de una inicrodescarga.

Inicialmente el campo eléctrico intenso produce e l pulso de corriente j, excitando las

especies X después de un tiempo apreciable. Posteriormente las especies excitadas X *

reaccionan para obtener el producto Y , en este caso ozono

Fig. 2.5 Ciclo de vida de una microdescarga. La corriente j, genera las

especies excitadas X*, que al reaccionar producen la sustancia Y.

2.5 Representación eléctrica

AI aplicar un voltaje en la celda suficientemente elevado para provocar la

descarga, se produce un comportamiento no lineal en la celda [ i l l . Este

comportamiento presenta alternadamente dos intervalos de actividad de la descarga. El

18

intervalo de t i a 12 es una pausa de la descarga debido a que el proceso de ruptura se

extingue. Y durante el intervalo de t 2 a t; corresponde a l a actividad de la descarga y es

donde ocurre la ruptura eléctrica del espacio. La ruptura se debe a que el voltaje dentro

del espacio es inayor que su correspondiente voltaje de umbral. La Fig. 2.6 muestra los

dos intervalos y su alternancia.

Fig. 2.6 Representación esquemática de la actividad de la descarga

aplicando un voltaje sinusoidal.

2.5.1 Intervulo t , n 12

L a impedancia del espacio de la descarga se representa como una capacitancia y

una resistencia conectadas en paralelo; sin embargo, durante este intervalo, esta

resistencia tiene un valor muy elevado, en el orden de mega Ohms, por lo que su

comportamiento se puede aproximar sólo por la capacitancia. Por su parte, el

comportamiento del dieléctrico se puede aproximar por un capacitor cuyo valor depende

factores geoinétricos y del tipo de material. Por lo tanto, el conjunto dieléctrico-espacio

se puede representar como dos capacitancias conectadas en serie que representa al

dieléctrico C, y al espacio para la descarga C, respectivamente, como se muestra en la

Fig. 2.7.

19

Fig. 2.7 Circuito equivalente durante la interrupción de la descarga.

2.5.2 Infervnlo fz a f3

Este intervalo ocurre la ruptura eléctrica y comienza cuando el voltaje en el

espacio ha excedido su correspondiente voltaje de umbral V,,, y finaliza cuando el

volta.je en la celda alcanza e l valor ináxiino (dVidt = O). Durante este intervalo se

forman desordenadamente filamentos de corriente de corta duración. los cuales

disminuyen sigiiificativamente la resistencia del espacio. Adeinás, los filamentos de

corriente provocan que el voltaje en e l espacio de la descarga permanezca prácticamente

constante en un valor conocido como voltaje de iiiaiiteiiiiniento de la descarga VZ. Este

comportamiento se puede representar por el circuito de la siguiente figura:

Fig. 2.8 Circuito equivalente durante el intervalo de la descarga.

Las dos figuras anteriores representan los circuitos equivalenies de la celda que

se presentan en el semiciclo positivo del voltaje aplicado VCWJ. De manera similar, en el

semiciclo negativo se presentan los intervalos de pausa y actividad de la descarga.

Durante la actividad de la descarga, la polaridad del voltaje VZ corresponde a la

polaridad del voltaje aplicado VCGO. L a transición de un circuito a otro se puede realizar

mediante diodos ideales como se aprecia en la Fig. 2.9.

20

Fig. 2.9 Circuito equivaletite de la DBD,

2.6 Estiniacion de los parámetros

Para estimar el valor de estos paráinetros, es necesario utilizar u n método

indirecto de medición, como son los diagraiiias carga-voltaje ó también conocidos como

figuras de Lissajous [12]. La Fig. 2.10 muestra el esquema de medición utilizado para

estimar los elementos del modelo eléctrico de la celda. Este método consiste en medir el

voltaje en la celda vcco(t) y en medir la cantidad de carga ((I& =C,, ucnr(l) ) por medio

de un capacitor auxiliar C,,, conectado en serie con la celda. Ambas señales se muestran

en un osciloscopio en modo X-Y. Una opción es utilizar el eje x para la señal VCGO y el

eje y para VC,,,: con lo cual las pendientes de gráfica corresponden a los valores de las

capacitancias equivalentes de la celda normalizadas al valor C,, durante cada intervalo

de operación.

Banco de

pruebas 111 I

Fig. 2.10 Esquema de medición de los parámetros de la celda.

La Fig. 2.1 1 muestra un diagrama q(/)-vcco(t)2 para una frecuencia de 5kHz. Esta figura es similar a un paralelogramo y sus lados representan los dos intervalos que

existen debido a las microdescargas. El segmento de recta AB corresponde al intervalo

21

SEP CPNIDET CENTRO DE INFORMACION I

de la pausa de la descarga (0 a t ~ ) de la Fig. 2.6: en el cual la cantidad de cargas que

pasan por la celda está dada por:

A4 = C<,<,A Y, (2.7)

donde: Cod es el equivalente de C, y Cd. y; AV, es el cambio de voltaje en la celda

durante este intervalo.

-~ -~ ___ ~- E k P r e s PrI u 1 I , . . . . ~ . . . . . . : . . . . , . : . . : . ~ . . . . . . . , . . . : o :

mI 500mV (Ch21 2.00 V IP14O.O)isl Al Chl 1 440ni

Fig. 2.11 Figura de Lissajous típica. El eje x es vcco(t) con escala de 500

V/Div (la señal tiene una atenuación de 1000) y ejey es vcm(t) con escala de

2VIDiv.

AI mismo tiempo, esta cantidad de cargas pasan por el capacitor auxiliar C,, como se define en la siguiente ecuación:

donde: C, es el capacitor auxiliar de medición y; AV, es el cambio de voltaje en C,

durante el intervalo AB.

22

Por lo tanto, la capacitancia C,,,/ se puede estimar por medio de las ecuaciones

(2.7) y (2.8) como:

(2.9)

donde: dVm46es el cambio de voltaje en C,,, durante el intervalo AB y AVo,,,/, es el

cambio de voltaje en la celda para el mismo intervalo.

De la inisma forma, durante el intervalo de la descarga (fr a r3) el segmento de

recta BC determina la capacitancia del dieléctrico C,/:

(2. I O )

L a capacitancia del espacio para la descarga C,, se puede conocer por medio de:

En resumen, el procedimiento para calcular los parámetros del modelo eléctrico

de l a celda, es el siguiente:

I . Conectar la celda de prueba.como se muestra en el circuito de la Fig.

2.10. El capacitor de medición C,,,, se conecta en serie con la celda y se

debe seleccionar en base al máximo rango de entrada del instrumento de

medición y de que su caída de voltaje no sea significativa comparada con

el voltaje aplicado a la celda. El valor aproximado de C n d se puede

determinar conociendo la geometría de la celda y sus materiales, Ó

medirla directamente con otro instrumento. Algunos de los valores

utilizados para C,, en celdas de poca producción, van desde decenas de

nF hasta algunos pF

2. Proporcionar los voitajes requeridos para producir la descarga

23

3. Medir los voltajes del capacitor vc,,(t) y de la celda VCCO(~) por medio del

osciloscopio y graficarlos en modo xy. Se sugiere vCCo(t) para el eje ,X y

v ~ , , ~ ( t ) en el eje y para que las pendientes de los segmentos de recta

correspondan a las capacitancias de la celda.

4. Medir los incrementos de los voltajes AV,,A~, A V ~ B , AV,,nc y AV,BC poi

medio de los cursores del osciloscopio como se inuestra en la Fig. 2.1 I .

5. Calcular las capacitancias utilizando las ecuaciones (2.9), (2.10) y (2.1 I )

6 . Para estimar Vz se puede medir la intersección del paralelograino con el

eje ,Y coino se muestra en la Fig. 2.1 1 .

2.7 Estimación de la potencia

Para estimar la potencia consumida en la celda se requiere determinar la energía

de descarga por ciclo que es proporcional al área de la figura de Lissajous. La potencia

se obtiene multiplicando la energía de descarga por ciclo por la frecuencia fundamental

del voltaje aplicado, es decir:

P = Wf

Una alternativa para medir la energía de descarga por ciclo es medir el área de la

figura de Lissajous utilizando los datos obtenidos al medir el voltaje en la celda vcco(t)

y el voltaje en el capacitor C,, coino se comentó en la sección anterior. Esta energía se

determina por la siguiente ecuación [14]:

(2.13)

La corriente por la celda es la misma que fluye por medio del capacitor de

medición auxiliar C, y se puede expresar coino:

(2.14)

24

Mediante las ecuaciones (2.13) y (2.14), la energía se puede expresar por:

m+T/

,<,-?/ n-T/

M' = I v,.~;<, 'dq = I v.(;(, .C,,r .di: .,,, (2.15)

donde vcco es el voltaje en la celda y ducm es la diferencial del voltaje en el capacitor de

medición auxiliar C,.

Ya que los voltajes de la ecuación (2.15) se pueden obtener como una serie de

valores con la ayuda de u n osciloscopio, la energía puede aproximarse por la siguiente

ecuación [14]:

(2.16)

donde: uc,,,(;, es el i-esimo voltaje medido en el capacitor auxiliar y v ~ ~ o ( ; , es el i-esiino

voltaje aplicado a la celda: Estas series de datos pueden ser obtenidos utilizando los

pasos del 1 al 3 del procedimiento descrito en la sección anterior.

Resunien

En este capítulo se revisa brevemente la ruptura eléctrica en gases debido a su

importancia en el proceso formación de la descarga. Este proceso es complejo y el voltaje de umbral donde ocurre la ruptura básicamente depende de las características del

gas, del material de los electrodos, de la presión y el espacio entre electrodos como se muestra en la ecuación (2.5).

Entre los tipos de descarga utilizados para generar ozono en pequeñas

cantidades, se encuentran la descarga corona y la descarga en barrera dieléctrica DBD.

En la descarga corona se caracteriza por un campo eléctrico fuertemente no homogéneo

25

y es más dificil obtenerla de forma estable debido a que e l voltaje requerido puede

fácilmente desarrollar una arco eléctrico. En cambio la DBD tiene por lo menos u n

dieléctrico entre sus electrodos que evita la formación del arco eléctrico.

La D B D se utiliza ainpliainente de [manera comercial y consiste de una imultitud

de filamentos de corriente de corta duración. Esta descarga tiene dos intervalos de

operación: de / I a t2 es una pausa de la descarga y de r2 a 12 la descarga está activa. Este

comportamiento es complejo y se representa con un modelo eléctrico no lineal.

Finalmente en el capitulo, se muestra un procedimiento para calcular las

capacitancias del, modelo, así como el procedimiento para estimar su potencia por medio

de los diagrainas de voltaje- carga.

2.8 Referencias

[I] Hue¡ Tarng Liou. “Dinamic and Kinetics Separated Ozone Generator”.

Proceeding of 14th Ozone World Congress Dearborn, Michigan, USA 1999,

Vol I . pags. 315.

[2] Iléctor Kelly. “Apuntes de Descarga en Gases”. Cap. 4, El proceso de

ruptura en gases. Instituto de Física del Plasma INFIP. Universidad de

Buenos Aires. Pag. 2. Disponible en: www.lfr>.uba.ai-/kellv/cursohk.litin.

[3] U. Kogelshatz, K. H. Becker, R. J . Barker, K. H. Cchoenbach. “Non-

Equilibrium Air Plasma at Atmospheric Pressure”. Cap. 2. History o f Non-

Equilibrium Air Discharges”. Institute of Physics, 1OP. pp 23.

[4] Idem.

[5]

[6]

[7] Ibidem p. 83.

[S I Ibidem pp. 69, 70.

Kelly, op. cit., p. 5

Kogelshatz, op. cit., pp. 40,41. I

26

[9] B. Eliassoii’ U. Kogelschatz. “Modding curd Applicutios of Silent Disclrrirge Plrismfls”. IEEE Transaciioiis on Plasma Science, VOL. 19, N0.2

APRIL 1991. pp. 309-323.

[ I O ] Ibideiii p. 310.

[I I] Kudryavtsev Oleg, S. Waiig, Konoshi Y‘ M. Nakaoka “A Novel Pulse-

Desnsity:Modulated High-Frequency Inverter for Silent-Discharge-

Type Ozonizer”. IEEE Transactions on Industry Applications: Vol. 38, No.

2, pp. 369-378, MarchlApril, 2002.

[I21

[I31

[I41

Kogelshatz, op cit., pp. 71, 72

Kudryavtsev, op cit., p. 371.

Castle, G.S.P.; Feng, R.; Jayarain, S. “Automated system for power

measurement in the silent discharge” . iEEE Transactions on Industry

Applications, Volume: 34 Issue: 3 , MaylJun 1998. pp: 563.-570.

27

Capítulo 3

BANCO DE PRUEBAS

Este capíiulo muestra las dgferentes partes que coniponen el banco de pruebas e

incluye un resiniien de los conceptos básicos del esquema de conmutación PWM

sinusoidal de tensión unipolar así conto tanibiin contiene una breve descripción de los

programas desarrollados para su itnplenientación. Finalmente, se inuesiran las

simulaciones del inversor uiilizando dicha técnica de conniuiación.

3.1 Introducción

El banco de pruebas está compuesto básicamente de tres partes: el convertidor

CD-CA, el circuito de gobierno que proporciona las señales de mando a los

interruptores del convertidor, y el transformador elevador que permite alcanzar los

voitajes requeridos para formar la descarga. El diagrama a bloques del banco de pruebas

se muestra en la siguiente figura:

28

Banco de Pruebas , Cclula

Generadora de O ~ o n o de

prueba

Fig. 3.1 Diagrama a bloques del banco de pruebas.

A continuación se describen sus especificaciones y cada una de sus partes.

3.2 Especificaciones Generales

Con la finalidad de verificar e l comportamiento de la celda a diferentes

frecuencias se ha. elaborado una fuente de alimentación con las siguientes

especificaciones:

3.2.1 Frecuencia (5k a 30kHz)

Como se comentó anteriormente, este banco de pruebas opera dentro de la

clasificación de generadores en alta frecuencia debido a las ventajas que se presentan

[]l.

Para este banco de pruebas, la frecuencia de operación minima se estableció en

5 kHz, considerando algunos trabajos mencionados en e l primer capítulo que operan en

un intervalo entre 7 kHz y 20 kHz, y que frecuencias más bajas implican componentes

magnéticos de mayor tamaño.

L a frecuencia máxima se establcció en 30 kHz ya que, e l calor generado por la

descarga eléctrica en frecuencias altas (para la celda utilizada, entre 20 kHz y 30 kHz)

afecta la formación de ozono como comenta en el siguiente capítulo en la figura 4.21.

29

3.2.2 Potencia

lípicaiiieiite. los generadores de ozono comerciales utilizados eii aplicaciones

doiiiésticas. requieren de alguiios cientos de miligramos de ozono por hora que se

producen aplicando una potencia de varias decenas de watts. En este trabajo, la potencia

de entrada se estableció en IOOW.

3.2.3 Eliminnr los armónicos de menor orden

Para proporcionar la coiiipoiiente fundamental de voltaje de salida, el banco de

pruebas atenúa los artnónicos de menor orden mediante el esquema de coninutación

PWM sinusoidal de tensión unipolar. Para esta aplicación se estableció que los

armónicos de menor orden aparecieran en una frecuencia superior a 100kHz. El armónico de menor orden (Low Orde Harmonic, LOH) es la componente más cercana a

la componente fundamental cuya amplitud es mayor que un 3% [2]. I. .

L a intención de esto, es evitar que las frecuencias de resonancia debidas al

arreglo transformador-celda modifiquen el contenido armónico del voltaje aplicado a la

celda provocando una deformación en la figura de Lissajous u operar en una frecuencia

prácticamente mayor de la componente fundamental.

Otra alternativa es aprovechar las características del circuito resonante formado

por la celda y un inductor agregado intencionalmente para establecer una frecuencia de

resonancia deseada. Sin embargo, e l cálculo de este inductor no es sencillo debido a los

diferentes intervalos de operación que ocurren en la celda. Los intervalos de pausa y

actividad de la descarga son dependientes uno del otro, es decir, el intervalo de pausa de

la descarga comienza cuando el intervalo de actividad finaliza y viceversa, el intervalo

de pausa finaliza cuando la descarga se presenta. Esto hace que las condiciones iniciales

del siguiente intervalo de pausa ó actividad, se han las condiciones finales del intervalo

anterior diferente. En algunos trabajos realizados [3],[12], se utiliza la ayuda de

métodos numéricos ó programas de simulación de circuitos, para determinar la

frecuencia de resonancia para las condiciones de operación dadas.

.

30

3.3 Convertidor CD-CA

La topología del inversor cs u n pueiitc completo alimciitado por una ftieiite de

voltaje de CD variable, y es adecuada para iiiiplementai- la técnica I'WM siiitisoidal de

tensión unipolar. Esta topología consta de cuatro interruptores, los cuales se conectan

formando dos ramas. En cada rama hay dos interruptores conectados en punto que es

una de las dos terminales de salida del inversor y cuyos estrenios se conectan en

paralelo con la fuente de voltaje de CD, como se muestra en la Fig. 3.2.

Rama A Rama B

Fig. 3.2 Inversor puente completo.

En la salida del inversor se conectó un filtro cuya finalidad es atenuar los

armónicos de mayor orden. El filtro consta de un inductor conectado en serie con el

arreglo capacitor-carga, los cuales se encuentran conectados en paralelo. El cálculo del

capacitor e inductor, se determinan para funcionar como un filtro pasa bajas. El anexo A

se muestra el procedimiento de diseño.

3.3.1 Seleccio'n del interruptor

Generalmente en aplicaciones I aja potencia y a xuencia, los MOSFETs

son utilizados como interruptores. La selección de estos dispositivos depende

básicainente de soportar con cierto margen los esfuerzos en voltaje y corriente a los que

31

se somete, así como también de su resistencia de encendido, sus capacitancias parásitas

y sus características de conmutación.

Los esfuerzos de voltaje y corriente dependen de la topología. En el inversor

puente completo, los esfuerzos de voltaje corresponden a la magnitud del voltaje de

entrada VCD y los esfuerzos en corriente dependen de la corriente pico en la carga del

inversor.

La resistencia de encendido es un factor que está relacionado con las pérdidas en

conducción del dispositivo y se desea un valor de resistencia pequeño para evitar una

caída de voltaje significativa comparada con el voltaje de entrada VCD.

Considerando que se utilizó una fuente de alimentación variable cuyo valor

ináxiino es de 50V y la potencia mencionada anteriormente, los dispositivos IRF540 se

utilizaron como los interruptores del inversor. Estos interruptores tienen un VDS de

IOOV, un valor pequeño de resistencia de encendido y además son dispositivos con

buena disponibilidad comercial.

3.3.2 Impulsores

Esta etapa incluye dos circuitos impulsores (U, y Uz) que proporcionan los

niveles de voltaje y corriente requeridos para encender y apagar los interruptores. Cada

circuito impulsor tiene dos entradas lógicas compatibles con la salida estándar LSTTL y

tiene dos canales de salida: uno referenciado para el interruptor S2 (Ó S4) y uno flotado

para el interruptor S1 (ó 5'3). Las señales lógicas se proporcionan por el circuito de

gobierno que se describe a continuación.

'.

3.4 Circuito de gobierno

El circuito de gobierno se constituye de un microcontrolador, un botón de

operación (EO, un juego de cuatro interruptores (Selecfor) y un botón de reinicio, como

se muestra en la Fig. 3.3. La función del microcontrolador es proporcionar las señales

32

de mando hacia los interruptores inediante el puerto PTOC. El ajuste de estas señales se

realiza por medio del botón Bf y de los interruptores del .Selector.

Botón de reinicio

Selector Hacia los impulsoies

BI -

Fig. 3.3 Diagrama del circuito de gobierno.

Entre las ventajas que se tienen a l utilizar un microcontrolador, se encuentran el

proporcionar señales sincronizadas hacia los interruptores del inversor, las cuales

dependen de la frecuencia del cristal. Este requisito es especialmente importante en esta

técnica de conmutación para evitar que aparezcan subarmónicos indeseables, como se

comenta en la siguiente sección. Además esta opción requiere de pocos componentes

para su implementación

Especificamente el microcontrolador utilizado es un PlC16F876 de Microchip

que es relativamente fácil de programar (35 instrucciones en lenguaje ensamblador),

permite un cristal de hasta 20MHz y tiene buena disponibilidad comercial, tanto en las

herramientas de desarrollo como de los mismos dispositivos.

En las siguientes secciones se presentan los conceptos básicos del esquema de

conmutación PWM sinusoidal de tensión unipolar asi como también su implementación.

3.4.1 Fundamentos deI esquema PWM con Conmuíación de Tensión Unipolar

En el esquema de conmutación P W M sinusoidal, las señales de mando de los interruptores de un inversor se obtienen comparando una señal sinusoidal vc,,, y una

señal t r ianylar v,". L a señal w,,, se utiliza para modular el ciclo de trabajo del

interruptor y tiene una frecuencia que corresponde a la frecuencia fundamental del

33

voltaje de salida del inversorfi. La señal vf,, geiicraliiiciite es de iiiagiiiiud constantc y

su frecuenciaf, establece la frecuencia de conmutación de los interruptorcs del inversor.

Dos términos iiiiporiantes de este esquema son el iiidice de modulación de

amplitud ni, y el índice de modulación de frecuencia ny., y se definen de la siguiente

manera [ 5 ] :

donde Vcf,/ es la amplitud de la señal sinusoidal, V,,; es la amplitud de la señal

triangular, fs es la frecuencia de la señal triangular y fl es la frecuencia de la

componente fundamental del voltaje de salida del inversor.

Para pequeños valores de ny, las señales v ,~ ; y v ~ , , ~ se deben sincronizar una con

la otra. Esta sincronía requiere que el valor de rn, sea entero ya que de otra forma se

tiene un esquema asincrono que produce subarmónicos indeseados en la mayoria de las

aplicaciones.

Para valores de m,, 5 I , la amplitud de la componente fundamental del voltaje de

salida v, varia linealmente con m,. Valores inayores de m, (> I ) , aumentan la amplitud

de la componente fundamental de voltaje de salida del inversor v, y su contenido

armónico comparados con la región lineal (m,, 5 I ) ; este aumento es no lineal y la forma

de onda tiende a degenerarse en una onda cuadrada.

En el caso del PWM con conmutación de tensión unipolar, cada rama del

inversor mostrado en la Fig. 3.2 utiliza una señal sinusoidal. Las señales de mando para

los interruptores S I y S2, se obtienen comparando la señal sinusoidal vclrl y la señal

triangular Y las señales de mando para los interruptores S3 y S4' se obtienen

comparando la señal -ucf,/ con la señal v,,;, como se muestra en la Fig. 3.4.

34

Rama A Rana B

t t

Fig. 3.4 Comparación de las señales para obtener las seíiales de mando del

inversor.

El resultado de la comparación para la rama A, es una señal lógica que se

encuentra en nivel alto cuando la señal vclr, es mayor que la señal v,i, y en nivel bajo

cuando la señal vel,, es menor que la señal vl,;, “Idealmente”, el interruptor SI se

enciende s i la señal lógica está en nivel alto y se apaga s i está en nivel bajo.

Complementariamente, el interruptor S2 se enciende cuando el interruptor S1 se apaga y

viceversa, el interruptor S2 se apaga s i el interruptor se enciende.

L a señal lógica de la rama B y los estados de los interruptores S3 y S4 se

determinan de forma similar. L a diferencia es un desfase de 180” entre las señales

lógicas.

Estas señales lógicas tienen diferentes anchos de pulso que varían con la

amplitud de la señal wc,,l. El ancho de pulso más reducido se presenta cuando las señales

v,,, y vlri se comparan en valores altos como se muestra en la Fig. 3.5, de la cual se

puede obtener la siguiente aproximación:

Fig. 3.5 Tiempo de encendido mínimo.

Combinación

A

B

C

D

Considerando que se debe evitar la conducción de los dos interruptores de la

misma rama, existen cuatro posibles combinaciones de interruptores en estado de

conducción. Estas combinaciones se muestran en la siguiente tabla:

Interruptores en VO

SI , s3 O

conducción

SI , s4 VCD

s2, s4 O

c2, c3 - VCD

Tabla 3.1 Diferentes combinaciones de los interruptores en conducción.

36

Fig. 3.6 Secuencia de las combinaciones de los interruptores en conducción:

a) durante el medio ciclo positivo y b) durante el medio ciclo negativo.

Por lo anterior, el voltaje de salida del inversor v,,, cambia entre O y V,-D durante

el semiciclo positivo y entre O y -VCD en el semiciclo negativo. La Fig. 3.7 muestra la

forma de onda tipica del voltaje de salida del inversor v, para m, = 0.8 y m = IO .

vo 4 t

Fig. 3.7 Forma de onda del voltaje de salida del inversor para un PWM con

conmutación de tensión unipolar.

Los armónicos del voltaje de salida vo: aparecen centrados en ambos lados del

doble de la frecuencia de conmutación fs y sus múltiplos como se muestra en la Fig.

3.8, además debido a la simetría impar [f(-t)=-f(t)] del voltaje de salida vo, sólo los armónicos impares se presentan. La frecuencia del armónico se puede calcular por

medio de la siguiente ecuación [6 ] :

donde k toma sólo valores impares.

37

0.8 -

O.ú -

0.4 -

0.2 -

o

Fig. 3.8 Diagrama de los armónicos de la amplitud del voltaje de salida

normalizado a VCO.

A

21iir-l 2ini+l

I t I t , , , .,y t.tf

3.4.2 Implemeniación del esquema PWM con Conmutación de Tensión

Unipolar

El propósito de utilizar este esquema de conmutación es atenuar los armónicos

de menor orden, el cual es la componente más cercana a la componente fundamental

cuya amplitud es mayor que un 3%.

Una frecuencia de portadorah alta, reduce el nivel de armónicos e implica una

frecuencia alta para el armónico de menor orden f m H ; sin embargo, el inconveniente

son mayores pérdidas en los interruptores, las cuales se incrementan proporcionalmente

al aumentar la frecuencia.

Frecuencias de overación

Con la finalidad de obtener las tendencias del comportamiento de la celda, el

circuito establece una de las 1 I frecuencias de operación dentro del intervalo de 5 kHz a

30 kHz. La limitación del numero de frecuencias depende de la cantidad de memoria

38

flash disponible en e l microcontrolador, la cual para este caso en particular es de 8k

bytes. La Tabla 3.2 indica las diferentes frecuencias de operación del banco de pruebas.

OFF

Tabla 3.2 Posiciones de los interruptores para la selección de una

ON ON ON 30

frecuencia.

39

I1 I1 I¡ I¡ li li

Selección de '111 I1 ¡I I1

1

iI

II

I.

1

El esquema PWM inipleineiitado enriel banco de pruebas, traslada los arniónicos

de Illenor orden para que se presenten en una frecuencia mayor a IOOkHz, con la

finalidad de evitar que las frecuencias de i!esonancia del circuito de carga del inversor

aumenten algún componente arinóiiico cerca de la frecuencia fundamental del voltaje vo.

Esto establece la frecuencia mínima para e!l armónico de menor orden, la cual se puede

determinar a partir de la ecuación (3.4) coIno sigue:

I/

I/

f,.,, + (2J77/ - 3) f, (3.5)

I

il

La ecuación (3.5) establece el valor ininimo para mfque se debe cumplir para

esta condición y se puede expresar coino:,(

I1 I¡ I¡

II '!

I¡

Selección de m,

Para seleccionar m. se requiere Lstablecer el tiempo de encendido mínimo tonmi,

que se puede obtener con el microcontrolador. Este tiempo depende del número miniino

de instrucciones necesarias para generar un tiempo muerto entre las señales de mando

de los interruptores de la misma rama. I1 II

El tiempo muerto se senera poii' medio de tres instrucciones: establecer en cero

las señales (clrf), lectura del nuevo vflor de las señales (niovlw) y, escritura de este

valor (movJ. Por lo que el criterio a cohsiderar para determinar fonmin es que sea mayor

que el tiempo requerido para ejecutar estas tres instrucciones.

il

11 1 El tiempo por instrucción debende de la frecuencia del cristal y para este

microcontrolador se puede determinar mediante la ecuación (3.7). De esta ecuación se

obtiene un tiempo por instrucción de 20011s para un cristal de 20MHz.

I1 I(

I1 I I¡ 11 it li 40

I II

1; A partir de la ecuación (3.3) se obtiene 11 el valor de ni, como sigue:

I1 I1

Considerando un fort,,,, de cuatro instrucciones (las tres del tiel11Po Imwío más

una instrucción de tolerancia) se tiene un tiempo de 800 ns. Además para una frecuencia

máxiina fi=30kHz y tft, = 4 obtenidos previamenteo el valor obtenido mediante la I1

ti I1

¡I

11

ecuación (3.8) es m, = 0.8. II Creación de las secuencias de conmutación

Las señales lógicas que establech las conmutaciones de los interruptores, se

producen coino el resulíado de la comparación de las señales sinusoidales v,,,i y -vc,,/

con la señal triangular v,~. como se desciibe en la sección anterior. La Fig. 3.9 muestra

el diagrama de flujo que genera estas señales, en el cual se pueden distinguir tres partes:

tl

I¡

I; a) Primero se calculan las constantes a utilizar y se inicializan las variables.

b) Después se evalúan las señalks ve,,/, -vC,,/ de amplitud m. y frecuenciaf,, y la

señal v,,i de amplitud unitaria y cuya frecuencia se determina por mfyf,.

I1

iI I¡

II C) Finalmente, se coinparan lod'valores obtenidos ai evaluar estas señales.

LOS vectores SeñalPWM-,4 y S J ~ ~ P W M - B contienen las señales lógicas para la

rama A y para la rama B respectivamente. Para generar las señales lógicas de los I)

interruptores del inversor se necesita incluir 1 . un tiempo muerto. I/ li

I/

!I

li li !

I¡ I

11

II I

I

I I I

I1

I1 Fig. 3.9 Diagrama de flujo para generar las señales PWM.

Las dos señales

vector SeñalPWM - A de

flujo de la Fig. 3.10a;

lógicas de la rama 11 A, se obtienen evaluando cada cambio del

en cada cambio, 11 las señales se establecen en cero durante un

II cero a uno ó deluno a cero como se muestra en el diagrama de

1) tiempo muerto t,,,, el cual ocurre después;de un tiempo de retardo t,, como se muestra en

Fig. 3.10b. i /I

I1 I1

I1 I1 I/ I1

il

¡I I¡ I1

I1

I1

81

42

cambio Caiiibio I a 0 O a I

si s i

SI =s2 =o SI =s2 =o I

S I = I s2 = I

1 a) I¡

I1

SeñalPWM-A I . t . .

I1 . 11 II

I1 Ii

Fig. 3.10 Tiempo muerto: a) diagrama de flujo b) señales lógicas.

De manera similar se obtienen las keñales lógicas para la rama B.

Con la finalidad de facilitar la implementación de este esquema de conmutación

en el microcontrolador, las secuencias de conmutación para cada una de las frecuencias I1 del banco de pruetias, se han creado .en una plataforma con mayores recursos de II

procesamiento y herramientas de desarrollo como lo es la computadora personal. . li

i1

I: I¡

I1

11

L a impleinentación de estos alggritinos está desarrollada con el estándar ANSI

C, el cual tiene como ventajas: la portab,/lidad entre plataformas, el considerable número

de compiladores y, una gran cantidad de documentación de soporte. El anexo B contiene el programa desarrollado.

De esta manera el dispositivo f ihco que proporciona las señales de mando hacia

el inversor, sólo se encarga de seleccitnar y leer las instrucciones que representan las

secuencias de conmutación de los intet&ptores como se describe a continuación.

11 .

I1

11

II

d

I1

! Selección Y lectura de las secuencras de conmutación

L a selección consiste en determinar la siguiente secuencia de conmutación a

ejecutar por medio de las señales de entrada (PTUA). Cuando la señal de entrada BI se

activa (nivel alto), el estado de las señales del Selector se captura para posteriormente

compararlo con los identificadores determinados en la Tabla 3.1. L a siguiente selección

!I

I¡ li

¡I I1

ii

II 43

'I /I

/I I

I I ; ' ! ii I I

I ! I

I ! ' I se realiza cuando finaliza la lectura selecciopada como se muestra en el diagrama de la Fig. 3 .11 I1 I

I1 I

(24 Inic io

~

Leer secuencia Leer secuencia Leer secuencia de conmutación de conmutación de'conmutación

para )I Pafa para 30 kHz 11 27.5 kHz 5 kHz

...

1 II .+ . J

I¡ I ii i

11 i i j I

Fig. 3.11 Diagrama de flujo de la selección de la secuencia de conmutación.

En la lectura de la secuencia de conmutación, las señales lógicas de salida hacia

el inversor se modifican por medio de,las I1 instrucciones que representan las señales 1 1 li I

Ii I

I1

I1 I

I¡ li I

obtenidas anteriormente.

Debido a la sencillez del diag&a de la Fig. 3.11, su implementación no requiere de un lenguaje con gran variedad be recursos y su desarrollo en lenguaje

ensamblador es relativamente simple. Ellanexo C muestra el programa desarrollado. .'I

Procediniien/o

El procedimiento para implementar este esquema de conmutación consiste de los I( i

siguientes pasos: i I I; I

I

Seleccionar un valor para nzfque cumpla con la condición de la ecuación

(3.6) para cada una de las frechencias de operación de la Tabla 3.2.

Determinar la SecuenGia de conmutación de los interruptores del

li I1 I

I(_ 1

inversor. Ii i

44

Guardar dichas secuencias en’el innicrocoiitrolador.

‘1 3.5 Transformador elevador

En este banco de pruebas, el tranSforinador elevador proporciona el voltaje

requerido para producir la descarga permitiendo un nivel de volta,je aceptable en los

interruptores. Este transformador consta de dos devanados y un núcleo. Sus condiciones

propias en este tipo de aplicaciones son:

.I

‘t

Para adaptar los niveles de voltaje de entrada y salida, la relación de

vueltas de los devanados es generalmente alta. 1

Las distancias entre primario y secundario, entre secundario y núcleo, y

aún entre elementos del propio secundario deben ser grandes debido a la

necesidad de aislamiento para los voltajes requeridos en la salida.

Estas condiciones desvian e l comportainiento ideal del transformador, En

concreto, la distancia entre primario y secuidario favorece un mayor flujo de dispersión,

y por lo tanto el almacenamiento de energía adicional en el contorno de ambos

devanados, lo cual puede modelarse coino una inductancia serie. Por otra parte, la 11

separación entre conductores del secundario y de secundario a núcleo, provoca efectos

capacitivos debido a la repetida estructura conductor-aislante-conductor. Este fenómeno

puede modelarse como un capacitor. Pod lo anterior, el comportamiento básico del

transformador se puede representar por el siguiente circuito equivalente:

!

Fig. 3.12 Circuito equivalente del transformador. 1

1

II Uiia característica deseada es que la,;corrieiite que circula a iravés del capacitor

parásilo C,,, sea iníniina. Uiia opción para disiiiiiiiiir C,, es mediante la posición de los

devanados como se describe a contiiitiacióii 1[7]: 'I

I . Devanados priiiiario y sec'undario sobre una misma columna y

concéntricos. Esta coiifiguraci(in tiene un buen acoplamiento, sin embargo

la capacitancia parásita tiene u n valor significativo.

2 . Devanado sobre la i i i is i i ia columia en una estructura vertical. En ésta se

aumenta la dispersión entre llos devanados y se reduce la capacitancia

I

'I

II

parásita. !I

'I

3. Devanados sobre columnas hiferentes. En esta opción se tiene el mayor

flujo de dispersión y una capacitaiicia parásita pequeña.

Las dos últimas opciones presentan una capacitancia parásita relativamente

pequeña. L a opción número tres, se utiliza con núcleos cuya geometría es de tipo C que

permiten una mejor separación entre devanados; esto provoca un acoplamiento más

pobre comparado con las otras opciones. Por otra parte, la segunda opción también

presenta una capacitancia parásita pequeña con un mejor acoplamiento. Además, la

disponibilidad de núcleos con geometría'jipo E en el lugar de trabajo hace más atractiva

la segunda opción. Para la construcción del transformador se empleo un núcleo E55 de

material ferrita. El proceso de diseño [SI ;se muestra en el anexo D.

I/ If

!I

11

I1

!I 46

3.6 Simulaciones I

Con la finalidad de estimar la eficieticia del inversor se realizaron simulaciones 'I

del circuito mostrado en la Fig. 3.13.

220" 127"

PARAMETERS: l i W = 5k vcc = 50 it,, =(mi':rin) ma = 0.8 m, = 4 ld = 200" RO i ,om

I

Fig. 3.13 Diagrama esquemático del inversor en simulación.

La estimación de las pérdidas en los interruptores del inversor para diferentes 11

frecuencias de operación seleccionadas 1 se resume en la Fig. 3.14, las cuales se NI

incrementan proporcionalmente con mfi La línea punteada en esta figura indica las

pérdidas que se tienen para los valores ide mfseleccionados; en frecuencias de operación

bajas (5k a ISkHz), las pérdidas en el'interruptor se mantienen dentro de un 5% y son

mayores en frecuencias de operación más altas. t

I1

I

I1

il

47

I

11

Coiicecueiiteiiieiite, la eficiencia del!banco de pruebas es inenor a frecuencias de

operación mayores, alcanzado uti valor inininlo en la frecuencia de operación mas alta.

El peor caso se presenta en 30 kHz dondeilse tiene u n valor de q = 4 y en el cual las

pérdidas en los interruptores alcanzan un va:lor de 25%

__ -.. ~~ ~ ~~ 11

, , ~ . > .. .~ . ~

I 1 .r' ' O ~I ''

8 I ,. '1 j / Pérdidas

en el interruptor

w.)

I o -! :I , ,

I l 2 mf 14'1 1 2 4 6 , 8 IO' I

1 ~ . - ~ ~ *-&.- ~ .- ~

!I

ij Fig. 3.14 Pérdidas e.n el interruptor en simulación.

Por otra parte, en este esquema be conmutación los valores pequeños de mf

implican u n mayor contenido armónico como se muestra en la Fig. 3.15. La distorsión

armónica total alcanza un valor del 20% para el valor de nr/= 4 y disminuye alcanzado

un valor del 1% en m/= 14. ,I

11

'/

'I

'I

~ ,. ,

O 2 4 6 8 IO 12 14 16

11

Fig. 3.15 Variación de la distorsión armónica total para valores pequeños

de mf. I

La Fig. 3.16 muestra el espectro de los armónicos para las frecuencias de 5 kHz,

10 kHz, 20kHz y 30kHz.. El resultado de la simulación para los valores de m~

previamente seleccionados, es que 10s armónicos de menor orden aparecen en

frecuencias mayores que I OOkHz, cumpliendo la condición establecida en la ecuación 1

(3.6). I/

' I 49

Fig. 3.16Espectro de los armónicos a diferentes frecuencias de operación. 'I

Resumen

1

I1 En este capítulo se presentaron las diferentes partes que constituyen el banco de

pruebas como son: el inversor, el circuito'de gobierno y el transformador. ' t

L a topología del inversor es un puente completo alimentado por una fuente de

voltaje variable cuyo valor máximo es de 50V. El inversor está compuesto básicamente

de cuatro MOSFETs 1-540 y dos bircuitos impulsores IR21 10 de International

Rectifier.

El circuito de gobierno proporciona las señales de mando hacia los MOSFETs

que corresponden a la técnica de conmutación li P W M sinusoidal de tensión unipolar. ' t

Está técnica es implementada en un ,;microcontrolador por medio de secuencias de

instrucciones, las cuales fueron previamente creadas en una plataforma con mayores

recursos para facilitar su implementabión. Las señales lógicas hacia el inversor se

determinan a partir de los valores def,,,imly m,.

It

11

50

'i I) ' t I)

'I I)

I 1)

,I 1

El transforinador elevador se utiliza1 para Ilalcaiizar los voltajes requeridos para

formar la descarga manteniendo en un nivel acec/able los voltajes en los interruptores.

Este transformador tiene una relación 1' de vueltas relativamente aka (n=i 00):

permitiendo utilizar fuentes de alimentación,con un voltaje de salida bajo (50V).

1)

'I I)

? '/ I,

Finalmente. las simulaciones del esquema de conmutación utilizado muestran

que valores pequeños de m, presentan menoks pérdidas en los interruptores, sin embargo provocan un mayor contenido armónico del voltaje de salida vo. Por otra parte,

para los valores seleccionados de ny, 1os:hrmónicos de menor orden aparecen en una

frecuencia mayor a 100kHz.

'I I,

'I

I 11

# I I)

' t I)

El resultado de las simulaciones muestra, mayores pérdidas en las frecuencias de

operación altas de este inversor y consecukntedente una menor eficiencia. La eficiencia

más baja es de 75% y se presenta en 30kHz. ' f .I,

u ' 'I

En el capitulo siguiente se muestran ¡as pruebas realizadas para observar el 11 I)

't comportamiento de la celda en las frecuencias de operación de este banco de pruebas

3.7 Referencias

1)

iJ I) [I]. Dale Mork. "Ozone Generafion Technology - Past, Present and

Future". International Ozone Assqciation - Regional Conference - Mexico

2002. ! I

f I1

r1 11 [2]. M. H. Rashid, "ELECTRqNíCA DE POTENCIA: circuiios,

dispositivos y aplicaciones".'!Cap. IUO. 2' edición en español , Prentice Hall,

1995. p. 359. 1 11

1 'I 1 1)

[3]. Shengpei Wang, M. Ishibashi, M. Nakaoka. "Series Compensated Inductor Type Resonant! Inverter Ozonizer Using Pulse Density

Modulation Scheme Scheme.) for Efficient Ozonizer".lnternational 1 [I

Conference on Power Electronics and Drive System, Vol. I , pp. 19-23, 1997. '1 11 If I)

' f I)

't '1 11 'I I1

51

I1

11 ‘1 I 11

1 11

1 I1 1

141. Kudryavtsev Oleg, Moisseev Sergey, Mutsuo Nakaoka. “Frequency

Characteristics Analysis and Switc’hing Power supply Designing for 11

Dielectric Barrier Discharge k p e Load”. Technical Proceedings, lEEE ‘ 1 II

International Power Electronics Congress, Guadalajara, Mexico, Octubre

I

1 2002, Pp. 222-227. ! 11

T i [ 5 ] . Ned Mohan, Tore M. iundeland? William P. Robbins, “Power

Eiecironics: converfers, aplicafions:l, and design”, 2”d edition, Ed. Willey ,I

‘ f I)

1995. 11 I)

‘1

[6 ] . Rashid, op cit., p. 378. y ‘1 11 I)

[7]. 1)

J. A. Martin Ramos. ‘!Aportaciones al Diserío de Converíidores Resonanfcs CUCC para Alta Teniión de Salida basados en la Topología

PRC-LCC”. Cap. 6 Análisis del comportamiento del transformador

elevador: Tesis doctoral 2001 ! Unidersidad de Oviedo.

,I

1 11

‘I I)

“i [SI. McLYman, c. w. T., “Magne{ic Core Selection for Transformers and

Inducfors: a user‘s guide fh p r a k c e and specificafion”, Marcel Dekker, II

Inc., 1982. i

I1

I1

11 11 81 I)

I1 I1

'I I)

PRUEBAS~~Y RESULTADOS :i I)

? 'I Este capítulo recopila las pruebas: realif adas para verificar la pausa y actividad

para está descarga, el cambio en la caphcitankia equivalente de la celda, el voltaje de '1 u

mantenimiento de la descarga Vz en el modelo no lineal de la celda y la comparación

de la potencia obtenida experimentalmente c h la calculada en simulación. Así como , '1

también presenta la variación de los. elem.entos de este modelo (co, c , v.?) en 8 l I)

frecuencias desde JkHz hasta 3OkHz con la finalidad de observar su comportamiento.

4.1 Pruebas del modelo I I)

I; I)

' i I)

11 ,I

Para verificar el modelo eléctrico.;) mostrado anteriormente (Fig. 4. I ) se

construyó una celda como la mostrada en la forografia de la Fig. 4.2. La celda consta de

dos electrodos paralelos, u n dieléctricoly un espacio donde se produce la descarga. 'I I)

t

'1

3 I! :I

11

'1 '1 I)

II 1 1)

Fig. 4.1 Modplo electric0 no lineal de la celda.

$

53

1,

! 'I1

' 1) I! I,

'1

Con la finalidad de evitar algún contacto accidental, el electrodo de alto voltaje ! I)

está parcialmente cubierto de resina, la cual'tamb/en se utilizada para acoplar la entrada

y salida del gas. Las especificaciones de la ielda se muestran en la Tabla 4.1. 11 I)

1 I1

mi I,

Material dieléctrico I'

Espesor del dieléctrico '1

Espacio para la descarga 11 I!

Entrada de gas

Mylar

0.05 cm

0.1 cm

Fig. 4.2 Ozonizadof de placas paralelas. 1)

Tabla 4.1 Especificaciones del ozonizador.

Placas paralelas

10x2.5 cm

I 11

11 Configuración ,,

Dimensiones del electrodo " 1)

I

' 1 I!

11 I) I I I,

': ' 1)

Para esta condición de prueba, la activiqad de la descarga se aprecia como

pulsos de muy corta duración en la señal d(corriC?nte; la duración de las inicrodescargas

durante el semiciclo positivo es aproximadamen!e del 28% (T = 2 8 . 2 ~ ) para IOkHz y

del 17.7% (T = 5 . 9 ~ ~ ) para 3OkHz.

'1 I)

If

' t I)

*.e.

I! >n ,I.lYl"<U "*,I,,

<Al IUS ,.,*Y

Fig. 4.4 Señales de voltaje y 'I Fig. 4.3 Señales de voltaje :') ,I

corriente a 1OkHz. I1 I, I' corriente a 30kHz. .

o. 1 0.08 0.06 0.04 0.02 O

15.0 20.0 25.0 tiempo (w) I

Fig.4.6 Microdescargas a 30kHz.

' I '1 'I I) 5 5

Frecuencia (kHz)

IO

30

56

1 ; C"d{Pf) cd (Pf)

,; 108 267 'I

'! 8t

' 1 I ./ b4 181

'! 'I I1

'i I!

'1 I)

I

111 Frecuenci.2

15 Ago 2003 +-- 19:52:36 ,I

'1 I)

1 'I Fig. 4.7 Figura de Lissajous a'10 I, 7W. Eje x: VCCO (CH1:500VIDiv) y

eje y: vcnl;(c~2: ~ V I D ~ V ) . I I1

I I *110 1) , TekPres Prj , , . , ,~ . v.,, , , , , , d! . 11

. . . . . . . . . . . . . I . . , . . . . . . .

. . . . . . . . , . . ' I . . . I / / . . . . . . . . . . . . .

11 1,: : , . . 8!i .:.i. , . . i . . . . , . . . . 500mV lCh2l 2 . 0 0 v J P 1 2 0 . 0 ~ ~ A[ Chl 1 440mw

I I1

i -

: I : ,E :

. ~ ~. 1 Chl Frecuencia

29.95kH2

Chl RMS 1.48 V

57

I "I

4,i.3 Verificación del voltaje de mantenimienio, Vz

I 11 En el modelo, el voltaje en el espacio para la descarga vc,,(r) alcanza un valor

donde se mantiene practicamente constante, el cual es conocido como VZ. Para verificar

este comportamiento se puede determinar el voltaje vcn(t) conociendo e l voltaje de la

celda vcco(r) y el voltaje en el dieléctrico vcd(t), los cuales están relacionados como se

muestra en la siguiente ecuación:

I . . 11 !I

(4.1) 1(

V c c ; 0 ( ' ) 7 v,:,,(o+Vc<,(')

I1

conectado en serie. I1

Por otra parte, el voltaje en el dieléctrico se puede determinar conociendo el

valor de su capacitancia Cd y su carga q(t) como se indica en la ecuación (4.2). Esta

carga q(t) se puede medir indirectamente Con el capacitor auxiliar C, [q(fl = C,,, vc,(t)]

!I

El voltaje en el espacio de la descarga se puede estimar conociendo el voltaje

aplicado a la celda vccO(t) y la caída de 7oltaje del dieléctrico, como se muestra en la

siguiente ecuación:

II .

!

(4.3)

~l

I/

Los resultados se muestran en la Fig. 4.9 para una frecuencia de lOkHz y en la

Fig. 4.10 para una frecuencia de 30kHz. cn la Fig. 4.9 se muestra que el voltaje en el

espacio de descarga, vcn(t), alcanza el valor denominado Vz, donde se mantiene

prácticamente constante, el cual tiene unalduración que corresponde al intervalo de la

actividad de la descarga y tiene un cont4nido armónico total de THD = 22.3%. Sin

embargo en la Fig. 4.1 O se aprecia una forma de onda más sinusoidal (THD = 15.9%) y

no se observa un valor constante del voltaje Vz, lo cual es una de las consecuencias del i

aumento en frecuencia. Por lo tanto, el comportamiento de este parámetro es menos

'i

' I

II 'I

II 58

!

, I apreciable al aumentar la frecuencia y se podría aproximar con una representación inás

sencilla. I

........

0.0 -

O 0 -0.5 ........

-1.5 - -

tiempo (vs) ...

Fig. 4.9 Voltaje en el edpacio para la descarga a 1OkHz. ,t

1.5 ............................ r..i . ................

:THD = I5.9%4 1 ,o ........... ~: . ....... I ......... 1 ............................ r..i . ................

..... ........

0.5 ......... ....

-0.5

-1.0 ..........

tiempo (p) /I

Fig. 4.10 Voltaje en el espacio para la descarga a 30kHz. II

59

Y

_______ I!

11 11

4.1.4 Simulación del modelo eléctrico

I El objetivo de esta prueba es comparar la figura de Lissajous obtenida

experimentalmente con el resultado de la simulación del modelo eléctrico no lineal de la I

celda. 1/ La prueba se realizó para un voltajelpico en la celda de 2.8 k V y una frecuencia

de 25 ktlz, obteniéndose la figura de Lissajous tipica mostrada en la Fig. 4.12. Los I

valores obtenidos usando el procedimiento Idescrito en el capitulo dos son: C, = 117.6

pf, C d = 1400 p f y Vz= 1.4 kV.

I.. , .

/j

L a Fig. 4.1 1 muestra el circuito simulado que tiene los valores

anteriores e incluye el capacitor auxiliar de medición C, (=C3). I!

VAMPL = (vm1 c3 D4

m

R1. - - 0

vz= 14w Uin = 1600

I1 Fig. 4.11 Circuiio eléctrico simulado.

Utilizando el procedimiento descrito en el capítulo dos, la potencia calculada a

partir de los datos experimentales es de 1126.62 watts y la potencia obtenida en

simulación es de 26.35 watts, lo cual represdnta un error del 1%. Los resultados de la

figura de Lissajous se muestran en la Fig. 4.13 y Fig. 4.13.

//

11 I

11 60

1

h

5 ;-" E

/ ¡ Vcco WV)

8 .

6 .

4 .

2.

-2.

- 4 .

- 6 .

O V E E I = n ov

ov

ov

ov

ov

ov

ov

o v

ov

ov - 4 . O K V OV 2 . O K V

+ V ( m ) V ( c g 0 l

OV 2 . O K V - 4 . O K V + V ( m )

V ( c g 0 l

Fig. 4.12 Figura de Lissajous 11 I 11

Fig. 4.13 Figura de Lissajous en

simulación de 26.35 watts y 2.8kVp. experimental de 26.62 watts y 2.8kVp. I

La estimacion experimental del voltjje en el espacio de la descarga se muestra I I1

en la Fig. 4.14 y la Fig. 4.15 muestra este voltaje medido en simulación. I

2 . O K V

1. OKV

ov

- 1 . O K V

- 2 . O K V 9.02ms 9 . 0 4 m s 9.06ms

2 . O K V I I I

1. O K V -

o v -

- 1 . O K V -

- 2 . OKV-'I 9.02ms 9 . 0 4 m s 9.06ms

+ v ( c Z : l , c 2 : 2 ) time

Fig. 4.14 Estimación del voltaje 11 11 del espacio para la descarga vea(,).

Fig. 4.15 Simulación del voltaje en el espacio de la descarga

61

!!

11 4.2 Caracterización de la celda GO,, 1(

El ob.jetivo de esta caracterización eS obtener las tendencias de los valores de los

elementos del modelo eléctrico de la descarga en barrera dieléctrica. Esta información

perinite estimar los requisitos que se ldeben cumplir a diferentes frecuencias;

especialmente, el voltaje de manteniiniento,de la descarga Vz, indica indirectamente el

voltaje de umbral VU#, que se requiere para provocar la ruptura y establecer la descarga.

4.2.1 Condiciones de operación

11

'1 81

iI i i\

La caracterización se realizó a potencia constante a diferentes frecuencias de

operación. Considerando una temperatura maxima en los electrodos de 40°C a la

frecuencia más alta del banco de prueba (30dHz), la potencia máxima se fijó en un valor

de 7 watts.

1 1 , .

11

11

'I

Esta caracterización consiste en aplicar la potencia deseada y medir el voltaje de

salida v,-co: el voltaje en el capacitor de medicion vcm y la corriente en el ozonizador

y así estimar el valor de los elementos del modelo eléctrico. Se realizaron I 1 I1 . mediciones dentro del intervalo de frecuenclas a estudiar (5k a 30kHz) y se 'I

consideraron sólo valores típicos de las variables neumáticas. En cada una de las

mediciones se tomó lectura de la concentracion de ozono, así como de la temperatura en

uno de los electrodos. La Tabla 4.3 muestra las condiciones de operación de esta

I/ I . .,

11 11

caracterización. 11 'I

/I Parámetro

Presión I!

Temperatura 401

I1 Flujo 1.1

I

Unidad

psi

IPm

"C

Po wan 71

i/ I1

d! I El procedimiento al realizar cada ineaición fue el siguiente:

I\

11

!

Disminuir a cero el voltaje edla fuente de alimentación

Seleccionar la frecuencia de qperación I1 I,

I1

i 11

I1

Establecer un flujo y presión de aire constantes

Aumentar el voltaje en la fuente hasta alcanzar una potencia de 7 watts

Estimar los valores de la celdq.

11 . A pesar de que los parámetros de este tipo de carga, varían con la temperatura y

otros factores, se puede considerar .que son constantes después de algunos ciclos de

operación, por lo que se procedió a realizar la caracterización bajo estas condiciones.

I1

'I 11

I!

11

A continuación se presentan los resultados obtenidos de esta caracterización para

la celda de la Fig. 4.2.

Voltaje de mantenimiento de la descarga, Vz i El comportamiento de Vz, presenta u n valor elevado para bajas frecuencias de

operación y disminuye al aumentar la frecyncia, hasta alcanzar un valor minima y posteriormente aumenta, Dentro del intervalo de frecuencias del banco de pruebas, la

disminución llega a ser de hasta 2.6 veces su valor máximo. Este comportamiento se

I1 .

II

'/I :it

I

presenta en la Fig. 4.16. I

Esta disminución en el voltaje Vz, puede deberse a un aumento en el índice de

ionización dentro del espacio para la descarga, lo que provoca una mayor

conductividad. Por otra parte el aumento de Vz, para frecuencias mayores a 25kHz,

puede deberse a un aumentó en la temperatui;a lo que provocó un cambio en el voltaje

de ruptura.

(1

'I 'I1

Fig. 4.16 Variación del voltaje de mantenimiento de la descarga Vz, con

respecto de la I frecuencia.

ll Capacitancias

Las figuras siguientes muestran la; tendencias que se presentaron en las

capacitancias parásitas de la celda mostraga en la Fig. 4.2. Estos valores están

normalizados con respecto al valor de la capacitancia del dieléctrico a 30 kHz. Para la

capacitancia equivalente Cad, los. resultados' indican una disminución de un 16.3%,

como se muestra en la Fig. 4.17.

Y

/I

.I/ I!

I/

11

I1

La capacitancia del espacio de la flescarga C,, permaneció prácticamente

constante hasta frecuencias menores a 20 kHZ, posteriormente su valor aumentó hasta

un 40%. El aumento puede deberse a un incremento en la temperatura del espacio para

la descarga. Este comportamiento se muestra en la Fig. 4. IS. I

Finalmente, el comportamiento de 1a:capacitancia del dieléctrico Cd, presentó

una disminución al aumentar la frecuencia. Esta caracteristica es propia del material y

depende de su constante dieléctrica. Las hojds de datos para el Mylar indican que su

constante dieléctrica disminuye al aumentar la frecuencia. Su comportamiento se

I

11

11 I

1/ 11 64

11

11 muestra en la Fig. 4.19.

Fig. 4.18 Variación de la capacitancia del espacio de la descarga C,, con I1

:I respecto de la frecuencia.

I

I1 '! 65

I

Fig. 4.19 Variación de la Capacitancia del dieléctrico Cd. /I

3.5 ,.. 2 3 ?

c 2

C I 0

Q 2.5 M

'O

v

'O 1.5 L

0 0.5 u

c

o

4.2.2 Concentración de ozono 1/ En cada medición se tomaron lecturas1 de la concentración de ozono en fase gas

y el resultado se muestra en la Fig. 4.20.!La tendencia es una disminución de la

concentración de ozono a medida que se incrementa la frecuencia y puede deberse a un

aumento en la temperatura como se muestra ed la Fig. 4.21

11

I1

I1

Fig. 4.20 Variación de la concentración de ozono. 11

11

Fig. 4.21 Variacíon de la temperatura. !I

Por IO tanto, se puede considerar que esta CGO entrega una concentración estable en frecuencias entre 5kHs y 1OkHz. I ,

Resunten 11 En este capítulo se 'realizaron !diferentes pruebas para observar el

comportamiento y verificar el modelo no d e a l de la'celda en alta frecuencia. Esta

descarga presenta un intervalo de pausa y un intervalo de actividad durante medio ciclo

del voltaje aplicado. Para una potencia especifica, los resultados indican que el intervalo

de actividad de la descarga se reduce a may6res frecuencias. El tiempo mínimo de la

actividad de la descarga fue de 17% a 30kHz para la celda de prueba.

It

I il ' I

.!I ,I . . La celda tiene un comportamiento capacitivo, cuyo valor varía durante un ciclo

del voltaje aplicado. Básicamente su capacitancia presenta dos valores que

corresponden a la pausa y actividad de la descarga. Esta variación se debe a la presencia de pequeños filamentos de corrientes (microdescargas). los cuales disminuyen

significativamente la impedancia del espacio para la descarga.

11 . .

11: 'I

It La consecuencia más significativa se refleja en el voltaje de mantenimiento de la

descarga, el cual se puede observar determ.inando indirectamente el voltaje en el espacio 11 . . :I

67

para la descarga vc&. Los resultados muestran una forma de onda con menor

contenido armónico para frecuencias mayore? alcanzado un valor de THD = 15.9% para

30kHz, debido a la reducción de la duración del intervalo de actividad de la descarga.

I1

I1 I1 . 6

L a potencia activa obtenida de la siiiiblación del modelo no lineal, prácticamente

corresponde a la potencia activa obtenida experimentalmente. Los resultados muestran

una diferencia del I%.

I1 . Para esta celda de prueba, las pruebas, realizadas a diferentes frecuencias indican

una variación en los elementos del modelo :o lineal. El voltaje de manteniendo de la

descarga VZ es menor a frecuencias mayores, así como también sus capacitancias

parásitas. Con respecto a la concentración de ozono, ésta aumentó hasta alcanzar un

valor máximo donde posteriormente disminuyó.

11

II 'I

El siguiente capítulo presenta las chclusiones 'obtenidas al, desarrollar este /I

trabajo.

!I

I

Capítulo 5

COMENTARIOS: Y CONCLUSIONES 1 !

En este capítulo se presentan los comentarios y conclusiones obtenidas en este I1 trabajo, así como los trabajos futuros que podrían complementar esta investigación.

La problemática de desinfección dekagua ¡/ requiere de soluciones más eficaces II

que eliminen una variedad más amplia de m)croorganismos sin producir subproductos

peligrosos para la salud humana, este requisito hace cada vez más dificil el empleo de

métodos comúnmente utilizados (hipoclorito,, cloramina, etc.). Entre las alternativas de

solución que existen, el ozono destaca por su alta eficacia como desinfectante y además

favorece a la reducción de otros contaminantes del agua, los cuales se oxidan.

/I

i La generación de ozono por medio de'la j/ descarga en barrera dieléctrica DBD, se

I I. i

utiliza ampliamente en aplicaciones que requieren de concentraciones altas y presenta

cuando menos un dieléctrico entre sus electrodos. El comportamiento eléctrico de este

tipo de celda ó reactor se representa mediante )un modelo no lineal. I¡

.I La complejidad del modelo no lineal de la celda depende de la presencia de los

dos intervalos de operación de la descarga (pausa y actividad). Cuando el voltaje

aplicado a la celda es suficientemente alto la actividad de la descarga se manifiesta

como una multitud de filamentos de corriente de corta duración que provocan una

disminución de la impedancia equivalente de la celda. Esto produce un comportamiento

no lineal que dificulta el cálculo de la frecuenc;ia de resonancia.

'I 1/

' /i

I! . ' I

11 En este trabajo se revisa el compohamiento de la DBD y SU representación

eléctrica. El elemento principal de la descarga es la ruptura eléctrica, la cual Ocurre cuando se ha excedido u n voltaje de umbral V,,, dentro del espacio para la descarga,

produciendo una avalancha de electrones. La, representación eléctrica se obtiene a partir

de los dos intervalos de operación de la descarga. Así como también se revisó el

procedimiento para obtener los elementos de! modelo no lineal y el procedimiento para

estimar la potencia útil de la descarga por rnehio de figuras de Lissajous.

11

11

I1

I

,I

I . Para verificar el comportamiento no) lineal de la celda en alta frecuencia se

implementó u n banco de pruebas que propor&iona el voltaje suficiente para producir la

descarga en la celda, utilizando un transformador elevador. Con la finalidad de que los

armónicos no afecten la figura de Lissajous, el banco de pruebas busca proporcionar la

componente fundamental del voltaje de salifla, reduciendo los armónicos de menor

orden mediante la técnica PWM sinusoidal de'tensión unipolar.

Ir

I1

11

II '1 .

Las pruebas para verificar el modelo n b lineal en alta frecuencia se realizaron en

una celda generadora de ozono basada en la configuración de placas paralelas, en la cual

se utilizó el material dieléctrico Mylar para cubrir uno de sus electrodos.

A continuación se describen las conclusiones particulares: I/

Banco de pruebas 11

¡I Con la finalidad de observar las tendencias del comportamiento en equipos de

poca producción de ozono operando en alta frecuencia, la fuente tiene las siguientes

características:

I¡

Proporciona un voltaje de salida' alterno a partir de una fuente de entrada

variable de CD, cuyo voltaje máximo es de 50V. En el esquema de

conmutación implementado los armónicos de menor orden del voltaje de

salida del inversor aparecen en fiecuencias mayores a 100kHZ.

11 .

'I il

Permite seleccionar una de las 1 1 frecuencias de operación dentro del

intervalo de 5k a 30kHz, el cual está dentro de la clasificación de generadores de ozono en alta frecuencia.

I1 '! I¡

I1 11

El banco de pruebas tiene como inconveniente una eficiencia baja. Con la celda

de prueba como carga, la relación de la pitencia de salida obtenida de la figura de

Lissajous y la potencia de entrada, obtenida experimentalmente, indica que la eficiencia

va desde un 75% en IOkHz hasta un 50% en 30kHz. Por otra parte, para tener una

selección más fina de la frecuencia de operación, el circuito de gobierno implementado,

requiere de un dispositivo con mayor capacidad de memoria que almacene más

información.

I

I1 .

1 11

Modelo eldelrico

Los parámetros del modelo no lineal se obtienen a partir de las señales de voltaje

vcco(í) y carga q(í) medidos en la celda. La carga q(t) se obtiene indirectamente

midiendo el voltaje del capacitor auxiliar C,,, conectado en serie. La gráfica vcco(í) vs.

q(í) produce una figura similar a un paralelogramo cuyos lados corresponden a los

intervalos de pausa y actividad de la descarga, y sus pendientes son las capacitancias

equivalente Cad y c d respectivamente.

'1

!I

I1 'I

! 11

El área de esta figura es la energía por ciclo de la descarga y de la cual se

obtiene la potencia activa (P = W f l .

El resultado de las pruebas indica que ¡a duración de la actividad de la descarga

es menor a frecuencias más altas por lo que, la variación de la capacitancia equivalente ,I

en la celda es menos significativa como se muestra en las figuras 4.7 y 4.8, y por otra

parte el voltaje en el espacio para la descarga vc.(,) tiene un menor contenido armónico

en frecuencias más altas como se muestra en 'las figuras 4.9 y 4.10. Los resultados de

estas pruebas sugieren una simplificación del modelo para esta condición.

!I . .

I1 I I1 I

I Curucierizución I

La intención de probar la celda a las frecuencias de operación del

'i

11 banco de pruebas, es observar el comportamiento de los elementos del modelo no lineal Ir y conocer el intervalo de frecuencias en el hue el calor producido por la descarga no

afecte el ozono generado. ,I

I! !

El comportamiento de los elementos del modelo, para una potencia de 7 watts en

la celda construida, es como sigue:

.I El voltaje de mantenimiento :\de la descarga VZ, es menor a mayores frecuencias de operación, el cual ¡I llegó a ser 2.6 veces menor que su valor

La capacitancia del dieléctrico il Cd también es menor en frecuencias más

!I máximo. I

altas, lo cual se debe a la cbnstante dieléctrica del tipo de material

empleado (Mylar)

La capacitancia del espacio Para la descarga C, presentó un ligero

aumento para frecuencias menores a 20kHz. ¡I II

En estas pruebas se constató que a mavores frecuencias de operación el área de

la figura es más reducida, .esto hace menos apreciable el cambio de la capacitancia

equivalente, lo que dificulta la estimación de l os parámetros del modelo no lineal. Y l . Para esta celda, la concentración de ozono máxima fue de 3gr03/Nm3 y está en 1 el intervalo de frecuencias de 5kHz a lOkHi como se muestra en la figura 4.20. A ¡I frecuencias mayores la concentración disminuye alcanzado un valor mínimo de la /i

mitad (1.5 gr03/Nm3) del valor máximo en 3;OkH.z. La disminución de concentración

corresponde a un aumento en la temperatura. d a figura 4.21 muestra que en frecuencias 'I1

más altas la temperatura del electrodo aumenta alrededor de 10°C en el intervalo de I 5kHz a 30kHz. I

I1 Sugerencias para trabajos futuros I !

I / . El trabajo realizado comprende la observación de la celda generadora de ozono /I

I

I !

operando en alta frecuencia debido a las ientajas que se obtienen, colno un menor

voltaje para producir la descarga y la reducción i del tamaño y peso de la fuente de alimentación. Como trabajos complementarios I . se. tienen lo siguientes:

I .jJ

Simplificar el modelo no lineal en aplicaciones de alta frecuencia y baja potencia con la finalidad de fdcilitar el diseño de fuentes de alimentación

requeridas. Este trabajo actualmente se desarrolla en la tesis de maestría

“Fuente de Alimentación para! la Generación de Ozono en Aplicaciones

de Purificación de Agua”, desarrollada por el Ing. Jorge Aguilar R. y de

la cual se publicó el articulo ,‘rLineau and non linear models for ozone

generators considering elecír,\des losses” en el PESCO4 celebrado en

Alemania en Junio del 2004.

I

I I

I ‘1

I

Probar otros materiales y configuraciones de la celda con la finalidad de

desarrollar un sistema de generación de ozono en alta. frecuencia. Este

trabajo se desarrolla en la tesislde maestría “Diseño y Construcción de un

Generador de Ozono para bplicaciones de Purificación de Agua”

desarrollada en cenidet por ids ingenieros Erwin Beutelspacher y José

I . ! I

I María Calderón. !

En lo que concierne a las actividadesifuturas, es interesante la operación de la

fuente de alimentación utilizando la modulacibn por densidad de pulsos, ya que permite

regular la concentración de ozono en un margen más amplio. Si bien se han reportado

trabajos en ese sentido, en la referencia [14], operando a frecuencia y voltaje constantes,

han sido utilizados en aplicaciones de más potencia.

I

‘I

I 11

I

! 73 ,I

i

'/ Continuando con el procedimiento' de diseño, se obtienen los valores ' de

referencia a partir de la ecuación A.2, para una I . . resistencia de 17. I

L r = 42.6 pH Cr = 267 nF

El escalonamiento para obtener los lalores que deben implementarse se hace multiplicando los factores normalizados d6 ! capacitor e inductor (A.l) por los de

referencia, de esta forma queda: I 4

L=127pH i C = 258 nF

XI I

Dada la disponibilidad comercial se utilizó un capacitor de 220nF

B. Programa PWM sinusoidal de densión unipolar I !

El programa principal que genera lad señales lógicas de los interruptores del

inversor a partir de los valores de m-ma, m - J f y fl es el siguiente. I

void PWMSenoidal() i I 11

{ int i, puntos=MfM-PUNTOS; doublet=O.O, inc, T1. w l , Ts, senl, sen2. tri,ma; memset(cSenalPWM1 ,M-PUNTOS,sizeof(char)); memset(cSenalPWM2.MA-PUNTOS.sizeof(char)); ma = m-ma; T1 = l/m-fl; wl = 2'3.141592654*m-f1; Ts = l/(m-mfm-fl); inc = Tll((doub1e)puntos);

for(i=O; iqxmtos-1: i++)l I

1 I .

senl = ma*sin(wl't); I/ // Cálulo de las setiales senoidales sen2 = -ma*sin(wl*t); I tri = f-tri(t, Ts); CSenalPWMl[i] = Compara~or(sen1 ,tri);// señal lógica para la rama A cSenalPWM2[il = Comparador(sen2,tri); // seíial lógica para la rama 6

// $icuio de la seíial triangular

t+=inc; :I II

I 75

'! } I .I

i

!

m-Salida += "\tclrl SENALS\r\n\tmovwf PORnr\n": I

PORT.M3\r\n":

mSalida+= "\tbcf PORT,M4\r\n";

c += 2.0; I t+=inc: if(t>C*CiCIO)(

111

mSalida += "UnopkW, c += 1 o; I

PORT\r\n\tmovlw

/ I Flanco de subida PORT,M4\r\n\tbsf

// Flanco de bajada PORT.M3\r\n\ibsf

!

'I I -

C. Programa para leer y seleccionar las secuencias de conmutación I

La selección de una de las frecuenciaA de operación se realiza comparando un

valor (por ejemplo MCMDZ) definido con las senales de entrada (PORTA), como se 1:

muestra en el siguiente. fragmento de código: ~

! " I

! .¡

movlw MCMDl ! subwf PORTA,O .i btfsc STATUSZ ! goto CMDl

INICIO

I j La lectura de las secuencias se realiLa llamando a una específica parte del

programa (por ejemplo: T300-84) que co l i ene las instrucciones necesarias para

producir las señales lógicas del esquema de conmutación implementado. Para la frecuencia de operación de 30kHz, la rutina es lomo sigue:

:I

i I(

btfss PORTA.BOTON ! goto CMDl ! goto INICIO !

CMOl call T300-8-4 :7 ciclos

La configuración de los puertos PORtA y PORTC como entradas y salidas

!

i 'I 77

j

I Poiencia aparente = [ ; ~ + l ) P, = 513.2 W 1 Producto de Úrea, A,. Para una onda cuadrada .I

factor de utilización de la ventana se propuso I requisito de aislamiento. Debido a que el núcleo ,I consideró un factor de elevación de la temperatura I máxima (B, = 0.3). 'I

el factor de forma es: Kf = 4.0. El de K, = 0.1, muy reservado por el

del transformador es una ferrita se

de Kj = 590 y una densidad de flujo

!

Con base en elproducto de áreas obtinido se seleccionó un núcleo E55 con las

j siguientes especijcaciones:

MLT 1 11.51 I cm. I

Número de vueltas en elprimario: N , = I ( V , b ' N, = 15.49 vueltas

Corriente en elprimario: I , = 2 Ip = 5.26 A

J = 405.7 A/cm2

Tamaño del alambre desnudo: Ai,(H) = - = 0.0 13 cm2 !J I

79 i !

i

i I I

6

I Cálculo del número de vueltas en el secundario 1

... -. - . I_ -_-

I

I

I 1 I

L Í

Seleccionarnos un calibre del conductor No. 16 c u y area es de 0.013 em2, y al

i ser cobre tiene una resistencia de 131.8pucm.

i .

Cálculo de la resistencia del devanado primario r I

I R , = MLT(N)@/cm)(lO") R, = 0.024 0

I Cálculo de las pérdidas de cobre en el primario

A

I Tamario del conductor desnudo)

N, = 1549 vueltas

A!,.(,, i -1" - - A w ( ~ ) = 0.000123 cm2 ,I J

I Seleccionamos un calibre del conducior No. 36 cuya área es de 0.000I3 em2, y I

I

tiene una resistencia de I3608 ,ufYcm. I I I Resistencia del devanado secundario

R, =MLT(N~,&lcm)(íOi)

Pérdidas del cobre en el secu I

p> 1 = (1, !

I !

R, = 242.4 0

P, = 0.6W

I -

80

131 ULIOGRAFi A GENERAL

.

i- .“k

a,..

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