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摘要：臭氧發(fā)生器是利用高壓放電原理，將氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧的過程。本文以濟南某臭氧發(fā)生器生產(chǎn)公司為例，介紹英威騰MF100中頻電源變頻器在臭氧發(fā)生器上的應(yīng)用案例。

關(guān)鍵詞：英威騰MF100中頻電源變頻器；臭氧發(fā)生器；節(jié)能環(huán)保

1 引言

臭氧發(fā)生器是將高壓交流電加在中間隔有絕緣體并有一定間隙的高壓電極上，讓經(jīng)過的干燥凈化空氣或氧氣通過，當(dāng)高壓交流電達到一定值時，產(chǎn)生藍(lán)色輝光放電“電暈”，電暈中的自由高能離子離解O₂分子，經(jīng)碰撞聚合為O₃分子。臭氧的產(chǎn)量、濃度根據(jù)所加的電源電壓、電流等的變化而變化。

隨著近幾年我國環(huán)保政策的大力實施，臭氧在污水及工業(yè)廢水處理、煙氣處理、脫硫脫硝、化工氧化、空間滅菌等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，由于臭氧易于分解無法儲存，需現(xiàn)場制取現(xiàn)場使用，因此臭氧發(fā)生器在近幾年的市場需求急劇增加。

圖1 臭氧發(fā)生機外觀圖

2 臭氧發(fā)生器的工藝要求

臭氧部分需要控制的參數(shù)主要有濃度和流量。流量的實現(xiàn)只需調(diào)節(jié)相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥就可以實現(xiàn)，而臭氧濃度則跟許多因素有關(guān)，如氣源、電源、發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和冷卻方式。

在本方案中，英威騰MF100產(chǎn)品主要調(diào)節(jié)臭氧發(fā)生器的工作頻率（可利用MF100產(chǎn)品自動尋找諧振點頻率功能）及輸出電流或者輸出電壓（即恒壓模式或恒流模式），實現(xiàn)對臭氧濃度的調(diào)節(jié)。保持氣體流量不變的情況下，調(diào)節(jié)臭氧發(fā)生器中頻電源變頻器的輸出頻率，工作頻率改變，則高壓放電功率改變，從而實現(xiàn)臭氧濃度的調(diào)節(jié)。

臭氧發(fā)生器采用介質(zhì)阻擋電暈放電法來產(chǎn)生臭氧。主要由空氣預(yù)處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供電電源和放電室（采用管式臭氧發(fā)生單元即為臭氧發(fā)生管）等四部分組成。用空氣壓縮機把空氣壓入氣體凈化除濕設(shè)備，出來的干燥潔凈空氣或者氧氣導(dǎo)入臭氧發(fā)生管，由高壓電源對臭氧發(fā)生管供電，在電極間放電，使流過臭氧發(fā)生管的空氣形成一定濃度的臭氧。由于在電暈放電時，會導(dǎo)致電極和介電體表面溫度的升高，因而加速臭氧的分解，所以必須對臭氧發(fā)生管進行冷卻，以控制管內(nèi)工作溫度在一定范圍內(nèi)。

圖2 臭氧發(fā)生器原理圖

理論值：7.5kW對應(yīng)1kg（注：實際選型要放大，因為在實際控制時很難達到電流和電壓調(diào)到100%運行，7.5kW對應(yīng)1kg是按照電源輸出端功率計算值）。

上式中，0.96為后端變壓器及電抗器損耗，即 電源后端裝置的功率因數(shù)

3 臭氧發(fā)生器系統(tǒng)圖

臭氧發(fā)生器主要組成部分包括：

電源及控制系統(tǒng)：由中頻電源專用變頻器、升壓變壓器和控制裝置PLC+HMI組成，由中頻 電源將電源頻率由工頻變?yōu)閹装僦翈浊Ш掌潱俳?jīng)過升壓變壓器升壓到幾千伏，從而得到放電所需要的高頻高壓電；控制裝置PLC+HMI主要是實現(xiàn)對整個臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的控制。

圖3臭氧發(fā)生器系統(tǒng)圖

（2）氣源系統(tǒng)：臭氧發(fā)生器可以利用兩種氣源，一種為空氣源，由無油空壓機、干燥器等提供；另一種為純氧或者富氧空氣，由氧氣瓶或者制氧機提供。空氣或者氧氣進入發(fā)生器之后需要適度的干燥和減壓，經(jīng)計量后連續(xù)地送入臭氧發(fā)生放電室。

（3）冷卻系統(tǒng)：對放電室進行降溫，可用軸流風(fēng)扇進行風(fēng)冷卻，也可以采用水冷。

（4）尾氣破壞系統(tǒng)：由風(fēng)機將臭氧尾氣抽出，通過一個預(yù)加熱帶將溫度升高后進入尾氣破壞帶，再通過催化破壞方式將臭氧破壞分解為氧氣。

（5）臭氧放電室：臭氧放電室分為管式和板式兩種。

4 臭氧發(fā)生器控制方案

4.1 電氣配置

英威騰MF100中頻電源變頻器、輸出諧振電抗器、輸出升壓變壓器、小型PLC、觸摸屏、其它低壓元器件及檢測儀表。

4.2 控制框圖

圖4 臭氧發(fā)生器控制框圖

當(dāng)臭氧發(fā)生器放電間隙的電場強度E大于氣體的擊穿電場強度Ep時，放電間隙的氣體才會發(fā)生放電現(xiàn)象，對于間隙寬度為L的放電間隙，有VD=ED *L，就可以計算出發(fā)生氣體放電時放電間隙電壓。介質(zhì)阻擋放電具有一個很重要的特點，即放電通道的間隙電壓達到放電要求時，即使再繼續(xù)升高臭氧發(fā)生器負(fù)載電壓（或電流），放電間隙電壓卻基本保持不變，這個電壓稱為放電維持電壓VD。因此對于一個介質(zhì)阻擋放電型臭氧發(fā)生器負(fù)載，當(dāng)其負(fù)載交變電壓（或電流）在放電間隙上產(chǎn)生的電壓低于放電維持電壓VD，放電間隙不會發(fā)生放電現(xiàn)象，稱為無放電過程，其負(fù)載等效為絕緣介質(zhì)的等效電容（Cg）和放電間隙的等效電容（Cd）串聯(lián)。當(dāng)負(fù)載交變電壓（或電流）在放電間隙上產(chǎn)生的電壓足以達到維持電壓VD時，放電間隙將發(fā)生放電現(xiàn)象，稱之為有放電過程，但整個有放電過程并不是連續(xù)放電，而是分為不放電階段和放電階段。放電間隙電壓低于放電維持電壓VD的階段，放電間隙不發(fā)生放電現(xiàn)象，即為不放電階段；當(dāng)放電間隙電壓達到放電維持電壓VD時，放電間隙將發(fā)生放電現(xiàn)象，即為放電階段。在整個放電階段，放電間隙電壓不再升高，而是維持不變。同時由于負(fù)載電壓（或電流）的周期性，放電過程也具有周期性。

考慮到臭氧發(fā)生器負(fù)載的電容特性，如果不對負(fù)載采取適當(dāng)?shù)难a償措施，必將導(dǎo)致負(fù)載功率因數(shù)降低，從而降低放電電源的工作效率。對于電容性負(fù)載而言，可以利用增加電感的方法進行串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合補償，以提高負(fù)載功率因數(shù)。考慮到放電電源高電壓的要求，其電壓的匹配可以利用高頻升壓變壓器來實現(xiàn)，由于變壓器的漏感不可避免，利用變壓器的漏感可以在不需要另外增加輔助電感的情況下對負(fù)載電容起串聯(lián)補償作用，與負(fù)載電容構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。所以臭氧發(fā)生器高頻放電電源選用負(fù)載串聯(lián)諧振型逆變電源是最合理的。利用補償電感Ls與負(fù)載等效電容構(gòu)成并聯(lián)LC諧振負(fù)載，中間用高頻變壓器進行電壓匹配。

5 結(jié)語

英威騰MF100中頻電源變頻器的應(yīng)用方案，通過MF100產(chǎn)品自動尋找諧振點頻率，利用恒壓模式或恒流模式控制方式，簡化了操作流程，大大提高了裝置工作效率，比傳統(tǒng)模式更加節(jié)能，整體裝置的產(chǎn)能比以前也大大提高，電氣裝置的空間得到進一步優(yōu)化，控制操作更加簡潔。

摘自《自動化博覽》2020年8月刊