學術論文

100KW大型臭氧發生器單機變頻電源的研制

發布時間：2017-12-21

制造大型（超大型）臭氧發生器裝置的瓶頸是電源！縱觀當今國內外大型臭氧設備現狀即是證明。國外發達國家大型臭氧設備單機電源僅用一臺高壓變壓器驅動一個放電室（即“一”對“一”），即刻可實現高濃度、大產率臭氧制造，高頻、中頻、工頻電源大都此類，體現了其技術的先進和科技的領先，這與其工業基礎好、發展歷史長有關。國內大型臭氧設備多采用組合電源，使用多臺高壓變壓器驅動一個放電室（即“多”對“一”），將一個放電室劃分為若干放電區域，對應于相應驅動功率的電源，也可稱為迭加電源（俗稱“1”＋“2”=“3”、或“2㎏/h”電源＋“3㎏/h”電源 =“5㎏/h”等多電源變幻組合），具有技術要求低、使用靈活簡便，隨意組合即可實現大功率電源輸出，但存在電源之間相互干擾，甚至削弱電源功率，影響電路的穩定性和可靠性，同時體積大、成本高，較之國外單機電源技術有較大差距。因此，單機電源技術也成為衡量大型（超大型）臭氧裝備水平的重要標志。
我國現階段將大型臭氧發生器定義為每小時能生產1㎏以上臭氧產量的裝置。國內能生產大型臭氧設備的企業為數不多，用單機單電源生產1㎏以上臭氧量的企業更少。隨著經濟全球化的深入和國外先進臭氧技術的輸入，大型臭氧設備在水處理、化工氧化、環保工程等領域愈來愈多的應用，更多的企業會加快研發速度，進入大型設備制造行列。青島中通臭氧科技有限公司的科研人員經過不懈努力，自主研發出具有獨立自主知識產權的100KW大型臭氧發生器單機變頻電源及相應測控裝置。設計原理和特點為：
一、電源結構

二、工作原理：
      市電～380V 50HZ三相交流電輸入斷路開關，電源總開關由受控的交流接觸器完成操作，接觸器吸合接通時，三相電接入三相整流變壓器，並將380V交流電降至三相全控整流膜塊電路輸入端所需的額定值范圍，三相降壓交流輸入至三相全控整流膜塊輸入端后，全控整流膜塊輸出脈動直流電壓，經LC濾波得到平滑直流電作為晶閘管逆變器的直流電壓源（直流電壓表用于監測工作時直流電壓變化及電源軟起動時直流電壓0-300V變化規律）。電抗器用來抑制電源接通瞬間大電流對逆變器電路關鍵器件快速晶閘管的沖擊，對晶閘管起到過電流保護作用。晶閘管中頻逆變器是一種將直流電轉換成頻率可調的交流電的裝置，用作驅動高壓放電室容性負載的電源，實質上是將三相電能轉變為單相中頻電能的裝置（即變流器）。交－直－交型的逆變器工作時受控于變頻控制電路（即觸發電路），變頻控制電路通常是數字集成電路或軟件編程實現逆變器工作頻率的變化和控制，常為強脈沖信號，頻率設定在500～800HZ，加至晶閘管的控制極。晶閘管作為高速電子開關，在觸發脈沖作用下周期地快速通斷，將直流電壓轉變為脈沖交流電，通過串接高壓變壓器將初級繞組的交流電耦合到次級成脈沖型的高壓電，高壓電脈沖幅值6KV～8KV加至放電室高壓和地級可實現電離氧氣制造臭氧，因大功率逆變器能輸出大功率型高壓脈沖，因而能驅動更多的放電負載（容性）生產公斤級的大產率的臭氧。為使逆變器可靠穩定地工作，主電路增設了高壓、過壓、過流檢測環節，減少了故障發生率。一旦主電路逆變器關鍵器件快速晶閘管兩端出現超過設定值的過電壓或過電流，過壓過流控制電路即刻輸出正脈沖信號組斷三相全控整流膜塊輸出起到保護作用，並發出聲光及遠傳或無線尋呼報警，告知故障與部位。軟起動環節是在電源接通三相全控整流膜塊時，輸出直流電壓0～300V單調增變化（持續時間10～15秒），不會出現接通高壓瞬間對電路元件和放電介電體強烈沖擊而致損壞，起到有效的緩沖作用，有益于延長設備的使用壽命。單片機系統用于氣體露點、壓力、流量、溫度測控及放電室冷卻水溫度流量測控，電動閥用于過程控制。單片機將信息化和臭氧發生器工藝有機結合實時在線測控可將工藝參數自動調整在最佳，確保系統工作穩定、可靠。異常情況可自動發出正脈沖組斷三相全控整流膜塊輸出，並發出聲光及遠傳或無線尋呼報警信號，告知故障與部位，上述過程智能化、自動化。
三、研制關鍵：
1、大功率中頻高壓變壓器：
     由于我國沒有專業生產大功率中頻高壓變壓器廠家，研制和生產大功率中頻高壓電源首先必須突破高壓變壓器難關，否則，即是空想和夢想。國內不少臭氧企業因此而被拒之大型臭氧發生器制造門外，出于市場需要，不得不另辟蹊徑，用若干小型（或小功率）設備組合（或迭加）成中型（或大型）設備（類似以“1”＋“2”=“3”），但實測結果數據並不符合迭加原理，數值差異較大。其原因在于存在干擾和抵消效應。大功率中頻高壓變壓器較之工頻電力變壓器難度較大，不易制造，由于電壓值較高，所以，要采用較厚的絕緣及較寬的間隙距離，因而漏磁通較大，短路電抗值也較大。在高壓放電時，容易在繞組上產生梯度過電壓，繞組縱絕緣（匝間、層間絕緣）造成損傷。因大型臭氧發生器的高壓放電室為大的容性負載，高壓變壓器初、次級繞組的電壓關系與線圈匝數比有一些差異。檢測發現，高壓放電室的容性負載有“容升”效應，實際施加到容性負載兩端的電壓值會超過按變比高壓側所應輸出的電壓值，有別于阻性或感性負載。因此，中頻高壓變壓器的初級繞組的電壓按變比求次級側（高壓側）電壓是不準確的。同時也應注意鐵芯飽和所造成的電壓波形畸變。制作高壓變壓器時應對初、次級繞組之間絕緣，次級（高壓端）繞組匝間、層間絕緣及對鐵芯的絕緣工藝處理好。必須抽真空用環氧樹脂灌封。實際運行時，高壓變壓器功率容量應留有充足的裕量（30～40%），將變壓器溫升控制在70℃～80℃之間，避免過熱過載，影響使用壽命和系統的穩定性和可靠性。
2、大功率晶閘管中頻逆變器調試：
     逆變器作為大功率臭氧電源的核心，又是大型臭氧發生器的關鍵環節，直接決定著整個系統的可靠性和使用壽命。在大功率逆變工作時，晶閘管工作在正向直流電壓下，觸發導通比較容易，而關斷卻不容易，不像整流那樣簡單。交流電壓有過零反向的時候，而在直流電壓時必須采取另外關斷措施。因此，逆變器能否正常工作的關鍵是如何保證晶閘管可靠關斷，實用電路常用電容的充放電或電容、電感的振蕩作用，使晶閘管兩端出現短時間的反向電壓，強迫晶閘管關斷，因此電路中的換向電容和換向電感是十分重要的。換向電容和換向電感參數的計算原則是使晶閘管承受反向電壓的時間能保證晶閘管可靠關斷（即反向電壓維持時間大于晶閘管的關斷時間）。實際大功率臭氧逆變電源常用電壓型逆變器。它具有直流電源經大電容濾波吸收無功功率，並串接大電感抑制浪涌電流沖擊晶閘管特點，直流電源可近似看作恒壓源，輸出電壓為矩形波，輸出電流近似正弦波，它抑制浪涌電壓能力強，頻率可向上向下調節，功率因數高、效率高，適于負載比較穩定的運行方式。高壓放電室的大容性負載顯然適合。調試大功率逆變器時，通過變頻觸發控制電路將晶閘管工作頻率設定在某中頻頻率，依據放電室放電管子數目（即電容量）來調節主電路輸出功率求得最佳匹配。最佳匹配時電路具有較低的功耗，獲得最大的臭氧發生量，且系統運行穩定、可靠。驗收標準依據行業標準中國環境保護產品認定技術條件臭氧發生器HCRJ058-1999，大型空氣源臭氧發生器生產每公斤臭氧的電耗小于或等于18KWH，調試數據盡量小于18KWH是調試目標。具體操作可設定高、中、低三個頻率值在中頻段，測試臭氧產量和電能消耗，找出最佳值，測試應在臭氧發生器運行半小時之后。電能消耗與臭氧產率關系曲線應符合下圖

     主電路大功率運行時，高達數百安的工作電流流經導線、晶閘管、高壓變壓器等。所連導線以2A/mm2選取較為合理，否則，導線發熱，甚至破壞絕緣，引起短路，晶閘管、高壓變壓器除留有充足的功率裕量（30～40%），還有必要設置冷卻裝置保證安全運行。
3、保護環節：
     大型臭氧發生器作為工業及其它領域裝備，工作方式是連續運行，要求系統各環節特別可靠，不允許出故障，或出了故障以后要在盡可能短的時間內排除故障，減少停產損失。驅動大型放電室的唯一中頻逆變高壓電源應按軍品設計。除了主電路三相整流變壓器、全控整流橋、電抗器、快速晶閘管及高壓變壓器留有充足的安全裕量外，冷卻散熱裝置必不可少，輔之必要的過壓、過流、過載、短路保護環節，可有效降低可能出現的故障。同時，對關鍵控制電路和元器件應有冷備份，以確保不誤生產。
四、發展方向：
     就目前大型臭氧發生器的大功率電源而言，無論是工頻、中頻或高頻電源，還是單機型或組合型（迭加型）電源，均有一定的市場和各自優劣勢，市場需求的關鍵是經濟性、穩定性、可靠性、節能性和長壽命等諸項指標的綜合。隨著科技的發展和競爭的加劇，大型臭氧發生器的大功率單機電源已展現出光明前景，較之大功率工頻或組合（迭加）型中頻電源更有優勢。