100KW大型臭氧發(fā)生器單機(jī)變頻電源的研制

發(fā)布時(shí)間：2017-12-21

制造大型（超大型）臭氧發(fā)生器裝置的瓶頸是電源！縱觀當(dāng)今國(guó)內(nèi)外大型臭氧設(shè)備現(xiàn)狀即是證明。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家大型臭氧設(shè)備單機(jī)電源僅用一臺(tái)高壓變壓器驅(qū)動(dòng)一個(gè)放電室（即“一”對(duì)“一”），即刻可實(shí)現(xiàn)高濃度、大產(chǎn)率臭氧制造，高頻、中頻、工頻電源大都此類，體現(xiàn)了其技術(shù)的先進(jìn)和科技的領(lǐng)先，這與其工業(yè)基礎(chǔ)好、發(fā)展歷史長(zhǎng)有關(guān)。國(guó)內(nèi)大型臭氧設(shè)備多采用組合電源，使用多臺(tái)高壓變壓器驅(qū)動(dòng)一個(gè)放電室（即“多”對(duì)“一”），將一個(gè)放電室劃分為若干放電區(qū)域，對(duì)應(yīng)于相應(yīng)驅(qū)動(dòng)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(shù)要求低、使用靈活簡(jiǎn)便，隨意組合即可實(shí)現(xiàn)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(wěn)定性和可靠性，同時(shí)體積大、成本高，較之國(guó)外單機(jī)電源技術(shù)有較大差距。因此，單機(jī)電源技術(shù)也成為衡量大型（超大型）臭氧裝備水平的重要標(biāo)志。
我國(guó)現(xiàn)階段將大型臭氧發(fā)生器定義為每小時(shí)能生產(chǎn)1㎏以上臭氧產(chǎn)量的裝置。國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)大型臭氧設(shè)備的企業(yè)為數(shù)不多，用單機(jī)單電源生產(chǎn)1㎏以上臭氧量的企業(yè)更少。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的深入和國(guó)外先進(jìn)臭氧技術(shù)的輸入，大型臭氧設(shè)備在水處理、化工氧化、環(huán)保工程等領(lǐng)域愈來愈多的應(yīng)用，更多的企業(yè)會(huì)加快研發(fā)速度，進(jìn)入大型設(shè)備制造行列。青島中通臭氧科技有限公司的科研人員經(jīng)過不懈努力，自主研發(fā)出具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的100KW大型臭氧發(fā)生器單機(jī)變頻電源及相應(yīng)測(cè)控裝置。設(shè)計(jì)原理和特點(diǎn)為：
一、電源結(jié)構(gòu)

二、工作原理：
      市電～380V 50HZ三相交流電輸入斷路開關(guān)，電源總開關(guān)由受控的交流接觸器完成操作，接觸器吸合接通時(shí)，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(dòng)直流電壓，經(jīng)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(jiān)測(cè)工作時(shí)直流電壓變化及電源軟起動(dòng)時(shí)直流電壓0-300V變化規(guī)律）。電抗器用來抑制電源接通瞬間大電流對(duì)逆變器電路關(guān)鍵器件快速晶閘管的沖擊，對(duì)晶閘管起到過電流保護(hù)作用。晶閘管中頻逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流電的裝置，用作驅(qū)動(dòng)高壓放電室容性負(fù)載的電源，實(shí)質(zhì)上是將三相電能轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘀蓄l電能的裝置（即變流器）。交－直－交型的逆變器工作時(shí)受控于變頻控制電路（即觸發(fā)電路），變頻控制電路通常是數(shù)字集成電路或軟件編程實(shí)現(xiàn)逆變器工作頻率的變化和控制，常為強(qiáng)脈沖信號(hào)，頻率設(shè)定在500～800HZ，加至晶閘管的控制極。晶閘管作為高速電子開關(guān)，在觸發(fā)脈沖作用下周期地快速通斷，將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖交流電，通過串接高壓變壓器將初級(jí)繞組的交流電耦合到次級(jí)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(jí)可實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)更多的放電負(fù)載（容性）生產(chǎn)公斤級(jí)的大產(chǎn)率的臭氧。為使逆變器可靠穩(wěn)定地工作，主電路增設(shè)了高壓、過壓、過流檢測(cè)環(huán)節(jié)，減少了故障發(fā)生率。一旦主電路逆變器關(guān)鍵器件快速晶閘管兩端出現(xiàn)超過設(shè)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(hào)組斷三相全控整流膜塊輸出起到保護(hù)作用，並發(fā)出聲光及遠(yuǎn)傳或無線尋呼報(bào)警，告知故障與部位。軟起動(dòng)環(huán)節(jié)是在電源接通三相全控整流膜塊時(shí)，輸出直流電壓0～300V單調(diào)增變化（持續(xù)時(shí)間10～15秒），不會(huì)出現(xiàn)接通高壓瞬間對(duì)電路元件和放電介電體強(qiáng)烈沖擊而致?lián)p壞，起到有效的緩沖作用，有益于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。單片機(jī)系統(tǒng)用于氣體露點(diǎn)、壓力、流量、溫度測(cè)控及放電室冷卻水溫度流量測(cè)控，電動(dòng)閥用于過程控制。單片機(jī)將信息化和臭氧發(fā)生器工藝有機(jī)結(jié)合實(shí)時(shí)在線測(cè)控可將工藝參數(shù)自動(dòng)調(diào)整在最佳，確保系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。異常情況可自動(dòng)發(fā)出正脈沖組斷三相全控整流膜塊輸出，並發(fā)出聲光及遠(yuǎn)傳或無線尋呼報(bào)警信號(hào)，告知故障與部位，上述過程智能化、自動(dòng)化。
三、研制關(guān)鍵：
1、大功率中頻高壓變壓器：
     由于我國(guó)沒有專業(yè)生產(chǎn)大功率中頻高壓變壓器廠家，研制和生產(chǎn)大功率中頻高壓電源首先必須突破高壓變壓器難關(guān)，否則，即是空想和夢(mèng)想。國(guó)內(nèi)不少臭氧企業(yè)因此而被拒之大型臭氧發(fā)生器制造門外，出于市場(chǎng)需要，不得不另辟蹊徑，用若干小型（或小功率）設(shè)備組合（或迭加）成中型（或大型）設(shè)備（類似以“1”＋“2”=“3”），但實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)並不符合迭加原理，數(shù)值差異較大。其原因在于存在干擾和抵消效應(yīng)。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(shí)，容易在繞組上產(chǎn)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(fā)生器的高壓放電室為大的容性負(fù)載，高壓變壓器初、次級(jí)繞組的電壓關(guān)系與線圈匝數(shù)比有一些差異。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，高壓放電室的容性負(fù)載有“容升”效應(yīng)，實(shí)際施加到容性負(fù)載兩端的電壓值會(huì)超過按變比高壓側(cè)所應(yīng)輸出的電壓值，有別于阻性或感性負(fù)載。因此，中頻高壓變壓器的初級(jí)繞組的電壓按變比求次級(jí)側(cè)（高壓側(cè)）電壓是不準(zhǔn)確的。同時(shí)也應(yīng)注意鐵芯飽和所造成的電壓波形畸變。制作高壓變壓器時(shí)應(yīng)對(duì)初、次級(jí)繞組之間絕緣，次級(jí)（高壓端）繞組匝間、層間絕緣及對(duì)鐵芯的絕緣工藝處理好。必須抽真空用環(huán)氧樹脂灌封。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，高壓變壓器功率容量應(yīng)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(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
2、大功率晶閘管中頻逆變器調(diào)試：
     逆變器作為大功率臭氧電源的核心，又是大型臭氧發(fā)生器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。在大功率逆變工作時(shí)，晶閘管工作在正向直流電壓下，觸發(fā)導(dǎo)通比較容易，而關(guān)斷卻不容易，不像整流那樣簡(jiǎn)單。交流電壓有過零反向的時(shí)候，而在直流電壓時(shí)必須采取另外關(guān)斷措施。因此，逆變器能否正常工作的關(guān)鍵是如何保證晶閘管可靠關(guān)斷，實(shí)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(xiàn)短時(shí)間的反向電壓，強(qiáng)迫晶閘管關(guān)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(shù)的計(jì)算原則是使晶閘管承受反向電壓的時(shí)間能保證晶閘管可靠關(guān)斷（即反向電壓維持時(shí)間大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間）。實(shí)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(jīng)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(diǎn)，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(qiáng)，頻率可向上向下調(diào)節(jié)，功率因數(shù)高、效率高，適于負(fù)載比較穩(wěn)定的運(yùn)行方式。高壓放電室的大容性負(fù)載顯然適合。調(diào)試大功率逆變器時(shí)，通過變頻觸發(fā)控制電路將晶閘管工作頻率設(shè)定在某中頻頻率，依據(jù)放電室放電管子數(shù)目（即電容量）來調(diào)節(jié)主電路輸出功率求得最佳匹配。最佳匹配時(shí)電路具有較低的功耗，獲得最大的臭氧發(fā)生量，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品認(rèn)定技術(shù)條件臭氧發(fā)生器HCRJ058-1999，大型空氣源臭氧發(fā)生器生產(chǎn)每公斤臭氧的電耗小于或等于18KWH，調(diào)試數(shù)據(jù)盡量小于18KWH是調(diào)試目標(biāo)。具體操作可設(shè)定高、中、低三個(gè)頻率值在中頻段，測(cè)試臭氧產(chǎn)量和電能消耗，找出最佳值，測(cè)試應(yīng)在臭氧發(fā)生器運(yùn)行半小時(shí)之后。電能消耗與臭氧產(chǎn)率關(guān)系曲線應(yīng)符合下圖

     主電路大功率運(yùn)行時(shí)，高達(dá)數(shù)百安的工作電流流經(jīng)導(dǎo)線、晶閘管、高壓變壓器等。所連導(dǎo)線以2A/mm2選取較為合理，否則，導(dǎo)線發(fā)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(shè)置冷卻裝置保證安全運(yùn)行。
3、保護(hù)環(huán)節(jié)：
     大型臭氧發(fā)生器作為工業(yè)及其它領(lǐng)域裝備，工作方式是連續(xù)運(yùn)行，要求系統(tǒng)各環(huán)節(jié)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(shí)間內(nèi)排除故障，減少停產(chǎn)損失。驅(qū)動(dòng)大型放電室的唯一中頻逆變高壓電源應(yīng)按軍品設(shè)計(jì)。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(hù)環(huán)節(jié)，可有效降低可能出現(xiàn)的故障。同時(shí)，對(duì)關(guān)鍵控制電路和元器件應(yīng)有冷備份，以確保不誤生產(chǎn)。
四、發(fā)展方向：
     就目前大型臭氧發(fā)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(jī)型或組合型（迭加型）電源，均有一定的市場(chǎng)和各自優(yōu)劣勢(shì)，市場(chǎng)需求的關(guān)鍵是經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能性和長(zhǎng)壽命等諸項(xiàng)指標(biāo)的綜合。隨著科技的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的加劇，大型臭氧發(fā)生器的大功率單機(jī)電源已展現(xiàn)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(yōu)勢(shì)。