浅谈20kg/h 高频臭氧发生器的研制开发

薛飞    孙荣生

江苏康尔臭氧有限公司，镇江，212212

　　摘要：随着我国供水水质的提高，使得臭氧+活性碳处理工艺得到更为广泛的推广和应用。自来水厂将会成为大型臭氧设备的核心市场，开发适用于水厂的稳定、成熟、高效的国产大型臭氧发生器设备势在必行。本文简述了运用高频变频技术，开发生产出单机产量20Kg/h臭氧发生器的研制过程，它的研制成功表明国内臭氧技术已成功解决了臭氧发生器专用的大功率高频逆变电源技术，大功率高频高压变压器技术以及运用ORP技术实现了发生器的PID闭环控制技术。运行实践证明，高频发生器具有体积小、效率高、耗电省等优点。

　　关键词：大型臭氧发生器  高频电源  高频变压器  ORP技术  PID控制

　　随着臭氧在各个行业及领域的广泛应用，臭氧的发生技术和应用技术得到了快速发展，特别是新的《城市供水水质标准》的实施，对水质提出了更高的要求，增加了水的检测项目和对消毒副产物的检测项目。采用臭氧-活性炭技术将是水厂消毒的发展趋势，臭氧深度处理技术将得到更加有力的发展。我国将会有更多的水厂采用臭氧处理工艺。产量大、高效率的臭氧发生器必将有广阔的市场需求，目前国内大型臭氧发生器设备主要依靠国外进口。因而研制和开发高性能、大产量新一代大型臭氧发生器替代进口是我国臭氧企业的首要任务。对于加快实现我国自来水产业运用臭氧-活性炭工艺的普及具有重要的意义。

　　鉴于国内臭氧产品市场形势，江苏康尔臭氧有限公司的科研人员将已有的技术为基础并消化吸收国外同类产品先进技术，经过一年的努力研制成功20Kg/h（氧气源）臭氧发生器，具有独立的自主知识产权。对于国内大型臭氧发生器特别是高频的研制开发尚属起步阶段的今天，单机产量20Kg/h发生器的面市填补国内空白，同时还有着更为重要的社会意义。

　　研制内容及过程：

　　1．臭氧放电室部分：

　　臭氧发生管采用搪瓷介质放电体，对于的生产我们彻底改变了传统的手工涂搪工艺和原由的搪烧工艺。手工涂搪对瓷层质量的一致性得不到保证，直接影响臭氧产率。为此我们采用了全自动搪瓷涂装流水线作业工艺，由计算机控制瓷釉喷涂速度、釉膜厚度。使烧成后放电管的搪瓷层厚度误差50um之内。单个放电体臭氧产量实现了最大化，适应于运行频率5000HZ，电压4.0-5.0kV的工况,击穿强度大于10kV。

　　每两支臭氧放电管组成一个放电单元。每个放电单元设置高压保险装置，20Kg/h臭氧发生器设计过程中我们总结过去的经验，对高压保险装置进行了重新设计。熔芯采用延时保险丝，此熔芯经过特殊加工而成，具有吸能的作用，使其既可以抗住放电过程中出现的非故障冲击电流又能对短路、过载故障提供保护。

　　放电室采用卧管式水冷结构，壳体均用不锈钢板材热熔焊接而成，耐腐蚀，不易生垢。在放电室筒体内部、发生器两端管板之间设计了冷却水折流板，延长冷却水路径、均匀布水，提高冷却水的利用率，可以进一步改善发生器的冷却效果，节约冷却水用量。同时增设排污除垢装置。

　　2．高频臭氧电源的研制:

　　臭氧的产生效率与电源的频率成正向增长关系，提高臭氧电源频率一直是臭氧界关注的重点和研究方向。我们采用以IGBT为功率器件的高频变频技术，频率调整范围50-3000HZ可调，逆变输出电压可调，输出电压0-450V。主要由高频逆变电源主电路，SPWM控制电路，IGBT驱动电路等几部分组成。

　　大功率高频高压逆变臭氧电源的整体结构简化框图如下：

　　三相380V工频交流电整流滤波后，变成单相0-500V可调直流电压，然后该直流电压经过逆变电路逆变后，再由功率变压器升压输出。电路中整流部分采用三相全桥可控整流技术，通过改变晶闸管的导通角而得到0-450V直流可调电压，从而达到控制输出功率与方便调试的目的。

　　臭氧电源的性能，特别是放电功率和稳定性直接影响到臭氧产生的质量和应用效果。传统的臭氧发生器电源采用可控硅为功率开关器件。但是用可控硅作为功率开关器件有很多弊端。因此项目设计的臭氧电源就采用了新型的功率开关器件IGBT以取代传统的可控硅电路。并采用准谐振开关特性，可实现零电压、电流开通与关断，而且开关器件的开关功率损耗很小。

　　电源除了具备完善的过载、自动限流、过电压、欠电压、短路断相等多重保护功能外，还专门设计功率器件工作温升监控保护功能。也即通过电源的操作键盘上的显示器可直接了解到IGBT的工作温升。从而有效保证电源的工作稳定性。

　　电源运用数字PI闭环控制技术。可实现给定量和反馈量的比较，闭环反馈，有效稳定输出电流。

　　高频电源控制操作方面，设计有独立的LED显示数字控制键盘和485通讯接口，可实现现场操作和远程通讯。两种状态下均可实现对臭氧电源的输出电压、输出频率进行设定。控制精度±1V、±1Hz。

　　3．高频变压器的研制:

　　高频变压器是我们此次研制工作的重点，虽然我们积累了100KW以下高频变压器的设计和运行经验。但20Kg/h发生器设计输出功率250KW，初级输入电流高达500A。输出电压和电流都很大，原有设计思路不能照搬，基于这些状况我们开展了专项设计和研究。

　　为了减小尺寸、重量，提高效率。需要一种高磁通密度和高频低损耗的变压器磁芯材料。虽然有高性能的非晶态软磁合金作为选择，但从性能价格比考虑软磁铁氧体材料仍是最佳的选择。

　　大截面磁芯的设计加工，由于国内企业暂时还不具备开发我们所需规格的铁氧体磁芯技术，我们只能联同国内某磁材企业共同研究，通过分析计算，结合已有技术和经验基础上，继续采用组合拼接的设计方案，通过筛选若干现有最大尺寸磁材，选择合适的截面，对其进行切割、裁剪、磨削加工，再用特种粘合剂进行粘接组合，最后经过整形磨削。达到设计要求的形状和截面积。最终用多个单元组合拼装而成一套磁芯。

　　变压器的另一关键点就是导线的选择和线圈绕制。大功率变压器必然工作电流大，加之电压高、高频电流的集肤效应。对导线的选用和制造工艺都提出了更高要求。在大量的比较试验基础上导线采用合成高频导线。能适应高频工作条件要求，减少高频电源的集肤效应。降低了导线工作温升，避免过热过载，影响使用寿命和系统的稳定性和可靠性。对线径的选择，初次级电流密度的取值范围以及不同运行频率下导体的趋肤深度均作了周密的考虑和全面的计算分析。线圈绕制及变压器的结构完全突破传统形式，做到可以方便调整漏感和初次级之间的分布电容，确保变压器的漏感在设计范围内。

　　变压器绕制完后都要进行绝缘处理。由于此种变压器次级电压较高(5KＶ)，耐压测试要求初、次级进行１０KＶ耐压试验，这种电压等级按照国内通常工艺采用环氧树脂灌注，可以保证绝缘强度，但是有体积大，重量重等缺点。经过反复试验，筛选绝缘材料，最终决定采用有机硅橡胶填充硅微粉作为绝缘介质，在变压器上直接采用端封工艺，真空脱气泡并固化。这样的工艺处理可以减小１／３的体积和重量，为实现高功率密度提供了必要条件。

　　基于多项新技术的运用，使此高频升压变压器具有体积小、重量轻、工作温升低的优点。经过长期工作达到热平衡后，实测变压器的温升为35℃。该发生器已经在东莞德永佳制衣企业的污水处理工程上不间断连续近2个月时间，各项性能参数均表现良好。客户长期运行实践证明，变压器设计是成功的。

　　4．自动控制系统部分：

　　臭氧发生器系统控制采用先进的HMI人机界面。可对臭氧发生器运行时的各类工况参数进行设定，监测、报警和保护。（臭氧发生器进气、出气温度，进水、出口温度，气源露点，压力，流量，臭氧浓度等均可实行在线检测与调节，并实行远、近程控制和触摸屏显示。实现在线监测、自动调节。）同时安装有智能综合电能监测仪表，对臭氧发生器工作时的工作电流、臭氧功率、功率因数等近三十项参数进行实时监视。

　　对于水处理应用领域，水中臭氧浓度在线监测技术也有新的突破。利用ORP（氧化还原电位）值与水中臭氧浓度存在特定的对应关系的原理，研制成功ORP在线监控水中臭氧浓度监测仪。以ORP值的变化反应出水臭氧剩余臭氧浓度的变化，从而反馈臭氧发生器控制系统实现自动调节，自动投加臭氧的PID闭环控制技术。ORP闭环控制技术无论是硬件还是软件均属国内领先水平，并填补国内大型臭氧发生器在水处理应用场所实现的臭氧投加自动调节功能的空白。

　　在此方面，国外应用极谱电极仪器检测，但由于价格原因，国内应用较少。大型臭氧发生器上采用ORP技术在线检测水溶臭氧浓度几乎没有，有很强的实用性，具有极广的推广价值（运用于自来水深度处理时应该考虑到水中含氯对ORP值测量的影响）。ORP控制技术的应用可将我国臭氧水处理工程技术水平提高到一个新的高度。

　　结束语：

　　20Kg/h高频臭氧发生器产品的成功研制标志着我国臭氧发生器研发技术与设备制造应用技术有了突破性的进步。缩小了我们国产臭氧设备与国外同行之间的差距。也将会推动我国臭氧技术在水处理、化工、制药等领域的快速发展！

　　论文作者：

　　江苏省扬中市大桥工业园区康尔公司，212212，电话：0511-8427095，E-mail：[email protected]