薛飛    孫榮生

江蘇康爾臭氧有限公司，鎮(zhèn)江，212212

　　摘要：隨著我國供水水質(zhì)的提高，使得臭氧+活性碳處理工藝得到更為廣泛的推廣和應(yīng)用。自來水廠將會(huì)成為大型臭氧設(shè)備的核心市場，開發(fā)適用于水廠的穩(wěn)定、成熟、高效的國產(chǎn)大型臭氧發(fā)生器設(shè)備勢在必行。本文簡述了運(yùn)用高頻變頻技術(shù)，開發(fā)生產(chǎn)出單機(jī)產(chǎn)量20Kg/h臭氧發(fā)生器的研制過程，它的研制成功表明國內(nèi)臭氧技術(shù)已成功解決了臭氧發(fā)生器專用的大功率高頻逆變電源技術(shù)，大功率高頻高壓變壓器技術(shù)以及運(yùn)用ORP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)生器的PID閉環(huán)控制技術(shù)。運(yùn)行實(shí)踐證明，高頻發(fā)生器具有體積小、效率高、耗電省等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：大型臭氧發(fā)生器  高頻電源  高頻變壓器  ORP技術(shù)  PID控制

　　隨著臭氧在各個(gè)行業(yè)及領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，臭氧的發(fā)生技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)得到了快速發(fā)展，特別是新的《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施，對水質(zhì)提出了更高的要求，增加了水的檢測項(xiàng)目和對消毒副產(chǎn)物的檢測項(xiàng)目。采用臭氧-活性炭技術(shù)將是水廠消毒的發(fā)展趨勢，臭氧深度處理技術(shù)將得到更加有力的發(fā)展。我國將會(huì)有更多的水廠采用臭氧處理工藝。產(chǎn)量大、高效率的臭氧發(fā)生器必將有廣闊的市場需求，目前國內(nèi)大型臭氧發(fā)生器設(shè)備主要依靠國外進(jìn)口。因而研制和開發(fā)高性能、大產(chǎn)量新一代大型臭氧發(fā)生器替代進(jìn)口是我國臭氧企業(yè)的首要任務(wù)。對于加快實(shí)現(xiàn)我國自來水產(chǎn)業(yè)運(yùn)用臭氧-活性炭工藝的普及具有重要的意義。

　　鑒于國內(nèi)臭氧產(chǎn)品市場形勢，江蘇康爾臭氧有限公司的科研人員將已有的技術(shù)為基礎(chǔ)并消化吸收國外同類產(chǎn)品先進(jìn)技術(shù)，經(jīng)過一年的努力研制成功20Kg/h（氧氣源）臭氧發(fā)生器，具有獨(dú)立的自主知識產(chǎn)權(quán)。對于國內(nèi)大型臭氧發(fā)生器特別是高頻的研制開發(fā)尚屬起步階段的今天，單機(jī)產(chǎn)量20Kg/h發(fā)生器的面市填補(bǔ)國內(nèi)空白，同時(shí)還有著更為重要的社會(huì)意義。

　　研制內(nèi)容及過程：

　　1．臭氧放電室部分：

　　臭氧發(fā)生管采用搪瓷介質(zhì)放電體，對于的生產(chǎn)我們徹底改變了傳統(tǒng)的手工涂搪工藝和原由的搪燒工藝。手工涂搪對瓷層質(zhì)量的一致性得不到保證，直接影響臭氧產(chǎn)率。為此我們采用了全自動(dòng)搪瓷涂裝流水線作業(yè)工藝，由計(jì)算機(jī)控制瓷釉噴涂速度、釉膜厚度。使燒成后放電管的搪瓷層厚度誤差50um之內(nèi)。單個(gè)放電體臭氧產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了最大化，適應(yīng)于運(yùn)行頻率5000HZ，電壓4.0-5.0kV的工況,擊穿強(qiáng)度大于10kV。

　　每兩支臭氧放電管組成一個(gè)放電單元。每個(gè)放電單元設(shè)置高壓保險(xiǎn)裝置，20Kg/h臭氧發(fā)生器設(shè)計(jì)過程中我們總結(jié)過去的經(jīng)驗(yàn)，對高壓保險(xiǎn)裝置進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。熔芯采用延時(shí)保險(xiǎn)絲，此熔芯經(jīng)過特殊加工而成，具有吸能的作用，使其既可以抗住放電過程中出現(xiàn)的非故障沖擊電流又能對短路、過載故障提供保護(hù)。

　　放電室采用臥管式水冷結(jié)構(gòu)，殼體均用不銹鋼板材熱熔焊接而成，耐腐蝕，不易生垢。在放電室筒體內(nèi)部、發(fā)生器兩端管板之間設(shè)計(jì)了冷卻水折流板，延長冷卻水路徑、均勻布水，提高冷卻水的利用率，可以進(jìn)一步改善發(fā)生器的冷卻效果，節(jié)約冷卻水用量。同時(shí)增設(shè)排污除垢裝置。

　　2．高頻臭氧電源的研制:

　　臭氧的產(chǎn)生效率與電源的頻率成正向增長關(guān)系，提高臭氧電源頻率一直是臭氧界關(guān)注的重點(diǎn)和研究方向。我們采用以IGBT為功率器件的高頻變頻技術(shù)，頻率調(diào)整范圍50-3000HZ可調(diào)，逆變輸出電壓可調(diào)，輸出電壓0-450V。主要由高頻逆變電源主電路，SPWM控制電路，IGBT驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。

　　大功率高頻高壓逆變臭氧電源的整體結(jié)構(gòu)簡化框圖如下：

　　三相380V工頻交流電整流濾波后，變成單相0-500V可調(diào)直流電壓，然后該直流電壓經(jīng)過逆變電路逆變后，再由功率變壓器升壓輸出。電路中整流部分采用三相全橋可控整流技術(shù)，通過改變晶閘管的導(dǎo)通角而得到0-450V直流可調(diào)電壓，從而達(dá)到控制輸出功率與方便調(diào)試的目的。

　　臭氧電源的性能，特別是放電功率和穩(wěn)定性直接影響到臭氧產(chǎn)生的質(zhì)量和應(yīng)用效果。傳統(tǒng)的臭氧發(fā)生器電源采用可控硅為功率開關(guān)器件。但是用可控硅作為功率開關(guān)器件有很多弊端。因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)的臭氧電源就采用了新型的功率開關(guān)器件IGBT以取代傳統(tǒng)的可控硅電路。并采用準(zhǔn)諧振開關(guān)特性，可實(shí)現(xiàn)零電壓、電流開通與關(guān)斷，而且開關(guān)器件的開關(guān)功率損耗很小。

　　電源除了具備完善的過載、自動(dòng)限流、過電壓、欠電壓、短路斷相等多重保護(hù)功能外，還專門設(shè)計(jì)功率器件工作溫升監(jiān)控保護(hù)功能。也即通過電源的操作鍵盤上的顯示器可直接了解到IGBT的工作溫升。從而有效保證電源的工作穩(wěn)定性。

　　電源運(yùn)用數(shù)字PI閉環(huán)控制技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)給定量和反饋量的比較，閉環(huán)反饋，有效穩(wěn)定輸出電流。

　　高頻電源控制操作方面，設(shè)計(jì)有獨(dú)立的LED顯示數(shù)字控制鍵盤和485通訊接口，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場操作和遠(yuǎn)程通訊。兩種狀態(tài)下均可實(shí)現(xiàn)對臭氧電源的輸出電壓、輸出頻率進(jìn)行設(shè)定?？刂凭取?V、±1Hz。

　　3．高頻變壓器的研制:

　　高頻變壓器是我們此次研制工作的重點(diǎn)，雖然我們積累了100KW以下高頻變壓器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。但20Kg/h發(fā)生器設(shè)計(jì)輸出功率250KW，初級輸入電流高達(dá)500A。輸出電壓和電流都很大，原有設(shè)計(jì)思路不能照搬，基于這些狀況我們開展了專項(xiàng)設(shè)計(jì)和研究。

　　為了減小尺寸、重量，提高效率。需要一種高磁通密度和高頻低損耗的變壓器磁芯材料。雖然有高性能的非晶態(tài)軟磁合金作為選擇，但從性能價(jià)格比考慮軟磁鐵氧體材料仍是最佳的選擇。

　　大截面磁芯的設(shè)計(jì)加工，由于國內(nèi)企業(yè)暫時(shí)還不具備開發(fā)我們所需規(guī)格的鐵氧體磁芯技術(shù)，我們只能聯(lián)同國內(nèi)某磁材企業(yè)共同研究，通過分析計(jì)算，結(jié)合已有技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，繼續(xù)采用組合拼接的設(shè)計(jì)方案，通過篩選若干現(xiàn)有最大尺寸磁材，選擇合適的截面，對其進(jìn)行切割、裁剪、磨削加工，再用特種粘合劑進(jìn)行粘接組合，最后經(jīng)過整形磨削。達(dá)到設(shè)計(jì)要求的形狀和截面積。最終用多個(gè)單元組合拼裝而成一套磁芯。

　　變壓器的另一關(guān)鍵點(diǎn)就是導(dǎo)線的選擇和線圈繞制。大功率變壓器必然工作電流大，加之電壓高、高頻電流的集膚效應(yīng)。對導(dǎo)線的選用和制造工藝都提出了更高要求。在大量的比較試驗(yàn)基礎(chǔ)上導(dǎo)線采用合成高頻導(dǎo)線。能適應(yīng)高頻工作條件要求，減少高頻電源的集膚效應(yīng)。降低了導(dǎo)線工作溫升，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。對線徑的選擇，初次級電流密度的取值范圍以及不同運(yùn)行頻率下導(dǎo)體的趨膚深度均作了周密的考慮和全面的計(jì)算分析。線圈繞制及變壓器的結(jié)構(gòu)完全突破傳統(tǒng)形式，做到可以方便調(diào)整漏感和初次級之間的分布電容，確保變壓器的漏感在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

　　變壓器繞制完后都要進(jìn)行絕緣處理。由于此種變壓器次級電壓較高(5KＶ)，耐壓測試要求初、次級進(jìn)行１０KＶ耐壓試驗(yàn)，這種電壓等級按照國內(nèi)通常工藝采用環(huán)氧樹脂灌注，可以保證絕緣強(qiáng)度，但是有體積大，重量重等缺點(diǎn)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，篩選絕緣材料，最終決定采用有機(jī)硅橡膠填充硅微粉作為絕緣介質(zhì)，在變壓器上直接采用端封工藝，真空脫氣泡并固化。這樣的工藝處理可以減?。保车捏w積和重量，為實(shí)現(xiàn)高功率密度提供了必要條件。

　　基于多項(xiàng)新技術(shù)的運(yùn)用，使此高頻升壓變壓器具有體積小、重量輕、工作溫升低的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過長期工作達(dá)到熱平衡后，實(shí)測變壓器的溫升為35℃。該發(fā)生器已經(jīng)在東莞德永佳制衣企業(yè)的污水處理工程上不間斷連續(xù)近2個(gè)月時(shí)間，各項(xiàng)性能參數(shù)均表現(xiàn)良好。客戶長期運(yùn)行實(shí)踐證明，變壓器設(shè)計(jì)是成功的。

　　4．自動(dòng)控制系統(tǒng)部分：

　　臭氧發(fā)生器系統(tǒng)控制采用先進(jìn)的HMI人機(jī)界面?？蓪Τ粞醢l(fā)生器運(yùn)行時(shí)的各類工況參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，監(jiān)測、報(bào)警和保護(hù)。（臭氧發(fā)生器進(jìn)氣、出氣溫度，進(jìn)水、出口溫度，氣源露點(diǎn)，壓力，流量，臭氧濃度等均可實(shí)行在線檢測與調(diào)節(jié)，并實(shí)行遠(yuǎn)、近程控制和觸摸屏顯示。實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、自動(dòng)調(diào)節(jié)。）同時(shí)安裝有智能綜合電能監(jiān)測儀表，對臭氧發(fā)生器工作時(shí)的工作電流、臭氧功率、功率因數(shù)等近三十項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。

　　對于水處理應(yīng)用領(lǐng)域，水中臭氧濃度在線監(jiān)測技術(shù)也有新的突破。利用ORP（氧化還原電位）值與水中臭氧濃度存在特定的對應(yīng)關(guān)系的原理，研制成功ORP在線監(jiān)控水中臭氧濃度監(jiān)測儀。以O(shè)RP值的變化反應(yīng)出水臭氧剩余臭氧濃度的變化，從而反饋臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)投加臭氧的PID閉環(huán)控制技術(shù)。ORP閉環(huán)控制技術(shù)無論是硬件還是軟件均屬國內(nèi)領(lǐng)先水平，并填補(bǔ)國內(nèi)大型臭氧發(fā)生器在水處理應(yīng)用場所實(shí)現(xiàn)的臭氧投加自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的空白。

　　在此方面，國外應(yīng)用極譜電極儀器檢測，但由于價(jià)格原因，國內(nèi)應(yīng)用較少。大型臭氧發(fā)生器上采用ORP技術(shù)在線檢測水溶臭氧濃度幾乎沒有，有很強(qiáng)的實(shí)用性，具有極廣的推廣價(jià)值（運(yùn)用于自來水深度處理時(shí)應(yīng)該考慮到水中含氯對ORP值測量的影響）。ORP控制技術(shù)的應(yīng)用可將我國臭氧水處理工程技術(shù)水平提高到一個(gè)新的高度。

　　結(jié)束語：

　　20Kg/h高頻臭氧發(fā)生器產(chǎn)品的成功研制標(biāo)志著我國臭氧發(fā)生器研發(fā)技術(shù)與設(shè)備制造應(yīng)用技術(shù)有了突破性的進(jìn)步?？s小了我們國產(chǎn)臭氧設(shè)備與國外同行之間的差距。也將會(huì)推動(dòng)我國臭氧技術(shù)在水處理、化工、制藥等領(lǐng)域的快速發(fā)展！

　　論文作者：

　　江蘇省揚(yáng)中市大橋工業(yè)園區(qū)康爾公司，212212，電話：0511-8427095，E-mail：xuefei7763@hotmail.com