高效可调中频臭氧发生器的研究
工业型臭氧发生器主要用于工业生产中的强氧化工艺和大规模消毒工艺，可广泛运用于饮用水深度处理、污水处理、造纸漂白和化工氧化工艺等。臭氧产量1000g/h以下时，以空气为气源的中频臭氧发生器是工业型的基础，一般采用中频高压电晕放电法产生臭氧，具有产量大、浓度高、体积小和运行经济等特点。
1设计参数与主要组成部分
气源为空气，臭氧产量50~100g/h，臭氧浓度≥24g/m3，臭氧产率≥180g/(mh)，电耗15～20kW·h/(kgO3)，通过调节工作频率(500～900Hz)改变臭氧产量，设计点工作电压(有效值)和频率分别为10kV和800Hz。
研制的臭氧发生器主要由(a)油水双路冷却的有机高分子介电体臭氧发生管(双管并联运行)；(b)可调中频逆变高压电路；(c)分子筛吸附干燥空气预处理系统；(d)PLC全自动监控与保护系统等组成。其中(a)和(b)是关键部分，本文作重点介绍。
2臭氧发生管
2.1臭氧发生管的结构与工作原理
臭氧发生管的结构如图1所示，内外电极间用一层介电体隔开。当两电极间加以一定强度的交变高压时，气隙中产生微电柱放电(常称为电晕放电)，使流经气隙的空气中的氧(o)电离成氧原子(O2)，氧原子再与其他氧分子结合产生臭氧(O3)。
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影响臭氧产生的因素很多，如气源品质、高压脉冲电源特性、臭氧发生管结构与电特性、冷却条件等等。就臭氧发生管本身而言，臭氧产率与加载的电晕功率成正比。
2.2电晕功率
电晕功率是指当加在臭氧发生管上的工作电压大于起晕工作电压后，气隙电晕放电消耗的平均电功率。设臭氧发生管两电极间的交变高压近似为正弦波，则加在气隙上的电晕功率为：
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式中：P为电晕功率，w；U。为工作电压(峰值)，V；U s为气隙打火电压，V；C d为介电层电容值，F；C g为气隙电容值，F；f为工作电压频率，Hz。空气的打火电压可由下式确定
Us=29.64Pgd s+1350(2)
式中Pg为气体绝对压力，kPa；d s为气隙厚度，mm。
从式(1)不难看出，括号内第二项为工作电压的最小值，称为起晕工作电压(Ucs)。只有当工作电压(峰值)大于起晕工作电压时，臭氧发生管才有电晕功率产生。提高电晕功率可从下述几方面考虑：
a、提高工作电压(峰值)和频率厂，对提高电晕功率最有效。根据采用的介电体耐压强度，峰值电压一般控制在25～30kV，而臭氧发生管的最高耐压应设计在35～45kV。
b．选用介电常数和耐压强度都比较高的介电体，减小介电层厚度，增大管径，从而提高介电层电容值。
c．减小气隙厚度和气体工作压力，从而降低气隙打火电压，亦即降低臭氧发生管的起晕电压。同时引起气隙电容值C上升，ds应有一定的选择余地，不一定越小越好，这样有利于结构设计。
2.3介电体材料
根据上述要求，理想的介电体应具有优良的介电性能和耐电压、耐腐蚀、耐老化等特点。一般采用专用玻璃，亦可采用特种陶瓷。这里采用某有机高分子材料，介电常数3.0，耐电场强度30kV/mm，其电学性能超过玻璃与陶瓷，机械性能特别是可精确加工性能更为优越，缺点是在强电场下电老化性能较差。
2.4结构尺寸与电参数
臭氧发生管的内电极为冷拔成型的铝合金管，与其外侧紧密配合的有机高分子介电体壁厚为1.2mm，外电极为内表面经精磨加工的不锈钢管，气隙厚度为1mm，平均有效放电面积为0.204mm。。计算可得，臭氧发生管电容C：1270pF，实测在1230~1290pF之间。当P200kPa时，Us：7.28kV和一10.28kV。管的理论最高耐压达43.28kV。
2.5油水双路冷却系统
每根臭氧发生管上设计加载的功率在550~750W之间时，生成热量较多，臭氧发生管内部温度上升会使臭氧产量下降。因此必须采用油和水分别冷却高压电极和接地电极。冷却油在系统中闭式循环，冷却水开式循环，用壳管式换热器交换冷却油与冷却水的热量。
3可调中频逆变高压电路
3.1原理与特点
三相工频交流电压经整流滤波后转换成直流电压，用两组4只单向可控硅对其进行斩波，逆变为中频全波交流电压，再经升压变压器获得中频交变高压，加载在臭氧发生管上。采用压控振荡器产生频率可调的方波信号，经分离、放大、隔离形成两组交替触发脉冲信号，分别驱动(开启)两组可控硅，关闭则由逆变电路的串联振荡在电流或电压回零时实现。
3.2电路保护
可控硅具有较强的耐浪涌电流和过流能力。当逆变电路和升压变压器初级侧出现异常情况时，由于受滤波电感、限流空心电感和分布电阻等元件的限流作用，使电流上升缓慢且电流值较小，保护电路有足够时间(毫秒级)切断主回路电源，一般不会毁坏可控硅和续流二极管等功率元件。
特别是臭氧发生管出现击穿、跳火等故障时，升压变压器初级侧将感应出瞬间强电流和高电压，即使保护电路动作切断主回路，也会因强电流突变振荡形成高电压，常常击穿可控硅的续流二极管。现采用的保护方法是依靠整流前的快速熔断器迅速切断主回路电源。
3.3空载与负载特性
图2给出了可调中频逆变高压电路的空载与负载时的工作频率与工作电压(有效值)变化关系的实测结果。负载分单根臭氧发生管(1260pF)和双管并联(2490pF)两种情况。空载时消耗电流很小，设计与调试时一般应将电流控制在0.1A以下。
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有负载时，由于臭氧发生管在起晕工作电压前后均表现为明显的电容性，与升压变压器次级串联形成电容效应[3]，使得峰值电压上升，并且随负载电容增大和工作频率提高而显著上升。试验表明，升压变压器采用普通结构的铁氧体铁芯(如E型)，输出电压峰值与有效值的比值在1.7～2.1之间。因此，设计制作升压变压器时应考虑尽量减小漏感，减小电容效应，同时根据负载情况调整匝数比，使最高工作频率时的工作峰值电压小于管的最高耐压，并有1.5～2.0的耐压安全系数。
4空气预处理系统
空气预处理系统由无油空压机、微尘过滤器、油气分离器和吸附分离干燥器等组成，产生露点≤一50C，尘径≤O.3m，油气含量≤0.5×10的干燥与洁净的空气，输入臭氧发生管。
实践证明，以空气为臭氧发生器气源时，高品质的空气对提高臭氧产量十分必要，其中低露点尤为关键，它不仅可提高臭氧产量，而且能限制有害氮化物的产生。
5自动控制与保护系统
用可编程控制器(PLC)对整机进行启停过程与状态监控。系统监测的运行状态参数主要包括逆变电路的直流电压和交变电流、供气压力与露点、气油水三路的流量、臭氧发生管与升压变压器的工作温度、涉及高压的机箱面板开合等。按其权重分类后，由PLC处理确定运停状态和保护动作。由PLC输出PWM电压信号经整流滤波作为压控振荡器的电压控制信号，改变工作频率。
6整机性能试验结果与分析
试验结果是在负载为双臭氧发生管并联运行下得到的。实测并联总电容为2490pF；总有效放电面积0.204m×2；冷却水进口温度为20～23C；空气气源露点一53～一55C；工作压力0.15MPa；管进口温度23～26C；出口温度25～29摄氏度。
6.1频率特性
图3、图4为空气流量均设定在3.40～3.46m。/h(标准状态)时臭氧发生器的频率特性。由图可见，工作电压频率从450Hz变化到820Hz时，臭氧产量、浓度和产率均上升了约1.7倍，电耗从23.5kW·h/(kgO。)下降到17.4kW·h/(kgO。)。频率上升，臭氧产出与电耗均向有利的方向变化。这是工作电压随频率上升而上升，电晕功率增大，工作气体电离的能级和频次都提高了的结果。
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当设计点工作频率为800Hz工作电压为10.5kV时，臭氧发生器的臭氧产量可能达到81.4g/h，臭氧浓度23.5g/m。，臭氧产率199g/(m·h)，电耗17.4kW·h/(kgO。)，单管臭氧产量达到了40g/h以上。
6.2流量特性
图5为当工作频率和电压分别为730Hz，9.9kV，双管并联的臭氧产量和浓度随供气流量(标准状态)变化的规律。臭氧浓度随供气流量增加而下降，但变化平缓；臭氧产量随供气流量增加先上升后下降，当空气流量为3.5～3.6ITI。/h时存在一个最大产量点。由于工作电压、频率、工作气压均一定，该点是电耗最低点。可见，对于一定的工作频率，存在一个最佳作气体流量，其值可以通过实验确定。
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7结束语
a、以空气为气源的中频臭氧发生器，要获得较高的臭氧产量、浓度和产率，对各组成部分的完整性及其性能要求都很高，包括中频逆变高压电路与臭氧发生管的匹配特性，高效的冷却系统、空气预处理系统和可靠的监控与保护系统等。通过本文系统分析研究，为单台臭氧产量为1000g/h以上的大型中频臭氧发生器的研制奠定了基础。
b、采用有机高分子介电体的臭氧发生管结构尺寸精确，单管电容值较大，可以加载较大的电晕功率。即使在采用空气气源时，单管臭氧产量也可在40g/h以上，臭氧浓度和产率较高，电耗也较低，可作为工业型臭氧发生器使用。唯一的缺点是有机高分子介电体材料的电老化性能较差，为此可降低工作电压同时提高工作频率，在不减小电晕功率的前提下减缓电老化。
参考文献：
[1]魏旭，刘宏．提高臭氧发生器放电室效率的研究[J]。电工电能新技术，1998(2)：46—49。
[2]RiceRC，NetzerA．HandbookofOzoneTechnologyandApplications，Vo1．1[M]．AnnArborPublish—
ersInc．，Michigen，1982．
[3]赵玉林，周启龙．高电压技术[M]．北京：机械工业出版社，1997：63—69
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