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    徐州市伟恩臭氧设备有限公司
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中型双放电气隙臭氧发生器负载特性探究

         臭氧(o3 )技术广泛应用于水处理、医学、食品、化工生产、空气净化、饮用水杀菌消毒等领域。臭氧用于饮用水处理和污水处理,都具有无二次污染或很小的显著特点。人们越来越关注中、高频臭氧发生器结构紧凑,臭氧浓度高和低电耗的特点。为了进一步提高臭氧发生器的效率,要解决电源和负载两者工作匹配的问题。通过设计并研制 CF-G-3-600G 型臭氧发生器,重点分析逆变电源与臭氧发生管的匹配特性。减小臭氧发生器电源的电压波形、电流波形以及电源的频率等对臭氧发生器效率的影响。
1 双放电气隙臭氧发生管
1.1 双放电气隙臭氧发生管结构
         CF-G-3-600G 型臭氧发生器的臭氧发生管内外电极分别与介电体形成两个气体放电间隙,故称之为双放电气隙臭氧发生管。
         图 1 双放电气隙臭氧发生管纵截面示意图如图 1 所示,双放电气隙臭氧发生管的组成包括铝合金质的内电极管和外电极管,中间为高硼硅玻璃管作为介电体层,从而形成内外两个环形气体放电间隙。为了提高单根臭氧发生管的放电功率和臭氧产量,必须分别采用水和油双路冷却内电极(接地极)与外电极(高压极),控制工作温度低于某个上限值。当外加交流电压达到足够高的时候,内电极与外电极之间的两个放电气隙中的工作气体(空气、富氧空气或氧气)会被击穿,从而产生介质阻挡放电,工作气体中氧气会部分转化为臭氧。CF-G-3-600G 型臭氧发生器单管臭氧产量设计为 50g/h,采用 12 根臭氧发生管并联,工作气体为经过除尘和干燥处理的空气,设计臭氧浓度为 20g/m3。
1.2 双放电气隙臭氧发生管负载特点
        双放电气隙臭氧发生管的气隙层和介电层在臭氧发生器工作过程中表现为容性。当外加在负载上的电压 没有达到臭氧发生管的起晕电压时,负载可等效为介电体电容和气隙电容串联,如图 (2a)所示 ;当外加电压 达到气隙起晕电压时,臭氧发生管进入稳定的放电阶段,介电体仍表现为电容性,而放电气隙上的电压为稳定的电压值,此时可以将臭氧发生管等效为气隙电
容和一个有稳定压降的齐纳二极管并联,然后与介质电容串联的模型,如图 2(b)所示。
        2 双放电气隙臭氧发生管等效电路起晕电压的大小,主要由工作气体的种类和压力、放电气隙的厚度(即气体间隙大小)决定。显见,当外加高压交变电压 时,臭氧发生管的负载特性随其电容值变化而变化。图 2 中, 为气隙电容,这里为两个串联放电气隙电容的等效值, 为介质电容。双放电气隙臭氧发生管介电体和放电间隙的电容值分别采用通常的计算公式 :式中 为 或 ,单位 F ; 为介质(即介电体)的相对介电常数 ; 为绝对介电常数(8.854×10-12 F/m);1 为同心管长度,单位 m ; 、 分别为管外径和内径,单位 mm。本文涉及的双放电气隙臭氧发生管单管电容值在 650 ~ 690pF。
图1图2
2 全桥逆变电路
2.1 全桥逆变电路原理
        全桥逆变电路原理图如图 3 所示,三相交流电经过整流滤波成为直流电压 ,作为全桥逆变电路的输入 ;全桥逆变电路由两对功率开关管(IGBT)组成,Q1 和 Q4 为一组,Q2 和 Q3 为另一组,分别同时导通或截止,将直流电压逆变成频率可控的交流电压输出。输出交流电压经高压变压器升压后,加载到双放电气隙臭氧发生管上。
图 3 逆变电路原理图
        lr为外接限流电感,与容性负载组成谐振回路,以限制 IGBT开通时的电流上升率(di/dt)和负载的工作电流 ;与 IGBT 并联的阻容电路(例如 R1,C1),用于限制 IGBT 开关时的电压变化率(dU/dt)。通过仿真和实验确定合适的电路参数,可以保证主电路安全可靠的工作。
        逆变电路中 IGBT 的额定电流为 150A、耐压 1700V,两组反相的驱动脉冲由可调频率双路方波脉冲信号发生电路芯片 SG3525产生 , 采用专用的 EXB841 集成模块为 IGBT 驱动电路。
2.2 逆变电路的负载功率
        逆变电路功率理论上等于臭氧发生管工作气隙内电晕放电的功率,可表示为 :式中 为电晕放电功率 ; 为介电体电容 ; 为气隙的打火电压 ;为工作电压频率 ; 为工作电压峰值 ; 为电晕起始电压。
        电晕放电功率的大小决定了臭氧的产量,但单根臭氧发生管电晕功率增大,对冷却条件要求苛刻。式 (2) 中, 主要受 和影响,臭氧产量与电源的工作频率 与工作电压峰值 成正比。但由于受到臭氧发生管负载电容值、介电体材料抗电损能力和油、水冷却等因素的影响,达到一定值后便不能再继续升高。的取值应该保证臭氧发生管避免发生强电火花击穿,因此取小于臭氧发生管理论耐压值的二分之一。工作电压频率 和工作电压峰值 的取值,还需要经过实验研究和多次实际运行情况的反馈最后得出。
2.3 逆变电路与负载的匹配特性
        可见,在交变电压作用下,如果电容的工作电压波形变化速率过快,会造成加在双放电气隙臭氧发生管上的电流瞬间超过临界值,造成 IGBT 过载损坏或双放电气隙臭氧发生管介电体层火
花击穿。在逆变主回路的输出电压波形尽可能接近正弦,同时负载回路的频率不能过高的情况下可以避免火花击穿。因此,双放电气隙臭氧发生管的电容性及气体电晕放电特性对工作电压波形提出了特殊要求。
        大量研究表明,加载在臭氧发生管上的高压波形具有窄脉冲、陡上升沿的特征时,提高了工作电压的前沿上升速率( ),可加速放电气隙内建立强电场,增强脉冲放电强度,从而提高臭氧产生效率。增加工作电压峰值 和频率 可以提高 ,考虑到介电体的耐压强度,应控制工作电压峰值,尽可能提高工作频率。
        为了提高逆变电路功率因数和输出功率,使逆变回路工作在谐振点附近,根据设计的逆变电路工作频率,确定外接限流电感 的大小。如前所述,由于双放电气隙臭氧发生管是容性负载,
还具有在某一组 IGBT 开通瞬间限制过大的 的作用,其计算公式为 :
        在首先保证控制 过大的前提下,可考虑采用频率跟踪电路,使逆变回路工作频率接近谐振点,以适应臭氧发生管电晕放电时负载产生变化的特点。


 

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