青岛中通臭氧科技有限公司
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100KW大型臭氧发生器单机变频电源的研制

发布时间:2017-12-21

  制造大型(超大型)臭氧发生器装置的瓶颈是电源!纵观当今国内外大型臭氧设备现状即是证明。国外发达国家大型臭氧设备单机电源仅用一台高压变压器驱动一个放电室(即“一”对“一”),即刻可实现高浓度、大产率臭氧制造,高频、中频、工频电源大都此类,体现了其技术的先进和科技的领先,这与其工业基础好、发展历史长有关。国内大型臭氧设备多采用组合电源,使用多台高压变压器驱动一个放电室(即“多”对“一”),将一个放电室划分为若干放电区域,对应于相应驱动功率的电源,也可称为迭加电源(俗称“1”+“2”=“3”、或“2㎏/h”电源+“3㎏/h”电源 =“5㎏/h”等多电源变幻组合),具有技术要求低、使用灵活简便,随意组合即可实现大功率电源输出,但存在电源之间相互干扰,甚至削弱电源功率,影响电路的稳定性和可靠性,同时体积大、成本高,较之国外单机电源技术有较大差距。因此,单机电源技术也成为衡量大型(超大型)臭氧装备水平的重要标志。
      我国现阶段将大型臭氧发生器定义为每小时能生产1㎏以上臭氧产量的装置。国内能生产大型臭氧设备的企业为数不多,用单机单电源生产1㎏以上臭氧量的企业更少。随着经济全球化的深入和国外先进臭氧技术的输入,大型臭氧设备在水处理、化工氧化、环保工程等领域愈来愈多的应用,更多的企业会加快研发速度,进入大型设备制造行列。青岛中通臭氧科技有限公司的科研人员经过不懈努力,自主研发出具有独立自主知识产权的100KW大型臭氧发生器单机变频电源及相应测控装置。设计原理和特点为:
一、 电源结构

二、 工作原理:
      市电~380V 50HZ三相交流电输入断路开关,电源总开关由受控的交流接触器完成操作,接触器吸合接通时,三相电接入三相整流变压器,並将380V交流电降至三相全控整流膜块电路输入端所需的额定值范围,三相降压交流输入至三相全控整流膜块输入端后,全控整流膜块输出脉动直流电压,经LC滤波得到平滑直流电作为晶闸管逆变器的直流电压源(直流电压表用于监测工作时直流电压变化及电源软起动时直流电压0-300V变化规律)。电抗器用来抑制电源接通瞬间大电流对逆变器电路关键器件快速晶闸管的冲击,对晶闸管起到过电流保护作用。晶闸管中频逆变器是一种将直流电转换成频率可调的交流电的装置,用作驱动高压放电室容性负载的电源,实质上是将三相电能转变为单相中频电能的装置(即变流器)。交-直-交型的逆变器工作时受控于变频控制电路(即触发电路),变频控制电路通常是数字集成电路或软件编程实现逆变器工作频率的变化和控制,常为强脉冲信号,频率设定在500~800HZ,加至晶闸管的控制极。晶闸管作为高速电子开关,在触发脉冲作用下周期地快速通断,将直流电压转变为脉冲交流电,通过串接高压变压器将初级绕组的交流电耦合到次级成脉冲型的高压电,高压电脉冲幅值6KV~8KV加至放电室高压和地级可实现电离氧气制造臭氧,因大功率逆变器能输出大功率型高压脉冲,因而能驱动更多的放电负载(容性)生产公斤级的大产率的臭氧。为使逆变器可靠稳定地工作,主电路增设了高压、过压、过流检测环节,减少了故障发生率。一旦主电路逆变器关键器件快速晶闸管两端出现超过设定值的过电压或过电流,过压过流控制电路即刻输出正脉冲信号组断三相全控整流膜块输出起到保护作用,並发出声光及远传或无线寻呼报警,告知故障与部位。软起动环节是在电源接通三相全控整流膜块时,输出直流电压0~300V单调增变化(持续时间10~15秒),不会出现接通高压瞬间对电路元件和放电介电体强烈冲击而致损坏,起到有效的缓冲作用,有益于延长设备的使用寿命。单片机系统用于气体露点、压力、流量、温度测控及放电室冷却水温度流量测控,电动阀用于过程控制。单片机将信息化和臭氧发生器工艺有机结合实时在线测控可将工艺参数自动调整在最佳,确保系统工作稳定、可靠。异常情况可自动发出正脉冲组断三相全控整流膜块输出,並发出声光及远传或无线寻呼报警信号,告知故障与部位,上述过程智能化、自动化。
三、 研制关键:
1、大功率中频高压变压器:
     由于我国没有专业生产大功率中频高压变压器厂家,研制和生产大功率中频高压电源首先必须突破高压变压器难关,否则,即是空想和梦想。国内不少臭氧企业因此而被拒之大型臭氧发生器制造门外,出于市场需要,不得不另辟蹊径,用若干小型(或小功率)设备组合(或迭加)成中型(或大型)设备(类似以“1”+“2”=“3”),但实测结果数据並不符合迭加原理,数值差异较大。其原因在于存在干扰和抵消效应。大功率中频高压变压器较之工频电力变压器难度较大,不易制造,由于电压值较高,所以,要采用较厚的绝缘及较宽的间隙距离,因而漏磁通较大,短路电抗值也较大。在高压放电时,容易在绕组上产生梯度过电压,绕组纵绝缘(匝间、层间绝缘)造成损伤。因大型臭氧发生器的高压放电室为大的容性负载,高压变压器初、次级绕组的电压关系与线圈匝数比有一些差异。检测发现,高压放电室的容性负载有“容升”效应,实际施加到容性负载两端的电压值会超过按变比高压侧所应输出的电压值,有别于阻性或感性负载。因此,中频高压变压器的初级绕组的电压按变比求次级侧(高压侧)电压是不准确的。同时也应注意铁芯饱和所造成的电压波形畸变。制作高压变压器时应对初、次级绕组之间绝缘,次级(高压端)绕组匝间、层间绝缘及对铁芯的绝缘工艺处理好。必须抽真空用环氧树脂灌封。实际运行时,高压变压器功率容量应留有充足的裕量(30~40%),将变压器温升控制在70℃~80℃之间,避免过热过载,影响使用寿命和系统的稳定性和可靠性。
2、大功率晶闸管中频逆变器调试:
     逆变器作为大功率臭氧电源的核心,又是大型臭氧发生器的关键环节,直接决定着整个系统的可靠性和使用寿命。在大功率逆变工作时,晶闸管工作在正向直流电压下,触发导通比较容易,而关断却不容易,不像整流那样简单。交流电压有过零反向的时候,而在直流电压时必须采取另外关断措施。因此,逆变器能否正常工作的关键是如何保证晶闸管可靠关断,实用电路常用电容的充放电或电容、电感的振荡作用,使晶闸管两端出现短时间的反向电压,强迫晶闸管关断,因此电路中的换向电容和换向电感是十分重要的。换向电容和换向电感参数的计算原则是使晶闸管承受反向电压的时间能保证晶闸管可靠关断(即反向电压维持时间大于晶闸管的关断时间)。实际大功率臭氧逆变电源常用电压型逆变器。它具有直流电源经大电容滤波吸收无功功率,並串接大电感抑制浪涌电流冲击晶闸管特点,直流电源可近似看作恒压源,输出电压为矩形波,输出电流近似正弦波,它抑制浪涌电压能力强,频率可向上向下调节,功率因数高、效率高,适于负载比较稳定的运行方式。高压放电室的大容性负载显然适合。调试大功率逆变器时,通过变频触发控制电路将晶闸管工作频率设定在某中频频率,依据放电室放电管子数目(即电容量)来调节主电路输出功率求得最佳匹配。最佳匹配时电路具有较低的功耗,获得最大的臭氧发生量,且系统运行稳定、可靠。验收标准依据行业标准中国环境保护产品认定技术条件臭氧发生器HCRJ058-1999,大型空气源臭氧发生器生产每公斤臭氧的电耗小于或等于18KWH,调试数据尽量小于18KWH是调试目标。具体操作可设定高、中、低三个频率值在中频段,测试臭氧产量和电能消耗,找出最佳值,测试应在臭氧发生器运行半小时之后。电能消耗与臭氧产率关系曲线应符合下图

     主电路大功率运行时,高达数百安的工作电流流经导线、晶闸管、高压变压器等。所连导线以2A/mm2选取较为合理,否则,导线发热,甚至破坏绝缘,引起短路,晶闸管、高压变压器除留有充足的功率裕量(30~40%),还有必要设置冷却装置保证安全运行。
3、保护环节:
     大型臭氧发生器作为工业及其它领域装备,工作方式是连续运行,要求系统各环节特别可靠,不允许出故障,或出了故障以后要在尽可能短的时间内排除故障,减少停产损失。驱动大型放电室的唯一中频逆变高压电源应按军品设计。除了主电路三相整流变压器、全控整流桥、电抗器、快速晶闸管及高压变压器留有充足的安全裕量外,冷却散热装置必不可少,辅之必要的过压、过流、过载、短路保护环节,可有效降低可能出现的故障。同时,对关键控制电路和元器件应有冷备份,以确保不误生产。
四、 发展方向:
     就目前大型臭氧发生器的大功率电源而言,无论是工频、中频或高频电源,还是单机型或组合型(迭加型)电源,均有一定的市场和各自优劣势,市场需求的关键是经济性、稳定性、可靠性、节能性和长寿命等诸项指标的综合。随着科技的发展和竞争的加剧,大型臭氧发生器的大功率单机电源已展现出光明前景,较之大功率工频或组合(迭加)型中频电源更有优势。
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