譚文畢　曹先洪　康莊

摘要：本文研究一種能夠VF（電壓、頻率）分離控制的中頻電源主電路，分別用兩個(gè)閉環(huán)分別控制臭氧放電管的電壓和.頻率參數(shù)，能夠有效增加臭氧管的壽命、降低臭氧管的損壞率、降低臭氧發(fā)生器的整體成本。

1、引言

臭氧作為最好的消毒劑，廣泛應(yīng)用于廢水廢氣的處理。工業(yè)用臭氧一般是由臭氧發(fā)生器制造出來(lái)。當(dāng)前市面上量產(chǎn)的大型工業(yè)用臭氧發(fā)生器，系統(tǒng)一般如圖1所示，首先是整流電路，將380V三相交流電源整流為直流電壓，然后用IGBT橋式逆變器將直流電壓變換為單相可變頻率的中頻交流電，再使用變壓器把中頻交流電升壓至1kV左右，最后再通過(guò)L1和Ozonizer（DBD臭氧管）諧振的方式將Ozonizer電壓升至2～6kV。

控制上，臭氧的生產(chǎn)量大小通過(guò)改變逆變頻率實(shí)現(xiàn)，逆變頻率越接近諧振頻率，臭氧管上的電壓越高，生產(chǎn)的臭氧也就越多。需要的臭氧量不大時(shí)，就讓逆變頻率遠(yuǎn)離諧振頻率。

2、當(dāng)前通用的臭氧裝置及其存在的問(wèn)題

上述臭氧發(fā)生器，存在下列問(wèn)題：

（1）為了控制臭氧產(chǎn)量，需要逆變頻率變化范圍比較大，一般500Hz～4000Hz之間，變壓器要滿足這么寬頻率范圍的能量傳輸需要，變壓器的體積和成本會(huì)大幅度上升;

（2）由于頻率變化范圍過(guò)寬，在大部分頻率工作點(diǎn)上，變壓器的損耗都會(huì)比較大;

（3）電壓隨頻率變化為非線性，難以實(shí)現(xiàn)較為精確的臭氧產(chǎn)量控制;

（4）電壓諧波較大，大大縮短臭氧管的壽命，還會(huì)造成臭氧管的擊穿損壞。

3、解決辦法

改進(jìn)電力電子電路，在直流環(huán)節(jié)增加BUCK電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變輸出電壓的控制，逆變電路只需要實(shí)現(xiàn)跟蹤鎖定負(fù)載諧振頻率的電壓，最終實(shí)現(xiàn)VF分離控制。VF分離控制的臭氧發(fā)生器電路拓?fù)淙鐖D2所示。

4、VF雙閉環(huán)控制策略

由于增加了BUCK電路，所以我們可以將控制分離為兩個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)，如圖3所示。F環(huán)負(fù)責(zé)跟蹤諧振頻率，V環(huán)負(fù)責(zé)臭氧產(chǎn)量控制。

（1）V環(huán)---臭氧產(chǎn)量控制環(huán)

在煙氣脫硝中，通過(guò)檢測(cè)煙氣中的臭氧和氮氧化物濃度，使用閉環(huán)調(diào)節(jié)算法，調(diào)節(jié)新型中頻電源的斬波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧產(chǎn)生量的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，最終達(dá)到臭氧的精準(zhǔn)投放。

廢水處理中，通過(guò)檢測(cè)處理器出口水中的臭氧濃度和微生物含量，使用閉環(huán)調(diào)節(jié)算法，調(diào)節(jié)新型中頻電源的斬波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧產(chǎn)生量的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，最終達(dá)到臭氧的精準(zhǔn)投放。

所以，不管是在什么應(yīng)用場(chǎng)合，只要找到適當(dāng)?shù)姆答伭?，就能夠通過(guò)V環(huán)實(shí)現(xiàn)臭氧的精準(zhǔn)生產(chǎn)投放，避免因臭氧生產(chǎn)量不足造成消毒效率下降，或者因臭氧生產(chǎn)量過(guò)高，導(dǎo)致二次污染。

（2）F環(huán)-諧振環(huán)

臭氧發(fā)生器一般是使用串聯(lián)諧振升壓供電的，串聯(lián)諧振回路等效參數(shù)會(huì)隨溫度、鐵心磁化、放電間隙材料老化、部分臭氧管損壞等因素變化，從而引起了電路固有諧振頻率的變化。如果不進(jìn)行實(shí)時(shí)頻率跟蹤，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)偏離諧振點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)性變差、效率下降（單位電能產(chǎn)出臭氧量下降）。

由于F環(huán)只需要負(fù)責(zé)諧振升壓，不負(fù)責(zé)調(diào)壓，所以工作頻率范圍大大縮小，一般來(lái)說(shuō)可可以集中到諧振點(diǎn)周圍±100Hz，比如，設(shè)計(jì)諧振點(diǎn)為3500Hz的臭氧發(fā)生器，變壓器設(shè)計(jì)頻率范圍只需要考慮3400～3500Hz。這樣就發(fā)幅度降低了變壓器的成本，并且可以讓變壓器始終工作于最高效率點(diǎn)附近。

5、樣機(jī)的生產(chǎn)和試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的正確性，在對(duì)VF分離臭氧發(fā)生器一次電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算的同時(shí)，采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）設(shè)計(jì)了性能優(yōu)良的VF分離雙閉環(huán)控制器。生產(chǎn)之后的樣機(jī)如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)的100kg臭氧樣機(jī)在國(guó)內(nèi)某臭氧設(shè)備生產(chǎn)廠家進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

生產(chǎn)和驗(yàn)證結(jié)果表明：

（1）傳統(tǒng)的臭氧發(fā)生器每生產(chǎn)1kg臭氧需用電9-20度（由于不能鎖頻，不同功率輸出時(shí)生產(chǎn)每公斤臭氧的耗電差距較大），使用VF分離閉環(huán)控制的臭氧發(fā)生器每生產(chǎn)1kg臭氧用電僅需7-9度;

（2）同型號(hào)生產(chǎn)成本降低20%左右，主要集中在直流支撐電容需求容量變小和變壓器成本下降;

（3）由于加到臭氧管上的諧波電壓降低，臭氧管平均壽命增加200%以上，并且有效避免了臭氧管的隨機(jī)性損壞;

（4）臭氧生產(chǎn)控制精度得到大幅度提高，100kg設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)0.1公斤級(jí)別的調(diào)整，也就是控制精度達(dá)到0.1%。

6、結(jié)論

本文所述的新型臭氧發(fā)生器，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)臭氧發(fā)生器進(jìn)行了電力電子電路和控制器的針對(duì)性改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了電壓和頻率的雙閉環(huán)控制，有效提高了臭氧生產(chǎn)能效、提高了臭氧生產(chǎn)的控制精度，并且一定程度上降低了設(shè)備的生產(chǎn)成本，具有非常良好的應(yīng)用前景。