一种用于臭氧发生器的VF分离控制的中频电源

谭文毕　曹先洪　康庄

摘要：本文研究一种能够VF（电压、频率）分离控制的中频电源主电路，分别用两个闭环分别控制臭氧放电管的电压和.频率参数，能够有效增加臭氧管的寿命、降低臭氧管的损坏率、降低臭氧发生器的整体成本。

1、引言

臭氧作为最好的消毒剂，广泛应用于废水废气的处理。工业用臭氧一般是由臭氧发生器制造出来。当前市面上量产的大型工业用臭氧发生器，系统一般如图1所示，首先是整流电路，将380V三相交流电源整流为直流电压，然后用IGBT桥式逆变器将直流电压变换为单相可变频率的中频交流电，再使用变压器把中频交流电升压至1kV左右，最后再通过L1和Ozonizer（DBD臭氧管）谐振的方式将Ozonizer电压升至2～6kV。

控制上，臭氧的生产量大小通过改变逆变频率实现，逆变频率越接近谐振频率，臭氧管上的电压越高，生产的臭氧也就越多。需要的臭氧量不大时，就让逆变频率远离谐振频率。

2、当前通用的臭氧装置及其存在的问题

上述臭氧发生器，存在下列问题：

（1）为了控制臭氧产量，需要逆变频率变化范围比较大，一般500Hz～4000Hz之间，变压器要满足这么宽频率范围的能量传输需要，变压器的体积和成本会大幅度上升;

（2）由于频率变化范围过宽，在大部分频率工作点上，变压器的损耗都会比较大;

（3）电压随频率变化为非线性，难以实现较为精确的臭氧产量控制;

（4）电压谐波较大，大大缩短臭氧管的寿命，还会造成臭氧管的击穿损坏。

3、解决办法

改进电力电子电路，在直流环节增加BUCK电路，实现对逆变输出电压的控制，逆变电路只需要实现跟踪锁定负载谐振频率的电压，最终实现VF分离控制。VF分离控制的臭氧发生器电路拓扑如图2所示。

4、VF双闭环控制策略

由于增加了BUCK电路，所以我们可以将控制分离为两个独立的闭环，如图3所示。F环负责跟踪谐振频率，V环负责臭氧产量控制。

（1）V环---臭氧产量控制环

在烟气脱硝中，通过检测烟气中的臭氧和氮氧化物浓度，使用闭环调节算法，调节新型中频电源的斩波器，实现对臭氧产生量的实时闭环控制，最终达到臭氧的精准投放。

废水处理中，通过检测处理器出口水中的臭氧浓度和微生物含量，使用闭环调节算法，调节新型中频电源的斩波器，实现对臭氧产生量的实时闭环控制，最终达到臭氧的精准投放。

所以，不管是在什么应用场合，只要找到适当的反馈量，就能够通过V环实现臭氧的精准生产投放，避免因臭氧生产量不足造成消毒效率下降，或者因臭氧生产量过高，导致二次污染。

（2）F环-谐振环

臭氧发生器一般是使用串联谐振升压供电的，串联谐振回路等效参数会随温度、铁心磁化、放电间隙材料老化、部分臭氧管损坏等因素变化，从而引起了电路固有谐振频率的变化。如果不进行实时频率跟踪，运行过程中会偏离谐振点，导致系统稳性变差、效率下降（单位电能产出臭氧量下降）。

由于F环只需要负责谐振升压，不负责调压，所以工作频率范围大大缩小，一般来说可可以集中到谐振点周围±100Hz，比如，设计谐振点为3500Hz的臭氧发生器，变压器设计频率范围只需要考虑3400～3500Hz。这样就发幅度降低了变压器的成本，并且可以让变压器始终工作于最高效率点附近。

5、样机的生产和试验

为了验证上述设计的正确性，在对VF分离臭氧发生器一次电路进行了设计计算的同时，采用数字信号处理器（DSP）设计了性能优良的VF分离双闭环控制器。生产之后的样机如图4所示。

实验的100kg臭氧样机在国内某臭氧设备生产厂家进行了对比实验验证。

生产和验证结果表明：

（1）传统的臭氧发生器每生产1kg臭氧需用电9-20度（由于不能锁频，不同功率输出时生产每公斤臭氧的耗电差距较大），使用VF分离闭环控制的臭氧发生器每生产1kg臭氧用电仅需7-9度;

（2）同型号生产成本降低20%左右，主要集中在直流支撑电容需求容量变小和变压器成本下降;

（3）由于加到臭氧管上的谐波电压降低，臭氧管平均寿命增加200%以上，并且有效避免了臭氧管的随机性损坏;

（4）臭氧生产控制精度得到大幅度提高，100kg設备能够实现0.1公斤级别的调整，也就是控制精度达到0.1%。

6、结论

本文所述的新型臭氧发生器，通过对传统臭氧发生器进行了电力电子电路和控制器的针对性改进，实现了电压和频率的双闭环控制，有效提高了臭氧生产能效、提高了臭氧生产的控制精度，并且一定程度上降低了设备的生产成本，具有非常良好的应用前景。