一種用于臭氧發(fā)生器的VF分離控制的中頻電源

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。當前市面上量產的大型工業(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，臭氧的生產量大小通過改變逆變頻率實現(xiàn)，逆變頻率越接近諧振頻率，臭氧管上的電壓越高，生產的臭氧也就越多。需要的臭氧量不大時，就讓逆變頻率遠離諧振頻率。

2、當前通用的臭氧裝置及其存在的問題

上述臭氧發(fā)生器，存在下列問題：

（1）為了控制臭氧產量，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大幅度上升;

（2）由于頻率變化范圍過寬，在大部分頻率工作點上，變壓器的損耗都會比較大;

（3）電壓隨頻率變化為非線性，難以實現(xiàn)較為精確的臭氧產量控制;

（4）電壓諧波較大，大大縮短臭氧管的壽命，還會造成臭氧管的擊穿損壞。

3、解決辦法

改進電力電子電路，在直流環(huán)節(jié)增加BUCK電路，實現(xiàn)對逆變輸出電壓的控制，逆變電路只需要實現(xiàn)跟蹤鎖定負載諧振頻率的電壓，最終實現(xiàn)VF分離控制。VF分離控制的臭氧發(fā)生器電路拓撲如圖2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獨立的閉環(huán)，如圖3所示。F環(huán)負責跟蹤諧振頻率，V環(huán)負責臭氧產量控制。

（1）V環(huán)---臭氧產量控制環(huán)

在煙氣脫硝中，通過檢測煙氣中的臭氧和氮氧化物濃度，使用閉環(huán)調節(jié)算法，調節(jié)新型中頻電源的斬波器，實現(xiàn)對臭氧產生量的實時閉環(huán)控制，最終達到臭氧的精準投放。

廢水處理中，通過檢測處理器出口水中的臭氧濃度和微生物含量，使用閉環(huán)調節(jié)算法，調節(jié)新型中頻電源的斬波器，實現(xiàn)對臭氧產生量的實時閉環(huán)控制，最終達到臭氧的精準投放。

所以，不管是在什么應用場合，只要找到適當?shù)姆答伭?，就能夠通過V環(huán)實現(xiàn)臭氧的精準生產投放，避免因臭氧生產量不足造成消毒效率下降，或者因臭氧生產量過高，導致二次污染。

（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。如果不進行實時頻率跟蹤，運行過程中會偏離諧振點，導致系統(tǒng)穩(wěn)性變差、效率下降（單位電能產出臭氧量下降）。

由于F環(huán)只需要負責諧振升壓，不負責調壓，所以工作頻率范圍大大縮小，一般來說可可以集中到諧振點周圍±100Hz，比如，設計諧振點為3500Hz的臭氧發(fā)生器，變壓器設計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附近。

5、樣機的生產和試驗

為了驗證上述設計的正確性，在對VF分離臭氧發(fā)生器一次電路進行了設計計算的同時，采用數(shù)字信號處理器（DSP）設計了性能優(yōu)良的VF分離雙閉環(huán)控制器。生產之后的樣機如圖4所示。

實驗的100kg臭氧樣機在國內某臭氧設備生產廠家進行了對比實驗驗證。

生產和驗證結果表明：

（1）傳統(tǒng)的臭氧發(fā)生器每生產1kg臭氧需用電9-20度（由于不能鎖頻，不同功率輸出時生產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1kg臭氧用電僅需7-9度;

（2）同型號生產成本降低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性損壞;

（4）臭氧生產控制精度得到大幅度提高，100kg設備能夠實現(xiàn)0.1公斤級別的調整，也就是控制精度達到0.1%。

6、結論

本文所述的新型臭氧發(fā)生器，通過對傳統(tǒng)臭氧發(fā)生器進行了電力電子電路和控制器的針對性改進，實現(xiàn)了電壓和頻率的雙閉環(huán)控制，有效提高了臭氧生產能效、提高了臭氧生產的控制精度，并且一定程度上降低了設備的生產成本，具有非常良好的應用前景。