摘要：臭氧发生器是利用高压放电原理，将氧气转化为臭氧的过程。本文以济南某臭氧发生器生产公司为例，介绍英威腾MF100中频电源变频器在臭氧发生器上的应用案例。

关键词：英威腾MF100中频电源变频器；臭氧发生器；节能环保

1 引言

臭氧发生器是将高压交流电加在中间隔有绝缘体并有一定间隙的高压电极上，让经过的干燥净化空气或氧气通过，当高压交流电达到一定值时，产生蓝色辉光放电“电晕”，电晕中的自由高能离子离解O₂分子，经碰撞聚合为O₃分子。臭氧的产量、浓度根据所加的电源电压、电流等的变化而变化。

随着近几年我国环保政策的大力实施，臭氧在污水及工业废水处理、烟气处理、脱硫脱硝、化工氧化、空间灭菌等领域得到广泛应用，由于臭氧易于分解无法储存，需现场制取现场使用，因此臭氧发生器在近几年的市场需求急剧增加。

图1 臭氧发生机外观图

2 臭氧发生器的工艺要求

臭氧部分需要控制的参数主要有浓度和流量。流量的实现只需调节相应的调节阀就可以实现，而臭氧浓度则跟许多因素有关，如气源、电源、发生器的结构和冷却方式。

在本方案中，英威腾MF100产品主要调节臭氧发生器的工作频率（可利用MF100产品自动寻找谐振点频率功能）及输出电流或者输出电压（即恒压模式或恒流模式），实现对臭氧浓度的调节。保持气体流量不变的情况下，调节臭氧发生器中频电源变频器的输出频率，工作频率改变，则高压放电功率改变，从而实现臭氧浓度的调节。

臭氧发生器采用介质阻挡电晕放电法来产生臭氧。主要由空气预处理系统、冷却系统、供电电源和放电室（采用管式臭氧发生单元即为臭氧发生管）等四部分组成。用空气压缩机把空气压入气体净化除湿设备，出来的干燥洁净空气或者氧气导入臭氧发生管，由高压电源对臭氧发生管供电，在电极间放电，使流过臭氧发生管的空气形成一定浓度的臭氧。由于在电晕放电时，会导致电极和介电体表面温度的升高，因而加速臭氧的分解，所以必须对臭氧发生管进行冷却，以控制管内工作温度在一定范围内。

图2 臭氧发生器原理图

理论值：7.5kW对应1kg（注：实际选型要放大，因为在实际控制时很难达到电流和电压调到100%运行，7.5kW对应1kg是按照电源输出端功率计算值）。

上式中，0.96为后端变压器及电抗器损耗，即 电源后端装置的功率因数

3 臭氧发生器系统图

臭氧发生器主要组成部分包括：

电源及控制系统：由中频电源专用变频器、升压变压器和控制装置PLC+HMI组成，由中频 电源将电源频率由工频变为几百至几千赫兹，再经过升压变压器升压到几千伏，从而得到放电所需要的高频高压电；控制装置PLC+HMI主要是实现对整个臭氧发生器系统的控制。

图3臭氧发生器系统图

（2）气源系统：臭氧发生器可以利用两种气源，一种为空气源，由无油空压机、干燥器等提供；另一种为纯氧或者富氧空气，由氧气瓶或者制氧机提供。空气或者氧气进入发生器之后需要适度的干燥和减压，经计量后连续地送入臭氧发生放电室。

（3）冷却系统：对放电室进行降温，可用轴流风扇进行风冷却，也可以采用水冷。

（4）尾气破坏系统：由风机将臭氧尾气抽出，通过一个预加热带将温度升高后进入尾气破坏带，再通过催化破坏方式将臭氧破坏分解为氧气。

（5）臭氧放电室：臭氧放电室分为管式和板式两种。

4 臭氧发生器控制方案

4.1 电气配置

英威腾MF100中频电源变频器、输出谐振电抗器、输出升压变压器、小型PLC、触摸屏、其它低压元器件及检测仪表。

4.2 控制框图

图4 臭氧发生器控制框图

当臭氧发生器放电间隙的电场强度E大于气体的击穿电场强度Ep时，放电间隙的气体才会发生放电现象，对于间隙宽度为L的放电间隙，有VD=ED *L，就可以计算出发生气体放电时放电间隙电压。介质阻挡放电具有一个很重要的特点，即放电通道的间隙电压达到放电要求时，即使再继续升高臭氧发生器负载电压（或电流），放电间隙电压却基本保持不变，这个电压称为放电维持电压VD。因此对于一个介质阻挡放电型臭氧发生器负载，当其负载交变电压（或电流）在放电间隙上产生的电压低于放电维持电压VD，放电间隙不会发生放电现象，称为无放电过程，其负载等效为绝缘介质的等效电容（Cg）和放电间隙的等效电容（Cd）串联。当负载交变电压（或电流）在放电间隙上产生的电压足以达到维持电压VD时，放电间隙将发生放电现象，称之为有放电过程，但整个有放电过程并不是连续放电，而是分为不放电阶段和放电阶段。放电间隙电压低于放电维持电压VD的阶段，放电间隙不发生放电现象，即为不放电阶段；当放电间隙电压达到放电维持电压VD时，放电间隙将发生放电现象，即为放电阶段。在整个放电阶段，放电间隙电压不再升高，而是维持不变。同时由于负载电压（或电流）的周期性，放电过程也具有周期性。

考虑到臭氧发生器负载的电容特性，如果不对负载采取适当的补偿措施，必将导致负载功率因数降低，从而降低放电电源的工作效率。对于电容性负载而言，可以利用增加电感的方法进行串联、并联或串并联混合补偿，以提高负载功率因数。考虑到放电电源高电压的要求，其电压的匹配可以利用高频升压变压器来实现，由于变压器的漏感不可避免，利用变压器的漏感可以在不需要另外增加辅助电感的情况下对负载电容起串联补偿作用，与负载电容构成串联谐振电路。所以臭氧发生器高频放电电源选用负载串联谐振型逆变电源是最合理的。利用补偿电感Ls与负载等效电容构成并联LC谐振负载，中间用高频变压器进行电压匹配。

5 结语

英威腾MF100中频电源变频器的应用方案，通过MF100产品自动寻找谐振点频率，利用恒压模式或恒流模式控制方式，简化了操作流程，大大提高了装置工作效率，比传统模式更加节能，整体装置的产能比以前也大大提高，电气装置的空间得到进一步优化，控制操作更加简洁。

摘自《自动化博览》2020年8月刊