臭氧發生器電氣系統設計

黃蓮欽

摘 要：臭氧發生器產品可廣泛應用于市政飲用水處理、污水處理、工業廢水處理、煙氣脫硝、紙漿漂白、精細化工氧化等領域。我司目前生產各種類型的臭氧發生器，而筆者2010年以來一直參與此設備的電氣系統設計。文章從臭氧發生器著手，探究臭氧發生器電氣系統的設計。

關鍵詞：臭氧發生器；電氣系統；設計

中圖分類號：TU991 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）29-0010-02

1 臭氧發生器概述

臭氧發生器工作原理按臭氧產生的方式劃分，臭氧發生器主要有三種：高壓放電式、紫外線照射式、電解式。以下介紹的是高壓放電式發生器，該類臭氧發生器采用先進的微間隙介質阻擋放電技術，使用一定頻率下的高壓放電，使電場內或電場周圍的氧分子發生電化學反應，從而制造臭氧。

2 臭氧發生器原理介紹

臭氧發生器能夠在一定的氧氣質量、露點、壓力和溫度下，利用石英玻璃介質和微間隙放電結構，在高電壓下產生非常強烈的介質阻擋放電。當含氧氣的氣體通過兩個電極間的放電間隙時，部分氧氣分子（O2）會被轉化為臭氧（O3）從而實現臭氧制備。具體為電極上帶有高電壓時，電極之間的放電間隙放電，氧氣分子被分解為自由態的氧原子（O），部分自由態的氧原子與未分解的氧氣分子重新結合生成臭氧（O3），即O+O2=O3。

3 臭氧發生器電氣系統設計

3.1 電氣模塊設計說明

電氣部分，如圖1所示，由三相380 VAC/50 HZ電源接入，由逆變器，升壓裝置和PLC控制系統組成。逆變器的作用是把頻率從工頻變為高頻，升壓裝置的作用是把電壓從低壓變為高壓，得到臭氧發生器所需的高頻高壓電源，經高壓電纜與發生器放電室相連，在高頻高壓的作用下，通過微間隙放電結構產生臭氧。

3.2 PLC控制系統設計

臭氧發生器電氣系統的控制，可以通過PLC控制柜上的人機操作界面手動或者自動實現，也可以利用遠程通訊接口通過工廠的控制中心實施遠程監控（實現遠程急停、自動模式下調節產量參數、監視設備狀態及報警信息）。臭氧發生量可以根據需要以“恒定臭氧濃度，調節進氣流量”和“恒定進氣流量，調節臭氧濃度”兩種方式進行控制，并能靈活切換。例如在運行中根據要求輸入一定的臭氧產量后，系統會自動調整運行中的其它參數，如進氣流量，氣體壓力和功率使系統輸出的臭氧產量和濃度達到設定要求。臭氧系統的控制可實現監視、控制、開關、設定、調節、總體工藝流程顯示，詳細工藝單元顯示、報告、報警、循環開車、緊急停機、記錄、故障聯鎖、通信功能、通過通訊總線與上位自控系統統一工作等。參見整個系統連接圖，如圖2所示。

根據工藝和電氣控制要求等，做一個PLC的I/O點如下：

數字量輸入：DI_1急停信號輸入數字量輸出：DO_1故障報警輸出；

DI_2進氣高壓開關輸入DO_2進氣閥電源輸出；

DI_3進氣閥開到位輸入DO_3逆變器主電源輸出；

DI_4進氣閥關到位輸入DO_4逆變器啟動輸出；

DI_5發生器55度開關輸入DO_5內循環水泵電源輸出；

DI_6出氣55度開關輸入DO_6控制柜風扇電源輸出；

DI_7內循環水泵運行輸入DO_7電源柜風扇電源輸出；

DI_8內循環水泵故障輸入模擬量輸入：AI_1進氣流量輸入；

DI_9加水罐液位開關輸入AI_2進氣壓力輸入；

DI_10發生器水流量開關輸入AI_3進氣溫度輸入；

DI_11變壓器95度開關輸入AI_4出水溫度輸入；

DI_12煙霧報警器信號輸入AI_5出氣開度反饋輸入；

DI_13高壓偵測信號輸入AI_6電量儀表輸入；

模擬量輸出：AO_1出氣開度給定輸出AI_7臭氧濃度輸入；

AO_2頻率給定輸出；

AO_3功率給定輸出。

從以上I/O點可知，數字量輸入點13個，數字量輸出點7個，模擬量輸入點7個，模擬量輸出點3個。PLC若采用西門子品牌S7-200系列時，規格為PLC中央處理器CUP226帶1個，CPU本身有含數字量輸入點16個，數字量輸出點16個，擴展模擬量輸入模塊EM231 4點輸入配2個模塊，擴展模擬量輸出模塊EM222 2點輸出配2個模塊，以上配置就可以滿足I/O點表的內容。

3.3 實例說明電氣設計及元件選型

3.3.1 某公司客戶需求

某公司客戶需求，見表1。

根據如下圖電氣原理圖，如何選擇主要元件規格，具體如圖3所示。

3.3.2 計算臭氧發生器功率

根據我司產品特點，在最不利條件下，按每1 kg/h臭氧最大功率8.5 kW計算，臭氧發生器功率：

P=3×8.5 kW=25.5 kW。

3.3.3 逆變器選擇

此逆變器是臭氧設備專用的，是我司自主研發的產品，此產品采用的是IGBT4kHz的高頻電源技術。

目前我司逆變器產品規格為500 W、3 kW、10 kW、22 kW、37 kW、55 kW、90 kW、110 kW、225 kW、320 kW等等，根據公司產品特點，90 kW以下為三相輸入單相輸出，大于90 kW都為三相輸入三相輸出，臭氧發生器產量小于8 kg/h的都為三相輸入單相輸出，從以上規格型號中可以看出，可以選用的有37 kW、55 kW、90 kW三種規格，從成本考慮優先選用37 kW這檔逆變器。

3.3.4 主要電氣元件選擇

主斷路器選擇。根據規范要求，一般選開關的額定電流比實際負載電流大1.3倍，不要選得太大，必須考慮過載保護及短路保護都能動作。如果選取過大的額定電流，過載保護失去作用；再者，因為線路的粗細及長短關系，負載端的短路電流達不到瞬時脫扣器的整定動作值，從而短路保護可能失效。

根據公式功率：

P=UIcosφ

以上所知臭氧發生器額定功率P=25.5 kW，功率因素取cosφ=0.9，計算額定電流I=43.1 A。根據以上原則，斷路器要選擇在56 A，根據斷路器規格故選擇60 A的斷路器。

主接觸器選擇。根據專業知識，交流接觸器電壓等級要和負載相同，選用的接觸器類型要和負載相適應；計算電流要小于等于接觸器的額定工作電流。

接觸器銘牌上的額定電流是指主觸頭的額定電流，是保證接觸器觸點長期正常工作的電流值。通常用的電流等級有：交流接觸器5 A、10 A、20 A、40 A、60 A、100 A等等。那接觸器應選60 A規格，線圈電壓根據線路要求選用220 V。

3.5 接地設計

臭氧發生器電氣系統在供電的過程當中，應當采用TN-S系統。由于臭氧發生器為高壓放電設備，根據GB 50169-2006《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》和GB 14050-2008《系統接地的形式及安全技術要求》標準的規定，臭氧發生器的金屬底座和外殼應提供安全可靠接地，以保證設備和人身安全。因此，客戶應在臭氧制備間內預埋接地裝置，并預留接頭（接地電阻≤4Ω），以便設備安裝時與設備的接地端子連接。

4 結 語

綜上所訴，臭氧發生器的電控設計是循序漸進的，是根據項目的特點量身設計。設計人員應對電氣系統有足夠的重視，積極提升設計的質量，為臭氧發生器的有效應用奠定堅實的基礎。實踐表明，高壓放電式臭氧發生器具有技術成熟、工作穩定、使用壽命長、臭氧產量大、體積和占地空間小等優點，在國內外相關行業得到了廣泛的應用。

參考文獻：

[1] 高艷雄，劉海龍，高冠龍，等.臭氧發生器氮氧化物的產生規律研究[J].山 西科技，2013，28（1）：35-37.

[2] 黃繼強，薛龍，呂濤，等.可控諧振的DBD型臭氧發生器電源[J].高電壓技 術，2010，36（2）：444-449.