臭氧发生器电气系统设计

黄莲钦

摘 要：臭氧发生器产品可广泛应用于市政饮用水处理、污水处理、工业废水处理、烟气脱硝、纸浆漂白、精细化工氧化等领域。我司目前生产各种类型的臭氧发生器，而笔者2010年以来一直参与此设备的电气系统设计。文章从臭氧发生器着手，探究臭氧发生器电气系统的设计。

关键词：臭氧发生器；电气系统；设计

中图分类号：TU991 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）29-0010-02

1 臭氧发生器概述

臭氧发生器工作原理按臭氧产生的方式划分，臭氧发生器主要有三种：高压放电式、紫外线照射式、电解式。以下介绍的是高压放电式发生器，该类臭氧发生器采用先进的微间隙介质阻挡放电技术，使用一定频率下的高压放电，使电场内或电场周围的氧分子发生电化学反应，从而制造臭氧。

2 臭氧发生器原理介绍

臭氧发生器能够在一定的氧气质量、露点、压力和温度下，利用石英玻璃介质和微间隙放电结构，在高电压下产生非常强烈的介质阻挡放电。当含氧气的气体通过两个电极间的放电间隙时，部分氧气分子（O2）会被转化为臭氧（O3）从而实现臭氧制备。具体为电极上带有高电压时，电极之间的放电间隙放电，氧气分子被分解为自由态的氧原子（O），部分自由态的氧原子与未分解的氧气分子重新结合生成臭氧（O3），即O+O2=O3。

3 臭氧发生器电气系统设计

3.1 电气模块设计说明

电气部分，如图1所示，由三相380 VAC/50 HZ电源接入，由逆变器，升压装置和PLC控制系统组成。逆变器的作用是把频率从工频变为高频，升压装置的作用是把电压从低压变为高压，得到臭氧发生器所需的高频高压电源，经高压电缆与发生器放电室相连，在高频高压的作用下，通过微间隙放电结构产生臭氧。

3.2 PLC控制系统设计

臭氧发生器电气系统的控制，可以通过PLC控制柜上的人机操作界面手动或者自动实现，也可以利用远程通讯接口通过工厂的控制中心实施远程监控（实现远程急停、自动模式下调节产量参数、监视设备状态及报警信息）。臭氧发生量可以根据需要以“恒定臭氧浓度，调节进气流量”和“恒定进气流量，调节臭氧浓度”两种方式进行控制，并能灵活切换。例如在运行中根据要求输入一定的臭氧产量后，系统会自动调整运行中的其它参数，如进气流量，气体压力和功率使系统输出的臭氧产量和浓度达到设定要求。臭氧系统的控制可实现监视、控制、开关、设定、调节、总体工艺流程显示，详细工艺单元显示、报告、报警、循环开车、紧急停机、记录、故障联锁、通信功能、通过通讯总线与上位自控系统统一工作等。参见整个系统连接图，如图2所示。

根据工艺和电气控制要求等，做一个PLC的I/O点如下：

数字量输入：DI_1急停信号输入数字量输出：DO_1故障报警输出；

DI_2进气高压开关输入DO_2进气阀电源输出；

DI_3进气阀开到位输入DO_3逆变器主电源输出；

DI_4进气阀关到位输入DO_4逆变器启动输出；

DI_5发生器55度开关输入DO_5内循环水泵电源输出；

DI_6出气55度开关输入DO_6控制柜风扇电源输出；

DI_7内循环水泵运行输入DO_7电源柜风扇电源输出；

DI_8内循环水泵故障输入模拟量输入：AI_1进气流量输入；

DI_9加水罐液位开关输入AI_2进气压力输入；

DI_10发生器水流量开关输入AI_3进气温度输入；

DI_11变压器95度开关输入AI_4出水温度输入；

DI_12烟雾报警器信号输入AI_5出气开度反馈输入；

DI_13高压侦测信号输入AI_6电量仪表输入；

模拟量输出：AO_1出气开度给定输出AI_7臭氧浓度输入；

AO_2频率给定输出；

AO_3功率给定输出。

从以上I/O点可知，数字量输入点13个，数字量输出点7个，模拟量输入点7个，模拟量输出点3个。PLC若采用西门子品牌S7-200系列时，规格为PLC中央处理器CUP226带1个，CPU本身有含数字量输入点16个，数字量输出点16个，扩展模拟量输入模块EM231 4点输入配2个模块，扩展模拟量输出模块EM222 2点输出配2个模块，以上配置就可以满足I/O点表的内容。

3.3 实例说明电气设计及元件选型

3.3.1 某公司客户需求

某公司客户需求，见表1。

根据如下图电气原理图，如何选择主要元件规格，具体如图3所示。

3.3.2 计算臭氧发生器功率

根据我司产品特点，在最不利条件下，按每1 kg/h臭氧最大功率8.5 kW计算，臭氧发生器功率：

P=3×8.5 kW=25.5 kW。

3.3.3 逆变器选择

此逆变器是臭氧设备专用的，是我司自主研发的产品，此产品采用的是IGBT4kHz的高频电源技术。

目前我司逆变器产品规格为500 W、3 kW、10 kW、22 kW、37 kW、55 kW、90 kW、110 kW、225 kW、320 kW等等，根据公司产品特点，90 kW以下为三相输入单相输出，大于90 kW都为三相输入三相输出，臭氧发生器产量小于8 kg/h的都为三相输入单相输出，从以上规格型号中可以看出，可以选用的有37 kW、55 kW、90 kW三种规格，从成本考虑优先选用37 kW这档逆变器。

3.3.4 主要电气元件选择

主断路器选择。根据规范要求，一般选开关的额定电流比实际负载电流大1.3倍，不要选得太大，必须考虑过载保护及短路保护都能动作。如果选取过大的额定电流，过载保护失去作用；再者，因为线路的粗细及长短关系，负载端的短路电流达不到瞬时脱扣器的整定动作值，从而短路保护可能失效。

根据公式功率：

P=UIcosφ

以上所知臭氧发生器额定功率P=25.5 kW，功率因素取cosφ=0.9，计算额定电流I=43.1 A。根据以上原则，断路器要选择在56 A，根据断路器规格故选择60 A的断路器。

主接触器选择。根据专业知识，交流接触器电压等级要和负载相同，选用的接触器类型要和负载相适应；计算电流要小于等于接触器的额定工作电流。

接触器铭牌上的额定电流是指主触头的额定电流，是保证接触器触点长期正常工作的电流值。通常用的电流等级有：交流接触器5 A、10 A、20 A、40 A、60 A、100 A等等。那接触器应选60 A规格，线圈电压根据线路要求选用220 V。

3.5 接地设计

臭氧发生器电气系统在供电的过程当中，应当采用TN-S系统。由于臭氧发生器为高压放电设备，根据GB 50169-2006《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》和GB 14050-2008《系统接地的形式及安全技术要求》标准的规定，臭氧发生器的金属底座和外壳应提供安全可靠接地，以保证设备和人身安全。因此，客户应在臭氧制备间内预埋接地装置，并预留接头（接地电阻≤4Ω），以便设备安装时与设备的接地端子连接。

4 结 语

综上所诉，臭氧发生器的电控设计是循序渐进的，是根据项目的特点量身设计。设计人员应对电气系统有足够的重视，积极提升设计的质量，为臭氧发生器的有效应用奠定坚实的基础。实践表明，高压放电式臭氧发生器具有技术成熟、工作稳定、使用寿命长、臭氧产量大、体积和占地空间小等优点，在国内外相关行业得到了广泛的应用。

参考文献：

[1] 高艳雄，刘海龙，高冠龙，等.臭氧发生器氮氧化物的产生规律研究[J].山 西科技，2013，28（1）：35-37.

[2] 黄继强，薛龙，吕涛，等.可控谐振的DBD型臭氧发生器电源[J].高电压技 术，2010，36（2）：444-449.