3.1高頻開關(guān)電源電源

電離放電產(chǎn)生臭氧的技術(shù)關(guān)鍵在于開關(guān)電源的參數(shù)設(shè)計(jì)，開關(guān)電源的優(yōu)劣不僅關(guān)乎臭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且對臭氧生成效率和臭氧濃度的提高具有非常重要的作用。采用新一代的IGBT作為開關(guān)管，設(shè)計(jì)軟開關(guān)全橋移項(xiàng)開關(guān)電源，借以提高電源頻率，增加穩(wěn)定性和減小體積，是目前國際上研究的熱點(diǎn)。

由于大功率高頻率的臭氧開關(guān)電源技術(shù)難度大，目前國內(nèi)大多采用工頻（50Hz）和中頻（600－1000HZ）。設(shè)計(jì)思路仍然是可控硅整流，技術(shù)水平停留在20世紀(jì)50年代。少數(shù)企業(yè)采用IGBT開關(guān)管，但設(shè)計(jì)思路是硬開關(guān)，但是硬開關(guān)的頻率做到10KHz以上就會容易損壞IGBT，所以這部分電源的頻率一般在2－10KHz，眾所周知，開關(guān)電源頻率在20KHz以下會有噪音，對環(huán)境造成污染，而且容易損壞。而軟開關(guān)技術(shù)難度較大，國內(nèi)很難見到見到的軟開關(guān)、高頻率，大功率的臭氧開關(guān)電源。

我公司聯(lián)合鄭州大學(xué)射頻與等離子體實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)多年等離子體電源的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，借鑒國際先進(jìn)技術(shù)，聯(lián)合新型傳感器實(shí)驗(yàn)室，電磁兼容實(shí)驗(yàn)室等單位，采用當(dāng)今新型的器件和材料，綜合利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)，自行開發(fā)了軟開關(guān)，大功率，高頻率的臭氧電源。

中仁高頻高壓電源性能特點(diǎn):

1.全橋移項(xiàng)軟開關(guān)技術(shù)，零電壓、零電流關(guān)斷，減少對IGBT的沖擊，使模塊的壽命大大延長。

2.采用美國德州儀器的芯片控制，頻率可調(diào)，功率可調(diào)，占空比調(diào)節(jié)范圍0－100％。

3.過壓保護(hù)，過流保護(hù)，高溫保護(hù)，故障報(bào)警，可輸出485信號，實(shí)現(xiàn)PLC控制和遠(yuǎn)程控制。

4.先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)，特殊的去毛刺技術(shù)，電流電壓波形可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正弦方波，對功率模塊的沖擊大幅度減小。

5.獨(dú)特的電路整體保護(hù)設(shè)計(jì)，不加保護(hù)電路，電路本身就能實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，從而避免了保護(hù)電路保護(hù)不及的情況。

6.開關(guān)器件:采用日本東芝第五代IGBT模塊，該模塊適合高頻開關(guān)，效率高，穩(wěn)定性強(qiáng)。目前我們的臭氧電源的頻率為20-30KHZ，正在開發(fā)頻率為40-60KHz的開關(guān)電源。

7.大功率鐵氧體磁芯的采用，大幅度減小了中頻的硅鋼片高壓包的體積，大大提高了變壓器的效率。

8.高壓包多股絲包線繞制，真空浸漆，環(huán)氧樹脂灌封，防潮，防擊穿，克服了高頻的集膚效應(yīng)。

9.放電次數(shù)比較低頻成倍增加，臭氧濃度高，功耗小，使臭氧生成效率成倍提高。

10.由于頻率大于20KHz，所以工作時(shí)無噪音，真正實(shí)現(xiàn)無聲放電，避免了頻率在2-20KHz時(shí)的高頻噪音。突破了臭氧開關(guān)電源的20KHz革命。

11．先進(jìn)的模塊式設(shè)計(jì)，精密電路樹脂封裝，防潮防水防灰塵，給電源的維修和調(diào)試帶來極大方便，也為不同功率的電源開發(fā)提供了便利。

12.功率管散熱:水冷。

13.輸出高壓:4000V－9000V。

一、公司及團(tuán)隊(duì)簡介

1.1公司簡介

鄭州中仁臭氧技術(shù)有限公司，是在鄭州中仁工貿(mào)有限公司的基礎(chǔ)上，依托鄭州大學(xué)射頻與等離子體實(shí)驗(yàn)室、解放軍信息工程大學(xué)、河南大學(xué)藥學(xué)院等院校平臺組建起來的。公司以等離子體超臨界電場窄隙放電產(chǎn)生高濃度臭氧發(fā)生器為主要課題，突破了臭氧電源20Khz的難關(guān)，利用軟開關(guān)全橋移項(xiàng)技術(shù)，研制出了高頻率、大功率、數(shù)字式電源，并研制成功α型AL₂O₃介質(zhì)薄層窄隙放電新工藝，實(shí)現(xiàn)了臭氧發(fā)生器高濃度、率、模塊化、小型化。臭氧濃度可達(dá)200mg/l，臭氧電耗6KW/O₃KG，技術(shù)水平國內(nèi)，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

1.2實(shí)驗(yàn)室簡介

鄭州大學(xué)射頻與等離子體實(shí)驗(yàn)室包括鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院、環(huán)境與水利學(xué)院、電氣工程學(xué)院的部分教師和科研人員組成，主要的業(yè)務(wù)范圍是電磁無損檢測、電磁環(huán)境與電磁兼容檢測、電力電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測及相關(guān)理論與技術(shù)的研究，檢測儀器的研制、開發(fā)，成果的轉(zhuǎn)化及技術(shù)培訓(xùn)等。培養(yǎng)電磁場與微波技術(shù)、激光技術(shù)、電力電子新技術(shù)、結(jié)構(gòu)檢測等方向的研究生，博士生。

1.3簡介

劉 平，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域：電力電子技術(shù)、功率射頻技術(shù)和等離子體技術(shù)。多次赴美國、日本、加拿大、韓國參加國際合作研究和學(xué)術(shù)交流。主持了磁鏡等離子體射頻加熱系統(tǒng)研制項(xiàng)目，參加了磁鏡和托卡馬克上的等離子體射頻加熱實(shí)驗(yàn)研究；在美國麻省理工學(xué)院進(jìn)行的磁鏡型等離子體火箭研究，驗(yàn)證了這類火箭的科學(xué)可行性，次成功測量了等離子體火箭的推力；大功率開關(guān)電源研究項(xiàng)目的部分成果已經(jīng)在企業(yè)中應(yīng)用，轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。

目前承擔(dān)的研究課題有：自然科學(xué)基金項(xiàng)目，用于高頻通訊的等離子體天線研究；等離子體臭氧放電原理與大功率軟開關(guān)高頻率臭氧開關(guān)電源的研制，射頻感應(yīng)等離子體源射頻發(fā)生器研制，高頻感應(yīng)加熱電源研制，率射頻發(fā)射機(jī)研制等。

二、臭氧發(fā)生器

2.1電離放電產(chǎn)生臭氧的原理

臭氧產(chǎn)生的過程是介質(zhì)阻擋等離子放電放電的過程，供電單元提供高壓電場而使流過放電間隙的氧氣在此電場中通過，從外加放電電場獲得能量的電子與氧分子發(fā)生非彈性碰撞，電子把能量轉(zhuǎn)移給氧分子，氣體被激勵(lì)后，發(fā)生電子雪崩。當(dāng)電子從放電電場獲得的能量大于8.4eV時(shí)，氧分子開始分解，電離，并形成臭氧。

2.2提高臭氧效率的理論支持

在氣體放電中，臭氧分子也會分解，臭氧分子的分解、電離能為2eV，所以具有2－8.4eV能量的電子會分解臭氧。所以控制低能電子的的產(chǎn)生是提高臭氧濃度和效率的根本途徑。為了高能電子的獲得，就要突破目前的弱電放電，采用強(qiáng)電離放電，具體辦法有三個(gè)方面：

，增加電源峰值電壓，提高放電頻率

放電室內(nèi)電暈放電的功率方程式可表示為：P=4CdVsf[V0-（Cd Cg）Vs/Cd]

式中：P-電暈元件放電功率，W；

Cd-介電體電容，F；

Cg-放電間隙電容，F；

Vo-外加驅(qū)動電壓（峰值），V；

Vs-間隙間的電暈起始電壓（峰值），V；

f-外加驅(qū)動電壓頻率，Hz。

從公式可以看出，通過改進(jìn)供電電源的峰值電壓和頻率來提高臭氧發(fā)生器的效率和臭氧濃度。

第二，從公式中我們還可以看到，放電介質(zhì)越薄，介電常數(shù)越高，介質(zhì)損耗越低的介質(zhì)越能提高臭氧的效率。

瓷介質(zhì)具有較高的電氣強(qiáng)度、較大的介電常數(shù)值和較強(qiáng)的耐腐蝕能力，近年來國際上提出采用瓷介質(zhì)作為放電室，來取代玻璃介質(zhì)。由于搪瓷的加工難度小，成本低，所以國內(nèi)幾家大的臭氧廠家都采用搪瓷作為放電體，在頻率600－800HZ的高壓電場中臭氧濃度達(dá)到100mg/l，臭氧生成效率達(dá)到1Kg/10KWh，是臭氧生成理論值（430g/KWh-590g/KWh）的1/5。

由于搪瓷燒結(jié)工藝所限，容易產(chǎn)生微孔，不適合在高頻下（10KHz以上）工作，即便在600－800Hz的頻率下，也很容易產(chǎn)生電子灰，電子灰影響放電效率，臭氧濃度會大幅度下降；隨著微孔的擴(kuò)大，搪瓷介質(zhì)就會在薄弱處被擊穿。目前國內(nèi)廠家的搪瓷臭氧放電室不到一個(gè)月就要清掃一次，給維護(hù)帶來很大麻煩，而且臭氧管擊穿會沖擊電源，所以很多廠家都在每個(gè)放電管上加一個(gè)保險(xiǎn)管，但是根本問題仍難以解決。

目前國際上比較先進(jìn)的臭氧放電體開始采用α型AL₂O₃氧化鋁陶瓷，陶瓷介質(zhì)具有高強(qiáng)度、高密度、高絕緣度、高介電常數(shù)、高均勻度、低矯曲度和低介質(zhì)損耗等優(yōu)點(diǎn)，比較適合作為臭氧放電體，目前國際上先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)使臭氧生成效率達(dá)到1Kg/5KWh，是臭氧生成理論值（430g/KWh-590g/KWh）的1/2。

第三，采用較窄的放電間隙。

減少放電間隙，就能增大放電間隙的電場強(qiáng)度，并減少熱量生成。

第四，有效冷卻

產(chǎn)生臭氧反映過程是放熱反應(yīng)，由于臭氧發(fā)生器比較緊湊，熱量產(chǎn)生多而且集中，如果熱量不能有效散發(fā)出去，高溫會加速分解臭氧，利用空氣源的還會大大增加氮氧化物的產(chǎn)生，而且高溫還會造成介質(zhì)的熱擊穿。