臭氧发生器负载特性及电源条件研究

臭氧发生器负载特性及电源必备条件研究徐绪广(大连北大净化设备有限公司，大连116037)摘要：通过对臭氧发生器放电反应室的等效电路进行分析，证明放电反应室是集电阻、感抗、容抗于一身的特殊负载。

分析了负载的伏安特性、阻抗特性以及电压和电流的关系，研究了瞬时功率、平均功率、功率因数、有功电流、无功电流的关系，对提高功率因素的方法进行了一定探讨，从而得出结论：臭氧发生器的电源必须在（经过调制后）内电抗和负载电抗处于匹配状态时，负载的有效功率才能有最大值，这更是有实用价值的大型臭氧发生器电源必不可少的条件之一。

关键词：臭氧发生器；放电反应室；负载特性；电源条件Study of Load Characteristics and Power Supply Condition of Ozone Generator Xu Xuguang, Wang Hongrui, Sun Liming, Kang Jitang,(Dalian Beida Purifying Equipment Co., Ltd, Dalian116023）Abstract: According to analysis of the equivalent circuit of discharge reactor of ozone generator, we find it is a special load which has resistance, inductance and capacitance all together. We also analyze the load V-I characteristic, impedance characteristic, the relation of voltage and current, and discuss the average power and effective power, power factor, active current and reactive current, power factor. Finally we come to a conclusion: when the power supply has a modulating system and has been modulated to make the internal reactance of and load reactance is matching, the load can get a maximum power.Key words: ozone generator, discharge reactor, load characteristics, power supply condition放电反应室是臭氧发生器的核心元件，是整个臭氧发生系统的中枢，臭氧发生器中其它部分如电源、气源、冷却循环系统等都是按照放电反应室的要求去设计制作的，反映臭氧发生器性能的主要参数如臭氧产率、臭氧浓度、电耗等都由它所决定。

所以研究放电反应室的电学特性，对于设计、制作及研究臭氧发生器具有重要的意义。

对臭氧发生器电源来说，放电反应室是它的唯一负载，以下提到负载，就是指放电反应室。

1放电反应室结构及工作原理1.1放电反应室结构放电反应室的结构见图1。

在一对电极间，隔以介电体（玻璃、陶瓷或搪瓷）和一定的间隙（电晕放电区），外加交流高压电。

1.2放电反应室工作原理当含氧气体通过间隙（电晕放电区）时，得到足以使氧分子部分离解的能量，间隙中发生电晕放电，气体被电离，间隙中的含氧离子浓度急剧增加，氧离子同氧分子以及氧离子相互之间反应生成臭氧，反应过程如下：O2+高能电子→2O+低能电子O+O2+M→O3+M+热式中M为间隙中任何其它气体分子。

同时，原子氧和电子也同臭氧反应生成氧：O+O3→2O2O3+e-1→O2+O+e-12负载的电学特性负载的电学特性可大致分为以下几个部分。

图1 放电反应室结构示意图V 图3 负载的伏安特性示意图Fig 3. V-A characteristic of load图4 试验电路图Fig4. circuit of experiment图2 臭氧发生器等效电路图Fig2. equivalent circuit of ozone generator(a)初始状态/inital state(b)工作状态/working state2.1负载的平均电晕功率平均电晕功率公式为：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-=sdgdsdVCCCVfVCP4(1)上式中: P—电晕功率，单位瓦(W)dC—介电电容，单位法拉(F)gC—间隙电容，单位法拉(F)sV—间隙发火电压，单位伏(V)V—驱动电压，单位伏(V)f—驱动电压频率，单位赫兹(H Z)上式表达的电晕平均功率方程，在电晕放电臭氧发生器的理论中，是个较成熟的有名的方程，可以作为电晕元件研究设计的理论基础【1】。

2.2等效电路为研究方便起见，依据电学原理，可将放电反应室的真实电路，绘成等效电路图。

当电源电压小于放电起始电压时，电极间没有传导电流，放电反应室可等效为介质电容()d C和电极间隙电容()g C串联后连接于电源()s U上。

等效电路图如图2(a)。

当升高电源电压到大（等）于放电起始电压时，电极间气体被击穿导通，也就是电容C g被击穿，出现放电电流。

气隙不再表现为电容性质，而表现为电阻性质，在电极间出现一个基本不变的电势降落。

电路中的总的动态电容显著变大。

又由于气体的导电性质，电阻（R）是非线性的，因此，可以将放电反应室等效为在一定电压下能够触发导通的有一定内阻的开关器件K和气隙电容C g并联后，再与介质电容C d串联，等效电路图如图2(b)。

2.3负载的伏安特性伏安特性是最能说明负载电性能的参数之一。

许多学者对此类负载的V-I特性做过测定，并绘成曲线【2】，如图3。

图3看出，电流I随电压非线性地增大。

在同一电压下，电流又随频率的提高而增大。

2.4负载的阻抗特性通过前面的分析，我们初步看出放电反应室的电学性能有其特殊性，为了能认清其特性，我们先研究一组实验，在一台容量为1000VI，频率600Hz，电压为0～8000V（可调）的电源上，并联三组相同的电晕放电反应室，每组有独立的氧气源，氧气流量相同，均为2.3L/min，每组设有独立开关，如图4所示。

先接通第一组放电反应室，测得一组数据，再分别将两组放电反应室并联和三组放电反应室并联，测得另两组数据，数据见下表：(a)X L >X C ~~U RU R~(c )X L =X C图6 电压、电流关系Fig.6 relation of voltage and current注：视在功率为实验中从电表上读出的电压V 和电流I 的有效值乘积，也称表观功率。

分析表中数据，就能清楚地看出，放电反应室决不是单纯的电阻性负载，也不是单一的电感或电容性负载，它是集电阻、感抗、容抗于一身的特殊负载。

2.5线路的总阻抗（Z ~）根据臭氧等效电路图2(b)，负载阻抗（2Z ~）可用复数形式表达：222j ~ΧR Z += (2)式中2Χ为外电路电抗电源为高压高频变压器，内阻抗由内阻()1R 和电抗()1X 形成，复数表达式为：111j ~ΧR Z += (3)整个回路可看成内阻抗1~Z 和负载阻抗2~Z 的串联电路，按照复数运算规则，回路中总复阻抗等于各段阻抗之和，即 ()()X +=X +X ++=+=j j ~~~212121R R R Z Z Z (4)R=R 1+R 2为线路的等效电阻。

X=X 1+X 2为线路的等效电抗。

22X R Z +=为等效复阻抗的模。

RX1tg -=ϕ为等效复阻抗的阻抗角。

式中，电抗X 为感抗时，L X 为正值，因为电感中电压超前电流︒90；电抗X 为容抗时，C X 为负值，因为电容中电压落后电流︒90；可用图形表示如下：当电路中电抗0>X 时，即0>+=C L X X X ，如图5(a)所示。

当电路中电抗0<X 时，即0<+=C L X X X 。

如图5(b)所示2.6负载的电压和电流关系根据负载的等效电路图（图2b ），可将等效回路看成R 、L 、C 的串联电路。

串联电路中总电压的瞬时值，等于各部分电压瞬时值之和。

()()()()t U t U t U t U C L R ++= (5)用相应的复数来代替它们，便有 C L R U U U U ~~~~ ++= (6) 由复数形式欧姆定律得I X U I X U I R U C C L L R ~j ~ ~j ~ ~~===因为串联电路中复数电流I ~相同，所以可以写成 ()[]()Z I jX R I X X j R I U C L ~~~~~=+=++= (7) 依据L X 和C X 的关系，判断电路性质。

作图方法为：以I ~为参考方向，画出与电流同向的R U ~，超前电流90º的L U ~，滞后电流90º的C U ~，然后按矢量加减，便得出总电压U ~。

a) 当C L X X >时，C L U U >。

从图中可以看出电流I ~滞后于电压U ~，电路是感性的。

b) 当C L X X <时，C L U U <，从图中可以看出电流I ~超前于电压U ~，电路是容性的。

c) 当C L X X =时， C L U U =，从图中可以看出电流I ~与电压U ~相同，这是一种特殊情况，称为串联谐振。

电流与电压有效值关系为()22C L X X R I Z I U ++== (8)电压u 超前于电流i 的相位差为RX arctg=ϕ ϕ为正值时，电压超前电流；ϕ为负值时，电流超前于电压。

2.7负载的最大功率求解2.7.1瞬时功率与平均功率、有效值和功率因数负载的瞬时功率公式：()()()t i t u t P = (9) 一般来说，()t u 和()t i 之间有相位差ϕ，ϕ角大小由该元件性质决定。

X=X L +Xc>0X RX CX=X L +Xc<0(a)(b)图5 线路总阻抗与等效电阻、感抗、容抗的关系Fig.5 relation of total impedance and equivalentresistance, inductance and capacitance⊥图7 电压电流矢量图Fig 7. vectograph of voltage and currentI ~C 图8 电容对电感性负载的影响fig8. the influence of capacitance on inductive load设()t I t i ωcos 0=，则()()ϕω+=t U t u cos 0 ()()()()()ϕωϕϕωω++=+*==t I U I U t t I U t i t u t P 2cos 21cos 21cos cos 000000 通常有实际意义的是平均功率，即()ϕcos 211000I U dt t P T P T ==⎰(10)可以证明电流峰值为00I U 的简谐交流电在电阻元件上表现出的平均功率和电压、电流分别为20U U =，20I I =的衡电流相当，通常称UI为有效值，用有效值表示，便有：ϕcos UI P = (11)通常凡与外界有两点连接的线路，它两端电压与其中电流之间都有相位差（2π-到2π），对应ϕcos 介于0到1之间。