（电力电子与电力传动专业论文）串联谐振式dbd型臭氧发生器电源的研究与开发.pdf

串联谐振式d b d 型臭氧发生器电源的研究与开发 a b s t r a c t t h i sp a p e ri s m a i n l yc o n c e r n e dt o r e s e a r c ha n dd e v e l o ph i 曲p o w e rs e r i e sr e s o n a n t i n v e r t e rp o w e r s u p p l yf o rd b d o z o n e g e n e r a t o r s o m ek e yt e c h n o l o g i e s o ft h e p o w e rs u p p l y , f o re x a m p l et h ee q u i v a l e n tc i r c u i t ，d y n a m i c a le l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h et o p o l o g i e so f t h ep o w e r s u p p l y , c o n t r o ls t r a t e g ya n d i t sr e a l i t y , a r ed e e p l yr e s e a r c h e do nt h eb a s i so ft h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo fd b d o z o n eg e n e r a t o ra n ds e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r u s i n gt h et h e o r y a c h i e v e m e n ti nr e s e a r c ho ft h i sp a p e rap o w e rs u p p l yf o rt h eo z o n eg e n e r a t o rw i t ht h e o u t p u to f2 k g hi sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h ec o r r e c t i o na n dt h ep r a c t i c a lv a l u eo ft h e t h e o r yi sv e r i f i e db yt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o no ft h ep o w e rs u p p l y t h em a i n c o n t e n to ft h e t h e s i si ss u m m e d u p a sf o l l o w s ： 1 r e s e a r c ho ni n v e r t e rt o p o l o g i e so fi n v e r t e rp o w e rs u p p l yf o rh i 曲p o w e rd b d o z o n e g e n e r a t o r t w ok i n d so f l o a dr e s o n a n ti n v e r t e rt o p o l o g i e sc o m m o n l yu s e di ni n v e r t e r p o w e rs u p p l y f o rd b d o z o n eg e n e r a t o ra r ec o m p a r e di nt h i sp a p e r , a n dt h es e r i e sr e s o n a n t i n v e r t e ri ss e l e c t e da st h ei n v e r t e rt o p o t o g i e so ft h ep o w e r s u p p l y 2 r e s e a r c ho nl o a dc h a r a c t e r i s t i c so fd b do z o n e g e n e r a t o r t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h ed b do z o n eg e n e r a t o rp o w e r e db ys i n u s o i d a lw a v ec u r r e n ts o u r c ei sa n a l y z e di nd e t a i l ， a n di t sf u n d a m e n t a lw a v ee q u i v a l e n tc i r c u i ti sp r e s e n t e da tf i r s tt i m eo nt h eb a s i so ft h e f o u r i e rf o r m so ft h e v o l t a g ed r o p p e d o nt h e d i s c h a r g eg a p t h ed y n a m i ce l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed b do z o n eg e n e r a t o ra r er e s e a r c h e da n da n a l y z e do nt h eb a s i so ft h i s e q u i v a l e n tc i r c u i t ，a n dt h em a t c hr a n g ef o rt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r s o ft h eo z o n eg e n e r a t o r i s i n d u c e d ，w i t c hw i l lb eb e n e f i tt o t h ed e s i g no ft h ep o w e rs u p p l yf o rd b do z o n e g e n e r a t o r 3 r e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls t r a t e g y a f t e rd e s c r i b i n g ，a n a l y z i n ga n ds u m m i n g u po f t h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e gt h ef r e q u e n c yt r a c k i n gp h a s es h i f tp w v l c o n t r o li ss e l e c t e da st h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rt h ep o w e r s u p p l yo fd b d o z o n eg e n e r a t o r t h eo p e r a t i o nm o d e so ft h ei n v e r t e rw i t ht h i sc o n t r o ls t r a t e g ya r ca l s oa n a l y z e d ，a n da c o n c l u s i o nt h a tt h ec a p a c i t i v em o d ei ss u i t a b l ef o rt h es e r i e sr e s o n a n ti n e r t e ru s e di nt h e d b do z o n eg e n e r a t o ri sa r r i v e da t t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ez c sc o n d i t i o no ft h i s c o n t r o ls t r a t e g ya r er e s e a r c h e d ，a n dt h em a x i m u m p h a s es h i f ta n g l ea n daz c s i n v e r t e r p r o t o t y p ei nw i t c ht h et r i g g e rp u l s e so fp o w e r s e m i c o n d u c t o r si ns t a t i o n a r ya r mi si np h a s e w i t hl o a dc u r r e n ta l ep r o p o s e d 4 r e s e a r c ho nt h er e a l i t yo ff r e q u e n c yt r a c k i n gp h a s es h i f tc o n t r o ls t r a t e g y an o v e l u 硕士学位论文 t y p eo ff l e q u e n c yt r a c k i n gp h a s es h i f tc o n t r o lc i r c u i tb a s e do nc d 4 0 4 6i sp r o p o s e do nt h e b a s i so f s u m m a r i z i n g t h ee x i s t i n gc o n t r o lc i r c u i t t h ed e l a yt i m ep r o b l e mo ft h ec i r c u i ta n d t h ep r o b l e mo f s t a r t i n go fp o w e rs u p p l y a r es o l v e db y u s i n gc d 4 0 4 6 5 r e s e a r c ho nd e s i g na n d r e a l i t y o ft h e p o w e rs u p p l ya d r i v ec i r c u i tb a s e do n 2 s d 3 1 5u s e di nt h es e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e rp o w e rs u p p l yf o rd b d o z o n eg e n e r a t o ri s p r o p o s e d a4 0 k w l k h zp r o t o t y p ef o rt h eo z o n eg e n e r m o rw i t ht h eo u t p u to f2 k g mi s d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yo i lt h eb a s i so ft h et h e o r ya c h i e v e m e n ti nr e s e a r c ho ft h i sp a p e e t h e p r o c e d u r eo ft h ed e s i g ni si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ga n ds o m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e a l s og i v e nt ov e r i f yt h ec o r r e c t i o na n d f e a s i b i l i t yo f t h et h e o r y k e yw o r d s ：d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ( d b d ) ；o z o n eg e n e r a t o r ；s e r i e sr e s o n a n t i n v e r t e r ；p h a s e s h i rp w mc o n t r o l 1 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签置启童 日期：加拜4 月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：夕殇杏， 导师签名：垄稚 日期：加俾4 月口日 日期：汹恬年月沙日 硕十学位论文 1 1 臭氧及其应用 第1 章绪论 1 8 4 0 年，德国科学家s c h o n b e i n 向慕尼黑科学院提出的报告里宣布发现了臭 氧。他依据电解与火花放电实验产生的气味与雷电之后空气中的腥气味相同，判 定这种气味是由一种新物质产生的，并对此新物质命名为“o z o n e ”臭氧【”。 臭氧是氧的同素异性体，由三个氧原子构成( 0 3 ) 。常温高压下是一种不稳定 的淡蓝色气体，很容易被分解成氧气( 0 2 ) ，半衰期为3 0 分钟左右。臭氧具有极 强的氧化性和杀菌性能，是自然界最强的氧化荆之一，在水中氧化还原电位仅次 于氟而居第二位。同时，臭氧反应后的产物是氧气，所以臭氧是高效的无二次污 染的氧化赛u 。作为强氧化剂，其特点如下【2 】：1 可用作选择氧化、主产品得率高； 2 氧化温度低，在常压下氧化能力也较强，且对敏感物质的氧化有利：3 反应速 度快，可定量氧化；4 使用与制造方便。现有较强的氧化剂的氧化还原电位见表 1 1 1 1 j 。从表1 1 可知，臭氧的氧化还原电位除比氟低之外，比氧、氯、二氧化氯 及高锰酸钾等氧化剂都高， 表1 1 各种强氧化剂的氧化还原电位 过氧化高锰酸二氧化 氧化剂名称氟臭氧 氯氧 氢离子氯 分子式f 20 3 h 2 0 2m 。0 4c 1 0 2c 1 20 2 标准电极电位 2 8 7 v2 0 7 v1 8 7 v 1 6 7 v1 5 0 v 1 3 6 v1 2 3 v 臭氧的应用基础是其极强的氧化能力与杀菌能力。臭氧的应用按其作用分类， 可分为：杀菌、脱色、脱臭、脱味及氧化分解。按其应用领域分，主要应用在以 下领域：水处理：食品加工、存储、保鲜；家用电器；医疗卫生；化学氧化 3 1 。1 8 9 3 年，在荷兰的奥茨胡恩建立了世界上第一家使用臭氧进行饮用水处理的工厂。自 从世界卫生组织确认经氯法消毒的饮用水能够致癌以后( 致癌物质为卤代有机物 如氯肪、三氯甲烷等) ，臭氧便作为最安全可靠的饮用水消毒方法在世界各地迅速 地发展起来。臭氧具有氧化能力强、反应速度快、使用方便、不受p h 值影响、不 产生二次污染、能就地生产等一系列优点，因此被广泛应用于废水的深度处理。 在用于空气消毒、治疗深度创伤、大面积烧伤和烫伤的无菌处理上，法国己在较 大范围采用臭氧。近年来，臭氧对水的处理又拓宽到个新的领域一臭氧处理冷 却水。据文献报导，美国在上世纪7 0 年代末期已开始在这方面的探索和研究。其 成果显示，臭氧可以作为唯一的处理药剂代替其它的冷却水处理剂，达到杀菌、 串联谐振式d b d 型臭氧发生器电源的研究与开发 除垢、缓蚀、氧化有机物等多方面的目的，能使冷却水系统在极低的排污量甚至 在零排污下运行，从而节水节能，并且不存在任何环境污染问题。 我国从上世纪8 0 年代初期，已开始采用臭氧对饮用水消毒和工业废水深度处 理予咀注意，但发展较慢。在我国目前的城市供水中，绝大多数水厂均采用混凝、 沉淀、过滤、消毒的处理工艺，其中消毒工艺主要采用氯气和漂白粉，使用臭氧 的比例很低。同时，将臭氧应用于冷却水处理方面的实践，也还刚刚开始 。但由 于臭氧法处理的经济性、可靠性及绝对无毒、无二次污染等一系列优点，可以预 言，臭氧在我国也必将得到普及。 1 2 几种主要的臭氧产生方法简介 产生臭氧的方法主要有紫外照射法、电解法、放射化学法和介质阻挡放电法【。 紫外照射法利用紫外线照射干燥的氧气，使一部分氧分子被激活离解成氧原 子，进而形成臭氧。在紫外线照射氧气的过程中，既有使氧变成吴氧的光波，也 有使臭氧分解的光波。因此臭氧的产量将取决于产生臭氧的波长与分解臭氧波长 的比值。紫外照射法产生臭氧的缺点是能耗高、臭氧浓度低，因此紫外照射法用 于大量生产臭氧是不现实的。但由于该方法重复性好，对温度不敏感，且易通过 灯功率的线性控制改变臭氧的产量。所以，对少量低浓度要求的各种试验，空气 消毒、灭菌、除臭等，还是适合的。 电解法利用直流电源电解含氧电解质产生臭氧。八十年代以前，电解液多为 水内填加酸、盐类电解质，电解面积比较小，臭氧产量低，运行费用高。经过人 们对极板材料、电解液与电解机理、过程方面的大量研究，电解法制臭氧技术有 了很大的进步。近来发展的s p e ( 固态聚合物电解质) 电极与金属氧化催化技术， 使电解纯净水得到1 4 以上的高浓度臭氧。电解法产生臭氧具有浓度较高、成份纯 净、水中溶解度高的优势。经过迸一步改进，设法降低成本和电耗后，有可能与 目前广泛使用的介质阻挡放电法相竞争。 放射化学法利用各种放射源核辐射离解氧分子生成臭氧。该法已有两种工艺 用于工业型臭氧生产，一是氧同裂变产物接触，由辐射、氧同裂变产物及二次辐 射的热碰撞产生臭氧。二是仅在辐射下生成臭氧。该方法因采用放射源其成本高、 安全性差，只适用于某些特殊情况，不适合于工业大量生产。 介质阻挡放电法，也称无声放电法( 简记为d b d 法) ，通过交变高压电场在气 体中产生电晕，电晕中的自由高能电子离解氧气分子，经碰撞聚合为臭氧分子。 介质阻挡放电法具有能耗相对较低、单机臭氧产量大，气源可用干燥空气、氧气 或含氧浓度较高的富氧气体等优点，因此工业上合成臭氧大多采用此法。 硕士学位论文 1 3 介质阻挡放电( d b d ) 臭氧发生技术介绍 1 3 1 介质阻挡放电的基本概念 介质阻挡放电是由绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。介质可以覆盖在 电极上或者悬挂在放电空间，当放电电极上施加足够高的交流电压时，在电极间 建立起交变电场，当电场强度达到一定值时，使电极间的气体被击穿而形成放电， 这种气体放电方式称为介质阻挡放电。由于介质阻挡放电不像空气中的火花放电 那样发出极大的击穿响声，因此也称为无声放电。介质阻挡放电呈现微通道的放 电结构，既通过放电间隙的电流由大量的快脉冲电流细丝组成。电流细丝在放电 空闻和时间上都是无规则分布的，这种电流细丝称为微放电【5 】。当在电极上施加正 弦波电压时，介质阻挡放电产生的微放电电流简图如图1 1 所示，图中未标出正 弦电压在放电单元内产生的传导电流分量。也可给放电单元施加正弦电流。介质 阻挡放电和间隙结构如图1 2 所示，由交变电源( 电压源或电流源) 和放电单元 ( 包括放电电极、绝缘介质层与放电间隙) 组成，根据电极结构是平板形、同轴 圆柱形、其它形式，臭氧发生器分为板式臭氧发生器、管式臭氧发生器和其它结 构臭氧发生器；根据供电电源的频率可分为工频臭氧发生器、中频臭氧发生器和 高频臭氧发生器。绝缘介质可覆盖于某电极，也可分别覆盖于两个电极，还可 浮置于两电极中间。若一电极接地，该电极称为地电极，另一电极称为高压电极。 电 压 微 放 电 电 流 一 图1 1 介质阻挡放电外界电压和微放电电流简图 交流高 压电源 图1 2 介质阻挡放电的电极结构 1 3 2 介质阻挡放电的电特性参数 描述介质阻挡放电的主要电特性参数有电场强度、等效电路、放电电压、放 电功率和功率因数【5 1 。 1 电场强度 串联谐振式d b d 型臭氧发生器电源的研究与开发 对于图1 2 所示的平板介质阻挡放电构型，设高压电极上覆盖介电常数为s 。 的介质薄片的厚度为z 。，放电气隙厚度为，。，气隙介电常数为。，外加电压为u ， 则介质和气隙上的电场强度为： 西2 若 n ” f 。：址 ( 1 2 ) 。g l d g + l g d 从( 1 1 ) 、( 1 2 ) 两式可以看出，介质阻挡放电中电场强度巴和丘可以大于 电极问的平均电场强度，且电场强度正比于外加电压峰值。当外加电压足够高时， 气隙会被击穿形成放电。 2 等效电路 根据供电电源的频率差异，放电的特性有所不同。通常可分为工频介质阻挡 放电、中频介质阻挡放电和高频介质阻挡放电，中频的频率范围为几百赫兹 l o k h z ，高频的频率范围一般大于l o k h z 。这两种介质阻挡放电的等效电路如图1 3 所示。 j a ) 中频 。 b ) 高频 图1 3 介质阻挡放电的等效电路 图中c 。是介质的等效电容，c 。是放电气隙的等效电容，r 是发生器的等效电 阻。u 。是作用电压的峰值，u 。和。分别是低中频和高频条件下回路中积分电流 为零时的电压值，即以下要谈到的放电电压巩。通常c d 要大于c 。 3 放电电压( 放电维持电压) 在介质阻挡放电的电特性中放电电压u 。是一个重要的电学参数，它的大小直 接与放电的功率有关，它被定义成介质阻挡放电在放电作用的周期内的平均放电 电压，且在放电作用的周期内是一个常量。当放电间隙上的电压u 。大于放电电压 u 。时，气体被击穿开始放电。u 。的值主要决定于放电气体成分，间隙中的粒子 浓度以及间隙宽度等。 4 放电功率 介质阻挡放电的功率也是一个重要的参数。由于介质阻挡放电的电流、电压 间的相位失调，它的功率计算和测量比较复杂。根据李萨茹图实验测得的放电伏一 安特性曲线可以计算介质阻挡放电的功率为： 硕十学位论文 ：4cdupu 。，叮。一嬖幺u 。) ( 1 3 ) = d 。，( u 。一二! ：! 立u 。) ( 1 ) l ( 1 3 ) 式是中低频介质阻挡放电的重要功率公式。可见，介质阻挡放电的放电 功率与介质阻挡放电电路的等效参数及供电电源的电参数有关。 5 功率因数 介质阻挡放电的功率因数决定着电源能够提供的有效功率的百分比。在介质 阻挡放电中定义功率因数f = i _ ，其中p 为放电功率，u ，。、i 。分别为放 u r m j lr 电的有效电压和电流。介质阻挡放电装置对供电电源来说是一种容性负载，其功 率因数是很低的，通常在0 2 - 0 8 之间变化，其具体数值取决于c 。c 。、u ，d 。以 及作用电压的波形。 1 3 3 介质阻挡放电产生臭氧的机理 本节利用上述的有关介质阻挡放电的理论来分析介质阻挡放电产生臭氧的机 理。介质阻挡放电中臭氧的形成是一个极为复杂的过程，包括由电场导致的放电 电离过程及发生在放电通道中的系列化学过程，其过程可用以下四个步骤加以 简单描述【6 】： 1 外加电压加在放电电极两端，由介质阻挡放电理论知，随着外加电压的上升， 当气隙两端的电压u 。等于放电电压u 。时，气体被击穿开始放电，放电通道中产 生一定能量的电子； 2 电子的碰撞使氧气分子解离，产生氧原子： 0 2 + 高能电子= 2 0 + 低能电子； ( 1 4 ) 3 原子与氧分子结合产生臭氧： o + 0 2 + m = 0 3 + m 十热； ( 1 5 ) 式中 l 是间隙中的任何其它分子； 4 臭氧分子和其它粒子发生碰撞，发生分解反应： 0 3 + 0 - - 2 0 2 ( 1 6 ) 0 3 + e 一：0 2 + o + e 1 ( 1 7 ) 以上的方程式仅仅是许多反应中的典型代表，实际上每个过程都包含了许多 个化学变化。真正的反应进程比这几个方程式描述的过程要复杂得多。从以上的 过程可以看出，生成臭氧的反应是可逆反应，当臭氧生成与分解处于相对平衡时， 气隙内臭氧浓度达到某一限值；生成臭氧的反应是吸热反应，3 0 2 - - 2 0 3 所吸收的热 量为：a h 。+ 1 4 4 8 k j t o o l 。所以理论上耗电l k w h 可生成1 2 2 0 9 臭氧，即臭氧电耗 为0 8 2 k w h k g 0 但在实际情况中用空气源时产生i k g 臭氧约需1 6 k w h ，电能利 用率很低，只有5 左右，其余都以热、光等形式消散了。 串联谐振式d b d 裂臭氧发生器电源的研究与开发 在步骤( 1 ) 中，电源、放电回路和气体的特性将决定放电通道的特性。从而 进一步决定放电过程中能量在放电通道中粒子间的分配。这将影响到后面将要发 生的一系列复杂化学反应的条件，从而决定臭氧形成的效率。 放电通道中电子的能量分布将决定步骤( 2 ) 所得到的氧原子浓度。由于氧原 子不单参与氧气分子结合产生臭氧的反应，还要和其它粒子碰撞发生别的化学反 应，如与电子结合成负氧离子、消耗能量，与臭氧分子碰撞引起其分解等。所以 氧原子的相对浓度并非越高越好，而是有最优值。由于氧原子浓度与放电通道的 能量有很直接的关系，这就要求放电强度应该有最优的值，使通道中的电子能量 分布有利于以后臭氧形成的反应。 一旦放电通道中在臭氧以后，步骤( 4 ) 中的反应就会起作用，这一步的主要 反应的激烈程度主要取决于两个因数：温度和放电时的起始臭氧浓度。当放电达 到一定强度时，臭氧的分解反应会十分活跃，以至破坏形成的臭氧。 1 3 4d b d 型臭氧发生装置系统组成框图 实际工程应用中产生臭氧的d b d 型臭氧发生装置的系统组成框图如图1 4 所 示，主要由气源系统、电源系统、冷却系统和控制系统组成。在d b d 臭氧发生装 置中气源有空气源与氧气源之分，图中绘出了空气源与氧气源时的气体的传输路 径。气源系统提供的气体是臭氧产生的原料，气源系统的作用就是为产生臭氧提 供干燥、洁净的空气或氧气气源。臭氧发生器对气源系统有一定的技术要求，具 体体现在一些技术指标上，在此不散详细介绍。冷却系统是为臭氧发生器产生臭 氧时的散热而设计，对于大功率系统通常采用水冷，冷却方式有低压电极单冷式 和高、低压电极的双冷式，单冷式常为直通式的，双冷式采用循环式。控制系统 负责整个臭氧发生系统的控制功能，如系统的起动顺序等，通常采用p l c 实现。 电源系统为臭氧发生器产生臭氧提供能量，其性能的好坏直接影响到产生臭氧的 效率，即电能的利用效率，这也正是近年来障碍臭氧技术发展的主要原因。因此 研制性能优良的d b d 型臭氧发生器供电电源是整个臭氧发生系统的重点。 图1 4d b d 型臭氧发生装置系统组成框图 硕士学位论文 1 4 国内外介质阻挡放电臭氧发生技术的研究现状 介质阻挡放电臭氧发生技术作为工业上合成臭氧的主要方法，目前国内外的 臭氧科技工作者对其进行研究主要集中在如何提高臭氧的产生效率上。有关这方 面的研究可分为介质阻挡放电臭氧发生技术的基础理论与方法研究以及d b d 型臭 氧发生装置与工作条件的研究【7 8 j 。介质阻挡放电臭氧发生技术的基础理论与方法 研究以气体放电学、等离子体物理学、等离子体化学、高电压工程学、材料学为 基础，从介质阻挡放电的物理过程出发，研究形成臭氧的微观过程。近期，各国 学者采用窄间隙、高介电常数和高电阻率的超微细电介质材料及冷等离子体加工 工艺等新技术、新工艺、逐步建立起强电场电离放电理论与方法【9 】文献 1 0 从介 质阻挡产生臭氧的等离子体反应过程出发，实现用电场强度、电子能量控制臭氧 产生浓度和分解。以上的研究为实现臭氧产生装置的组合模快化，小型化奠定了 基础。 d b d 型臭氧发生装置主要由放电单元( 发生器) 、供电电源、气源制备系统和 冷却系统等组成。臭氧发生装置的各个组成部分都会影响臭氧的产量、浓度和效 率。为此，许多学者对形成臭氧过程的各个方面做了许多研究。 电极的形式直接影响臭氧的产生效率。根据结构的不同，放电单元主要有板 式和管式两种形式。为了改善放电状况、提高放电效率，人们采用了不同形式的 电极来产生臭氧，如线状电极、网状电极、刷状电极等。采用这些电极能降低放 电的着火电压，从而降低对外加交流高压电源的要求，其主要优点是效率高、电 耗省。电介质是d b d 型臭氧发生器的重要组成部分，其作用可以是：强化气隙的 电场强度以利产生放电；防止气隙击穿，同对减少功率消耗：使气隙电场均匀， 扩大放电区域。这些都有利臭氧的产生。一般而言，电介质的介电系数越高，导 热性能越好，越有利于产生臭氧。因此，目前国内外有关这方面的研究就是朝着 高介电系数、高导热性能、高绝缘强度的介电体发展。d b d 型臭氧发生器所用的电 介质有石英玻璃、陶瓷、搪瓷和有机材料等多种，组合材料的使用也被研究。人 们对d b d 型臭氧发生器的供电电源也做了大量的研究，发现电源的电压、频率和 电源波形是影响臭氧发生器效率非常重要的因素。近些时间来，人们对电源的研 究主要集中在利用现代电力电子技术、微电子技术、控制技术研制满足介质阻挡 放电要求的高性能中高频逆变电源0 1 , 1 2 1 ，此外，也对d b d 型臭氧发生器的气源制 备和冷却系统进行了研究，文献 1 3 用正交试验确定臭氧发生器气源的流量、温 度和电源的电压、频率等最佳使用参数。总之，以上研究的目的就是围绕提高臭 氧的产生效率，找到臭氧形成过程中各种工作条件的最佳结合点。目前国外已有 单机产量上数百千克的臭氧发生装置问世，臭氧浓度达到2 5 0 9 m 3 ，臭氧产生效率 可达l o o g k w h 。国内生产厂家的臭氧发生装置的主要技术指标低于此指标。 串联谐振式d b d 型臭氧发生器电源的研究与开发 我国的臭氧技术起步较晚，跟国外相比差距还比较大，这严重障碍了我国臭 氧应用的发展。这些差距体现在：一是单机容量小，我国目前最大的臭氧发生器 仅为数千克小时，而国外最新资料介绍，臭氧发生器单机容量可达3 0 0 k g d 、时。 国产臭氧发生器不能适应市场的需求；二是配套功率大，运行费用高，对用户的 负担加重：三是自动化程度低，操作不方便；四是产品质量还存在一定的不足， 没有严格按国家有关标准进行检测给用户带来了一定的影响。 1 5 介质阻挡放电臭氧发生技术的发展趋势 臭氧发生器作为臭氧发生技术的最关键的核心部件，从开始到目前直到今后 相当长一段时期，一直是人们关注研究的焦点。由于臭氧发生器与电源，介电体 材料、气源的生成制备以及环境冷却等因数都密切相关，所以有关这一重要部件 的传统的研究方向主要集中在如何提高电源频率：如何改变材料的耐电压、介电 常数与介质损耗系数：如何提高用作气源的氧含量等这些方面。为此，在具体研 制开发上，国内厂家正在采用金属管外喷涂特殊搪瓷技术、压电铝搪瓷技术、变 压吸附空气分离技术等。这些已作为今后厂家开发的目标。另一方面，在采用创 新突破的研究上，国内已提出用“陡变电场”制取臭氧的新方法 二是美国 s t e r o - i i z e r 公司提出利用特殊电极，电解产生臭氧和有关自由基，并且电解质溶 液反复使用。这些研究目标和新思路为臭氧发生器的进一步开发拓展了全新的领 域p 】。 现代臭氧研究的方向主要为1 9 】：1 强电离放电产生高浓度臭氧法。臭氧浓度是 臭氧产生技术中最重要的技术指标之一，通常应用介质阻挡放电方法产生臭氧浓 度在4 0 9 m 3 以下。臭氧技术研究人员正在努力提高臭氧浓度的研究，近期有了重 大进展，可以把臭氧浓度提高到2 5 0 9 m a 。当介质阻挡放电间隙的折合电场强度大 于3 0 0 t d 时，可得到大于2 0 0 9 m 3 臭氧浓度。为了取得强电离放电电场，只有采 用窄放电间隙和高介电常数、高电阻率的薄电介质层方法，它可取得大于3 0 0 t d 的强电场。应用高频供电的强电离放电是现代产生高浓度臭氧的唯一有效办法。 2 臭氧产生装置小型化。只有强电离放电才能使臭氧产生装置小型化，也使相关 空气预处理和臭氧溶解设备小型化。3 高效率产生臭氧方法。窄脉冲供电，应用 前沿陡峭的窄脉冲作为介质阻挡放电产生臭氧的供电电源。力图降低产生臭氧的 能耗，以便提高臭氧的产生效率，但目前尚无成功经验；减少电介质层的厚度， 电介质层厚度变薄，电介质的损耗降低，有利臭氧产生效率的提高；在高气压低 温条件下产生臭氧；沿面放电与介质阻挡放电重叠放电法，将沿面放电和介质阻 挡放电重叠组合起来，以便提高臭氧产生效率。4 研制适应高产量臭氧发生器用 的性能优良的大功率供电电源，提高臭氧发生系统的单机产量，满足与适应大规 模臭氧处理工艺的发展需要。 s 硕士学位论文 1 6 d b d 型臭氧发生器电源的研究进展与现状 d b d 型臭氧发生器供电电源是d b d 型臭氧发生装置中的重要组成部分，供电电 源性能的好坏影响到臭氧的浓度和产生臭氧的效率。从电工学科进行研究，本节 把重点放在d b d 型臭氧发生器电源上，对d b d 型臭氧发生器电源的研究进展与现 状做一个简单的叙述。 早期的臭氧发生器电源多采用固定工频( 5 0 6 0 h z ) 可变电压电源和中频 ( 4 0 0 6 0 0 h z ) 可变电压电源【1 4 】。这类电源电压调整容易、结构简单易维修，仍得 到使用并不断改进。但使用该类电源的臭氧产率低、系统体积庞大、耗能高。近 些年来，随着电力电子技术、微电子技术、现代控制技术、计算机技术等的迅猛 发展，以及臭氧发生器在产生臭氧的产量和效率等方面对供电电源要求的不断提 高，由电力电子器件构成的中高频逆变电源被广泛应用于臭氧发生装置。电力电 子电源与早期的臭氧发生器电源相比具有功率大、频率高、系统体积比较小、使 用方便、安全可靠等特点，且还可通过变频来控制臭氧产率和浓度。 随着臭氧应用领域的日益扩大，大批科技工作者都投入到了臭氧发生器电 源的研究中。对d b d 型臭氧发生器电源的研究主要体现在对发生器负载特性及模 型的研究1 1 5 _ 1 1 1 、电源整体方案的选择、输出功率控制方案的研究、软开关的研究 和提高电源频率等。在电源的整体方案中有采用串联谐振式逆变器的【1 8 】，也有采 用并联谐振式逆变器的【1 9 】，但以串联谐振式逆变器为主。输出功率控制方案的研 究和电源中软开关技术的研究是近几年来d b d 型臭氧发生器电源研究的热点。从 p w m 调功1 1 1 , 1 2 1 至0p d m 调功【2 0 】，最后到各种调功方式的混合调功1 2 1 。2 3 】，人们一直在 不断的探索和研究，力求找到更适合介质阻挡放电产生臭氧的功率控制方法。同 时为了提高电源的转换效率，减少电源中的开关损耗和e m i 噪声，近几年来有很 多有关d b d 型臭氧发生器电源中的软开关技术的文献报道。为了实现可靠的软开 关条件，电源控制电路中都采用了频率跟踪技术【2 4 , 2 5 1 。随着臭氧发生装置单机产 量的提高，要求为其配备大功率供电电源。目前国内大功率高频高压电源技术尚 处于研制阶段，大大限制了介质阻挡放电研究的进展，许多研究仅止于理论上的 探索，无法进入深入的实验研究。 1 7 研究背景及意义 由于国际社会对环境问题的日益关注和环境保护对水处理要求的提高，发达 国家的饮用水已禁止使用氯处理技术消毒，欧洲国家的饮用水均用臭氧作消毒剂， 国外越来越多的污水处理厂将臭氧应用于污水的深度处理，因此许多国家都在开 发研制高产量低能耗的臭氧发生装置，研究拓展臭氧的应用领域，以满足环保治 理特别是水处理的需求，提高人类的用水质量。 串联谐振式d b d 型臭氧发生器电源的研究与开发 因技术和经济等原因，我国在大产量臭氧发生装置的制造技术和应用方面 与国外工业发达国家存在较大的差距，大型臭氧发生装置一直依赖进口。而在 臭氧发生装置中，供电电源是整个臭氧发生装置的关键部件之一，因此从电工 学科讲，研究大产量臭氧发生器的供电电源，对我国臭氧技术的推广应用、缩 短我国臭氧技术水平同发达国家的差距有着重要的现实意义。 1 8 本文的主要内容 论文的主要目的是研制大功率d b d 型臭氧发生器供电电源，其性能指标满足 介质阻挡放电产生臭氧的要求。为此论文的研究内容围绕以下几个方面展开： 第1 章：绪论 介绍了臭氧及其应用领域、几种主要的臭氧产生方法，重点介绍了介质阻挡 放电产生臭氧的方法。对国内外介质阻挡放电臭氧发生技术的现状和发展趋势、 介质阻挡放电臭氧发生器电源的研究进展与现状也进行了简单的介绍。 第2 章：正弦波电流供电的d b d 型臭氧发生器等效电路研究 在详细分析正弦波电流供电的介质阻挡放电电路的基础上，首次提出了介质 阻挡放电电路的基波等效电路，利用该等效电路讨论了介质阻挡放电的动态电气 特性，并推导出了一些与设计d b d 型臭氧发生器电源有关的重要公式与结论。 第3 章：臭氧发生器电源中的频率跟踪移相p 删控制技术 对串联谐振式逆变器输出功率调节方法进行了综述，选择移相p w m 功率调节 方式作为本设计的控制方式，对在该控制方式下的串联谐振式逆变器的三种运行 模式也进行了分析，得出容性模式更适合于由i g b t 构成的串联谐振式逆变电路的 结论。对工作于容性模式的串联谐振式逆变器的工作性能进行了较详细的分析， 推导出了最大有效移相角的数学表达式，提出了基准臂功率开关触发脉冲与负载 电流无相差频率跟踪控制的d b d 型臭氧发生器逆变电源拓扑，实现了i g b t 的零电 流开关。 第4 章：新型频率跟踪移相p 删控制电路的研究 对几种常用的串联谐振式逆变器频率跟踪移相p w m 控制电路的实现方案进行 了简单的介绍，提出了一种新型的基于集成锁相环c d 4 0 4 6 的频率跟踪移相p n m 控 制电路，并利用c d 4 0 4 6 的特性很好的解决了电路的延时和电源的起动问题。 第5 章：串联谐振式d b d 型臭氧发生器电源设计与实验 给出了第2 章中的一些重要公式结论在d b d 型臭氧发生器电源设计中的实际 应用，根据具体的技术指标设计了电源的主电路与驱动电路，并给出了实验波形。 重点论述大功率i g b t 驱动电路的设计，提出了一种基于集成驱动器2 s d 3 1 5 a 的适 合i g b t 和m o s f e t 的驱动电路。 硕士学位论文 第2 章正弦波电流供电的d b d 型臭氧发生器 等效电路研究 大功率d b d 型臭氧发生器一般采用全桥逆变器对其供电，因发生器负载表现 为一种可变的容性负载，故为提高电源功率因数，常采用补偿电感使电路工作于 负载谐振状态。根据补偿电感与负载的联接方式，可分为串联谐振和并联谐振两 大类。本章介绍与比较了这两类谐振技术，并选择串联谐振作为d b d 型臭氧发生 器电源的逆变电路拓扑，该电路给臭氧发生器提供正弦波电流供电。在分析了正 弦波电流供电d b d 型臭氧发生器的动态电气特性后，提出了一种新的d b d 型臭氧 发生器基波等效电路，为设计d b d 型臭氧发生器电源奠定了理论基础。 2 1 d b d 型臭氧发生器电源拓扑结构分析 2 1 1 负载谐振式逆变器拓扑及负载特性 d b d 型臭氧发生器是一种非线性容性负载，其静态等效电路如图2 1 所示【5 j 。 图中c 。为介质等效电容，c ，为气隙等效电容，z 为双向稳压二极管，其反向击 穿电压为发生器的放电维持电压 ，。只要在发生器两端施加一定电压峰值的交 变电压，当作用于发生器气隙上的电压值等于气隙击穿电压( 放电维持电压) u 。， 时，击穿气隙，产生微放电而产生臭氧。根据上述发生器产生臭氧的原理，供电 电压可以是正弦电压、方波电压和脉冲交变电压。显然，若交变电压直接施加于 发生器上，由于发生器的容性负载特性，电源功率因数很小，电源的效率很低。 因此，如何提高电源效率成为了研究与设计臭氧发生系统电源装置的一项重要工 作。 z 图2 1i ) b i ) 型臭氧发生器静态等效电路 对于容性负载，提高电源功率因数的一项主要技术是采用补偿电感与容性负 载串联或并联构成如图2 2 ( a ) 或图2 2 ( b ) 所示的串联谐振负载电路或并联谐振 负载电路。图中l 。即为补偿电感，r 。为发生器等效电阻。当谐振电路的固有谐 串联谐振式d b d 型臭氧发生器电源的研究与开发 振频率，。与外加电压频率，接近时，可使电路工作于谐振状态或准谐振状态 实现负载电路的较高功率因数，提高电源的效率。 z a )b ) 图2 2 串、并联谐振负载电路 对于大功率臭氧发生系统，常采用i g b t 、m o s f e t 等大功率开关管构成的h 型单相逆变桥将直流电逆变成单相交流电，经升压变压器将交流电升压至发生器 放电工作时需要的电压等级后供电。根据谐振负载电路的不同，可构成两种不同 的负载谐振式逆变器，如图2 3 所示。图2 3 ( a ) 采用串联谐振负载电路和电压源 供电，构成串联谐振式逆变器；图2 3 ( b ) 采用并联谐振负载电路和电流源供电， 构成并联谐振式逆变器。 a ) b 1 图2 3 负载谐振型逆变器 串联谐振式逆变器中输出电流f 。近似为正弦波，对发生器而言，形成正弦波 电流供电；并联谐振式逆交器中输出电压“。近似为正弦波，对发生器而言，形 成正弦波电压供电。 商 厂 l u j 嚣 硕士学位论文 2 1 2 串联谐振负载电路分析 对于图2 2 ( a ) 所示的串联谐振负载电路，以电流，为参考向量，电路的相量 图如图2 4 所示。从相量图可以看出，未加入补偿电感时，功率因数角为印；加 入补偿电感后，功率因数角减少为妒，功率因数提高【2 6 j 。 u 。， u 。翼i u 。 一 图24 串联谐振负载电路相量图 为便于讨论，将发生器在放电与不放电时的等效参数c 。和c 。统一等效为电 容c ，其值为： c = c c 。a + c c