（电力电子与电力传动专业论文）容性工况下串联谐振式臭氧发生器电源的研究.pdf

a b s t r a c t b e c a u s et h e r ea r eal o to fb u g s ，s u c ha sl o ww o r k i n gf r e q u e n c y , b i gs w i t c hs t r e s s ， d i f f i c u l ti n c r e a s i n gt h ed i s c h a r g ep o w e r ，d i f f i c u l t yt od e s i g nm a g n e t i cc o m p o n e n t s a n dt i n r e l i a b l ec o n t r o ls y s t e m ，i nt h eh i g hp o w e ra n dm i d d l e f r e q u e n c ys u p p l yf o r o z o n i z e ri nh u n a ny u a n c h a oc o m p a n y , t h eo z o n i e rm a r k e t si ss h r i n k i n g 。i no r d e r 协 s o l v e rt h ee x i s t e dp r o b l e m ，as e r i a ll o a dr e s o n a n tc o n v e r t e rw i t hc o m p e n s a t e d r e s o n a n ti n d u c t o rc i r c u i tt o p o l o g yi sp r e s e n t e di nt h ep a l ；i e r 。m o r e o v e r ，t oe n h a n c et h e a n t i d i s t u r b i n ga b i t i t y o fp o w e rs u p p l y s y s t e m ，t h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fp u l s e f r e q u e n c ym o d u t 戢i o n ( p f m ) a n df r e q u e n c yt r a c k i n gm e t h o d s ( f t m ) a l ea d o p t e d s i n c et h ea n a l y s i so ft h ei n v e r t e ra n di t sc e n t r e ls y s t e mi s v e r yc o m p l e x ，t h e f r e q u e n c ya n a l y s i s ，t i m ed o m a i na n a l y s i sa n dc o n t r o ls y s t e mi sm a d ei nc a p a c i t a n c e o p e r a t e dc o n d i t i o n sl i m i t e dt op r e s s u r eo ft i m ea n dp a p e rl e n g t h t 蠡er e s e a r c h c o n t e n tc a nb es u m m e du pa sf o l l o w s ： ( 1 ) an e we q u i v a l e n tc i r c u i to fd b dc i r c u i t ( d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ) t h a t c o n s i d e rt h ec o n s u m eo f t r a n s f o r m e r , t h eo n o f f s w i t c h i n gl o s e sa n ds oo ni sp r e s e n t e d b a s e do nt h eo z o n i e rp o w e r e db ys i n ec u r r e n ts o u r c e 。a sc o m p a r e dw i t ht h ef o r m e r e q u i v a l e n t ，t h en e we q u i v a l e n tc i r c u i t c a nb ed e p i c t e dt h ea e t n a lo z o n ec i r c u i t a c c u r a t e l y t h ee n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o db a s e do nt h en e we q u i v a l e n tc i r c u i ti se l s e p r e s e n t e di nt h ep a p e r ( 2 ) t h ew o r k i n gm o d e sb a s e do nt h es w i t c ho n o f fc o n d i t i o n sa n dt h es t a t e so ft h e d i s c h a r g eo rn o ti nc a p a c i t a n c e d b dc i r c u i ta r ea n a l y z e di nd e t a i l sa n dt h ee q u a t i o n s a r ed e d u c e d 。t h em o d e sa n dm e t h o d so ft h et i m e d o m a i n a n a l y s i sm e t h o da r e v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t 。 ( 3 ) i no r d e rt ob es u i t a b l ef o rt h es e c r e c yo fc o n t r o ls y s t e m ，c o n v e n i e n tf o r d e b u g g i n gt h ec o n t r o ls y s t e ma n dm a k et h ec o n t r o ls y s t e mb ea p p l i e dt oc a p a c i t a n c e ， i n d u c t a n c ea n dp h a s e s h i f t i n gc o n t r o l l e do z o n i e r ，t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eo z o n i e r p o w e ri sb a s e do nc p l d f p g ac h i pi sp r e s e n t e d ( 4 ) t h ep a p e ra n a l y z e st h es h o n a g eo fr o u t i n ei n d u c t o rd e s i g n i n gm e t h o d sw h i c h a r eu s e dt od e s i g ni n t e r m e d i a t ef l e q u e n c h i g hv o l t a g er e s o n a n c er e a c t o r , p u t sf o r t h a ni t e r a t i v em e t h o dt op r e v e n tt h ep r o b l e m t h ec o r r e c t n e s so ft h ec o n c l u s i o ni s p r o v e db yt h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t 5 ) i no r d e rt oa c h i e v et h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fu n c o n t r o l l e dr e c t i f i e rc i r c u i t t h em o d e so fr e c t i f i e rc i r c u i ti sa n a l y z e di nd e t a i li nt h ep a p er ib a s eo nt h em o d e s 1 1 1 容性工况下串联谐振式臭氧发生器电源的研究 a n a l y s i s ，t h ee x p r e s s i o n so fc i r c u i tc u r r e n ta n dp o w e rf a c t o ra r em a d e ，w h i c hr e c t i f i e r c i r c u i ti s w o r k i n gi n t h ec o n t i n u o u ss t a t e s t h ee x p r e s s i o n sa r ev e r i f i e db y s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s t h ee n g i n e e r i n ge x p r e s s i o n sa n dc u r v e sa r ep r e s e n t e d b yn o r mm e t h o d si nt h ep a p e r ( 6 ) t h ew a yo fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti s u s e dt ov a l i d a t et h e c o n c l u s i o n ( 1 ) ，( 2 ) ，( 3 ) ，( 4 ) a n d ( 5 ) a tt h ee n d so fe a c hc h a p t e rt h es i m u l a t i n ga n d e x p e r i m e n t a lw o r k i n gw a v e f o r ma r eo f f e r e d ，a n dt h ee r r o rc u r v e sb e t w e e ns i m u l a t e r e s u l t sa n de x p e r i m e n tr e s u l t sa r ea l s om a d e e x c e p tt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n c l u s i o n si nt h ep a p e ra r ef i tf o rt h e o z o n i e rs u p p l ym a d eu po ft h y r i s t o r k e yw o r d s ：s e r i a lr e s o n a n tp o w e rs u p p l y ；d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e c i r c u i t ；c a p a c i t i v ec o n t r o l ；f u n d a m e n t a lw a v ee q u i v a l e n tm o d e l ；t i m ed o m a i n a n a l y s i s ；d e s i g no fr e s o n a n ti n d u c t o r 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，均己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。 储躲易 日期：力彤，年年月占日 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： 导师签名： 日期：2 一年争月易日 日期彬年月日 呷 第1 章绪论 1 1 臭氧的性质和产生机理 臭氧作为一种强氧化剂，具有强大的消毒、杀菌、除臭和脱色等作用，现已 广泛应用于饮用水净化消毒和工业污水处理、空气净化、烟道气体中有毒物质的 处理、医疗器具消毒杀菌、织物漂泊与脱色和食品保鲜等领域【l 。随着人们对 环境质量要求的提高，臭氧被认为是从微公害时代走向环保时代的理想绿色环保 剂。与传统的氯气、二氧化氯等消毒剂相比，臭氧消毒后的副产品为氧气，不会 带来二次污染，成为今后消毒剂发展的趋势，具有十分广阔的应用前景。 产生臭氧的方法有多种，主要有紫外线辐射法、电解法、放射化学法，和介 质阻挡放电法( d b d ：d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ) 。 紫外线辐射法利用紫外线辐射干燥的氧气，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，既有使氧变成臭氧的光波， 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的 波长的比值。紫外线照射法产生臭氧的缺点是能耗高、臭氧浓度低，因此紫外线 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。对各种少量低浓度要求的试验、空 气消毒、灭菌、除臭等是比较适合的。 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，但电解面积比较小，因而臭氧产量低，运行费用高。 经过人们对极板材料、电解液、电解机理和电解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。如果对电解法的各个环节进行进一步地改进， 并设法降低单位产量的成本和电耗后，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。 介质阻挡放电又称无声放电【2 】，它是有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里，这样当在放电电极上施加足 容性工况下串联谐振式臭氧发生器电源的研究 够高的交流电压时，就会产生交变高压电场，使电极间的气体被击穿而形成所诮 的介质阻挡放电。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，因此目前大多数工业 系统都是使用基于介质阻挡放电法的臭氧发生器。 1 2d b d 型负载的等效电路和测量方法简介 1 2 1 介质阻挡放电电路的物理结构 根据不同的应用场合，电极、放电空间和阻挡介质的位置会有所不同，图1 1 给出了目前三种常用的结构形式示意图。 睁睁 图1 1介质阻挡放电装置的三种物理结构图 在图1 1 中的三种结构形式中，图( a ) 中介质阻挡层紧靠一个电极，它是一 种很实用的放电结构，通常用以制造臭氧发生器，其特点是结构简单，而且可以 通过金属电极把放电产生的热量散发掉。图( b )中两个电极都被介质阻挡层遮 盖，放电发生在两层介质之间，可以防止放电等离子直接与金属接触；对于具有 腐蚀性气体或高纯度等离子体，这种结构具有独特的优点。图( c ) 的中介质阻挡 层与两个电极都不接触，可以在介质两边同时生成等离子体。 1 2 2 介质阻挡放电电路的等效电路 由于介质阻挡放电电路存在阻挡介质部分和放电间隙，因此d b d 电路的放电 现象与一般放电现象有所不同，图1 2 给出了介质阻挡放放电电路电压一电荷李 萨茹图形( l i s s a j o l l sf i g u r e s ) 7 1 ，从图中可以认为，当电路稳定工作时，电路 中存在两个不同的阶段，一种阶段可以称为未放电阶段( 图1 2 中的b c 和d a 段) ；另一种阶段可以称为放电阶段( 图1 2 中的a b 和c d 段) 。基于这种原 因，国内外大多数文献【8 9 】认为，当装置处于未放电阶段时，整个介质阻挡放电 电路可以视为由介质阻挡层电容和气隙电容串联构成；当装置处于放电状态，即 气隙电容被击穿状态，此时气隙电容可以等效为一个电压方向与输入电压方向相 反的电压源或一个处于反相击穿状态的齐纳二极管，并且这个击穿电压( 该击穿 电压称为放电维持电压) 是基本上维持不变的。图1 3 和图1 ，4 给出了根据d b d 电路放电特性得到的两种最常用的等效电路。 硕士学位论文 图1 2 介质阻挡放电电路电压一电荷李萨茹图形 u 口 u ( b ) 放电阶段等效电路 图1 3 介质阻挡放电等电路1 皿u j【： 1 士c s ： 巴c d ( b ) 放电阶段等效电路 图1 4 介质阻挡放电等电路2 图1 3 和图1 4 中c 为气隙等效电容；q 为阻挡介质等效电容；u ，为放电维 持电压；z 为两个反串的稳压值为的齐纳二极管。很明显，从上两图的工作过 程看出这两种等效模型的实质是相同的，都能说明当气隙上的电压超过放电维持 电压后，气隙部分用一个电压源替代。显然，不论是图1 3 还是图1 4 的等效电 路都能非常清晰地描述介质阻挡放电电路存在的放电和末放电两种阶段以及这两 种不同阶段的转换关系，下文中都采用图1 4 的等效电路对d b d 电路进行分析。 1 2 3 介质阻挡放电电路的测量方法 通过上面的部分叙述得知，d b d 型臭氧发生器可以用三个参数来进行描述， 而精确的参数是准确地分析电路的工作状态和工作方式的首要条件之一，目前对 容性t 犹f 串联谐振式昊氧发生器电源的研冗 于d b d 参数的测量主要有两种方法，一种可以称为几何计算法，即根据已知介质 阻挡放电装置的几何尺寸和阻挡介质层的介电系数，直接计算介质阻挡层电容和 气隙电容，但受制造工艺等的限制，几何尺寸和材质的介电系数零散性很大，计 算往往无法得到精确的计算结果，因此这种方法在实际中往往不被采用；第二种 方法可以称之为李萨茹图形法，它是目前实践通常采用测量介质阻挡放电电路参 数的一种方法，图1 5 给出了采用李萨茹图形法来测量介质阻挡放放电电路参数 的原理图。 图1 5介质阻挡放电电压、电荷测量图 在图1 5 中：r 。为“分压电阻”( 在实践中也有采用电容作为分压元件的) ；c 。 为“积分”电容；z 为升压变压器；示波器按照李萨茹图形法连接。由于电路存 在放电阶段和未放电阶段，通过电压一电荷李萨茹图形法将会得到一个平行四边 形( 图1 2 ) ，结合介质阻挡放电电路和李莎茹图形法的特点，可得线段a b 或c d 的斜率就是阻挡电容c 。的数值：线段b c 或d a 的斜率就阻挡电容巳和气隙电 容c 。串联的数值，并且在李萨茹图形中穿过电压轴的宽度就是2 倍放电维持电 压。 这种测量方法无需考虑装置本身加工工艺的缺陷、装置本身的物理结构和不 需要对发生管材质的电介质常数进行估计，测量到的数据非常准确，并且还能同 时得到阻挡介质电容、气隙电容和放电维持电压的精确数值，因此在工业应用中 常常采用该方法来得到介质阻挡放电电路的参数和计算介质阻挡放电电路的放电 功率。 1 3 臭氧供电电源的实现方案与发展 随着臭氧应用领域的不断扩大，对d b d 型臭氧电源的研究在不断深入，因此 设计能够稳定、可靠、经济的大功率臭氧电源就成为这一领域发展的首先要解决 的因素。从传统的工频升压型臭氧电源方案到现在的中高频电源方案，臭氧电源 经历了容量越来越大，频率渐趋升高的过程。同时在臭氧电源容量大型化过程中， 以前出现在大功率逆变电路中的拓扑结构也日益受到关注，例如逆变回路功率管 的串并联方案、级联多电平方案在臭氧电源中的应用已经提上日程了。 1 3 1 工频升压型臭氧电源方案 工频升压型臭氧电源方案由市电直接给工频升压变压器供电，获得同频高压 交流电再提供给臭氧发生器。这一方案因其拓扑结构简单、成本较低而在早期倍 受青睐，其示意图如图1 6 所示。但是这种方案设计的臭氧电源具有体积大、功 率密度低、谐波严重、绝缘性差等缺点，而且当产生臭氧的放电电路的放电维持 电压比较高时，变压器的设计和制造都非常困难，成本就难以控制。由于臭氧的 产出率与臭氧电源提供给臭氧发生器的频率和放电电压成正比，工频方案在提高 臭氧产量方面受到频率和放电电压的双重局限而使其应用受到限制，取而代之的 是中高频型臭氧发生器。 图1 6 工频升压型臭氧发生器电路示意图 1 3 2 中高频型臭氧电源方案 中高频型臭氧电源方案是将市电或动力电源经过“交一直一交”变频电路得 到的交流电源，再经升压变压器给发生器供电。目前主要通过负载谐振的方式获 得中高频率电源。由于电路工作频率的提高，变压器和发生器的体积将极大地减 小，大大提高了电源的功率密度；变压器的副边补偿电感的串接可使电路工作在 准谐振状态提高了电源的功率因数和效率；先进的控制方案，可使电路对臭氧的 产量进行方便调节。 与工频臭氧电源相比中高频臭氧电源具有结构紧凑、生成的臭氧浓度高以及 能耗低等优点，因此将逐步取代工频臭氧电源。然而中高频臭氧电源容量的提高主 要取决于逆变回路开关管的类型和容量、变压器和谐振电抗器等磁性元器件的性 能、发生器承受的电压和电流以及电路各部份的散热冷却情况等。 虽然微电子与电力电子技术的迅猛发展，使得设计人员可选择容量越来越大 和耐压越来越高的开关管，以绝缘栅双极型晶体管i g b tfi n s u l a t e dg r i db i p o l a r t r a n s i s t o r ) 为例，目前容量为l s 0 0 v 8 0 0 a 的i g b t 频率已经达到1 0 k h z ，而6 0 0 v i o o a 的硬开关工作频率可达1 5 0 k h z t l 0 ，1 1 】。但中高频电路工作会产生大量的热能， 限制了工作频率的进一步提高。另外随着发生器容量的提高，发生器内部所用的 发生管数目增多，发生器的等效电容增大；要维持和提高大功率臭氧电源的频率 就必须减小电路的补偿电感数值，而大功率谐振补偿电感和高漏抗变压器的设计 和制造一直是一个难题。因此在这些因素制约下的大功率臭氧电源频率不可能做 容性t 况下串联谐振式臭氧发生器电源的研究 到很高，按照目前商业化水平，容量为公斤级以上的臭氧电源的频率低于2 k h z 甚至工作在几百赫兹，属于中频电源的范畴。 然而，由于d b d 型负载的特殊型，人们对中频电源供电的d b d 型负载的研究历 史还不是很久，并且存在一些技术难点，这些技术难点体现在以f 方面： ( 1 ) 由于负载放电后电容突增，即电路中的容抗的突然减小 1 2 , 1 , 1 1 ，这难以得 到供电电源与负载的最优匹配条件”。 ( 2 ) 电路工作时，电路的参数会随之产生波动，如何抑制参数波动的影响也 是供电电源的研究中的难点之一。 ( 3 ) 大容量磁性元件的材料和制造工艺的限制，难以设计和制造出满足与中 频供电要求的中、高频变压器。 ( 4 ) 同时，由于发生器具有放电现象，会对其他工作设备产生严重的电磁干 扰，如何准确的检测电路中的电气参量，使电路获得可靠的过压、过流等故障保护 也是设计需要特别注意的问题。 1 3 3 超大功率中频臭氧电源拓扑结构的可能发展方向 超大容量臭氧设备是满足人们对大容量臭氧设备的需求而产生的，例如要对一 个中等城市的自来水进行处理；需要每小时产生5 0 2 0 0 公斤( 功率约为1 m e g w 4 m e g w ) 的臭氧设备，这就给臭氧系统的设计者和臭氧设备的制造商提出了更加 严峻的考验。为能给臭氧负载提供功率如此巨大的中、高频高压交变电压，因此很 难将在中、小功率中广泛使用的全桥逆变电路、半桥逆变电路和推挽逆变电路应用 到超大功率中频臭氧电源中去，这是由于要得至j j m e g w 级的中频逆变电源，就必须 使用大电流的功率开关管和大功率的中频升压变压器，这就意味着整个逆变电源工 作时开关管将会存在很大的开关管损耗、开关管也会承受的很高的击西和小, a t 值， 使系统效率急剧下降并严重地影响了整个系统的稳定性，虽然人们试图采用中、小 功率中已成功使用的软开关技术来解决这些问题，但由于大功率逆变电源中元器件 的分布电感和分布电容的数值较大并且难以得到精确的数值，使软开关实现困难， 因此大功率逆变电路的软开关技术仅仅是在实验室和小规模的范围得到了验证和 使用，还远远达不到应用的水平。这就迫使人们必须提出的新的拓扑结构来满足大 功率逆变电源系统的需要，对此人们已经提出了数种拓扑结构来满足大功率逆变电 源系统的需要，在这些拓扑结构中比较成功的是多电平电路【，m l ，所谓多电平电 路是指采用电平叠加的方法来得到中、高压逆变电路所需电压的一种方案。在多电 平电路具体实现过程中又会有不同的实现方案，这方案包括使用变压器的串联多重 叠加式的方案( 图1 7 ) 、二极管钳位的多电平方案、电容钳位的多电平方案、级联 多电平方案【l7 j 等( 图1 8 ) 。在这些方案中级联多电平方案无需使用绕制复杂的中频 变压器，没有二极管钳位的多电平方案、电容钳位的多电平方案固有的直流母线上 串联电容电压不均衡的问题，且功率开关管无需串、并联1 7 1 使用，结构上易于模块 他和扩展和在控制上具有较大的灵活性，因而得到了问益广泛的应用t 1 眦2 1 。 图1 7 使用变压器的单相帛联多重叠加式逆变器 颤i 一 圈1 8 级联型逆蛮器的通用结构示意图 因此在研制越大容量臭氧供电电源过程中，完全可以将级联多电平的逆变方案 移植过来，图1 9 给出了三级七电平供电方案下d b d 电源结构示意图，在图中i 部分 为各级电平中豹整流都分；i i 部分为三级七电平形成部分；i i i 部分为补偿电感和发 生器嫠分。 阐1 l li i i 一 。管 g 、 钲 丰 丁h 一一 l一 k _ 上趟 一路 士 卜鹤略 l 董+ 发* 一一 一卜- - ：l 穗 l 钲 土_一 ；一：鼻 l 一 一l畦lf 写陛 簿 习刘 容捱丁鞋下窜骥游摄式赛氧发生器瞧源懿辑变 从级联多电平电路在中、高压逆变电路中的成功应用，完全可以预测，级联型 逆变器供电的超大功率d b d 系统应浚其毒菲常好的发展前途e 1 4 串联谐振式臭氧逆变电源 1 4 1 串联落振式臭氧逆变电源的拓扑结构 通道l 。2 节分孝厅掰知d b d 型舆氧电源负载在放毫蓠瑶都呈现容性，为了提 高电路功率因素，人们提出了在电源主回路串联戚者并联补偿电感的d b d 型电 路的拓扑缩构 2 3 】；补偿电感放在变愿器器副边w 以减小变凰器的容量。图l 。 0 霸嚣1 。1 1 分裂绘窭了工程应溪孛黎耀鹣基予采用并联秘绥魄感斡著连落攘电路 和基于采用串联补偿电感的串联谐振电路来实现介质阻挡放电装置的中獭和高频 配套电源方案。 + 翔。| 幸 磊 l | 整 |l 羹、乏、 固1 ，1 0 并联谐撒拭中高频型臭飘发生器电路承意图 在图1 1 0 中三。为滤波电感、姨一q 4 为全控犁器件、d l d 4 为功率二极管、 t 为 f 偿嗽感、g 为黼童电容窝豫为舞压变压瓣。在这释攘羚结棉下，出三提 全控整流褥在滤波电感。得弱一个波动较小壹流电流，然蕊通过由妨一酝和。1 d 。组成的逆变桥输出电流为方波，电感厶和介质阻挡放电装置产生谐振，使输 妊电压为正弦或准正弦波。 t 础享型 车 挂 c = 藏 流 l ， 拼 辄车弭 图1 1 1 串联谐振式中高频型臭瓴发生器电路豕意图 2 。 圈l 、l l 中，其工作过程筒述如下，豳三相不可控整流桥在滤波电容c 褥刹一个 波渤较小直流电压，然后通过由q 1 一熙和d 1 一d 4 组成的逆变桥输出电压为方波。 魄感e 和套质隧挡放电装爨产生谐振，使输出毫漉为正弦或漆匿弦波。根爨全接 逆变惫路鹣姆穗，可 ；i 逶j 窭不露夔撩铡方式使电释工 搴在感性谤振猿态下、完全 谐振状态下和襻性谐振状态下。 从圈1 1 01 葶1 1 强1 n 可以看出，基予并联谐振的逆变电路直流回路中串接有电 感，摇瓣予蓑予枣联谐振静遂变毫臻，它其有较强的簿裁蕴藏韵熊力，毽宅扁凄 较为复杂，只商在启动频率比较接近谐振频率时，漩学才能正常启动。对于灏于 串联谐振的介成阻挡放电电路的后两种工作状态，本文的第二肇和第三章将进行 详缨她分撰帮竣诗。 1 4 2 串联谤攘式d 1 3 d 负载电路中灏率跟踪的必要性 通过前文的分析可知，电路外部工作条件，如气压波动、发生器温度变化和 气体流量楚改变等蠢素，会对d b d 型炱氧发生器鹃三个霾喜参数毒澎璃，麸嚣带 来电路固有谮搬频率酶交纯，如果邀变电路的工佧频率不能很好地跟随负载固有 频率的变化将可能导致系婉不稳定，严骥时甚至损坏攘个系统，因此必须谯串联 谐鞭熬d b d 魄鼹孛也必须寒翅在莹应擞热孛广泛傻阕翁频率鼹黥技零。在彀力电 子逑变电路牵麴频率蹑踩技术往往是像诞递交迄薅工律频率舔溅魄路露有谐搌频 率激化或保持电路工作在固有谐振频率附近的一种必键技术 2 5 “2 8 - 3 0 1 。在本文的第 4 誊将奔绍一种通过检测逆嶷器输出电流的过零点来实现逆变媳路数工作频攀始 鹜跟随受载参数变讫静频率鼹爨方法。 1 4 3 串联逆残臭氧电源的功率控制方案发展简介 与感应热热魄路鞠控割类似，串联邋攮逆变器供魄的d b d 魄源静控制方式主 要商：摆控辣簿幅度诱裁p a m ( p u | s e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 、鬏率控裁p f m ( p u l s e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 、移相控制p s c ( p h a s es h i f t i n gc o n t r 0 1 ) 和脉冲密度调制 p d m ( p u l s ed e n s i t ym o d u l a t i o n ) 等4 籼方式。 、p a m 谲辎 该方法是种常甩调节遵变电路输出功率豁方法，适应予采掰三栝全控糕流 桥的电源，通斌调节三相戚单相可控礁熬流桥的导蠛角来改变逆变电路赢流电压 抟蠛俊，获秀实瑗凌率输撼黪璃节，这釉璃爱方法过去豢索霾麓在感痤翔熬邀路 串，是一弹菲常成熬簸诿繁臻率戆方法，僵稽接整流谖压静按滚过程中，咆流产 生畸变，网侧电流谐波大，特别是当夔流桥导通角比较大时，网侧功率因数将非 常低，将严重影响其他设签的运行。 2 、p f m 控裁 p f m 控制w 以在恒定的直流环节电压和恒定的逆变桥驱动储号占空比( 5 0 容蛙工嚣下事联祷糕式曼氧整生舔魄源鹣鞲究 ) 下工作。通过调节驱动信号的频率，即逆爨桥输出交流电源的频率，来调节 瞧路蟾输爨功率。工佟程完垒谐振患，输出功率最大，偏离谐振点( 不论感性状 态或吝毪状森) 裁可戳褥珐率谲小精“。 3 、p s c 控制 在p s c 控制下，可以通过调节q i - q 4 的开关顺序，从丽对逆变器输出方波 熊占空毙进行连续黉节，这妥谖节遴变毫靖赣出功率静嚣魏1 2 9 1 。 4 、p d m 控制 在p d m 控制中是通过控制脉冲的宽度来控制介质阻挡放电装置的放电功率 靛，当装爨黎要赣出款淑磅率对，电路孛静功率开关警鞋委常工终频率皴发，当 魄路不需要输懑敖毫功率聪，剜关断所有功率开关管( 越时滋变电路中鹩电流通 过功率开关管中的续流= 极管续流) 。显然只要合理地调节正常触发脉冲和关断脉 冲的时闻比例，就能调节套质阻挡放电瞧路输出的功率【6 t2 3 , 3 2 1 3 4 , 棚。 l 。4 4 串联逆变臭氧巍嚣分糈穷法麓研究瑗状 目前，对于负载谐搬式臭氧供电电源的分析和设计主婴聚用仿真的方法，但 瞧奏不少文献扶等效毫髂瓣囊度对电路进行分撰耱设计，戳攀联谐振供电瞧源荛 镶，文献 a 5 3 握窭了蘩予正弦奄滚滚供逮戆基波等效窀薅分褥方法，文献【3 8 j 粥 从时域的角膜对电路进行了分析，但是这些分析方法与实验缔果均有一溆误差， 因此提出更实用的模型从丽德到更糟确的分析方法也将是下步台理设计电路必 须簿浃骜麓要阏嚣。 i 5 臭氧电源技术的发展方向 随蓑臭戴瓣痤曩豹范围不断扩大帮天察黠d b d 奄踌蕊醋究不断深入，炱蔑逄瀑 露可能赣以下方商透季予靛展。 ( 1 ) 电极烈式的优化设计 扶热化学理论算雩导羚炱氧产生躲辍量聪媾效率溪论僮整l2 0 0g k w 巍，毽实 篱帮远远达不饕该数德，忿霆炱氧形躐孛只有 4 2 ) 豹邀源麓量蘑予形成臭 氯，而其余能爨都转化成了热量1 3 7 1 ，为此人们对嫩成臭氧过程中的各个方丽做了 许多研究。研究发现，电极的型式决定着放电的形式，也童接影响着臭皱敞产生 效率。工照瘸的d b d 型炱氯菱生爨谈器菔毫元董警澎姨窝毒弱黪不霹，大致分受援 式和管式掰大类。为了改善放电状况、提高放电效率，人们还研究了许多不同结 构形式的电椴，例如线状电极、刷状电极、螺线状电极、网状电极，还有用水作 憝毫援p ”，德爨嚣嚣为止久 j 还摄憝对毫凝豹羹式撬德设诗给趣适合戆拣准，n 藏磐餐速择合适懿宅极型戏和最优酌设计参数燕擒商敖电效率关键泌1 。 ( 2 ) 中频萃h 低频大功率化，小容量简频化 一l 辨 硬掌整论盅 随着工业生产发展和水净化处理的要求，人们对大容墩的臭氧发生器需求与 只俱增。假与国外臭鬣发生器技术相艮，我戴大容量的臭辍制造设备的技术还比 较落蓐，铡如阐拜凡年翁藏密琨了攀钒容量为4 0 0 k g h 静燹氧发生器装嚣，丽我 国直到去年才生产出单机容量为l o k g h 的臭氯发生器，因此研制和开发任务任重 而道远，而在整个臭瓴系统的开发中，供电电源的技术水平标志着臭氧发生技术 靛拳乎，瓣瑟鸯大客爨爽畿发生系统箍筷洼戆铳募鹣邀潺馁戎兔溪爨黟开发锰务 中的重中之重。 与工业需要大容黧产品不同，民用产品更注重于产品的外形、体积、总量以 及噪声等阏遂，两工僚频率瓣赢频像这是解决这些运题的关键，虽然魏在已经毒 工作频率接近2 0 k h z 配套电源的报道，但离国际先进水平遂有较大差躐。 ( 3 ) 软开关技术的采用 要提离系统的功举频率，一个黧要的方西就是要采用软开关技术1 4 2 “舢，但在 实舔运行系统中，气豫等效电容、阻挡余震穗容缓及敖亳缭撩毫匿会麓篱发生器 承受的电臌、系统工作频率、施加在发生器上电压波形形状以及系统的温度和气 源系统的压力和流量等因素影响，即逆变电路工作时，很难保证电源系统按照事 先设定摸森王份，困藏实理软牙关技术奏较大约难度。 ( 4 ) 介质阻挡敖电电路的等效电路的迸一步研究 虽然前面章节对目前的介质阻挡放电电路的等效电路进行了逐一说明，但这 些等效电路均不能直聪她反映整个发生器的电气性能，并鼹非常依赖系统控裁方 式窝黾爨熊王童筝获猿，嚣诧提出一个髭普遍谈受、方便工稔设计鲍等效电路也是 研究的热点之一。 ( 5 ) 整个发生系统闭环控制的可熊性研究 莰系绫学熬褒蠢麓，整令系统霹浚看终为一个对交豹多输入辕蹬系绞。两 目前商业化的臭氧发生器的控制系统大多为开环控制系统，对外界因素的抑制能 力非常差。不过人们为了抑制这些阑素或这些因素中的某一因素的影响，人们已 经开始影响系统工终憋蘩些因素进程了 l l 环控剿，共取静一定送震p 8 ，4 ，4 5 ，4 6 1 。但 远远还没餐这到对整个系统连行闭环控制的程魔，因此对熬个介质阻挡放电系统 闭环可能性的研究和实现也将是下一步研究的热点之一。 l 。6 课题来源稻本文磅究内褰 本课题怒湖南大学电气与信息工程学院与湖南某公司合作开发的中频臭氧发 生器中频配套电源的前期工作。长沙远超公司原蠢公斤级臭簸发生器的配套电源， 添矮峦遂爻器簸蠢方波魄蓬经舞压嶷蘧器壹接魏麓与臭氧笈垒嚣上，并陵窀路采 用开环控制，存在开关篱损耗和开必应力大、开关管和与歼关管并联的吸收回路 发热严重、憋个发生器系统效率低，电路的输出功率难以进一步提高。针对这些 毒性i 粒下串联潆攘式蛊镀茳生器电源自l 霹览 问题，本文采用基于串联负载谐振的供电电源，由于整个系统比较庞大和复杂， 考虑到文章游篇幅长短和对闻的紧迫性，本文只对工作在容瞧状态鲍奥载发生器 於性糍进行分析，本文酶研究内容包括鞭下噩部分： ( 1 ) 本文首次将基于l e 弦电流源供电的基波等效电路分析方法应用到容性工 况下的串联负载谐振供电的d b d 分析中，并在送砖d b d 电路镌基波等效电路媳 基磷上，提出了一释考虑裂电路杂散损耗t 交箍器励磁损耗、开关管开关秘导运 损耗以及其他元件的热损耗) 的改避型基波等效电路，并袋用了实验验证本文提 出的基波等效电路相对前一种基波等效电路具有精度高的优点。在文中还对采用 等效电路来设计d b d 负载捷电电滋的步骤进行了译缨她谎明。 ( 2 ) 为解决采用基波等效电路设诗d b d 负载的供电毫源精度不是特剐离的蠲题 ( 设计精度在1 0 以内) 和不能直接地反映电路二 作的动态过程，本文从时域的 角度出发首次把结合d b d 型发生器的等效电路和电源工作的状态的时域模态分 析法应用到蜜性工撬下的d b d 型臭氧睦源的分极中，并在这基础上提擞了一穗 改进型的模态分析法，得出了工作在容性状况下的d b d 电路的工作模态，并对电 路的工作模悫进行了详细地求解。本文对采用时域分析方法得到结果、仿真结果 鞠实验结果进行了对比和误差分援，发现理论分析箍果、傍龚结果窥实验结果罄 麓非常好地吻合，这就囊接证明本文采用模春分析方法韵正确性，另外本文模态 分析的方法对工作在感性状况和其他工作状况下的d b d 型电路都有一定的借鉴 意义。 ( 3 ) 扶控铡回路工俸的可靠挂、嶷好保密链农调试斡蠖利性盎发，采靥了默 c p l d f p g a 为核心控制芯片并能同时适合感性控制、容性控制和移相控制的控制 电路。 ( 4 ) 为解决大功搴漕攫电蒎器设诗爨难的闽题，本文在电抗器需臻的a p 设诗 法的基础上，提出了一种选代设计方法，这种方法从同时考虑气隙长度范围和气 隙磁通边缘效应因数出发，并根据设计所需得电感数值来求解满足要求的铁芯规 格秘电拄嚣的匝数，扶嚣无颁对电感器滟歪数进行修正，并采用实验验证了浚设 计疗法的合理性。 ( 5 ) 针对人们对不询控整流电路的参数设计恭本k 是依赖经验公式，根少有 专门文献对其驹工作过程进行详细地壤论分析、探讨和提出参数优他的设计方法+ 本文存详鳃地推导了不可控整流电藏的两瓣电流静表这式班及电流连续的条俘的 基础上，给出了功率因数的计算公式和电感的工程设计方法，最后通过仿真和实 验验证了其正确性。 ( 6 ) 暴粥诗葬视甾真( m a t l a b 稚q u a r t u s i ! ) 秘实验静方法对主醒跆帮控秘 方案进行了详细地分析，并给出相应的波形图。 虽然本文是对出垒拄型功率9 1 ：关管构成的逆变电路进行分析和实验，但由 硕士学位论文 于电路工作在容性状况下，本文除控制方案设计外，其余所有的研究成果均适合 由半控型丌关管( 如可控硅等) 构成的逆变电路。 容性工 兕下串联谐搬式臭鲺发生糕电源啦鞣究 第2 耄容性串联谐振式d b d 电源的基波分析方法研究 崮于嶷氧发生器的奔攒阻挡藏电电路( d b d ：d i e l e c t r i c b a r r i e rd i s c h a r g e ) 受载移在放电匆未赦电嚣个模态，受载鹩援态莘爨电源戆模态提蔓组合使奄鼹工作 的模态银复杂，难以用时域法进雩亍分撼蒡珏设计。为鳃决这一闽题，文漱1 4 趴剥鬟了 串联谐振电路供电的d b d 电路接近正弦波这一特性，提出了基于电流源供电鲍 基波等效电路模型，并把这些模型应用到全桥移相控制的串联谐振d b d 电路分 析中。但这些文献均是在假设功率开关管为理想开关管、升压变压器为理想变压 器和电路中的其他元件均为理想元件的基础上进行推导的，因此导致理论分析和 实验结果育较大的误差，遮在一定程度上影响工程设计的精确性。为提高该基波 等效奄路静精度，本文在遮一錾波等效电路豹蒸础上提出了一种考廉到电路杂散 损耗( 变鹰器精磁损耗、开关餐开关帮导遗损耗戳及其谴元件的热攒耗) 的改遂 型d b d 基波等效彀踌，共罄次将这黪教进瓣d b d 綦波等效毫爨应翅到容牲状搅 下的串联谶振d b d 电路的设计中，通过对比分板采用该改进型基波等效邀踌的 理论计算俊、仿真值和实验结果，发现这三尝之间的相甄误差均在1 0 之内，这 就直接验证了本文提出的改进型基波等效电路确实能提高电路设计的精度，并能 满足工程设计的需攫。 2 。1 串联谐振d b d 系统的工佟原理及其基波等效电路 2 1 1 串联灞振d b d 系统的工作原理 图2 1 给出了串联谐振d b d 电路系统的基本原理图，它主嚣包括启停电路， 主电路，控箭、保护电路和驱动电路四部分。在图中，q 1 q 4 为构成全桥逆变 电籍的4 个全靛鍪电力开关管：p 1 p 4 为q 1 q 4 韵门板驱动信号；c t l 和c t 2 为电流传感器；d q 为鼗路器；c 。蔻隔巍电容；t r 为孛频升压交压器；b 为三辅 不可控整滚楱；l f 必滤波电感