（电力电子与电力传动专业论文）dbd型臭氧发生器电源的研究.pdf

d b d 型臭氧发生器电源的研究 a b s t r a c t n o w a d a y sm o s th i g hp o w e ro z o n eg e n e r a t o r su s e di no u rc o u n t r yr e l yo ni m p o r t ， a n do n eo ft h em a i nr e a s o n si st h ep o o rp e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rs u p p l i e sp r o d u c e d b yf a c t o r i e so fc h i n a l i n ev o l t a g eo f5 0 h zo rh a r ds w i t c h i n gi n v e r t e r sa r eo f t e nu s e d a st h ep o w e rs u p p l i e so ft h eo z o n eg e n e r a t o rw h i c ha l w a y so p e r a t eo nl o w f r e q u e n c y ， h i g hl o s ta n dl o we f f i c i e n c y t h eo u t p u tp o w e ro ft h e s es u p p l i e si sd i f f i c u l tt oi m p r o v e a n dt h es t r e s so ft h es w i t c h e si nt h ei n v e r t o r si sh i g h t h eo p e n l o o pc o n t r o ls y s t e m s o ft h e s eg e n e r a t o r sc a u s et h e mh a r d l yt or e s t r a i nt h ei n t e r f e r e n c e i no r d e rt os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，p h a s e s h i f t e df u l l b r i d g es o f ts w i t c h i n gs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e ri s i r r i p l e m e n t e di nt h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，a n dt h i ss c h e m ei sd e e p l ya n a l y z e di nt h i s p a p e r t h i sp a p e ri n v o l v e s ： ( 1 ) b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo z o n eg e n e r a t o r ，a f t e rc o m p a r i n go fa l l k i n d so fp o w e rr e g u l a t em e t h o d ，p h a s e s h i f t f u l l b r i d g e s e r i e sr e s o n a n tc i r c u i ti s p r o p o s e da st h et o p o l o g yo ft h ep o w e rs u p p l yo ft h eo z o n eg e n e r a t o r sw h i c hc a l lw o r k a th i g hf r e q u e n c y , l o wl o s sa n dh i g hp o w e rf a c t o r , m a de a s yt oa c h i e v ec l o s e 1 0 0 p c o n t r 0 1 ( 2 ) a l lk i n d so fw o r k i n gc o n d i t i o n so ft h ep o w e rs u p p l ya r ea n a l y z e di nd e t a i li n t h i sp a p e r t h er e l a t i o n s h i p so fp h a s e - s h i f ta n g l ea n ds o m ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c eo f t h eg e n e r a t o ra r ed e d u c e db a s e do nt h ea n a l y s i s ；i n c l u d et h e o u t p u tp o w e r , t h e m a x i m u m v o l t a g eo nt h eg e n e r a t o ra n dt h ew o r k i n gf r e q u e n c y as e to fd e s i g nm e t h o d a n ds t e pi sa c h i e v e dw i t ht h ea n a l y s i so ft h e s er e l a t i o n s h i p s ( 3 ) i no r d e rt od e a lw i t ht h ec o m p l e x i t yo ft h ea n a l y s i so fa l lw o r k i n gc o n d i t i o n s t h ef 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 to fo 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 e c u r r e n ts o u r c ei su s e di nt h er e s e a r c ho f t h ep o w e r s u p p l yo f t h eg e n e r a t o nt h er e l a t i o n s h i p s o fp h a s e s h i f ta n g l ea n ds o m ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c ea r ea l s oa c h i e v e dw i t ht h i s f r e q u e n c yb a s e da n a l y s i s ，a n das e to fd e s i g nm e t h o di sa l s oa c h i e v e db a s e do nt h e s e r e l a t i o n s h i p s ( 4 ) t h em o d e lo ft h ec o n t r o lc i r c u i t so fp o w e re l e c t r o n i cc i r c u i t si sb u i l d i n gb y t r i a la n de r r o rm e t h o du s u a l l y t h i sm e t h o dn o to n l yw a s t e so ft i m e ，b u ta l s og o e s w r o n ge a s i l y , t h i sp a p e rp r e s e n t sas i m u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h et h e o r yo ff i n i t e s t a t em a c h i n e ，w h i c hh a sb e e ns u c c e e di nt h es i m u l a t i o no ft h ec o n t r o lc i r c u i to f p h a s e s h i f tf u l l b r i d g es o f ts w i t c h i n gc i r c u i t t h i ss i m u l a t i o nm e t h o dh a st h em e r i t s i i 硕上学位论文 s u c ha ss i m p l e ，c o n v e n i e n t ，a c c u r a t ea n ds u i t a b l ef o rt h es i m u l a t i o no fa l m o s ta l l k i n d so fc o n t r o lc i r c u i t so fp o w e re l e c t r o n i cc i r c u i t s ，a n di ti sas y s t e m a t i cm e t h o d 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 ；f 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 t ； s e r i e sr e s o n a n t ；p h a s e - s h i f t e dc o n t r o l ；z e r o - v o l t a g es w i t c h i n g ； z e r o - c u r r e n ts w i t c h i n g ；f i n i t es t a t em a c h i n e l t i 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。 作者签名：喜支k 日期：- 町年。月日 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e 、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位沧文。 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“”) 作者签名：李献 导师签名 日期：坤车年厶月弘日 日期：如弗争月日 硕士学位论文 1 1 臭氧的工程应用 第1 章绪论 早在1 7 8 5 年，德国物理学家v a nm a r u m 用他的大功率电机进行试验时发现， 当空气流过一串火花时，就产生一种特殊气味。1 8 4 0 年，s c h o n b e i n 在向慕尼黑 科学院提交的一项备忘录中断定，在电解和电火花放电试验过程中有一种特殊气 味，这种气味是由一种新物质产生的，因而宣告了臭氧的发现。 臭氧是氧气的同素异形体，臭氧具有极强的氧化能力，其脱色、脱臭、消毒 效果显著，广泛应用于化工、食品保鲜、医疗卫生、印染及水处理等许多领域， 作为强氧化剂，其特点如下”1 ：( 1 ) 可用作选择氧化、主产品获得率高；( 2 ) 氧 化温度低，在常压下氧化能力也较强，且对热敏感的物质氧化有利：( 3 ) 反应速 度快，可定量氧化；( 4 ) 使用与制造方便。臭氧作为杀菌剂用于污水处理，其优 越性更是高于液氯及次氯酸钠，不仅杀菌消毒能力强，而且没有任何遗留污染问 题。它能有效的降低从废水处理厂流出废水内的化学需氧量及总有机碳含量。在 杀死致病有机体的同时，它还能除去水中的气味和颜色，而剩余的臭氧则分解得 很快。 早在1 9 世纪，人们就认识到了臭氧的强氧化作用，一百多年来臭氧技术应用 已深入到多个领域，对生产技术发展做出了重大贡献。臭氧技术作为最有效的消 毒技术，已经广泛地应用在水处理等领域。臭氧对几乎所有已知的细菌、病毒均 有理想的广谱杀灭效果。并且其副产品氧气对环境有益无害，是一种备受推 崇的氧化消毒剂。因此臭氧技术将成为满足环境时代要求的重要支柱技术。 1 2 臭氧的产生方法 产生臭氧的方法主要有紫外线照射法、电解法、放射化学法和介质阻挡放 电法。 紫夕 线照射法利用紫外线照射干燥豹氧气，使一部分氧分子被激活离解成 氧原予，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交臭氧的产量。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昊氧。八十年代以前，电解液多 d b d 型臭氧发生器电源的研究 为水内填加酸、盐类电解质，但电解而积比较小，囚而臭氧产量低，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会属氧 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 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 ) 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。 1 3 介质阻挡放电原理 1 3 1 介质阻挡放电的基本概念 介质阻挡放电又称无声放电它是有绝缘介质插入放电空问的一种气体放电， 介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里，当在放电电极上施加足够高的交 流电压时，电极间的气体，即使在很高气压下也会被击穿而形成所谓的介质阻挡 放电。在电极间安插介质可以防止在放电空间形成局部火花或弧光放电，在通常 大气压强下也可实现稳定的气体放电。它表现为很均匀、漫散和稳定、貌似低气 压下的辉光放电，但实际上它是由大量细微的快脉冲放电通道构成“3 。 1 3 2 介质阻挡放电型臭氧发生器物理结构及其原理 ：【业中合成臭氧的装置其外形多为圆柱形，图1 1 给出了一种传统的高浓度 高效率臭氧发生器的物理结构图。装置地极与大地相连，其高压电极放在发生器 中。地极和高压电极通常采用不锈钢制造，可以利用离子交换水在内部循环对其 进行冷却。臭氧发生装置产生臭氧的过程如下：干燥的氧气或干燥的空气从加有 交流高压的发生管左边流入，在发生管中进行一系列的化学和物理反应后，部分 氧气合成臭氧”“，并由发生管右边流出。 从图1 ，1 可以看出介质阻挡放电装置主要是由气隙、介质阻挡层和电极组成， 根据气隙和介质阻挡层在空间中的不同位置，可将其分为三种结构形式，图i 2 硕士学位论义 给出了这三种结构形式。 图1 1 介质阻挡放电装置的物理结构 a ) 结构形式1 b ) 结构形式2c ) 结构形式3 豳1 2 介质阻挡放电装置的兰种物理结构图 在三种结构形式中，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，而且可以通过会属电 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 3 3 介质阻挡放电型臭氧发生器通翔等效电路 由于介质阻挡放电电路包含气隙和介质阻挡层，因此其放电现象与一般放电 现象有所不同，通常认为，当电路处于稳态时，电路在一个完整的周期内包含末 3 一 硕上学位论立 给出了这：种结构形式。 囤1 1 介质阻挡放电装置的物理结构 文巯高电矗曾：生 a ) 结构骺式1 辟睁 b ) 结构形式2c ) 结构彩式3 图1 2 介质阻挡放电装置的三种物理结构国 在三种结构形式中，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。圈b ) 中两个电极都被介质阻挡层遮盖，放屯发生 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 3 3 介质阻挡放电型臭氧发生器通用等效电路 由于介质阻挡放电电路包含气隙和介质阻挡层，因此其放电现象与一般放电 现象有所不同，通常认为，当电路处于稳态时，电路在一个完整的周期内包含未 现象有所不同，通常认为，当电路处于稳态时，电路在一个完整的周期内包含末 摹 d b d 型臭氧发生器电源的研究 放电和放电两个不同的状态，当装置处于末放电状态时，整个介质阻挡放电电路 i r 以认为由介质阻挡层电容c d 和气隙电容c 。串联构成；当裟置处于放电状态， 即气隙电容被击穿状态时，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，而且气隙击穿电压是基夺上 维持不变的，这个电压被称为放电维持电压c ，“ 。“1 、。在介质阻挡放屯的屯特 性中放电电压u ，是一个重要的电学参数，它的值主要决定于放电气体成分，问 隙中的粒子浓度以及间隙宽度等。它是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“。等于 放电维持电压“，时，气体被击穿开始放电。由电路的工作过程可以得到如图 1 3 和图1 4 所示的两种简单的等效电路。 。 t 上c d牛c d “l“| + 上r 、 寺u ： 丁、 a ) 未放电阶段等效模型 b ) 放电阶段等效模型 图1 3 介质阻挡放电等效模型1 z a ) 未放电阶段等效模型b ) 放电阶段等效模型 图1 4 介质阻挡放惠等效模型2 图1 3 和图1 ，4 不同之处在于当电路处于放电阶段，图1 3 用一电压方向与 外加电源相反的电压源替代气隙电容；而在图1 4 中用一对背靠背的齐纳二极 管替代气隙电容。很明显两种电路的工作机理是完全一致的，这也是目前国内 外文献中广泛使用的两种等效电路。如果将放电前后结合起来考虑，便可以得 到图1 5 和1 6 所示的等效电路。当c 。上的电压小于u ，时，图1 5 中的二极管和 图1 6 中的稳压管都不导通，电路相当于c z 与c d 串连，当c g 上的电压等于u ，时 圈1 5 中二极管和图i 6 中的稳压管导通，电路相当于c d 与直流源u ，串连。从这 两种等效模态的工作过程可以看出，这两种等效电路的实质是相同的，它们都能 替常清晰地描述介质阻挡放电电路的两个不同的工作状态。 硕士学位论文 图t 5 介质阻挡放电等效模型3 z 图1 6 介质阻挡放电等效模型4 1 4 介质阻挡放电型臭氧发生器供电电源的发展过程 早期通常采用工频直接升压的方法给介质阻挡放电型臭氧发生器供电，其 原理图如图1 7 所示，此方法的优点是结构简单，但存在着效率低，体积大等显 著的缺点，并且随着功率增大，变压器的电压等级和绕组的绝缘性能要求将增高， 绕制工艺较困难，成本也较高。 圈1 7 采用工频升压供电的介黢阻挡放电电路图 人们发现提高电源的频率可以强化臭氧合成，提高臭氧的生产效率，因此有 采用高频发电机给发生器供电的方案，这种供电电源能方便调节施加在发生器上 的电压的幅值和频率，但存在诸如旋转部分故障频繁、效率低、发热严重、价格 昂贵的缺点，到目前为止，该方案已基本被淘汰“。 现代电力电子技术的发展给中高频电源的生产带来了革命，中高频变频装置 的制作不再十分困难和昂贵，于是许多新型臭氧发生器及应用装置都采用高频电 源供电，这些中高频电源的频率多在l k h z 1 0 0 k h z 之间，有些高频电压的r 作 频率甚至高达几百千赫兹。相对于低频供电电源，中高频供电电源具有很多优点， 如能显著地提高臭氧生产效率，能够在不改变发生器产率的情况下大幅度地减小 d b d 型臭氧发生器电源的研究 r b 源设备的体积和金属用量，扩大电路工作频率的范嗣、提高系统的硼靠性以及 延长系统的工作寿命。实现变频装置的电路设计方案有很多种，最常见的方案如 图l8 所示。 i 市电厂_ 叫低压直流l 叫升压电路 叫发生器 i l 一，一l ，。一i 一 图1 8 高频脉冲电源原理框图 目前，凶内外许多科研院校和生产，一家在不断地进行介质阻挡放电装置的研 究，主要体现在下面几个方面： 1 介质阻挡放电模型的等效电路研究 从前面章节的叙述可知，介质阻挡放电电路存在放电和未放电两个物理阶段， 如果采用图1 3 图1 ，6 所示的电路图来设计介质阻挡放电装景的配套电源，虽然 图1 3 图1 6 能非常清晰地表明这两个不同的阶段，但是对装置的配套电源的设 计柬说却极为不利，因为在设计过程中必须同时考虑这两个过程，也就是必须考 虑系统在未放电和放电时两个模态的切换。为了解决这一问题，有些科研院校和 企、眦已经开始对这两个过程进行等效分析，即将介质阻挡放电电路的两个状态统 一为个便于设计配套电源的模型，在这方面浙江大学和本校已经展玎了研究， 并取得了一定的进展n “。 2 各种参数对系统的影响和整个系统实现阔环控制的可能性研究 介质阻挡放电系统是一个比较复杂的系统，以臭氧系统为例，它受输入气压、 供电电源电压波动、系统温度以及交流高频高压电源变化等因素的影响。整个系 统可以看作一个时变的多输入输出系统“。而目前商业化的臭氧发生器的控制系 统均为开环控制系统，对外界因素的抑制能力非常差，为了抑制这些因素或这些 因素巾的某一因素的影响，人们已经开始对介质阻挡放电装置系统闭环控制的可 能性展丌了研究，并取得了一定进展，例如国外已经出现了对某个因素变化进j j ： 抑制的单闭环控制系统“”“1 ，但远远还没有达到对整个系统进行闭环控制的程 度，因此对整个介质阻挡放电系统闭环控制可能性韵研究和实现将是下一步研究 的热点之一。 3 中频和低频大功率化，小容量高频化 随着电力电子器件向高电压和大电流化发展“”，中频和低频的介质阻挡放电 装置大功率化已经成为可能。几年前国内最大容量的臭氧发生器其产量小于 1 k g h ，而最近国内已经有产量为5 k g h 的臭氧发生器出现，国外甚至已经出现了 单机容量为4 0 0 k g h 的臭氧发生装置。与工业需求的大容量不同，民用产品更注 重于性能的提高，从前面的介绍可知，提高臭氧发生器的工作频率对系统的性能 将有很大的改善，随着高频电力电子器件日益普及，这也使民用介质阻挡放电装 置的高频化成为可能，目前有些小容量臭氧发生器的配套高频电源频率已经超过 硕士学位论文 s2 0 k h z ， 4 软开关技术的采用，功率因数的提高 自从1 9 8 5 年美国弗吉尼亚工学院f c l e e ( 李泽元) 总结出了有关d c d c 变 换器的“准谐振开关”系列拓扑结构，软开关技术已经成为电力电子技术研究的 热点之一，由于介质阻挡放电负载的特殊性，国内外对这种装置的软开技术研究 时间还不长。一一些拓扑结构和控制方案被提出。”2 ”2 2 2 “，对于装置功率因数的 提高，目前普遍采用对装置进行串联或并联电感进行补偿，并采用频率跟踪技术， 使电路工作于谐振状态或准谐振状态。 5 控制系统的计算机化 使系统更加稳定的工作，是目前各个行业研究的热点，计算机技术的采用可 以使系统工作更加可靠，控制方式更加灵活多变。对于介质阻挡发生装置要实现 闭环控制和精确控制，就必须采用计算机技术，例如国外对臭氧发生器装置已经 采用了基于d s p 技术的控制方案，并能够较好地抑制外界某些参数的变化对装置 的影响”1 “。因此介质阻挡放电装置的控制系统计算机化也是以后介质阻挡放电 装萋研究的热点之一。 1 5 课题背景及内容 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。 因技术和经济等原因，我国大产量臭氧发生装簧在制造技术和应用方面与发 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。 目前我国臭氧发生器供电技术存在着许多问题，如系统多采用硬开关技 术，并且控制系统多为开环系统，缺乏系统的设计方案，针对这些问题，本文 将对如何把软开关技术应用于大功率d b d 型臭氧发生器供电电源进行研究， 为此论文的研究内容围绕以下几个方面展开； 1 电源拓扑结构及控制方案 根据发生器的容性负载特性，通过对负载谐振式逆变器及其调功方式的分析， 将移相全桥串联谐振电路应用于d b d 型臭氧发生器的供电电源，并对这种电路 的控制方案进行了说明。 d b d 型臭氧发生器电源的研究 2 移相全桥串联谐振d b d 电路时域分析 通过对移相全桥串联谐振d b d 电路的各种工作状况进行分析，得到系统的 调节特性和设计方案，并给出一个设计实例，用来说明该方法的设计过程，并在 最后将仿真结果与计算结果进行对比，验证了该设计方法的正确性。 3 移相全桥串联谐振d b d 电路频域分析 针对移相全桥串联谐振d b d 电路时域分析过程复杂这一缺点，利用d b d 型 臭氧发生器的正弦电流源供电的基波等效电路对本文所采用的供电方案进行分 析，并得到了基于频域的设计方法，最后通过仿真验证了该设计方法的正确性。 4 基于有限状态机的控制电路仿真方法研究 本文是通过仿真对设计方法进行校验的。由于以往电力电子电路控制回路仿 真多采用试凑法，即费时又容易出错，本文根据有限状态机理论提出了一种建立 电力电子电路控制回路仿真模型的方法。该方法具有简单、方便、准确、适应性 强等优点，是一种适合复杂控制回路要求、特别适合于电力电子电路控制回路的 镪真商法。 硕士学位论文 第2 章电源拓扑结构及控制方案 早期的介质阻挡放电装置配套电源大多采用工频升压的方式，即通过升 压变压器将工频市电升压为同频率的高压交流电，并直接施加于介质阻挡放 电装置上，这种电路虽然成本较低，但是存在变压器体积大和电力污染严重 等许多问题o “。为了解决这些问题，中高频供电电源得到了越来越广泛的应 用。但是随着工作频率的提高，开关损耗显著增加，限制了工作频率的进一 步提高，为了解决硬开关电路开关损耗大、开关管电压应力和电流应力大的 缺点，软开关技术得到了广泛的应用，并且越来越多的软开关控制方案被提 出。为了解决目前臭氧发生器电源工作频率提高困难( 多采用硬开关技术) ， 并考虑到介质阻挡放电电路负载的特殊性，本文选用移相全桥软开关p w m 电 路“作为d b d 型臭氧发生器供电电源的拓扑结构。由于发生器负载在工作时呈 容性，对负载电路采用串联补偿电感的方案，使电路工作在负载谐振状态，这样 既能得到软开关条件又可以提高电源的功率因数。 2 1 负载谐振式逆变电路分析 2 1 1 负载谐振电路 第一章已经介绍了发生器产生臭氧的原理，即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u ，时，气隙 被击穿，产生微放电从而产生臭氧，供电电压可以是正弦电压、方波电压和脉 冲交变电压。然而d b d 型臭氧发生器是一种非线性容性负载，显然，若交变 电压直接施加于发生器上，由于发生器基本上呈纯容性负载特性，电源功率 因数很低，电源的功率密度很低。因此，如何提高电源功率因数和功率密度 成为研究与设计臭氧发生器系统电源装置的一项重要工作。 对于容性负载，提高供电电源功率因数的一项主要方法是采用补偿电感 与客性负载串联或并联使电路工作在负载谐振状态，从而构成如图2 1a ) 所 示的串联谐振负载电路或图2 1b ) 所示的并联谐振负载电路。 图中l 为补偿电感，r l 为线路电阻。当外加电压频率厂与谐振电路的固 有谐振频率厂。接近时，可使电路工作于谐振状态或准谐振状态，从而提高负 载电路的功率因数，提高电源的功率密度，改善电路的性能。 2 1 2 负载谐振型逆变电路 全桥逆变电路由于输出功率大，往往作为各种大功率输出的首选拓扑结构。， d b d 型臭氧发生器电源的研究 a ) z b 1 z 图2 1 串、并联谐振负载电路 因此对于大功率臭氧发生器系统，常采用由i g b t 等功率开关器件构成的全桥 逆变器将直流电逆变成高频交流电，经变压器升压至发生器放电所需要的电 压等级后给发生器供电。 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，即串 联谐振逆变器和并联谐振逆变器( 图2 2 ) 。对于串联谐振负载电路可以采用 电压型逆变器供电，如图2 2a ) 所示，逆变器输出电流f 近似为正弦波；划j i 并联谐振负载电路可以采用电流型逆变器供电，如图2 2b ) 所示，逆变器输 出电压近似为正弦波。 a 1 i 。 b ) 图2 2 负载谐振型逆变器 q q u 呻一 弪岳可二 霹a丁奉 斗 f 勺一 露 硕士学位论文 由于并联谐振型逆变器存在电压谐波大的问题，并且目前介质阻挡放电 型臭氧发生器多采用串联谐振式逆变器供电，所以本文采用串联谐振式逆变 器。 2 2 串联谐振式逆变电路输出功率控制方法综述 臭氧发生装置在运行过程中根据实际情况需要对臭氧的产量与浓度进行 调节。由介质阻挡放电的原理可知影响臭氧的产量与浓度的因素有很多，但单 从供电电源的角度来说，放电功率，即电源输出功率是影响臭氧产量与浓度最 主要的因素。由文献【18 】知，供电功率与臭氧浓度或产量存在单调增长关系， 在实际应用中，可以通过调节臭氧发生器供电电源的功率来调节臭氧的产量 与浓度。由于臭氧发生器电源主电路由整流部分和逆变部分( 串联谐振式逆 变电路) 组成，因此对供电电源功率的控制就体现在对组成臭氧电源的整流 电路和逆变电路的控制上。串联谐振式逆变器的调功方式大致可分为直流调 功和交流调功两大类。 2 2 1 直流调功 直流调功也是调压调功，即通过调节直流电压来调节功率。它包括移相 调功和斩波调功。 移相调功通过控制整流桥开关管的导通角控制整流输出电压达到调功的 目的。这种方法的缺点是在深度控制下网侧功率因数低，动态响应慢“”“。但 该方法电路简单成熟，控制方便。且随着电力电子器件向模块化、智能化方 向发展，集控制、触发、保护等为一体的晶闸管智能模块已问世；再加上近 些年来飞速发展的电力电子功率因数校正技术，使得相控整流调压方式仍在 很多电力电子设备与装置中得到应用。 斩波调功通过斩波电路控制整流输出电压的大小达到调功的目的“”。 其主电路通常采用不可控整流、d c d c 变换器与串联谐振式逆变器相结合的 拓扑结构。斩波调功具有网侧功率因数高，电压动态响应快，保护容易等优 点。但由于在电路中加入了直流变换环节，电源的整机效率和可靠性会降低。 以上两种调功方法都是通过调节直流端电压来调节逆变器的输出功率， 逆变电路本身没有参与输出功率的调节，仅仅实现d c a c 变换。 2 2 2 交流调功 交流调功通过调节逆变电路实现输出功率的调节，主要有脉冲频率调制 凋功、脉冲宽度调制调功和脉冲密度调制调功三种调节方式。 为了克服直流调功控制技术的缺点，简化控制电路，文献 3 1 ，3 2 1 采用了 d b d 型奥氧发生器电源的研究 脉冲频率调制( p f m ：p u l s ef r e q u e n c y m o d u l a t i o n ) 凋功技术。p f m 调功是通 过调节逆变器输出电压的频率，从而改变负载阻抗角，即逆变器输出电压与 电流之间的相位差，进而改变输出功率的一种调功方法。当逆变器频率等于 负载固有频率时逆变器输出功率最大。p f m 调功不需要调压环节，控制简单， 存这种输出功率控制方案中主电路可采用不可控整流与全桥逆变相结合的结 构形式。跟斩波调功相比较，省去了中间的斩波环节。采用p f m 方式调节输 出功率也存在其缺点：电路工作频率变化比较大，当输出功率较小时，功率 因数很低，负载的适应性较差等。 针对直流调功与p f m 调功这两种调功方法的缺陷，文献【3 3 ，3 4 ，3 5 采用了 移相脉冲宽度调制( p w m ：p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 来调节输出功率。移相 p w m 是一种脉宽调压控制方式，它是通过调节逆变桥移相桥臂驱动信号与基准 桥臂驱动信号的相位来改变输出电压脉宽，从而调节基波电压的幅值，实现 功率调节。对于常规的p w m 控制方式，功率变换是通过中断功率流和控制占空 比的方法实现的，工作频率恒定。开关器件通常工作在硬开关( 硬开关过程是通 过突变的开关过程中断功率流完成能量的变换过程) 状态下，由于电路中的杂散 参数，如m o s f e t 结电容和线路上寄生电感等的影响，开关管在开关过程中的电 流尖峰和电压尖峰会很高，一般需要很大的安全工作区，并附加缓冲电路吸收。 开关管的开关损耗很大，从而限制了丌关频率的提高：同时，过高的d i d t 造成严 重的开关噪声，并通过开关米勒电容耦合到驱动电路，影响控制和驱动的稳定性。 移相p w m 控制方式是近年来在全桥交换电路拓扑中广泛应用的一种软开关( 软 开关过程是通过电感l 和电容c 的谐振，使流过开关器件的电流或器件两端电压 按照正弦规律变化，当电流自然过零时，器件关断，当电压下降到零时，器件导 通) 控制方式，这种控制方式实际上是谐振变换技术与常规p w m 变换技术的结 合，其基本工作原理为：每个桥臂的两个开关管1 8 0 0 互补导通，两个桥臂的导通 之间相差一个相位，即所谓移相角，通过调节此移相角的大小，来调节电压脉冲 宽度，从而得到占空比d 可调的正负半周对称的交流方波电压，达到调节相应的 输出电压的目的。移相p w m 控制既具有常规p w m 控制恒频的特点，又能在调 功过程中实现z c s 或z v s 。另外在控制电路中为了使电路工作在一个稳定的工 作模态，采用了负载电流的频率跟踪控制电路，当负载等效电气参数发生变 化时，电路的工作模态不会改变。但由于采用了负载电流的闭环频率自动跟 踪控制技术，这种输出功率控制方案在负载频率跟踪的同时会改变电路的二 作频率，此时的频率跟踪移相p w m 控制实际上是一种p f m p w m 混合功率 调节方案，只不过在调功过程中频率变化不大而已。在这种控制方案下电路中 功率开关器件易实现z v s 或z c s 软开关，减少了开关损耗和电磁干扰。尤其 是在基准臂功率器件的触发脉冲与负载电流的无相差频率跟踪控制中，基准 硕士学位论文 臂和移桐臂均可实现z c s 或z v s ，移相p w m 调功就更具优越性。由于移相 p w m 调功既克服了直流调功和p f m 调功的缺陷，又具有上述优点，冈此本 文采用了该功率调节方案。 近年来，随着电力电子技术，微电子技术及计算机控制技术的迅猛发展， 串联谐振逆变器输出功率控制方案也有了新的发展。这些新的发展主要体现 在新的功率控制方案的提出和混合型功率控制方案的应用这两个方面：。文献 3 6 ，3 7 】提出了脉冲密度调节( p d m ：p u l s ed e n s i t ym o d u l a t i o n ) 方案。p d m 控制是通过控制脉冲密度，实际上是控制向负载馈送能量的时问来控制输出 功率。p d m 方法的主要优点是：输出频率基本不变，开关损耗相对较小，易于 实现数字化控制。缺点是：逆变器输出功率的频率不完全等于负载的自然谐 振频率，在需要功率闭环的场合中，工作稳定性较差。p d m 的另一个缺点是 功率调节特性不理想，呈有级调功方式”。文献【1 0 ，1 3 ，2 6 】采用的是 p d m & p w m 混合调功控制方案。p d m 调功方式的控制电路复杂，且大多基于 d s p 器件实现，考虑到实际工程的适用性，在本文中没有采用这种调功方法。 2 3 串联谐振d b d 电路供电方案 2 3 1 移相全桥逆变电源主回路 根据前面的分析可知本文对负载电路采用串联补偿电感的方案，供电部分采用电 压型全桥逆变电路，主电路如图2 3 所示。图中为采用不可控整流器或可控整 流器提供的直流电压；q l q 4 为全控型电力开关管；d l d 4 为与q l q a 反并的 体内二极管；c 1 和c 2 分别为与q 1 和q 2 并联的电容，c 为隔直电容，以防止变压器 偏磁；t r 为升压变压器；l 为与发生器串接的补偿电感；v g l v 一依次为q l q 4 的 驱动信号；c t 为电流传感器；p t 为电压传感器。将c t 检测到的负载电流和由p t 检测到的变压器副边输出电压反馈到移相控制电路中，以完成电路的反馈控制。 2 3 2 移相方案介绍 通过i i 面章节的分析可知，本文采用移相p w m 控制方案。设q l 、q 2 为超前 桥臂，q 3 、q 4 为滞后桥臂。驱动信号与负载电压电流波形示意图如图2 4 所示。 设在t o t l 时间段内电路的状态为：q l 和q 4 同时导通，逆变电路输出电压和电流 均为正。t l 时刻关断q 1 ，并经过死区延迟后给q 2 触发脉冲，由于q l 两端有并联 电容，因此q l 的关断属于为z v s 关断，由于此时电流为正，电流通过d 2 和q 4 续流，所以q 2 虽然有驱动信号，但并不导通，此时逆变电路输出电压为零：当 t 2 时刻逆变电路输出电流过零时，关断q 4 ，并经过死区延迟后驱动q 3 ，显然q 。 的关断和q 3 的开通均为z c s ，q 2 的开通既为z c s ，又为z v s ；t 2 t 3 时间段为q 2 d b d 型臭氧发生器电源的研究 图2 3 介质阻捎放电装置主电路图 和q 3 同时导通阶段，此时逆变电路输出电压和电流均为负；t 3 时刻关断q 2 ，并 经过死区延迟后给q l 加驱动信号，由于q 2 两端并联有电容，所以q 2 的关断同样 属于z v s 关断，此时电流通过d l 和q 3 续流，逆变电路输出电压为零。当t 4 时刻 逆变电路输出电流过零，关断q ，并经过死区延迟后给q 4 加驱动信号，同样q 3 的关断和q 。的开通均为z c s ，q l 的开通既为z v s ，又为z c s ：t 4 时刻之后逆变 电路输出电压为正，电路返回t o t i 时间段内的状态。 厂 厂 厂 ! 厂 厂 ：厂一厂 。 厂 ! r 广_ il 陟卜：阶。 图2 4 本文中的p w m 移相控制的驱动信号与负载电压电流波形示意图 通过以上的分析可以看出，如果采用这种控制方案，可以实现超前桥臂q l 和0 2 的开通既为z v s ，又为z c s ，关断为z v s ，滞后桥臂q 3 和q 4 的丌通和关 断均为z c s 。这种控制方案虽然具有控制复杂的缺点，但是由于开关器件是软开 关工作方式，所有的开关器件均是在零电匿或零电流或既是零电压又是零电流的 条件下完成导通与关断过程的，电路的工作频率可以大为提高。对于介质阻挡放 k ，u 硕：学位论文 电装置，其放电功率与装置的放电频率成正比，增大频率可以提高放电功率“， 并且高频开关运行状态极大地缩小了脉冲升压变压器的体积，从而大大减小了电 源的体积。由此可见这种控制方案的利远大于弊。 通过以上对移相控制过程的分析可以看出，移相控制电路所要完成的任务主要有 以下几点：利用锁相装置来确保c t 检测到的电流，即逆变电路输出电流和逆变电 路滞后桥臂触发脉冲同相位；利用p t 测得的电压和c t 测得的电流值得到输l 1 3 - i j 率，从而实现功率闭环控制：利用p t 测得的电压实现电压闭环控制。 2 3 3 控制方案的实现 实现移相控制主要有模拟和数字两种方式。模拟控制电路存在控制精度低、 动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点。专用模拟集成 控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路，提高了控制信号的开关频 率。这些专用集成控制芯片只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的 模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，使得模 拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在。 此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不 强等问题。“。由于数字电路有着电路简单、一致