臭氧发生器电源中的闭环频率自动跟踪

1、EDDE年E月高电压技术第日卷第E期 k ECk臭氧发生器电源中的闭环频率自动跟踪!"#$%#'%)( *+$,"-.(/0 1"23") 456 3'7 #'% 8 1#4" () '9": 9#,"； <9%'-+ () '( $#) -= ', 6 /$%#'%)( ) ' 9" : (>"1 <3/ $5( * '" ? &() °&'1黄玉水吕宏王立乔张仲

2、超A浙江大学杭州BCDDEFG摘要根据臭氧发生器等效电路提出了基于新型移相控制的闭环频率自动跟踪策略H它逻辑明确I控制性能优越|实现简单可靠H实验验证了所有分析结果HJ KLMNOM 89", '#'05( * 4$(，"-$ ( (/* 1"23") 45# 3'7 #'%'#4" R#, "- ( )' 9" /9#, "； , 9%'- 4() '( $%/1(/(,"-S=' 9#,#4 ( ) 4<%"$ (

3、 Q%# ) -% ' %7349" #, 5# ) -1 " $%R$'' (% 7 / $'T7 ") ' 6 $#) #$5, % 1",3$, #1" U'1%-R 5, 9" "V/ "1% ") ',S关键词臭氧发生器电源 移相控制 闭环频率自动跟踪WXYZ N L ( 8( ) 3&' 1 / ( > " 1 , 3/ / $5 / 9#, "； , 9%'-4() '($ 4$

4、；, "-$(/* 1"23")45# 3'7 #'% '#4" 中图分类号 8文献标识码 6岀电压Hh控制策略EiC新型移相控制控制策略采用新型移相控制 aEb利用幅值相等 方向相反的两个直流电平与三角调制波相比较A如图B#G生初始调制信号 a如图BRI 4G然后根据图臭氧氧化力极强通常用静态放电|电 解|热辐射|光化学等法产生H它在废水及废气处理|除臭|杀菌消毒等方面的应用日益引 起人们的重视aCbH我国臭氧发生器电源一般由工频 或中频电源直接升压实现但体积大|噪声高|效率低H因此利用现代电力电子技术研制新型臭氧发生 器电源研

5、究电源特性与臭氧产量的关系以达到减少电源体积|降低噪声和增加效率等目的对节约能源加速臭氧在工业中的应用具有十分重要的意义H本文介绍静态放电型臭氧发生器等效电路并给 岀了系统主电路同时在文aEb新型移相控制的基础上提岀了实现闭环频率自动跟踪的策略给岀了相关实验波形HA#G臭氧发生器结构ARG等效电路图C臭氧发生器结构及等效电路C 臭氧发生器等效电路及主电路acb静态放电型臭氧发生器主要由绝缘材料和放电 通道组成吉构见图 CA#GH玻璃管的外圈及中心接 高压交流电的两极 H电压上升至静态放电吏通入的氧气产生臭氧h臭氧发生器等效电路如图CARGF中 -1 d Q串联连接分别为放电通道和绝缘材料等 效

6、电容e电压源f ,为放电维持电压 H电源样机主电路见图E整流部分为常用的二 极管不控整流 A图中未给岀G逆变部分采用电压型 单相全桥电路 逆变输出用高频升压变压器输出高 压至负载A臭氧发生器 m串联补偿电感 g,实现负载 谐振电容dC用于隔直且其电压信号反馈到控制电 路以实现闭环频率自动跟踪H采用移相控制调节输图E 臭氧发生器电源主电路图B新型控制的基本原理R和4得到两个互补信号-和“ 再利用“的上升沿产生驱动信号*及与其互补的驱动信号QA同时考虑死区时间6和j 0这两个信号经驱动电路后分别 驱动逆变电路的 8 c和8 '管e同理利用-的上升沿b *bc I RL*22*<=：d

7、ef(g" a h = <h A A i <h =d EKL*a h EL*自号 来辰电电信过电路门电路'另一路用于给出'该电位的设定'以保证系统起动图A 主电路电压及反馈图B 负载频率改变过程主电电容电压波形路输出电流波形产生驱动信号！及与其互补的驱动信号"#应考虑死区时间$和&，这两个信号经驱动电路分别驱动逆 变电路的（）和（*管+在这种控制逻辑下，可得到逆变器的输出电压,+此电压的基波分量与图_中的三角波同相同频 +因此如果能保证该三角波与负载电流同相同频，就可保证电路工作在谐振状态，且具有频率跟踪的功能+三角波在变频跟踪的

8、同时须保持幅度恒定，同时控制直流电平的幅值可调节输出脉宽的占空比，以实现对输岀电压的线性调节+*.* 闭环频率自动跟踪通过分析可知，该控制策略实现的关键是获取 三角波信号，同时保证三角波信号幅度恒定并与逆 变器输岀电流同相同频+文/*0信号变换电路中，正弦波与三角波之间具有固定的123相位差，因此采 用负载电路反馈电容电压信号'来保证三角调制波 信号与逆变器输出电流同相同频要实现闭环频率的自动跟踪，应注意*点45&必须设计合理的起动电路使系统正常起动 保证负载顺利进入谐振状态+* &必须有反映负载频率变化的反馈信号来驱动逆变器以实现闭环频率的自动跟踪，在负载频率变化时保

9、证始终工作在谐振状态+自动跟踪原理框图见图6+系统起动时，负载输岀电流较小，反馈电容电压近似为零，这时由起动电 路工作一路输岀用于圭寸锁门电路 一个电位于信号变换电路的输入端 与系统正常工作时负载频率相当后迅速进入谐振状态+当电容上反馈电压信号上升到一定幅值时，起动电路工作变化为4一路输出开通门电路，另一路输出被封锁，此时信号变换电路输出的驱动信号与反馈电容上的电压信号同频并具有固定的123相位差，这样就能保证驱动信号与逆变器 输出电流同相同频 ，使负载工作于谐振状态+图6 闭环频率自动跟踪原理在系统工作过程中，放电通道的等效电容会因 放电而发生变化 引起负载谐振频率改变+此时由于控制电路中锁

10、相环节的作用，使驱动信号始终保持与输出电流同相同频，并具有始终趋向于负载电流最大的能力，以保证系统在新的谐振频率下工作+7 实验波形研制的一台工作频 率8 *29的样机的系统 主电路见图*+逆变电路采用 v（开关器件+图？为逆变电路中V （的门极驱动信号'从 上到下依次为主电路中（5 * ）以及（6管的门 极驱动信号+图？ 主功率器件的门极驱动信号图A为系统正常工作时主电路电压#上&及反馈电容的电压波形#下&它们之间具有固定的123相 位差，反馈信号经变换电路后得到相位差123的三 角波，再根据移相控制策略得到图?门极驱动信号'保证负载工作于谐振状态 +图B为负

11、载频率变化时，逆变电路输出的电流波形+前半段为负载频率较低时逆变电路输出电流 波形+当负载频率变化时 ，输出电流频率也发生相应 的变化，见图B后半段+实验进一步证明了系统具有 闭环频率自动跟踪的功能'使系统始终工作在负载谐振状态+C结论研制的电源样机在新型移相控制策略的基础上实现了闭环频率的自动跟踪，控制策略性能优越，逻辑简单且易于实现，系统工作稳定，效果良好，达到了负载谐振和闭环频率自动跟踪的目的，为进一步研究电源特性与臭氧产量的关系提供了技术保证+参 考 文 献5 DEF'G " H I J-KL M%NO MPN ! QRSTU VEFJSEKIT! '

12、W! U XIYZI FVQKE-TU SI GEF-FJ "F I SJI SXESI X'VI FJ E; EF" I S -FT" JG I疋S -FVI I -KZ-JEFG MA N$ _1 B' : -FV/! EZ' $ ! "F-' 5 11B4BA5* 王立乔等.基于新型移相控制的感应加热电源的研究.电力电子技术 ，*225 ' ?#5&4）#收稿日期*225 2B*a&黄玉水 51A1年生博士生研究方向为电力电子技术及其应用电话 4#2?B5&aB1） 5a 52 +臭氧

13、发生器电源中的闭环频率自动跟踪作者：黄玉水，吕宏，王立乔，张仲超作者单位：浙江大学，杭州310027刊名：高电压技术|1ST忙|日|呢J英文刊名：HIGH VOLTAGE ENGINEERING年，卷(期):200228(2)引用次数：12次参考文献(2条)1. Konishi Y PDM&PWM hybrid-controlled high-frequency load-resonant inverter for efficient ozonizerand its peformance evaluations 19972. 王立乔.黄玉水.王长永.张仲超 基于新型移相控制的感应加热电

14、源的研究期刊论文-电力电子技术2001(1)相似文献(10条)1. 期刊论文 黄玉水.胡长生.张仲超 基于闭环控制策略的负载谐振型臭氧发生器电源-电工技术学报2004,19(1)介质阻挡放电型臭氧发生器负载呈容t随负载外加电压的升高间隙放电逐渐增强其总的负载等效电容逐渐变大针对负载的这一特点提出了一 种基于逆变器输出电流进行闭环频率跟踪控制的高频逆变电源方详细分析了该控制策略的特点并研制了实验样机进行了实验验证得出应用该方 案的电源具有结构简单、工作频率变化范围小、系统参数容易选择、可靠性高等优点.2. 学位论文唐杰串联谐振式DB型臭氧发生器电源的研究与开发2004论文主要研究与开发大功率串联

15、谐振式B型臭氧发生器的供电电源基于DB型臭氧发生器的工作原理和串联谐振式逆变电路的工作原理DB型 臭氧发生器的等效电路、动态电气特性、供电电源的拓扑结构、控制策略与实现等关键技术问题进行了深入的研究该文研究的理论成果成功开发 出了产量淞kg/h的DB型臭氧发生装置电源系统系统的实际运行结果证明了论文理论研究和实际设计的正确性与实用价值文的主要工作包括如下 5个方面1.大功率DB型臭氧发生器电源用逆变电路拓扑结构研究也B型臭氧发生器电源中两种常用的负载谐振式逆变拓扑进行了对比分析择串 联谐振式逆变电路作为大功率B型臭氧发生器电源的逆变拓扌2.DBDS臭氧发生器负载特性研究寸正弦波电流供电的介质阻

16、挡放电电路的工作原理 进行了详细分析基于放电间隙电压的傅立叶级数展J首次提出了正弦波电流供电的介质阻挡放电电路的基波等效电路基波等效电路研究与讨论了 DB型臭氧发生器的动态电气特性得到了DB型臭氧发生器电气参数的最佳匹配范围为设计性能优良的介质阻挡放电型臭氧发生器电源提供了很好的 理论参考依据3.DBD型臭氧发生器电源控制策略的研究寸串联谐振式逆变器输出功率控制技术进行了综述、分析和归选择频率跟踪移相PWM制作 为DB型臭氧发生器电源输出功率控制方式寸该控制方式下逆变器的运行模式进行了详细的分析得出了容性模式更适合方B型臭氧发生器用串联谐 振式逆变器这一结论研究了在该控制方式下逆变器的调功特性

17、和零电流开关条给出了最大有效移相角的数学表达式提出与研究了基准臂开关管触 发脉冲与负载电流同相的DB型臭氧发生器电源电路拓扑及其关键技核现了GBT勺ZCS;4频率跟踪移相PWM制实现方案的研究在总结现有频率跟 踪移相PWM制电路的基础上提出了一种新型的基于集成锁相环D4046频率跟踪移相=WM制电路并利用CD404的特性解决了电路的延时和电源的 起动问题5.电源主电路和驱动电路的设计与实现仑文提出了一种基于集成驱动模块SD313的DB型臭氧发生器电源新型驱动电路应用上述理论研究 成果开发了40kw/1kHz产量为2kg/h的臭氧发生装置电源系统给出了详细的设计过程与实验波形验证了电路设计的正确

18、性和可行性.3. 期刊论文 黄玉水.吕宏.王立乔.张仲超臭氧发生器电源中容性控制的研究-高电压技术2002,28(10)根据介质阻挡放电型臭氧发生器的负载特t提出了一种基于容性控制的高频逆变电源I述了该控制方法的原理和特点给出了电源控制电路并进 行了实验研究结果表明基于容性控制的高频逆变电源工作频率变化范围有利于电路设计和参数选择、结构简单且工作稳定可靠.4. 学位论文唐雄民大功率串联负载谐振式臭氧发生器供电电源的研究2006臭氧(化学表达式为：O<,3>。常温常压下是一种不稳定的淡蓝色气体，很容易被分解为氧气，不产生二次污染，属于一种无公害、无污染、无残 留的氧化与消毒剂。因此，

19、臭氧被大量应用于有机合成、无机化工、冶金、造纸、印染、食品保鲜和医疗器具及餐具消毒等领域，涉及到人们生活的 各个方面，并被广泛应用于自来水净化和工业、生活污废水的处理。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 ，在这些方法中介质阻挡放电法DBD具有能耗相对较低、单机臭氧产量大，气源可为干燥空气、氧气或含氧浓度较高的富氧气体、便于工业现场生产 等优点，因此工业上合成臭氧大多采用该法。目前国内大多数臭氧设备商生产的大功率臭氧发生器大多采用将逆变电路输出方波经升压变压器直接施加于臭氧发生器上，并且电路采用开环控 制，整个电源系统存在开关管损耗和开关应力大，开关管和与开关管

20、并联的吸收回路发热严重、整个发生器系统效率低、电路输出功率难以进一步提 高的问题，严重的限制了臭氧发生器系统在国内的推广。针对这些问题，本文采用基于全桥串联负载谐振的供电电源来解决原有电源系统存在的问题 ，并从电源系统主要电气量的电气调节特性、软开关实现技术和多功能控制回路的实现等三个方面，对大功率臭氧发生器供电电源进行了研究和探讨 ，本文的主要研究工作包括以下几个部分：(1) 针对目前臭氧供电电源的分析和设计方法主要依赖经验而不能精确地反映电路工作的实际过程，本文电路的原始等效电路出发，用时域 分析的方法对PF容性控制、PF感性控制、PS感性控制下勺DB电路进行了详细地理论推导和分析，得出了

21、B电路的工作频率、逆变电路输出电流峰 值、发生器承受的峰值电压和电路的放电功率的显性表达式及对应的调节特性，并采用实验的方法验证了推导的正确性。(2) 针对目前还没有相关文献对不同控制方式下的全桥串联负载谐振式电源的性能展开对比分析和研究，为填补这一空白，本文以电路中主要 电气量的调节特性为基础，对三种控制方式下电路性能进行对比分析，得到了中、低频下B电源系统适合采用容性控制，而高频下dbDl源系统适合采用PS感性控制的结论。这一工作能使臭氧电源设计者能根据实际需要选择适合的控制方式。(3) 为降低时域分析方法的复杂和烦琐，本文利用串联谐振电路工作时电流接近正弦波这一特性，提出了串联负载谐振式

22、路的基波分析方法 ，推导TDBDL源中主要电气量的表达式。理论计算结果、仿真和实验结果表明，三者的相对误差小于与时域分析法比较，采用基波分析方法计 算得到的结果虽然较时域分析法计算得到的结果稍差，但具有简便和实用的特点，有比较现实的工程意义。另外在这一部分，在基波分析方法的基础 上提出了串联谐振式)BDL源的基波设计法，它是一种简单和实用的设计方法，实践结果表明本文提出的基波等效设计方法具有快捷、方便和精度相对 较高的特点，是一种简捷实用的配套电源设计方法。(4) 在现有全桥串联负载谐振式电源的频率跟踪环节的进行了归纳和分析的基础上，得到了容性、PF感性和PS感性控制的频率跟踪的通用的实现方法

23、，并以此基础提出了一种能提高bDl路的放电效率的新型三环调节器，该调节器由功率滞环控制器、发生管峰值电压调节器和相位控制调节 器组成，仿真结果表明，这种新型控制系统优于现有的广泛使用的等控制方案，它不仅能满足B电源的控制系统的基本要求：在保证B电路工作 在最佳放电电压的前提下连续地调节电源的输出功率，而且具有更强的抗扰动能力，彻底解决了发生器过压的问题。(5) 从控制回路工作的可靠性、良好的保密性和调试的便利性出发，采用了以LD/FP为核心控制芯片的控制方案，并根据电力电子系统在本质 上可以视为离散系统这一特征，提出了电力电子电路控制系统的有限状态机建模方法。在这两者的基础上实现了采用一套硬件

24、方法实现了 PJFB勺性、PF容性和PS感性控制。(6) 对在串联谐振DB电源中实珑VS(Zero Voltage Switching)的方法进行了探讨。在研究中放弃了认为开关管切换时电流恒定这一假设，从功 率Mosfe管实际开关过程中电流变化规律出发，提出了一种新的等效电路，并依此为工具，详细地研究了串联谐振供电源的ZV实现方法。(7) 利用本文提出的分析方法和设计公式，作者试制了 一台kgO3/h的串联负载谐振式臭氧发生器供电电源，实验表明电源系统能满足设计要求 ，已在番禺某厂投入了运行，它能长时间可靠地工作，并得到了用户的认可。5. 期刊论文 王跃球.唐杰.WANG Yue-qiuTAN

25、G Jie大功率DB型臭氧发生器电源的研制-电力电子技术2007,41(2)介绍了一种用于臭氧发生器工业装置的供电电漏出了电源的主电路、控制电路和驱动电路设计过电源主电路由GBT勾成的-桥式电路组成 ;控制电路由集成锁相5CD404构成;驱动电路采用了智能集成驱动器SD315设计出的臭氧发生器电源能满足大功率臭氧发生装置的要装置现场运 行稳定可靠.6. 会议论文 王跃球.唐杰 大功率DB型臭氧发生器电源的研制2007介绍了一种用于臭氧发生器工业装置的供电电源。给出了电源的主电路、控制电路和驱动电路设计过程。电源主电GB由构成的-桥式电路组成 ;控制电路由集成锁相5CD404构成;驱动电路采用了

26、智能集成驱动器SD315A设计出的臭氧发生器电源能满足大功率臭氧发生装置的要装置现场 运行稳定可靠。7. 学位论文吴振兴串联谐振型高频臭氧发生器电源特性研究2006臭氧作为一种强氧化剂，已广泛应用于食用水的净化消毒和工业污水处理、空气净化及烟道气体中有毒物质的去除、医疗器具等的消毒杀菌、纺 织物的漂白和脱色、食品保鲜、酒精饮料的提纯和人工陈化工艺等方面。工业上主要采用介质阻挡放电的原理大产量生产臭氧，传统的工频直接升压 法虽然装置简单、成本较低，但是体积庞大、效率很低、产量也难以提高，高频化成为臭氧发生器电源的发展趋势。在实际电路拓扑中，由于负载呈容性，在高频时会与高频变压器的漏感串联谐振，对

27、臭氧发生器的效率与稳定性产生很大的影响，本文通过对串 联谐振型高频臭氧发生器的特性研究，发现： 臭氧产量与放电平均功率有很好的线性关系，在其他条件不变的情况下，增大放电平均功率是增大臭氧产量的有效手段； 在正常工作的范围内，随着工作频率的升高，放电平均功率线性增大，提高工作频率是提高放电平均功率的有效手段； 容性负载特性使得高频电源与反应器串联谐振。为了使得系统工作在容性区，工作频率必须小于谐振频率，即串联谐振型高频臭氧发生器工作 频率的选择受限于谐振频率； 高频变压器的绕制方法、高频变压器的原方匝数、层间距离、原副方线圈之间的距离等，决定了其漏感大小及系统谐振频率。通过改进高频变 压器的绕制

28、方法，减少其漏感，可使装置在更高的频率下稳定运行，提高了放电平均功率，是臭氧浓度和产量提高的有效方法。在此基础上，本文设计出一套高频电源，选择工作电压有效值ft00V工作频率为8kHz带单台盘式臭氧发生器负载，放电平均功率可达712W臭氧产量可边0.06g/h,臭氧浓度可达50.1g/m3已完成的实验研究都是在单台盘式反应器的基础上进行的，产量最多也只达到/h,消耗的放电功率为12W要达至巾kg/h的产量，电源的输出 功率要达至21kW如何设述OkW以上的臭氧发生器电源，使得系统带大功率放电负载时，仍然可以工作在高频的状态，是本课题后续研究的重点和难 点。8. 期刊论文 胡维.孟志强.孙传奇.

29、HU Wei MENG Zhi-qiang. SUN Chuan-qi基于双频逆变拓扑结构的臭氧发生器电源研究-电力科学与工程2005(4)文章将成熟应用于感应加热电源的双频逆变拓扑结构运用于负载成容性的臭氧发生器电提出了一种新的多频臭氧发生电源研究了这种电源的 工作原理和电路的工作模态通过对电路稳态工作过程波形的推导得出了臭氧发生器介质层电压以及放电功率的表达;并给出了仿真结果.9. 期刊论文 唐雄民.孟志强.彭永进.TANG Xiongmin MENG Zhiqiang. PENG Yongjin串联负载谐振式DB型臭氧发 生器电源-高电压技术2006,32(7)为解决DB型臭氧发生器工频

30、升压供电方案的效率低、设备体积庞大和对电网注入大量谐波的问采用串联负载谐振式供电电源的方案通过结合 电源开关器件的通断和)b负载放电与不放电状态详细分析了工作在完全谐振状态下的串联负载谐振DBDl路，得出了整个电路在完全谐振状态下的 各个工作模态基于模态分析推导了一系列等式由推导和分析得出了电路谐振时臭氧发生器承受的最高电压、每个周期的放电功率、与串接的补偿电 感无关的特性、DB负载放电功率、DB负载参数的调节特性最后给出了较为实用的工程设计公式这些研究可供合理设计串联负载谐振式B型臭氧发 生器的供电电源及分析不同控制方式下B电路的工作模态参考.10. 学位论文易娜容性工况下串联谐振式臭氧发生

31、器电源的研究2006本课题是结合某厂K?h级的中频大功率串联谐振式臭氧电源工作在容性工况下的条件进行开发研究的，作者作为主要研究人员参与了该电源的研 发工作。该公司原有臭氧电源采用将逆变器输出方波电压经升压变压器，直接施加于臭氧发生器上，存在开关管损耗大和开关应力大、开关管和吸收 回路发热严重、效率低等问题，限制了电路的输出功率进一步提高。针对这些问题，本研究采用串联负载谐振式供电电源。该电源可以工作于感性和 容性两种工作状态。本文主要针对容性状态下的臭氧发生器电源进行相关研究，研究内容包括以下几部分：(1) 在正弦电流源供电的)B型发生器的基波等效电路基础上，提出了一种考虑电路杂散损变压器励磁损耗