梯形激勵下的臭氧發生器供電電源

唐雄民,余亞東,嚴其林,李　杰

(廣東工業大學 自動化學院，廣東 廣州 510006)

梯形激勵下的臭氧發生器供電電源

唐雄民,余亞東,嚴其林,李杰

(廣東工業大學 自動化學院，廣東 廣州 510006)

摘要：利用能反映介質阻擋放電電路時空關系的等效電路，對常用的激勵下介質阻擋放電電路的放電效率進行分析，得出了交變梯形激勵是一種非常適合介質阻擋負載的一種激勵源。根據交變梯形激勵合成思路并考慮到電源實際的調功需求，構建了一種能夠在介質阻擋負載上產生交變梯形波的雙頻諧振式逆變供電電源拓撲結構。基于這種拓撲結構設計了逆變電路中各個開關管的驅動時序，得到了逆變電源在不同模態下的約束方程，求解了臭氧發生器的主要電氣參數數學表達式。仿真和實驗驗證了本文提出的逆變電路拓撲結構的可行性及理論推導的正確性。

關鍵詞：介質阻擋放電;臭氧發生器;梯形激勵;雙頻諧振電路

基金項目：國家自然科學基金項目(51207026)

作者簡介：唐雄民(1977-),男,湖南永州人,副教授,博士,主要研究方向為電力電子電源技術.

收稿日期：2014-05-19

文章編號：1672-6871(2015)02-0054-06

中圖分類號：TM131.2

文獻標志碼：標志碼：A

0引言

臭氧作為一種無殘留的強氧化劑，被廣泛用于水處理、除臭、去色與消毒等領域[1]。目前工業上有多種合成臭氧的方法，但介質阻擋放電法(DBD)是應用最廣泛的合成方法[2-3]。現階段，DBD型臭氧發生器的供電電源多為串并聯諧振逆變電源[4-5]，通過調節施加在臭氧發生器上的正弦或準正弦激勵的幅值和頻率來調節發生器的放電功率，從而調節臭氧發生器的產量[6]。但DBD型臭氧發生器放電的效率與發生器端電壓幅值及充電階段與放電階段所占時間比密切相關[7-9]，即只有充電階段在整個工作周期內所占時間比少，且在放電階段發生器上電壓維持在較高電壓值(該數值取決于放電管的耐壓)時，臭氧發生器才可能得到較高的放電效率。因此，從這個角度看，采用正弦波作為DBD型臭氧發生器的激勵源，不是一種最為高效的激勵源。為解決這一問題，本文首先通過介質阻擋放電的微觀電路模型，對不同激勵源下DBD型電路的放電比功率進行分析，并對各種典型激勵源的實現優缺點進行了探討，得到了交變梯形激勵源是一種高效激勵源。考慮交變梯形波實現的便利性和供電電源調功的需求，本文設計了一種新型的雙頻逆變電路，通過控制雙頻逆變電路中開關管的導通和關斷時序來選擇逆變電路的工作模態；從而確保DBD型臭氧發生器上的激勵為交變梯形激勵源；同時，又能方便實現DBD型臭氧發生器的產量調節需求。

1典型激勵下DBD型負載放電比功率

本文討論的典型激勵包括目前工業上常用的4種典型的激勵，即正弦波激勵、交變三角波激勵、交變梯形波激勵和交變方波激勵。通過PSIM仿真軟件，對比分析4種典型激勵對DBD型臭氧發生器的放電效率，得到了表1所示的DBD電路放電的比功率。

表1　典型激勵下的DBD放電比功率

注：1.與正弦激勵進行比較；2.f為激勵的工作頻率，Vp為激勵的峰值電壓，Td為波形的上升時間,Tf為波形的下降時間；3.開關管寄生電容和線路電感易與負載形成共振；4.由于DBD負載的容性特性，需要精密的電流源對其進行充放電；5.需要特殊拓撲結構。

從表1可以看出：在同等條件下(頻率、幅值)，使用交變梯形波激勵可獲得最大放電功率。而目前少有文獻對交變梯形激勵在DBD型電路中的應用進行研究，對于DBD型電路的交變梯形激勵的實現則基本無相關文獻進行論述。基于此，本文的后面章節將以DBD型臭氧發生器這種典型的DBD型電路為例，探討如何在DBD型電路上實現交變梯形波激勵。

2DBD型電路的交變梯形激勵實現方法

處于正常工作狀態下的DBD型臭氧發生器可用一個阻容電路進行等效[10]。在文獻[10]中采用了如圖1所示的阻容等效電路。其中，Requ和Cequ分別為臭氧發生器的等效電阻與等效電容。因此，要在DBD型臭氧發生器上獲得標準的交變梯形激勵非常困難。本文正是利用DBD型臭氧發生器可用阻容電路進行等效這一特性，通過控制逆變電源中相關開關器件的導通和關斷，使其與逆變電源外接的電容和電感形成雙頻諧振電源，從而逼近標準交變梯形激勵。圖2給出這種交變激勵合成示意圖。在圖2中，利用雙頻諧振電源中高頻諧振階段來逼近梯形激勵的腰；利用低頻諧振階段來逼近梯形激勵的上底；f1和f2分別為高頻和低頻諧振階段的諧振頻率。

圖1 DBD型臭氧發生器等效電路圖2 交變梯形激勵合成示意圖

圖3　雙頻諧振式逆變拓撲結構

根據以上的交變梯形激勵合成思路并考慮到電源調功的需求，設計了如圖3所示的雙頻諧振式逆變供電的臭氧發生器的拓撲結構。在圖3中，I部分為臭氧發生器的本體；II部分為雙頻諧振逆變電源的電路拓撲結構圖。其中，Q1~Q4為功率開關管；D1~D4為功率二極管；C1、C2為平波電容；R1、R2為均壓電阻；C為附加諧振電容；U為直流電源。很顯然，通過合理控制開關管Q3和Q4的導通關斷時序，便可以改變諧振逆變電源的工作頻率。

3交變梯形激勵實現電路的時域分析

在假定圖3中升壓變壓器為理想變壓器的條件下，圖3所示的電路可簡化為圖4所示的電路。在圖4中，RDBD和CDBD分別為臭氧發生器等效電阻和電容折算到變壓器原邊的數值。顯然有：

(1)

式中,N為升壓變壓器原副邊匝比。結合Requ、N、L和電路工作頻率的范圍，不失一般性可得到:

ωL>>RDBD，

(2)

故圖4所示的電路可以進一步簡化為圖5。

為在圖5所示電路中合成交變梯形激勵并實現供電電源的調功，設計了如圖6所示的開關管驅動時序。在圖6中，P1~P4為功率開關管Q1~Q4的驅動信號；t0，t1，…，t8為開關切換時刻點；t0~t4時間段構成供電電源工作的正半周期；t5~t8時間段構成供電電源工作的負半周期。

圖4拓撲結構的簡化圖 圖5拓撲結構的最簡圖

由于逆變電源工作的對偶性，本節只對正半工作周期內的逆變電源進行分析。為簡化分析，本節對圖5所示的逆變電路作如下假設：

(Ⅰ)直流電壓U維持不變，C1，C2足夠大。

(Ⅱ)所有電氣元器件均為理想元件。

3.1　t0~t1時間段的模態分析

結合圖5和圖6可得在t0~t1時間段電路的工作模態結構圖，如圖7a所示。

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圖7a所示模態下電路的約束方程為：

(3)

式中，E為由電容C1和C2分壓得到的直流電源，其大小為E=U/2。將初始條件uc(t0)=Uc、up(t0)=-Up和i(t0)=0代入式(3)進行求解可得：

(4)

該模態結束時，有：

uc(t1)=0。

(5)

將式(5)代入式(4)可得模態結束時刻(即t1時刻)電路的uc、up和i的表達式為：

(6)

3.2　t1~t2時間段的模態分析

結合圖5和圖6可得在t1~t2時間段電路的工作模態結構圖，如圖7b所示。

圖7　t0~t1和t1~t2時間段模態示意圖

t1~t2時間段電路模態的約束方程為:

(7)

將初始條件式(6)代入式(7)，并求解可得：

(8)

在t2時刻關斷開關管Q3，將t=t2-t1代入式(8)，可得這個模態結束時(即t2時刻)電路的uc、up、和i的表達式為：

(9)

3.3　t2~t3時間段的模態分析

結合圖5和圖6可得在t2~t3時間段電路的工作模態結構圖，如圖8a所示。

式10給出了圖8a所示電路的約束方程：

(10)

將該時間段內的初始條件uc(t2)、up(t2)、i(t2)即式(9)代入式(10)，并求解可得：

(11)

3.4　 t3~t4時間段的模態分析

結合圖5和圖6可得在t3~t4時間段電路的工作模態結構圖，如圖8b所示。

圖8　t2~t3和t3~t4時間段模態示意圖

考慮到在t3時刻，開關管Q1關斷，即此段時間為電路的調功控制時間，在此階段發生器電路呈現斷路狀態，電路中不存在電流，不輸出任何功率。很顯然在此時間段，臭氧發生器兩端電壓up(t)和諧振電容C兩端電壓uc(t)維持不變，即電路滿足：

(12)

由于電路的對稱性，負半周期內的模態和約束方程與正半周期類似，求解結果只存在符號差異，在這里不再一一贅述。

4仿真分析和實驗驗證

4.1　仿真分析

為驗證本文提出的雙頻諧振逆變電源合成交變梯形激勵的正確性，筆者在Matlab/Simulink下搭建了圖5所示電路的仿真模型。通過改變t2~t3時間段的長度(即改變調功時間)，得到不同調功時間長度下的仿真波形(見圖9)。從圖9中可以看出：施加在DBD電路上的激勵波形不僅能較好地逼近理想的交變梯形激勵波形，還能很好地滿足調功的需求，即通過調節調功時間的長短來改變臭氧發生器的放電時間，從而達到調節功率的目的。

圖9　不同調功時間下的DBD負載電壓的仿真波形圖

4.2　實驗驗證分析

按照圖3所示的主電路和圖6所示的控制規律搭建與試制了一臺10 g/h產量的中頻DBD型負載雙頻串聯諧振臭氧發生器實驗裝置。在實驗裝置中，變壓器變比N=17.5；補償電感L=160 μH；正常工作下臭氧發生器的等效電阻Rp=7 Ω，等效電容Cp=1.49 μF(折算到原邊后的等效電容)；附加的諧振電容C=0.22 μF；逆變電路的工作頻率設定在5~50 kHz。實驗得到在不同調功時間下的臭氧發生器上的電壓，如圖10所示。其中，CH1為長調功時間下DBD負載上的電壓波形，CH2為短調功時間下DBD負載上的電壓波形。

圖10　不同調功時間下的DBD型負載電壓波形

通過對比圖9和圖10可以發現：DBD負載電壓的實驗波形和仿真波形具有較高的吻合度。這也直接證明了本文提出的逆變拓撲結構的合理性和理論分析的正確性。

5結論

(1)本文針對不同的激勵波對DBD電路的放電效率進行分析，得出了交變梯形激勵是一種非常適合DBD負載的一種激勵源。

(2)為了在DBD負載上得到可進行電源調功的交變梯形激勵，設計了一種能夠在DBD負載上產生交變梯形波的雙頻諧振式逆變供電電路。

(3)通過仿真和實驗結果驗證了本文提出的拓撲結構的可行性和理論推導的正確性。

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