DBD型臭氧发生器逆变电源基波等效电路

2014-06-07袁发庭秦实宏姚湘陵

河南科技大学学报(自然科学版) 2014年1期

关键词：基波等效电路谐振

袁发庭，秦实宏，姚湘陵

（武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉 430205）

DBD型臭氧发生器逆变电源基波等效电路

袁发庭，秦实宏，姚湘陵

（武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉 430205）

简要分析介质阻挡放电（DBD）型臭氧发生器逆变电路的基本原理，逆变电路采用全桥移相PWM控制技术，DBD型臭氧发生器负载电路存在充电和放电两种模态，电源模态与电路模态相互作用使电路的工作模态复杂。本文在分析容性控制下全桥串联负载谐振式DBD型臭氧发生器供电电路的基础上，得到逆变电路在容性状况下的动态电气特性，基于逆变器输出电流接近正弦波这一特性，提出了DBD型臭氧发生器基波等效电路分析方法。通过Matlab／Simulink建立了仿真模型，与理论结果进行对比分析，仿真结果和理论分析结果验证了用基波等效电路设计臭氧发生器供电电源的可行性，为设计高效率的DBD型臭氧发生器逆变电源提供了理论基础。

介质阻挡放电；臭氧发生器；基波等效电路；matlab

0 引言

臭氧作为一种强氧化剂，具有消毒，杀菌，脱色等作用，现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，医疗器具的消毒杀菌等方面。目前，合成臭氧的方法采用介质阻挡放电，具有能耗低，单机产量高和易于工业现场生产等优点［1－2］。早期的臭氧发生器主要采用工频升压方式供电，由于臭氧发生器的非线性容性负载特性，这种电路存在功率因数低、向电网注入大量谐波［3］、工作频率低和难以大功率等缺点。

目前，国内外研究串联谐振式介质阻挡放电（DBD）型臭氧发生器供电电源主要集中在控制方面，没有对DBD型臭氧发生器工作的各个模态进行分析，然而，对DBD负载特性特有的充电和放电模态的分析对合理设计和优化供电电源参数具有很重要的意义。本文分析了DBD型臭氧发生器逆变电源的基本原理，将供电电源等效为正弦波电流源［4］，同时深入分析了各种模态的动态特性，提出了正弦波电流供电的基波等效电路，对串联谐振式DBD型臭氧发生器逆变电源的设计具有重要意义。

1 DBD型臭氧发生器逆变电路的拓扑结构

图1为DBD臭氧发生器主电路原理图，主要由整流电路、滤波电路、逆变电路、缓冲电路、隔直电容、补偿电感和中频变压器组成。整流电路采用三相桥式二极管不控整流电路，克服了晶闸管相控整流方式下网侧功率因素低和动态响应慢的缺点，通过电容C滤波，为逆变电路提供平滑的直流电压Ud，逆变器采用单相桥式逆变电路，R、C、D作为缓冲补偿电路，减少开关器件损耗，Cz为隔直电容，防止变压器偏磁，Ls为补偿电感，与臭氧发生器的负载等效电容构成谐振回路。

为了提高逆变器输出功率因素，驱动信号频率略高于谐振频率，电流从正半波经过零之前关断VT1和VT4，通过VT1和VT4的电流IAB换相流过二极管VD2和VD3，当VD2和VD3导通后，再触发VT2和VT3，这时VT2和VT3由于VD2和VD3的导通而承受负偏压［5］。当i过零反相后，VT2和VT3以零电压导通，VD2和VD3随后截止，下半周期工作原理相同，使开关管以零电压（ZVS）导通，较少高频开关损耗，提高了逆变器输出效率。

图1 DBD臭氧发生器主电路原理图

图2 全桥移相逆变电路驱动波形和输出波形

逆变电路采用全桥移相PWM控制技术，电压型全桥逆变电路通过控制4个开关管的通断顺序和通断时间，调节占空比可以方便地调节输出电压，逆变电路驱动波形和输出波形如图2所示，VT1和VT2为基准桥臂，VT3和VT4组成滞后桥臂［6－7］，每个桥臂的两个开关管互补180°，两个桥臂的导通之间相差一定的相位φ，改变移相角的大小，来调节输出脉冲的宽度，控制输出功率。

2 正弦波电流供电负载动态特性及基波等效电路分析

2.1 正弦波电流供电负载动态特性分析

为简化分析，介质电容Cd，气隙电容Cg，补偿电感L为折合到变压器原边，图3为折合到原边的串联谐振式电路，忽略了在实际情况中的各种损耗，逆变电源输出电压大于Uz，臭氧发生器气隙电容Cg被击穿。

主电路采用电压型全桥逆变电路，逆变电桥有两种模态，电源供电和电桥环流，DBD臭氧发生器电路也有两种模态，间隙放电和间隙不放电［8］，组合共有4种模态，供电—充电，供电—放电，环流—充电，供电—充电模态。

模式1供电—充电模式，区间为（0－θ）。

在wt＝0时刻，对间隙电容Cg充电，稳压二极管相当于开路，等效电路如图4所示。

图3 折合到原边的移相全桥串联谐振电路

图4 供电—充电模式等效电路图

模式2供电—放电模式，区间为（θ－π）。

在ωt＝θ时刻时，气隙被击穿，间隙电容电压Ucg（0）＝－Uz，在（θ－π）区间内，iz（t）＝Imsinωt，icg（t）＝0，间隙电容两端的电压为：

模式3环流—充电模式，区间为（π－π＋θ）。

间隙电容两端电压为：

模式4环流—充电模式，区间为（π＋θ－2π）。

在ωt＝π＋θ时刻时，气隙被击穿，间隙电容电压Ucg（t）＝－Uz，在（π＋θ－2π）区间内，iz（t）＝Imsinωt，icg（t）＝0，间隙电容两端的电压为：

ucg（t）＝－Uz。（4）

间隙放电电压Ucg是一个周期函数，如式（5），可分解为傅里叶级数形式［9］，能力大部分集中在基频处，

2.2 DBD型臭氧发生器基波等效电路分析

图5 DBD臭氧放电基波等效电路

DBD型臭氧发生器基波等效电路如图5所示［10］，气隙电容可等效为非线性电阻Rg和非线性容抗Xg，Rg计算见式（6），Xg计算见式（7），间隙电容承受的电压为Uz，其中令β＝Cg／Cd。

式中，在供电—充电模式中的电角度θ为式（8），λ的取值范围为0～1。

工作频率f与功率因素角φ，系数λ的关系为：

由于电路工作在谐振状态，逆变器输出的有功功率全部消耗在电阻上，输出功率可表示为：

发生器承受的峰值电压Up为：

3 仿真结果与理论计算结果分析

采用三相交流220 V电压供电，变压器变比n＝5；谐振电感Ls＝28 mH，移相角φ＝1.250°，介质电容Cd＝0.383 6 F，间隙电容Cg＝0.158 2 F，间隙击穿电压为Uz＝1.510 kV，在该参数下的仿真结果，发生器模型中省略了变压器建模，发生器的结构参数均折合到变压器原边的参数，控制电路采用移相PWM控制技术，DBD型臭氧发生器Matlab仿真模型如图6所示。

图6 DBD型臭氧发生器仿真模型

图7 负载电流i和发生器端电压UAB仿真波形

仿真结果如图7所示，上半部分为负载电流i的波形，下部分为发生器端电压UAB的波形。

为了便于分析，将误差SSE定义为：

式中，x为仿真结果，y为理论计算结果，研究方法的分析比较结果见表1。

由表1可知：Simulink软件仿真结果与基波等效电路的理论结果（工作频率f，负载电流的幅值Im，发生器峰值电压Up，直流输出功率Pout）的误差均较小。

表1 研究方法的分析结果比较

4 结束语

针对DBD型臭氧发生器非线性容性负载特性，分析了移相全桥串联谐振DBD电路的各个模态和电气参数特性，采用基波等效法分析电路。通过Matlab仿真分析法与基波等效电路理论结果比较，工作频率、发生器端电压、直流输出功率的误差小于10%，研究结果表明：高效率DBD型臭氧发生器逆变电源采用正弦电流基波等效电路是可行的。

参考文献：

［1］唐雄民，章云，朱燕飞.串联谐振式介质阻挡放电型臭氧发生器等效模型及电源特性分析［J］.高电压技术，2012，38（5）：1051－1058.

［2］孟志强，唐雄民，彭永进.中低频正弦电压供电DBD型臭氧发生器基波等效电路与动态特性研究［J］.电工技术学报，2004，19（7）：21－25.

［3］唐雄民.移相控制下DBD型臭氧发生器供电电源的设计［J］.电力电子技术，2009，43（7）：48－49.

［4］王跃球，唐杰，罗庆跃.介质阻挡放电型臭氧发生器等效电路研究［J］.中国电机工程学报，2007，27（12）：109－114.

［5］李劲伟，梁文林.一种感应加热电源频率跟踪控制系统［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2003，24（2）：75－77.

［6］黄玉水，吕宏，王立乔，等.臭氧发生器电源中容性控制的研究［J］.高电压技术，2002，28（10）：41－42.

［7］王跃球，唐杰.大功率DBD型臭氧发生器电源的研制［J］.电力电子技术，2007，41（2）：66－68.

［8］李微.中频DBD型臭氧发生器电源的研究［D］.长沙：湖南大学，2006.

［9］唐雄民.介质阻挡放电电路供电电源的研究［D］.长沙：湖南大学，2004.

［10］唐雄民，孟志强.彭永进，等.串联负载谐振式DBD型臭氧发生器电源的基波分析法［J］.中国电机工程学报，2007，27（21）：38－42.

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