梯形激励下的臭氧发生器供电电源

唐雄民,余亚东,严其林,李　杰

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006)

梯形激励下的臭氧发生器供电电源

唐雄民,余亚东,严其林,李杰

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006)

摘要：利用能反映介质阻挡放电电路时空关系的等效电路，对常用的激励下介质阻挡放电电路的放电效率进行分析，得出了交变梯形激励是一种非常适合介质阻挡负载的一种激励源。根据交变梯形激励合成思路并考虑到电源实际的调功需求，构建了一种能够在介质阻挡负载上产生交变梯形波的双频谐振式逆变供电电源拓扑结构。基于这种拓扑结构设计了逆变电路中各个开关管的驱动时序，得到了逆变电源在不同模态下的约束方程，求解了臭氧发生器的主要电气参数数学表达式。仿真和实验验证了本文提出的逆变电路拓扑结构的可行性及理论推导的正确性。

关键词：介质阻挡放电;臭氧发生器;梯形激励;双频谐振电路

基金项目：国家自然科学基金项目(51207026)

作者简介：唐雄民(1977-),男,湖南永州人,副教授,博士,主要研究方向为电力电子电源技术.

收稿日期：2014-05-19

文章编号：1672-6871(2015)02-0054-06

中图分类号：TM131.2

文献标志码：标志码：A

0引言

臭氧作为一种无残留的强氧化剂，被广泛用于水处理、除臭、去色与消毒等领域[1]。目前工业上有多种合成臭氧的方法，但介质阻挡放电法(DBD)是应用最广泛的合成方法[2-3]。现阶段，DBD型臭氧发生器的供电电源多为串并联谐振逆变电源[4-5]，通过调节施加在臭氧发生器上的正弦或准正弦激励的幅值和频率来调节发生器的放电功率，从而调节臭氧发生器的产量[6]。但DBD型臭氧发生器放电的效率与发生器端电压幅值及充电阶段与放电阶段所占时间比密切相关[7-9]，即只有充电阶段在整个工作周期内所占时间比少，且在放电阶段发生器上电压维持在较高电压值(该数值取决于放电管的耐压)时，臭氧发生器才可能得到较高的放电效率。因此，从这个角度看，采用正弦波作为DBD型臭氧发生器的激励源，不是一种最为高效的激励源。为解决这一问题，本文首先通过介质阻挡放电的微观电路模型，对不同激励源下DBD型电路的放电比功率进行分析，并对各种典型激励源的实现优缺点进行了探讨，得到了交变梯形激励源是一种高效激励源。考虑交变梯形波实现的便利性和供电电源调功的需求，本文设计了一种新型的双频逆变电路，通过控制双频逆变电路中开关管的导通和关断时序来选择逆变电路的工作模态；从而确保DBD型臭氧发生器上的激励为交变梯形激励源；同时，又能方便实现DBD型臭氧发生器的产量调节需求。

1典型激励下DBD型负载放电比功率

本文讨论的典型激励包括目前工业上常用的4种典型的激励，即正弦波激励、交变三角波激励、交变梯形波激励和交变方波激励。通过PSIM仿真软件，对比分析4种典型激励对DBD型臭氧发生器的放电效率，得到了表1所示的DBD电路放电的比功率。

表1　典型激励下的DBD放电比功率

注：1.与正弦激励进行比较；2.f为激励的工作频率，Vp为激励的峰值电压，Td为波形的上升时间,Tf为波形的下降时间；3.开关管寄生电容和线路电感易与负载形成共振；4.由于DBD负载的容性特性，需要精密的电流源对其进行充放电；5.需要特殊拓扑结构。

从表1可以看出：在同等条件下(频率、幅值)，使用交变梯形波激励可获得最大放电功率。而目前少有文献对交变梯形激励在DBD型电路中的应用进行研究，对于DBD型电路的交变梯形激励的实现则基本无相关文献进行论述。基于此，本文的后面章节将以DBD型臭氧发生器这种典型的DBD型电路为例，探讨如何在DBD型电路上实现交变梯形波激励。

2DBD型电路的交变梯形激励实现方法

处于正常工作状态下的DBD型臭氧发生器可用一个阻容电路进行等效[10]。在文献[10]中采用了如图1所示的阻容等效电路。其中，Requ和Cequ分别为臭氧发生器的等效电阻与等效电容。因此，要在DBD型臭氧发生器上获得标准的交变梯形激励非常困难。本文正是利用DBD型臭氧发生器可用阻容电路进行等效这一特性，通过控制逆变电源中相关开关器件的导通和关断，使其与逆变电源外接的电容和电感形成双频谐振电源，从而逼近标准交变梯形激励。图2给出这种交变激励合成示意图。在图2中，利用双频谐振电源中高频谐振阶段来逼近梯形激励的腰；利用低频谐振阶段来逼近梯形激励的上底；f1和f2分别为高频和低频谐振阶段的谐振频率。

图1 DBD型臭氧发生器等效电路图2 交变梯形激励合成示意图

图3　双频谐振式逆变拓扑结构

根据以上的交变梯形激励合成思路并考虑到电源调功的需求，设计了如图3所示的双频谐振式逆变供电的臭氧发生器的拓扑结构。在图3中，I部分为臭氧发生器的本体；II部分为双频谐振逆变电源的电路拓扑结构图。其中，Q1~Q4为功率开关管；D1~D4为功率二极管；C1、C2为平波电容；R1、R2为均压电阻；C为附加谐振电容；U为直流电源。很显然，通过合理控制开关管Q3和Q4的导通关断时序，便可以改变谐振逆变电源的工作频率。

3交变梯形激励实现电路的时域分析

在假定图3中升压变压器为理想变压器的条件下，图3所示的电路可简化为图4所示的电路。在图4中，RDBD和CDBD分别为臭氧发生器等效电阻和电容折算到变压器原边的数值。显然有：

(1)

式中,N为升压变压器原副边匝比。结合Requ、N、L和电路工作频率的范围，不失一般性可得到:

ωL>>RDBD，

(2)

故图4所示的电路可以进一步简化为图5。

为在图5所示电路中合成交变梯形激励并实现供电电源的调功，设计了如图6所示的开关管驱动时序。在图6中，P1~P4为功率开关管Q1~Q4的驱动信号；t0，t1，…，t8为开关切换时刻点；t0~t4时间段构成供电电源工作的正半周期；t5~t8时间段构成供电电源工作的负半周期。

图4拓扑结构的简化图 图5拓扑结构的最简图

由于逆变电源工作的对偶性，本节只对正半工作周期内的逆变电源进行分析。为简化分析，本节对图5所示的逆变电路作如下假设：

(Ⅰ)直流电压U维持不变，C1，C2足够大。

(Ⅱ)所有电气元器件均为理想元件。

3.1　t0~t1时间段的模态分析

结合图5和图6可得在t0~t1时间段电路的工作模态结构图，如图7a所示。

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图7a所示模态下电路的约束方程为：

(3)

式中，E为由电容C1和C2分压得到的直流电源，其大小为E=U/2。将初始条件uc(t0)=Uc、up(t0)=-Up和i(t0)=0代入式(3)进行求解可得：

(4)

该模态结束时，有：

uc(t1)=0。

(5)

将式(5)代入式(4)可得模态结束时刻(即t1时刻)电路的uc、up和i的表达式为：

(6)

3.2　t1~t2时间段的模态分析

结合图5和图6可得在t1~t2时间段电路的工作模态结构图，如图7b所示。

图7　t0~t1和t1~t2时间段模态示意图

t1~t2时间段电路模态的约束方程为:

(7)

将初始条件式(6)代入式(7)，并求解可得：

(8)

在t2时刻关断开关管Q3，将t=t2-t1代入式(8)，可得这个模态结束时(即t2时刻)电路的uc、up、和i的表达式为：

(9)

3.3　t2~t3时间段的模态分析

结合图5和图6可得在t2~t3时间段电路的工作模态结构图，如图8a所示。

式10给出了图8a所示电路的约束方程：

(10)

将该时间段内的初始条件uc(t2)、up(t2)、i(t2)即式(9)代入式(10)，并求解可得：

(11)

3.4　 t3~t4时间段的模态分析

结合图5和图6可得在t3~t4时间段电路的工作模态结构图，如图8b所示。

图8　t2~t3和t3~t4时间段模态示意图

考虑到在t3时刻，开关管Q1关断，即此段时间为电路的调功控制时间，在此阶段发生器电路呈现断路状态，电路中不存在电流，不输出任何功率。很显然在此时间段，臭氧发生器两端电压up(t)和谐振电容C两端电压uc(t)维持不变，即电路满足：

(12)

由于电路的对称性，负半周期内的模态和约束方程与正半周期类似，求解结果只存在符号差异，在这里不再一一赘述。

4仿真分析和实验验证

4.1　仿真分析

为验证本文提出的双频谐振逆变电源合成交变梯形激励的正确性，笔者在Matlab/Simulink下搭建了图5所示电路的仿真模型。通过改变t2~t3时间段的长度(即改变调功时间)，得到不同调功时间长度下的仿真波形(见图9)。从图9中可以看出：施加在DBD电路上的激励波形不仅能较好地逼近理想的交变梯形激励波形，还能很好地满足调功的需求，即通过调节调功时间的长短来改变臭氧发生器的放电时间，从而达到调节功率的目的。

图9　不同调功时间下的DBD负载电压的仿真波形图

4.2　实验验证分析

按照图3所示的主电路和图6所示的控制规律搭建与试制了一台10 g/h产量的中频DBD型负载双频串联谐振臭氧发生器实验装置。在实验装置中，变压器变比N=17.5；补偿电感L=160 μH；正常工作下臭氧发生器的等效电阻Rp=7 Ω，等效电容Cp=1.49 μF(折算到原边后的等效电容)；附加的谐振电容C=0.22 μF；逆变电路的工作频率设定在5~50 kHz。实验得到在不同调功时间下的臭氧发生器上的电压，如图10所示。其中，CH1为长调功时间下DBD负载上的电压波形，CH2为短调功时间下DBD负载上的电压波形。

图10　不同调功时间下的DBD型负载电压波形

通过对比图9和图10可以发现：DBD负载电压的实验波形和仿真波形具有较高的吻合度。这也直接证明了本文提出的逆变拓扑结构的合理性和理论分析的正确性。

5结论

(1)本文针对不同的激励波对DBD电路的放电效率进行分析，得出了交变梯形激励是一种非常适合DBD负载的一种激励源。

(2)为了在DBD负载上得到可进行电源调功的交变梯形激励，设计了一种能够在DBD负载上产生交变梯形波的双频谐振式逆变供电电路。

(3)通过仿真和实验结果验证了本文提出的拓扑结构的可行性和理论推导的正确性。

参考文献：

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