基于頻率跟蹤型PWM控制的臭氧發(fā)生器電源的研究

1    概述

    臭氧的強(qiáng)氧化能力和殺菌能力使其在水處理、化學(xué)氧化、食品加工和醫(yī)療衛(wèi)生等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。臭氧發(fā)生器的物理結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1所示。當(dāng)臭氧發(fā)生器負(fù)載兩端的外加電壓低于氣體放電起始電壓Vs時(shí)，放電通道不發(fā)生放電現(xiàn)象，此時(shí)臭氧發(fā)生器可以等效為放電通道的間隙電容Cg和絕緣介質(zhì)電容Cd串聯(lián)。當(dāng)外加電壓高于Vs時(shí)，放電通道開(kāi)始放電，放電通道中的氧氣因放電而生成臭氧。絕緣介質(zhì)電容Cd基本保持不變，但負(fù)載總的等效電容Cz具有隨外加電壓的升高而逐漸變大的特點(diǎn)，其等效電路如圖1(b)所示。電阻R等效為放電時(shí)能量的消耗。由于臭氧發(fā)生器負(fù)載總的等效電容Cz和升壓變壓器的漏感Ls構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)諧振電路，其固有諧振頻率fo為

    fo=（1）

    由式(1)可知，隨著臭氧發(fā)生器負(fù)載外加電壓的逐漸升高，負(fù)載總的等效電容Cz逐漸增大，使得負(fù)載固有諧振頻率fo逐漸降低。

（a）    臭氧發(fā)生器結(jié)構(gòu)

(b)    臭氧發(fā)生器等效電路

圖1    臭氧發(fā)生器結(jié)構(gòu)及其等效電路

    負(fù)載頻率漂移的特性給電源的設(shè)計(jì)帶來(lái)了不小的困難。臭氧發(fā)生器電源分為整流與逆變兩部分。整流部分采用二極管不控整流電路。逆變部分的電路結(jié)構(gòu)一般采用如圖2所示的電壓型全橋結(jié)構(gòu)。負(fù)載電壓是一個(gè)方波,通過(guò)調(diào)節(jié)其寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié),并使電路工作在諧振狀態(tài),這就要求負(fù)載電壓的基波分量與負(fù)載電流同相。如前所述,由于臭氧發(fā)生器電源的負(fù)載固有諧振頻率是會(huì)發(fā)生變化的,為了保證電源工作在諧振狀態(tài),要求電源工作頻率跟蹤諧振回路的諧振頻率;也就是要求臭氧發(fā)生電源具有頻率自動(dòng)跟蹤的能力。

圖2    電壓型全橋逆變電路

2    頻率跟蹤型PWM控制基本原理

    頻率跟蹤型PWM控制策略的基本原理如圖3所示。通過(guò)用幅值相等、方向相反的兩個(gè)直流電平與三角調(diào)制波相比較，產(chǎn)生初始調(diào)制信號(hào)，圖3(e)， (f)，(g)， (h)分別為S1～S4的門(mén)極控制信號(hào)，逆變器的輸出電壓如圖3(i)所示，可以看出，這種控制策略具有橋內(nèi)移相控制的特性，此電壓的基波分量與圖3(b)中的三角波相同。如果能夠保證該三角波與負(fù)載電流同相同頻，就可以保證電路工作在諧振狀態(tài)，且具有頻率跟蹤的功能。三角波在變頻跟蹤的同時(shí)必須保持幅度恒定。控制直流電平的幅值可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖寬度進(jìn)行線性調(diào)節(jié)。與文獻(xiàn)[4]所提出的兩個(gè)正弦波相交的調(diào)制方法相比,這種調(diào)制方法有如下優(yōu)點(diǎn)：

    1）只需要采集一個(gè)信號(hào)，而文獻(xiàn)[4]的方法需要兩個(gè)，其中之一為電流信號(hào)；

    2）直流電平與三角波相交，最大幅度調(diào)制比為1，調(diào)節(jié)范圍寬；

    3)三角波幅值固定，頻率跟蹤負(fù)載，因而調(diào)節(jié)線性度好，可方便地引入許多優(yōu)異的控制方法。

    從圖3可知，如果保持三角波信號(hào)與輸出電流信號(hào)同相，則可以保證電源的輸出基波功率因數(shù)為1。調(diào)節(jié)直流電位的幅值則可實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。

(a)io    (b)直流電平與三角波    (c)正調(diào)制波

(d)負(fù)調(diào)制波    (e)ugs1    (f)ugs4

(g)ugs3    (h)ugs2    (i)逆變器輸出電壓

圖3    新型PWM控制策略

3    控制策略硬件實(shí)現(xiàn)

    通過(guò)上面的分析,可知該控制策略實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是三角波信號(hào)的獲取,這個(gè)三角波信號(hào)幅度恒定并與逆變器輸出電流同相同頻,實(shí)際上是完成將一個(gè)頻率連續(xù)變化的正弦波轉(zhuǎn)換為三角波的功能。其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。給定正弦波經(jīng)頻率/電壓變換將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào),通過(guò)對(duì)電容的充放電得到三角波。為了獲得雙極性三角波,該電路中由雙電源工作的555電路完成反饋功能。這種變換電路產(chǎn)生的三角波具有頻率跟蹤、相位正確、幅度恒定的特點(diǎn)。

圖4    正弦波、三角波變換電路結(jié)構(gòu)

4    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    為了驗(yàn)證上述的分析,研制了一臺(tái)工作頻率為20kHz的實(shí)驗(yàn)裝置。系統(tǒng)主電路的整流部分采用三相不控整流，逆變部分采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。不考慮相位補(bǔ)償，由圖4方法產(chǎn)生的三角波與正弦波有固定的相位差90°。而實(shí)際系統(tǒng)要求三角調(diào)制波的相位與系統(tǒng)的輸出電流同相，解決這一問(wèn)題有兩種方案：一是對(duì)檢測(cè)得到的輸出電流進(jìn)行積分或者微分處理，補(bǔ)償相位差；另一種更直接的方案是采用負(fù)載電路中電容的電壓作為圖4中的給定信號(hào)，該信號(hào)與輸出電流相差90°，滿(mǎn)足系統(tǒng)工作要求。本文的實(shí)驗(yàn)采用后一種方案，如圖5所示，其中相位補(bǔ)償時(shí)間為3μs。圖5，6，7分別是三角波生成，開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和逆變器輸出電壓電流波形。

圖5    三角波生成

圖6    開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)

圖7    逆變器輸出電壓電流波形

5    結(jié)語(yǔ)

    新型PWM控制策略成功地滿(mǎn)足了臭氧發(fā)生電源頻率跟蹤的要求。這種控制策略性能優(yōu)越，邏輯明了，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行。在控制電路的實(shí)現(xiàn)中，三角調(diào)制波的產(chǎn)生是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本文給出了一種功能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的實(shí)現(xiàn)方法。所有的分析都通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以驗(yàn)證。