基于頻率跟蹤型PWM控制的臭氧發(fā)生器電源的設(shè)計

程怡安 王忠慶

【摘要】該設(shè)計提出了一種臭氧發(fā)生器電源的設(shè)計。本次設(shè)計通過收集近些年來各個領(lǐng)域?qū)Τ粞醢l(fā)生器的研究成果，從發(fā)生器的形狀，電介質(zhì)等方面開始研究，依次計算出各個功能模塊的額定工作電壓與電流，從而確定系統(tǒng)的各個元件的最終數(shù)值以及類型，提出了一個具體的電路模型。在設(shè)計的每一步，都考慮到功率損耗的問題，因此，該設(shè)計能滿足臭氧發(fā)生器電源大功率，高性能高穩(wěn)定性，高效率的要求。

【關(guān)鍵詞】臭氧發(fā)生器電源;IGBT;高頻變壓器

1.引言

臭氧的應(yīng)用基礎(chǔ)是其極強的氧化能力與殺菌能力。臭氧的應(yīng)用按其作用分類，可分為：殺菌、脫色、脫臭、脫味及氧化分解.按其應(yīng)用領(lǐng)域分，主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：水處理;食品加工、存儲、保鮮;家用電器;醫(yī)療衛(wèi)生;化學(xué)氧化。我國從20世紀(jì)80初期，已開始采用臭氧對飲用水消毒和工業(yè)廢水深度處理予以注意，但發(fā)展較慢.在我國目前的城市供水中，絕大多數(shù)水廠均采用混凝、沉淀、過濾、消毒的處理工藝，其中消毒工藝主要采用氯氣和漂白粉，使用臭氧的比例很低。同時，將臭氧應(yīng)用于冷卻水處理方面的實踐，也還剛剛開始。但由于臭氧法處理的經(jīng)濟性、可靠性及絕對無毒、無二次污染等一系列優(yōu)點，可以預(yù)言，臭氧在我國也必將得到普及。因此對臭氧發(fā)生器這個主題的研究變得非常重要。

注：（a）io;（b）直流電平與三角波;（c）正調(diào)制波;（d）負調(diào)制波;（e）ugs1;（f）ugs4;（g）ugs3;（h）ugs2;（i）逆變器輸出電壓

圖1 新型PWM控制策略

2.基于頻率跟蹤型PWM控制的臭氧發(fā)生器電源的研究

2.1 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1所示。通過用幅值相等、方向相反的兩個直流電平與三角調(diào)制波相比較，產(chǎn)生初始調(diào)制信號，圖1（e），（f），（g），（h）分別為S1～S4的門極控制信號，逆變器的輸出電壓如圖1（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1（b）中的三角波相同。如果能夠保證該三角波與負載電流同相同頻，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必須保持幅度恒定。控制直流電平的幅值可實現(xiàn)對輸出脈沖寬度進行線性調(diào)節(jié)。與文獻[1]所提出的兩個正弦波相交的調(diào)制方法相比，這種調(diào)制方法有如下優(yōu)點：1）只需要采集一個信號，而文獻[2]的方法需要兩個，其中之一為電流信號;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1可知，如果保持三角波信號與輸出電流信號同相，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現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。

2.2 控制策略硬件實現(xiàn)

通過上面的分析，可知該控制策略實現(xiàn)的關(guān)鍵是三角波信號的獲取，這個三角波信號幅度恒定并與逆變器輸出電流同相同頻，實際上是完成將一個頻率連續(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2所示。給定正弦波經(jīng)頻率/電壓變換將頻率信號轉(zhuǎn)換為電平信號，通過對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。

圖2 正弦波、三角波變換電路結(jié)構(gòu)

圖3 三角波生成

2.3 實驗結(jié)果

為了驗證上述的分析，研制了一臺工作頻率為20kHz的實驗裝置。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作為開關(guān)器件，不考慮相位補償，由圖2方法產(chǎn)生的三角波與正弦波有固定的相位差90°。而實際系統(tǒng)要求三角調(diào)制波的相位與系統(tǒng)的輸出電流同相，解決這一問題有兩種方案：一是對檢測得到的輸出電流進行積分或者微分處理，補償相位差;另一種更直接的方案是采用負載電路中電容的電壓作為圖2中的給定信號，該信號與輸出電流相差90°，滿足系統(tǒng)工作要求。本文的實驗采用后一種方案，如圖3所示，其中相位補償時間為3μs。圖3、4、5分別是三角波生成，開關(guān)管的驅(qū)動信號和逆變器輸出電壓電流波形。

圖4 開關(guān)管驅(qū)動信號

圖5 逆變器輸出電壓電流波形

3.結(jié)語

新型PWM控制策略成功地滿足了臭氧發(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，實現(xiàn)簡單易行。在控制電路的實現(xiàn)中，三角調(diào)制波的產(chǎn)生是一個關(guān)鍵問題，本文給出了一種功能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜的實現(xiàn)方法。所有的分析都通過實驗結(jié)果加以驗證。

參考文獻

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