基于頻率跟蹤型PWM控制的臭氧發生器電源的研究

1??? 概述

??? 臭氧的強氧化能力和殺菌能力使其在水處理、化學氧化、食品加工和醫療衛生等許多領域具有廣泛的應用。臭氧發生器的物理結構和等效電路如圖1所示。當臭氧發生器負載兩端的外加電壓低于氣體放電起始電壓Vs時，放電通道不發生放電現象，此時臭氧發生器可以等效為放電通道的間隙電容Cg和絕緣介質電容Cd串聯。當外加電壓高于Vs時，放電通道開始放電，放電通道中的氧氣因放電而生成臭氧。絕緣介質電容Cd基本保持不變，但負載總的等效電容Cz具有隨外加電壓的升高而逐漸變大的特點，其等效電路如圖1(b)所示。電阻R等效為放電時能量的消耗。由于臭氧發生器負載總的等效電容Cz和升壓變壓器的漏感Ls構成一個串聯諧振電路，其固有諧振頻率fo為

??? fo=（1）

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

（a）??? 臭氧發生器結構

(b)??? 臭氧發生器等效電路

圖1??? 臭氧發生器結構及其等效電路

??? 負載頻率漂移的特性給電源的設計帶來了不小的困難。臭氧發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。逆變部分的電路結構一般采用如圖2所示的電壓型全橋結構。負載電壓是一個方波,通過調節其寬度來實現輸出功率的調節,并使電路工作在諧振狀態,這就要求負載電壓的基波分量與負載電流同相。如前所述,由于臭氧發生器電源的負載固有諧振頻率是會發生變化的,為了保證電源工作在諧振狀態,要求電源工作頻率跟蹤諧振回路的諧振頻率;也就是要求臭氧發生電源具有頻率自動跟蹤的能力。

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。通過用幅值相等、方向相反的兩個直流電平與三角調制波相比較，產生初始調制信號，圖3(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3(i)所示，可以看出，這種控制策略具有橋內移相控制的特性，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載電流同相同頻，就可以保證電路工作在諧振狀態，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對輸出脈沖寬度進行線性調節。與文獻[4]所提出的兩個正弦波相交的調制方法相比,這種調制方法有如下優點：

??? 1）只需要采集一個信號，而文獻[4]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，最大幅度調制比為1，調節范圍寬；

??? 3)三角波幅值固定，頻率跟蹤負載，因而調節線性度好，可方便地引入許多優異的控制方法。

??? 從圖3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為1。調節直流電位的幅值則可實現輸出功率的調節。

(a)io??? (b)直流電平與三角波??? (c)正調制波

(d)負調制波??? (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??? 控制策略硬件實現

??? 通過上面的分析,可知該控制策略實現的關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變化的正弦波轉換為三角波的功能。其硬件結構示意圖如圖4所示。給定正弦波經頻率/電壓變換將頻率信號轉換為電平信號,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。這種變換電路產生的三角波具有頻率跟蹤、相位正確、幅度恒定的特點。

圖4??? 正弦波、三角波變換電路結構

4??? 實驗結果

??? 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作為開關器件，結構如圖2所示。不考慮相位補償，由圖4方法產生的三角波與正弦波有固定的相位差90°。而實際系統要求三角調制波的相位與系統的輸出電流同相，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4中的給定信號，該信號與輸出電流相差90°，滿足系統工作要求。本文的實驗采用后一種方案，如圖5所示，其中相位補償時間為3μs。圖5，6，7分別是三角波生成，開關管的驅動信號和逆變器輸出電壓電流波形。

圖5??? 三角波生成

圖6??? 開關管驅動信號

圖7??? 逆變器輸出電壓電流波形

5??? 結語

??? 新型PWM控制策略成功地滿足了臭氧發生電源頻率跟蹤的要求。這種控制策略性能優越，邏輯明了，實現簡單易行。在控制電路的實現中，三角調制波的產生是一個關鍵問題，本文給出了一種功能穩定、結構簡單、價格便宜的實現方法。所有的分析都通過實驗結果加以驗證。

作者簡介

??? 陸濤濤（1979－），男，浙江大學電力電子研究所碩士研究生，主要研究方向為諧振電源的工業應用。

??? 張仲超（1942－），男，博士生導師,主要研究方向為電力電子技術及其應用。