基于频率跟踪型PWM控制的臭氧发生器电源的研究

摘要：介质阻挡放电型臭氧发生器电源负载呈容性，随负载外加电压的升高，间隙放电逐渐增强，其总的负载等效电容逐渐变大。针对负载的这一特点，提出了一种对负载谐振型高频逆变电源输出电流进行闭环频率跟踪的PWM控制策略。这种策略逻辑明确,控制性能优越,实现简单、可靠。针对在实现过程中的关键问题,提出新的解决方法。所有的分析都得到实验验证。 关键词：容性负载；频率跟踪；PWM控制 1 概述 臭氧的强氧化能力和杀菌能力使其在水处理、化学氧化、食品加工和医疗卫生等许多领域具有广泛的应用[1][2][3]。臭氧发生器的物理结构和等效电路如图1所示。当臭氧发生器负载两端的外加电压低于气体放电起始电压Vs时，放电通道不发生放电现象，此时臭氧发生器可以等效为放电通道的间隙电容Cg和绝缘介质电容Cd串联。当外加电压高于Vs时，放电通道开始放电，放电通道中的氧气因放电而生成臭氧。绝缘介质电容Cd基本保持不变，但负载总的等效电容Cz具有随外加电压的升高而逐渐变大的特点，其等效电路如图1(b)所示。电阻R等效为放电时能量的消耗。由于臭氧发生器负载总的等效电容Cz和升压变压器的漏感Ls构成一个串联谐振电路，其固有谐振频率fo为 由式(1)可知，随着臭氧发生器负载外加电压的逐渐升高，负载总的等效电容Cz逐渐增大，使得负载固有谐振频率fo逐渐降低。 负载频率漂移的特性给电源的设计带来了不小的困难。臭氧发生器电源分为整流与逆变两部分。整流部分采用二极管不控整流电路。逆变部分的电路结构一般采用如图2所示的电压型全桥结构。负载电压是一个方波,通过调节其宽度来实现输出功率的调节,并使电路工作在谐振状态,这就要求负载电压的基波分量与负载电流同相。如前所述,由于臭氧发生器电源的负载固有谐振频率是会发生变化的,为了保证电源工作在谐振状态,要求电源工作频率跟踪谐振回路的谐振频率;也就是要求臭氧发生电源具有频率自动跟踪的能力。 2 频率跟踪型PWM控制基本原理 频率跟踪型PWM控制策略的基本原理如图3所示。通过用幅值相等、方向相反的两个直流电平与三角调制波相比较，产生初始调制信号，图3(e)，(f)，(g)，(h)分别为S1～S4的门极控制信号，逆变器的输出电压如图3(i)所示，可以看出，这种控制策略具有桥内移相控制的特性，此电压的基波分量与图3(b)中的三角波相同。如果能够保证该三角波与负载电流同相同频，就可以保证电路工作在谐振状态，且具有频率跟踪的功能。三角波在变频跟踪的同时必须保持幅度恒定。控制直流电平的幅值可实现对输出脉冲宽度进行线性调节。与文献[4]所提出的两个正弦波相交的调制方法相比,这种调制方法有如下优点： 1）只需要采集一个信号，而文献[4]的方法需要两个，其中之一为电流信号； 2）直流电平与三角波相交，最大幅度调制比为1，调节范围宽； 3)三角波幅值固定，频率跟踪负载，因而调节线性度好，可方便地引入许多优异的控制方法。 从图3可知，如果保持三角波信号与输出电流信号同相，则可以保证电源的输出基波功率因数为1。调节直流电位的幅值则可实现输出功率的调节。 图3 3 控制策略硬件实现 通过上面的分析,可知该控制策略实现的关键是三角波信号的获取,这个三角波信号幅度恒定并与逆变器输出电流同相同频,实际上是完成将一个频率连续变化的正弦波转换为三角波的功能。其硬件结构示意图如图4所示。给定正弦波经频率/电压变换将频率信号转换为电平信号,通过对电容的充放电得到三角波。为了获得双极性三角波,该电路中由双电源工作的555电路完成反馈功能。这种变换电路产生的三角波具有频率跟踪、相位正确、幅度恒定的特点。 图4 4 实验结果 为了验证上述的分析,研制了一台工作频率为20kHz的实验装置。系统主电路的整流部分采用三相不控整流，逆变部分采用IGBT作为开关器件，结构如图2所示。不考虑相位补偿，由图4方法产生的三角波与正弦波有固定的相位差90%26;#176;。而实际系统要求三角调制波的相位与系统的输出电流同相，解决这一问题有两种方案：一是对检测得到的输出电流进行积分或者微分处理，补偿相位差；另一种更直接的方案是采用负载电路中电容的电压作为图4中的给定信号，该信号与输出电流相差90%26;#176;，满足系统工作要求。本文的实验采用后一种方案，如图5所示，其中相位补偿时间为3μs。图5，6，7分别是三角波生成，开关管的驱动信号和逆变器输出电压电流波形。 5 结语 新型PWM控制策略成功地满足了臭氧发生电源频率跟踪的要求。这种控制策略性能优越，逻辑明了，实现简单易行。在控制电路的实现中，三角调制波的产生是一个关键问题，本文给出了一种功能稳定、结构简单、价格便宜的实现方法。所有的分析都通过实验结果加以验证。