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