基于频率跟踪型PWM控制的臭氧发生器电源的研究

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。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

    fo=（1）

    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。

（a）    臭氧发生器结构

(b)    臭氧发生器等效电路

图1    臭氧发生器结构及其等效电路

    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。

图2    电压型全桥逆变电路

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。

(a)io    (b)直流电平与三角波    (c)正调制波

(d)负调制波    (e)ugs1    (f)ugs4

(g)ugs3    (h)ugs2    (i)逆变器输出电压

图3    新型PWM控制策略

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    正弦波、三角波变换电路结构

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°。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°，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。

图5    三角波生成

图6    开关管驱动信号

图7    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。