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(yī)療衛(wèi)生等許多領域具有廣泛的應用,。臭氧發(fā)生器的物理結構和等效電路如圖1所示。當臭氧發(fā)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(fā)生放電現(xiàn)象,，此時臭氧發(fā)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(lián)。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(fā)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(lián)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(fā)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(fā)生器結構

(b)    臭氧發(fā)生器等效電路

圖1    臭氧發(fā)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(fā)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(jié)其寬度來實現(xiàn)輸出功率的調節(jié),并使電路工作在諧振狀態(tài),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(fā)生器電源的負載固有諧振頻率是會發(fā)生變化的,為了保證電源工作在諧振狀態(tài),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(fā)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(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?？刂浦绷麟娖降姆悼蓪崿F(xiàn)對輸出脈沖寬度進行線性調節(jié),。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(yōu)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(jié)范圍寬,；

    3)三角波幅值固定，頻率跟蹤負載,，因而調節(jié)線性度好,，可方便地引入許多優(yōu)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(shù)為1。調節(jié)直流電位的幅值則可實現(xiàn)輸出功率的調節(jié),。

(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(xiàn)

    通過上面的分析,可知該控制策略實現(xiàn)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(xù)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(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(tǒng)要求三角調制波的相位與系統(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4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(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，三角調制波的產生是一個關鍵問題,，本文給出了一種功能穩(wěn)定,、結構簡單、價格便宜的實現(xiàn)方法,。所有的分析都通過實驗結果加以驗證,。