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