基于頻率跟蹤型PWM控制的臭氧發(fā)生器電源的設(shè)計(jì)

程怡安 王忠慶

【摘要】該設(shè)計(jì)提出了一種臭氧發(fā)生器電源的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)通過(guò)收集近些年來(lái)各個(gè)領(lǐng)域?qū)Τ粞醢l(fā)生器的研究成果，從發(fā)生器的形狀，電介質(zhì)等方面開(kāi)始研究，依次計(jì)算出各個(gè)功能模塊的額定工作電壓與電流，從而確定系統(tǒng)的各個(gè)元件的最終數(shù)值以及類型，提出了一個(gè)具體的電路模型。在設(shè)計(jì)的每一步，都考慮到功率損耗的問(wèn)題，因此，該設(shè)計(jì)能滿足臭氧發(fā)生器電源大功率，高性能高穩(wěn)定性，高效率的要求。

【關(guān)鍵詞】臭氧發(fā)生器電源;IGBT;高頻變壓器

1.引言

臭氧的應(yīng)用基礎(chǔ)是其極強(qiáng)的氧化能力與殺菌能力。臭氧的應(yīng)用按其作用分類，可分為：殺菌、脫色、脫臭、脫味及氧化分解.按其應(yīng)用領(lǐng)域分，主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：水處理;食品加工、存儲(chǔ)、保鮮;家用電器;醫(yī)療衛(wèi)生;化學(xué)氧化。我國(guó)從20世紀(jì)80初期，已開(kāi)始采用臭氧對(duì)飲用水消毒和工業(yè)廢水深度處理予以注意，但發(fā)展較慢.在我國(guó)目前的城市供水中，絕大多數(shù)水廠均采用混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒的處理工藝，其中消毒工藝主要采用氯氣和漂白粉，使用臭氧的比例很低。同時(shí)，將臭氧應(yīng)用于冷卻水處理方面的實(shí)踐，也還剛剛開(kāi)始。但由于臭氧法處理的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及絕對(duì)無(wú)毒、無(wú)二次污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)言，臭氧在我國(guó)也必將得到普及。因此對(duì)臭氧發(fā)生器這個(gè)主題的研究變得非常重要。

注：（a）io;（b）直流電平與三角波;（c）正調(diào)制波;（d）負(fù)調(diào)制波;（e）ugs1;（f）ugs4;（g）ugs3;（h）ugs2;（i）逆變器輸出電壓

圖1 新型PWM控制策略

2.基于頻率跟蹤型PWM控制的臭氧發(fā)生器電源的研究

2.1 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1所示。通過(guò)用幅值相等、方向相反的兩個(gè)直流電平與三角調(diào)制波相比較，產(chǎn)生初始調(diào)制信號(hào)，圖1（e），（f），（g），（h）分別為S1～S4的門極控制信號(hào)，逆變器的輸出電壓如圖1（i）所示，可以看出，這種控制策略具有橋內(nèi)移相控制的特性，此電壓的基波分量與圖1（b）中的三角波相同。如果能夠保證該三角波與負(fù)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(shí)必須保持幅度恒定。控制直流電平的幅值可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖寬度進(jìn)行線性調(diào)節(jié)。與文獻(xiàn)[1]所提出的兩個(gè)正弦波相交的調(diào)制方法相比，這種調(diào)制方法有如下優(yōu)點(diǎn)：1）只需要采集一個(gè)信號(hào)，而文獻(xiàn)[2]的方法需要兩個(gè)，其中之一為電流信號(hào);2）直流電平與三角波相交，最大幅度調(diào)制比為1，調(diào)節(jié)范圍寬;3）三角波幅值固定，頻率跟蹤負(fù)載，因而調(diào)節(jié)線性度好，可方便地引入許多優(yōu)異的控制方法。

從圖1可知，如果保持三角波信號(hào)與輸出電流信號(hào)同相，則可以保證電源的輸出基波功率因數(shù)為1。調(diào)節(jié)直流電位的幅值則可實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。

2.2 控制策略硬件實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上面的分析，可知該控制策略實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是三角波信號(hào)的獲取，這個(gè)三角波信號(hào)幅度恒定并與逆變器輸出電流同相同頻，實(shí)際上是完成將一個(gè)頻率連續(xù)變化的正弦波轉(zhuǎn)換為三角波的功能。其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。給定正弦波經(jīng)頻率/電壓變換將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，通過(guò)對(duì)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(chǎn)生的三角波具有頻率跟蹤、相位正確、幅度恒定的特點(diǎn)。

圖2 正弦波、三角波變換電路結(jié)構(gòu)

圖3 三角波生成

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證上述的分析，研制了一臺(tái)工作頻率為20kHz的實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)器件，不考慮相位補(bǔ)償，由圖2方法產(chǎn)生的三角波與正弦波有固定的相位差90°。而實(shí)際系統(tǒng)要求三角調(diào)制波的相位與系統(tǒng)的輸出電流同相，解決這一問(wèn)題有兩種方案：一是對(duì)檢測(cè)得到的輸出電流進(jìn)行積分或者微分處理，補(bǔ)償相位差;另一種更直接的方案是采用負(fù)載電路中電容的電壓作為圖2中的給定信號(hào)，該信號(hào)與輸出電流相差90°，滿足系統(tǒng)工作要求。本文的實(shí)驗(yàn)采用后一種方案，如圖3所示，其中相位補(bǔ)償時(shí)間為3μs。圖3、4、5分別是三角波生成，開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和逆變器輸出電壓電流波形。

圖4 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)

圖5 逆變器輸出電壓電流波形

3.結(jié)語(yǔ)

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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行。在控制電路的實(shí)現(xiàn)中，三角調(diào)制波的產(chǎn)生是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本文給出了一種功能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的實(shí)現(xiàn)方法。所有的分析都通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]WU Xunwei，HANG Guoqiang，Massoud Pedram.Low power DC circuits employing AC power supply，SCIENCE IN CHINA（INFORMATION SCIENCES），2002 Vol.45 No.3，232.

[2]陳國(guó)呈.PWM變頻調(diào)速技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]劉瑞新，趙全利，等.單片機(jī)原理及應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4]梅麗風(fēng)，王艷秋，等.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[5]李廣弟，朱月秀，等.單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[6]徐愛(ài)鈞.8051單片機(jī)實(shí)踐教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.