董 潤(rùn) ，秦實(shí)宏 ，孫 超 ，Atuahene Samuel，周 霖

（1.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205；2. 虞城縣供電公司 河南 商丘 476308）

臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，具有殺菌，消毒，脫色等作用，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飲用水的凈化消毒和工業(yè)上的污水處理當(dāng)中，另外，空氣的凈化以及醫(yī)療器械的殺菌消毒等方面，臭氧也發(fā)揮著其巨大的作用。臭氧易于分解無(wú)法儲(chǔ)存，需現(xiàn)場(chǎng)制取現(xiàn)場(chǎng)使用（特殊的情況下可進(jìn)行短時(shí)間的儲(chǔ)存），所以凡是能用到臭氧的場(chǎng)所均需使用臭氧發(fā)生器。早期的臭氧發(fā)生器主要采用工頻升壓方式供電，由于臭氧發(fā)生器的非線性容性負(fù)載的特性，這種電路存在著功率因數(shù)低，向電網(wǎng)注入大量諧波，工作頻率低等缺點(diǎn)。目前臭氧發(fā)生器主要采用升壓方式供電，其具有能耗低，單機(jī)產(chǎn)量高和易于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

在臭氧發(fā)生器的逆變電源中，傳統(tǒng)的PDM調(diào)功控制方式易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，且開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)較小，輸出頻率不變，但由于逆變器輸出功率的頻率不完全等于負(fù)載的自然諧振頻率，使得在需要功率閉環(huán)的場(chǎng)合中，系統(tǒng)容易失控，導(dǎo)致工作時(shí)的穩(wěn)定性不高，并且其功率調(diào)節(jié)特性不理想，呈有級(jí)調(diào)功方式。

本文在分析了PDM調(diào)功原理的基礎(chǔ)上基于臭氧發(fā)生器電源多頻準(zhǔn)諧振逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出PDM與PWM混合控制的策略來(lái)調(diào)整功率輸出，可使PDM有級(jí)調(diào)功的缺點(diǎn)得到緩解，從而使得電源在閉環(huán)系統(tǒng)中的魯棒性得到了提高[1]。

1 脈沖密度調(diào)制的原理

脈沖密度調(diào)制(即PDM)是一種開(kāi)關(guān)脈沖的時(shí)間比率控制方式，采用能良好的進(jìn)行頻率跟蹤的鎖相環(huán)來(lái)跟蹤負(fù)載電流的頻率。傳統(tǒng)的PDM原理如圖1所示。電路滿功率輸出所需要的工作周期T由N個(gè)功率輸出單位構(gòu)成，其中，一個(gè)功率輸出單位相當(dāng)于某個(gè)電量一定的持續(xù)時(shí)間。如圖所示，逆變器在H個(gè)工作單位里連續(xù)向負(fù)載輸出功率TA，在剩下的(N-H)個(gè)功率輸出工作單位則停止工作，即圖中所示的零功率輸出區(qū)域。負(fù)載能量以自然振蕩形式逐漸衰減，則在一個(gè)工作周期T內(nèi)，輸出功率的脈沖密度為H/N。要想調(diào)節(jié)平均輸出功率，可以改變單位時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通脈沖數(shù)的比率。

圖1 脈沖密度調(diào)制原理Fig. 1 Principle of PDM

2 多頻逆變電源中的PDM

在放電結(jié)束后，半周期結(jié)束前，通過(guò)多頻逆變拓?fù)潆娐返碾娏鳛榱?。?dāng)選取的控制方式為PDM時(shí)，因?yàn)槟孀儤蜃陨聿淮嬖诶m(xù)流電路，所以負(fù)載電容上的電壓不能以自然振蕩的形式進(jìn)行衰減，相當(dāng)于電路中沒(méi)有電流流過(guò)，即電流值為零。由于電路無(wú)法給鎖相環(huán)提供負(fù)載電流的頻率，所以當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)到輸出功率狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)失控發(fā)生的可能性就大大提高了。鎖相環(huán)能良好的進(jìn)行頻率跟蹤，改善了PDM穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。若讓負(fù)載回路在零功率輸出期間存在電流，則PDM就可以控制系統(tǒng)。

文中所采用的方法跟以往單獨(dú)用PDM或PWM不同，用的是脈沖均勻密度調(diào)制方法與脈沖寬度調(diào)制方法相結(jié)合的控制策略，即PDM與PWM兩者共同承擔(dān)功率調(diào)節(jié)，這樣，功率的輸出就是由脈沖密度、脈沖寬度和 Q5Q6的導(dǎo)通占空比D來(lái)進(jìn)行控制的。在功率輸出期間，由PDM和PWM共同調(diào)整脈寬輸出功率，實(shí)現(xiàn)了兩者的結(jié)合。在零功率輸出期間，PWM的作用是維持電流的持續(xù)，這樣就保證了不會(huì)因單獨(dú)采用PDM而造成斷流[2-5]。如果是相同功率調(diào)節(jié)量的情況，則脈沖密度與寬度是同時(shí)變化的，這樣就保證了在一定程度上可以改善PDM的電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使PDM和PWM在不同脈沖密度級(jí)之間變化，因此可以緩解PDM的有級(jí)調(diào)功的缺點(diǎn)，這樣就提高了系統(tǒng)的工作效率，使功率調(diào)節(jié)特性趨于理想化，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在臭氧發(fā)生器多頻逆變電源中，多頻逆變拓?fù)湓诜烹娊Y(jié)束后，半周期結(jié)束前電路電流為零，由于逆變橋不存在續(xù)流電路，這樣就使得PDM在對(duì)多頻逆變電源進(jìn)行功率調(diào)制時(shí)，一個(gè)工作單位周期內(nèi)只存在兩個(gè)工作模態(tài)，卻沒(méi)有續(xù)流的過(guò)程，這樣系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生斷流的現(xiàn)象，穩(wěn)定性大大降低。其工作過(guò)程如圖2～4所示。

圖2 多頻逆變電源PDM模態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig. 2 PDM modal topology structure of multi-frequency inverter power supply

圖3 多頻逆變電源PDM模態(tài)aFig. 3 PDM modal a of multi-frequency inverter power supply

圖4 多頻逆變電源PDM模態(tài)bFig. 4 PDM modal b of multi-frequency inverter power supply

圖2～4為多頻逆變電源在PDM調(diào)制下的工作模態(tài)。圖2為多頻逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖3和圖4分別為PDM的兩個(gè)工作模態(tài)a和b。

1)模態(tài)a分析

如圖3所示，D1、D4正向?qū)?，Q1、Q4、Q6零電流導(dǎo)通，電源接通時(shí)，由于電容C'Z上存在反向電壓-U'cz，這樣就使得D6處于反向截止?fàn)顟B(tài)，Q6中通過(guò)的電流為零。電源UE經(jīng)過(guò)D1、Q1、Q4、D4向電感LS、電容C'Z以及發(fā)生器組成的串聯(lián)電路供電，諧振電流i對(duì)C'Z和發(fā)生器等效電容充電，當(dāng)C'Z兩端電壓U'CZ由-U'CZ上升至0后，D6正偏自然導(dǎo)通，這樣就造成C'Z被短接，其脫離了主電路。電源UE經(jīng)D1、Q1、Q6、D6、Q4、D4向LS和發(fā)生器組成的串聯(lián)電路供電。當(dāng)氣隙電壓上升到擊穿電壓UZ時(shí)，氣隙擊穿并開(kāi)始放電。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，Q6零電壓關(guān)斷，C'Z再次接入電路參與諧振直到發(fā)生器氣隙放電結(jié)束，電路電流為0，等待下一模態(tài)到來(lái)。

2)模態(tài)b分析

如圖4所示，D2、D3正向?qū)?，Q2、Q3、Q5零電流導(dǎo)通，電源接通時(shí)，由于電容C'Z上存在正向電壓U'CZ，這樣就使得D5處于反向截止?fàn)顟B(tài)，Q5中通過(guò)的電流為零。電源UE經(jīng)過(guò)D2、Q2、Q3、D3向電感LS、電容C'Z以及發(fā)生器組成的串聯(lián)電路供電，諧振電流i對(duì)C'Z和發(fā)生器等效電容充電，當(dāng)C'z兩端電壓U'cz由U'cz下降至0后，D5正偏自然導(dǎo)通，這樣就造成C'Z被短接，其脫離了主電路。電源UE經(jīng)D2、Q2、Q3、D3、Q5、D5向LS和發(fā)生器組成的串聯(lián)電路供電。氣隙電壓下降到反向擊穿電壓—UZ，氣隙擊穿并開(kāi)始放電。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，Q5零電壓關(guān)斷，C'Z再次接入電路參與諧振直到發(fā)生器氣隙放電結(jié)束，電路電流為0，等待下一模態(tài)到來(lái)[6]。

由上述的模態(tài)分析我們可以得出PDM控制的不足之處，由于Q1～Q4屬于零電流導(dǎo)通，而Q5，Q6不屬于零電流導(dǎo)通，所以在PDM控制的情況下，逆變電源只能工作在兩個(gè)橋臂的交替工作當(dāng)中，并且在換臂的過(guò)程當(dāng)中，電路中的電流為零，且在Q5，Q6占空比一定的情況下，系統(tǒng)的輸出功率由Q1～Q6的導(dǎo)通時(shí)間所決定，即系統(tǒng)是由PWM來(lái)控制實(shí)現(xiàn)的，這樣彌補(bǔ)了PDM控制的不足，使得系統(tǒng)的工作效率得到了提高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也進(jìn)一步增強(qiáng)。

為了保證電流的延續(xù)，在零功率輸出單元時(shí)，需要以較小脈寬的脈沖分別觸發(fā)Q1、Q4和Q2、Q3，使得電流得以維持在較小的工作狀態(tài)。同時(shí)，將臭氧發(fā)生器的氣隙電壓保證在擊穿電壓UZ以下，這樣就保證了臭氧發(fā)生器電源的氣隙可以處于未擊穿狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生放電功率消耗[7-10]，大大提高了工作效率。為了保證在零功率輸出單元電路電流保持持續(xù)的狀態(tài)，需要將PWM脈寬限制在臭氧發(fā)生器氣隙電壓達(dá)到擊穿電壓UZ所需最短的脈寬以下。

3 仿真模型的建立

應(yīng)用MATLAB建立的多頻準(zhǔn)諧振逆變電源的仿真系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 多頻逆變電源的MATLAB仿真系統(tǒng)Fig. 5 MATLAB simulation system of multi-frequency inverter power supply

4 結(jié) 論

文中將傳統(tǒng)脈沖密度調(diào)制與脈沖均勻密度調(diào)制作了對(duì)比，根據(jù)其各自特點(diǎn)以及臭氧發(fā)生器逆變電源中需要閉環(huán)調(diào)節(jié)功率的要求，提出了脈沖均勻PDM和PWM相結(jié)合的控制策略，并建立了仿真模型，采用這樣的方法大大提高了系統(tǒng)的工作效率。

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