袁發(fā)庭，秦實宏，姚湘陵

（武漢工程大學電氣信息學院，湖北武漢 430205）

DBD型臭氧發(fā)生器逆變電源基波等效電路

袁發(fā)庭，秦實宏，姚湘陵

（武漢工程大學電氣信息學院，湖北武漢 430205）

簡要分析介質阻擋放電（DBD）型臭氧發(fā)生器逆變電路的基本原理，逆變電路采用全橋移相PWM控制技術，DBD型臭氧發(fā)生器負載電路存在充電和放電兩種模態(tài)，電源模態(tài)與電路模態(tài)相互作用使電路的工作模態(tài)復雜。本文在分析容性控制下全橋串聯負載諧振式DBD型臭氧發(fā)生器供電電路的基礎上，得到逆變電路在容性狀況下的動態(tài)電氣特性，基于逆變器輸出電流接近正弦波這一特性，提出了DBD型臭氧發(fā)生器基波等效電路分析方法。通過Matlab／Simulink建立了仿真模型，與理論結果進行對比分析，仿真結果和理論分析結果驗證了用基波等效電路設計臭氧發(fā)生器供電電源的可行性，為設計高效率的DBD型臭氧發(fā)生器逆變電源提供了理論基礎。

介質阻擋放電；臭氧發(fā)生器；基波等效電路；matlab

0 引言

臭氧作為一種強氧化劑，具有消毒，殺菌，脫色等作用，現已廣泛應用于食用水的凈化消毒和工業(yè)污水處理，空氣凈化及煙道氣體中有毒物質的去除，醫(yī)療器具的消毒殺菌等方面。目前，合成臭氧的方法采用介質阻擋放電，具有能耗低，單機產量高和易于工業(yè)現場生產等優(yōu)點［1－2］。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載特性，這種電路存在功率因數低、向電網注入大量諧波［3］、工作頻率低和難以大功率等缺點。

目前，國內外研究串聯諧振式介質阻擋放電（DBD）型臭氧發(fā)生器供電電源主要集中在控制方面，沒有對DBD型臭氧發(fā)生器工作的各個模態(tài)進行分析，然而，對DBD負載特性特有的充電和放電模態(tài)的分析對合理設計和優(yōu)化供電電源參數具有很重要的意義。本文分析了DBD型臭氧發(fā)生器逆變電源的基本原理，將供電電源等效為正弦波電流源［4］，同時深入分析了各種模態(tài)的動態(tài)特性，提出了正弦波電流供電的基波等效電路，對串聯諧振式DBD型臭氧發(fā)生器逆變電源的設計具有重要意義。

1 DBD型臭氧發(fā)生器逆變電路的拓撲結構

圖1為DBD臭氧發(fā)生器主電路原理圖，主要由整流電路、濾波電路、逆變電路、緩沖電路、隔直電容、補償電感和中頻變壓器組成。整流電路采用三相橋式二極管不控整流電路，克服了晶閘管相控整流方式下網側功率因素低和動態(tài)響應慢的缺點，通過電容C濾波，為逆變電路提供平滑的直流電壓Ud，逆變器采用單相橋式逆變電路，R、C、D作為緩沖補償電路，減少開關器件損耗，Cz為隔直電容，防止變壓器偏磁，Ls為補償電感，與臭氧發(fā)生器的負載等效電容構成諧振回路。

為了提高逆變器輸出功率因素，驅動信號頻率略高于諧振頻率，電流從正半波經過零之前關斷VT1和VT4，通過VT1和VT4的電流IAB換相流過二極管VD2和VD3，當VD2和VD3導通后，再觸發(fā)VT2和VT3，這時VT2和VT3由于VD2和VD3的導通而承受負偏壓［5］。當i過零反相后，VT2和VT3以零電壓導通，VD2和VD3隨后截止，下半周期工作原理相同，使開關管以零電壓（ZVS）導通，較少高頻開關損耗，提高了逆變器輸出效率。

圖1 DBD臭氧發(fā)生器主電路原理圖

圖2 全橋移相逆變電路驅動波形和輸出波形

逆變電路采用全橋移相PWM控制技術，電壓型全橋逆變電路通過控制4個開關管的通斷順序和通斷時間，調節(jié)占空比可以方便地調節(jié)輸出電壓，逆變電路驅動波形和輸出波形如圖2所示，VT1和VT2為基準橋臂，VT3和VT4組成滯后橋臂［6－7］，每個橋臂的兩個開關管互補180°，兩個橋臂的導通之間相差一定的相位φ，改變移相角的大小，來調節(jié)輸出脈沖的寬度，控制輸出功率。

2 正弦波電流供電負載動態(tài)特性及基波等效電路分析

2.1 正弦波電流供電負載動態(tài)特性分析

為簡化分析，介質電容Cd，氣隙電容Cg，補償電感L為折合到變壓器原邊，圖3為折合到原邊的串聯諧振式電路，忽略了在實際情況中的各種損耗，逆變電源輸出電壓大于Uz，臭氧發(fā)生器氣隙電容Cg被擊穿。

主電路采用電壓型全橋逆變電路，逆變電橋有兩種模態(tài)，電源供電和電橋環(huán)流，DBD臭氧發(fā)生器電路也有兩種模態(tài)，間隙放電和間隙不放電［8］，組合共有4種模態(tài)，供電—充電，供電—放電，環(huán)流—充電，供電—充電模態(tài)。

模式1供電—充電模式，區(qū)間為（0－θ）。

在wt＝0時刻，對間隙電容Cg充電，穩(wěn)壓二極管相當于開路，等效電路如圖4所示。

圖3 折合到原邊的移相全橋串聯諧振電路

圖4 供電—充電模式等效電路圖

模式2供電—放電模式，區(qū)間為（θ－π）。

在ωt＝θ時刻時，氣隙被擊穿，間隙電容電壓Ucg（0）＝－Uz，在（θ－π）區(qū)間內，iz（t）＝Imsinωt，icg（t）＝0，間隙電容兩端的電壓為：

模式3環(huán)流—充電模式，區(qū)間為（π－π＋θ）。

間隙電容兩端電壓為：

模式4環(huán)流—充電模式，區(qū)間為（π＋θ－2π）。

在ωt＝π＋θ時刻時，氣隙被擊穿，間隙電容電壓Ucg（t）＝－Uz，在（π＋θ－2π）區(qū)間內，iz（t）＝Imsinωt，icg（t）＝0，間隙電容兩端的電壓為：

ucg（t）＝－Uz。（4）

間隙放電電壓Ucg是一個周期函數，如式（5），可分解為傅里葉級數形式［9］，能力大部分集中在基頻處，

2.2 DBD型臭氧發(fā)生器基波等效電路分析

圖5 DBD臭氧放電基波等效電路

DBD型臭氧發(fā)生器基波等效電路如圖5所示［10］，氣隙電容可等效為非線性電阻Rg和非線性容抗Xg，Rg計算見式（6），Xg計算見式（7），間隙電容承受的電壓為Uz，其中令β＝Cg／Cd。

式中，在供電—充電模式中的電角度θ為式（8），λ的取值范圍為0～1。

工作頻率f與功率因素角φ，系數λ的關系為：

由于電路工作在諧振狀態(tài)，逆變器輸出的有功功率全部消耗在電阻上，輸出功率可表示為：

發(fā)生器承受的峰值電壓Up為：

3 仿真結果與理論計算結果分析

采用三相交流220 V電壓供電，變壓器變比n＝5；諧振電感Ls＝28 mH，移相角φ＝1.250°，介質電容Cd＝0.383 6 F，間隙電容Cg＝0.158 2 F，間隙擊穿電壓為Uz＝1.510 kV，在該參數下的仿真結果，發(fā)生器模型中省略了變壓器建模，發(fā)生器的結構參數均折合到變壓器原邊的參數，控制電路采用移相PWM控制技術，DBD型臭氧發(fā)生器Matlab仿真模型如圖6所示。

圖6 DBD型臭氧發(fā)生器仿真模型

圖7 負載電流i和發(fā)生器端電壓UAB仿真波形

仿真結果如圖7所示，上半部分為負載電流i的波形，下部分為發(fā)生器端電壓UAB的波形。

為了便于分析，將誤差SSE定義為：

式中，x為仿真結果，y為理論計算結果，研究方法的分析比較結果見表1。

由表1可知：Simulink軟件仿真結果與基波等效電路的理論結果（工作頻率f，負載電流的幅值Im，發(fā)生器峰值電壓Up，直流輸出功率Pout）的誤差均較小。

表1 研究方法的分析結果比較

4 結束語

針對DBD型臭氧發(fā)生器非線性容性負載特性，分析了移相全橋串聯諧振DBD電路的各個模態(tài)和電氣參數特性，采用基波等效法分析電路。通過Matlab仿真分析法與基波等效電路理論結果比較，工作頻率、發(fā)生器端電壓、直流輸出功率的誤差小于10%，研究結果表明：高效率DBD型臭氧發(fā)生器逆變電源采用正弦電流基波等效電路是可行的。

參考文獻：

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TM 131

A

1672－6871（2014）01－0036－05

國家自然科學基金項目（51207117；61271363）

袁發(fā)庭（1988－），男，湖北安陸人，碩士生；秦實宏（1964－），男，湖北漢川人，教授，博士，碩士生導師，研究方向為電工理論新技術、智能電器.

2013－01－07