唐雄民，余亞東，李思琪，嚴其林

(廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東廣州510006)

典型調節(jié)方式下串聯諧振供電的DBD型臭氧發(fā)生器負載調節(jié)特性研究

唐雄民，余亞東，李思琪，嚴其林

(廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東廣州510006)

利用介質阻擋放電型(Dielectric Barrier Discharge，DBD)臭氧發(fā)生器的線性化等效電路，得出了串聯諧振供電下DBD型臭氧發(fā)生器系統(tǒng)電路模型，并利用電路模型推導了DBD型臭氧發(fā)生電路的約束方程。基于這些約束方程對DBD型臭氧發(fā)生器在PFM(Pulse Frequency Modulation)、PAM(Pulse Amplitude Modulation)和CLI(Change Load Impedance)三種典型調節(jié)方式下的負載調節(jié)特性進行了理論分析和實驗驗證。理論分析和實驗結果表明，在PAM調節(jié)方式下，DBD型臭氧發(fā)生器負載調節(jié)特性具有良好的線性特性，能實現DBD型臭氧發(fā)生器放電功率的平滑調節(jié)，是一種較為理想的調節(jié)方式。

介質阻擋放電;臭氧發(fā)生器;調節(jié)方式;負載調節(jié)特性

1 引言

臭氧具有極強的氧化能力，是一種強氧化劑和消毒劑，廣泛用于防毒保鮮、除臭凈化、工業(yè)上污染氣體的處理、污水處理和飲用水處理等眾多領域［1，2］。介質阻擋放電法由于其自身的優(yōu)勢，已成為工業(yè)上合成臭氧的主要方法。由于DBD型臭氧發(fā)生器存在放電和未放電兩種工作狀態(tài)［3，4］，且放電和未放電轉換條件與外部條件密切相關，因此可認為工作狀態(tài)下的DBD型臭氧發(fā)生器是一個典型非線性負載。這一特性給DBD型臭氧發(fā)生器負載的調節(jié)特性分析和供電電源設計帶來了極大不便，為此，國內外學者紛紛提出參數連續(xù)型的等效電路［5-10］。這些等效電路的提出在一定程度上給DBD型臭氧發(fā)生器的供電電源設計帶來了便利，但由于沒有得出等效電路的表達式，且未考慮負載在實際工作過程中的參數變化情況，因此這些等效電路只適合研究某一特定工作點的負載特性，難以對DBD型臭氧發(fā)生器負載工作區(qū)域內的負載特性進行分析［5-8］。

國內外學者和筆者曾提出將臭氧發(fā)生器等效為一個與放電功率有關的電阻和容抗串聯的等效模型。該等效模型能在不同工作條件下描述臭氧發(fā)生器的等效電阻和等效電容的變化趨勢，非常適合用于分析臭氧發(fā)生器這類特殊負載的負載調節(jié)特性?；诖耍疚膶⒗迷摰刃Ｐ蛠矸治龅湫驼{節(jié)方式下串聯諧振供電的DBD型臭氧發(fā)生器的負載調節(jié)特性。

2 發(fā)生器的等效電路及驗證

2.1 發(fā)生器的等效電路

文獻［9］認為，當臭氧發(fā)生器工作在穩(wěn)定狀態(tài)時，臭氧發(fā)生器可等效為一個與放電功率有關的電阻和容抗串聯的等效電路，其表達式為:

式中，Rp和Cp為DBD型臭氧發(fā)生器等效電阻和等效電容;P為臭氧發(fā)生器放電功率;aR、bR、aC和bC為與臭氧發(fā)生器電極形狀、阻擋介質材料、發(fā)生管構造和數目等相關的常數。圖1給出了等效電路的示意圖。

圖1 DBD型臭氧發(fā)生器的等效電路Fig．1 Equivalent circuit of ozone generator

2.2 等效電路的驗證

為了驗證上述等效電路，筆者搭建了如圖2所示的串聯負載諧振逆變電源供電的臭氧發(fā)生實驗系統(tǒng)。圖2中，Udc為可調直流電壓，Q1～Q4和D1～D4組成全橋逆變電路，C為隔直電容，Tr為升壓變壓器。臭氧發(fā)生器在額定工作條件下產量為10g/h。

圖2 實驗系統(tǒng)的電路結構Fig．2 Circuit topology of ozone equipment

圖3(a)和圖3(b)分別給出了實驗系統(tǒng)實物圖和DBD型臭氧發(fā)生器的電荷-電壓李莎茹圖形［3］。

圖4(a)和圖4(b)分別給出了不同條件下DBD型臭氧發(fā)生器的比電阻、比電容與比功率的示意圖(比電阻、比電容和比功率的定義分別為Rp/Rmax、Cp/Cmax和P/Pmax，其中P為發(fā)生器的實際放電功率，Pmax為發(fā)生器的額定放電功率，Rmax和Cmax分別為在放電功率Pmax下發(fā)生器的等效電阻和等效電容)。

由圖4可以看出，擬合曲線與實際值的誤差小于5%，因此，可認為將發(fā)生器等效為一個與放電功率有關的電阻和容抗串聯的等效電路是合理并且可行的。

由實驗數據并結合式(1)可得，實驗系統(tǒng)中DBD發(fā)生器等效電阻和電容與放電功率的關系表達式為:

圖3 實驗系統(tǒng)實物圖及李莎茹圖形Fig．3 Photo of experiment equipment and Lissajous figure of ozone generator

圖4 等效電阻和電容與放電功率關系圖Fig．4 Graphs of equivalent risistance，capacitance and discharge power

3 串聯諧振供電下DBD型臭氧發(fā)生系統(tǒng)分析模型

串聯諧振逆變供電電源是最常用的一種DBD型發(fā)生器供電電源［11，12］。采用諧振電路中的基波電路分析方法［11］，可得折算到變壓器副邊的電路模型如圖5所示。

圖5 折算到變壓器副邊的電路模型Fig．5 Circuit model in secondary side of transformer

圖5中，uac為折算到變壓器副邊的逆變器輸出交流基波電壓，LS為變壓器漏抗。

當電路處于諧振狀態(tài)時，電路中的電流為準正弦波，在此條件下結合圖5可得:

式中，ω為臭氧發(fā)生器工作頻率;iR為流過臭氧發(fā)生器電流的基波分量;P為發(fā)生器等效電阻消耗的功率，即發(fā)生器的放電功率。

由于采用了全橋逆變電路，因此有

式中，NTr為變壓器原副邊匝比。

將式(5)和式(3)代入式(4)，并簡化可得:

很顯然，式(6)包含了ω、Udc和LS等變量，因此可采用式(6)對典型調節(jié)方式下串聯諧振供電的DBD型臭氧發(fā)生器負載調節(jié)特性進行分析。

4 PFM方式下負載調節(jié)特性分析

調節(jié)串聯諧振逆變電源的工作頻率，即PFM調節(jié)。PFM調節(jié)主要有感性調制和容性調制兩種狀態(tài)，當諧振逆變電源工作在容性狀態(tài)時，逆變電路的開關管損耗大，負載調節(jié)范圍小;而工作在感性狀態(tài)下時，開關管工作在零電壓狀態(tài)，負載調節(jié)范圍大。因此工業(yè)上這類電源往往工作在感性狀態(tài)下［12］?；谶@一原因，本節(jié)只討論DBD型臭氧發(fā)生器工作在感性狀態(tài)時的調節(jié)特性。

將式(6)變形可得:

對式(7)變形并整理可得:

式中，f為逆變器工作頻率，ω=2πf。

結合圖4和式(8)可以得出，當放電功率P增加時，逆變電路的工作頻率將降低。很顯然，當P達到最大值時，逆變電源將工作在完全諧振狀態(tài)。圖6給出在感性狀態(tài)下工作頻率與放電功率的理論計算與實測數據的曲線圖(二次拋物線)。

圖6 PFM方式下理論計算與實測數據曲線圖Fig．6 Calculation and experiment results in PFM

5 PAM方式下負載調節(jié)特性分析

采用PAM調節(jié)方式時，臭氧發(fā)生器電路往往工作在諧振狀態(tài)或者準諧振狀態(tài)［7-10］，則式(6)可變?yōu)?

由式(2)可推得:

因此式(9)可以簡化為:

從式(11)可知，臭氧發(fā)生器工作在穩(wěn)定狀態(tài)時，放電功率與逆變電壓呈線性關系，即隨著逆變電壓的升高，臭氧發(fā)生器的放電功率增加。圖7給出PAM調節(jié)方式下工作電壓與放電功率的理論計算與實測數據曲線圖。

6 CLI方式下負載調節(jié)特性分析

改變DBD型臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的負載固有阻抗主要方法有兩種，一是改變臭氧發(fā)生器的本體結構，但這種方法難以在實際應用中實現;二是改變諧振電抗數值，這一類實現方法也有兩種:其一是改變變壓器漏抗的數值，其二是在變壓器副邊串接額外的諧振電感。由于變壓器漏抗是由變壓器的繞線方式、磁性材質和具體結構決定，很難在實驗過程改變;而變壓器副邊串接可調的補償電感，須做好耐壓絕緣，具體實施相當復雜，不易在實驗室中實施，因此本節(jié)只在理論上對CLI調節(jié)方式下負載調節(jié)特性進行分析。

對式(6)變形可得:

圖7 PAM方式下理論計算與實測數據曲線圖Fig．7 Calculation and experiment results in PAM

又由式(2)可得:

綜合式(12)和式(13)可得:

式中，aL=ω2kC，其中kC為Cp與P的比值;bL=bC。

由式(14)可知:當發(fā)生器工作在穩(wěn)定狀態(tài)時，LS與放電功率P呈現反比例關系。圖8給出了CLI方式下等效阻抗與放電功率的理論計算曲線圖。

7 不同調節(jié)方式下負載調節(jié)特性分析

圖9給出三種調節(jié)方式下的功率調節(jié)特性歸一化圖。

通過觀察圖9并結合前面章節(jié)的分析結果可以得到:

(1)PAM調節(jié)方式下，DBD型臭氧發(fā)生器的放電功率與逆變電路直流電壓的數值基本成正比，即放電功率隨著逆變電路直流電壓的升高而線性增加。

圖8 CLI方式下理論計算曲線圖Fig．8 Calculation results in CLI

圖9 三種方式下的調節(jié)特性圖Fig．9 Load regulation characteristics in three adjustment strategies

(2)PFM調節(jié)方式下，DBD型臭氧發(fā)生器的放電功率與逆變工作頻率呈現遞減二次函數的特性。采用PFM能比較平緩地調節(jié)DBD型臭氧發(fā)生器的放電功率，但調節(jié)范圍較窄。此外，由于PFM調節(jié)方式是通過改變逆變電路的工作頻率來實現的，這一特點要求升壓變壓器必須能在較寬頻率下工作，勢必增加變壓器體積和成本，且易出現變壓器磁飽和狀況。這是造成PFM調節(jié)方式在實際應用中調節(jié)范圍遠比理論分析的調節(jié)范圍窄的重要原因。

(3)改變諧振電感數值將使負載輸出功率呈現反比例衰減函數特性，當諧振電感較小時，DBD型臭氧發(fā)生器輸出功率大，而當諧振電感數值較大時，DBD型臭氧發(fā)生器輸出功率很小，這一特性非常不適合DBD型臭氧發(fā)生器輸出功率的調節(jié)。而且改變諧振電感LS需要在變壓器副邊串接可調的高壓諧振電感和采用變壓器漏抗可調的新結構，使得諧振電感和變壓器的設計更加復雜(需要解決高壓下的絕緣問題)，極大增加了整個系統(tǒng)成本，因此在實際應用中一般不推薦使用。

(4)PAM調節(jié)方式下，逆變電路工作頻率恒定，且基本工作在諧振點附近，降低了升壓變壓器設計難度。這種調節(jié)方式需要改變逆變器的直流電壓，使系統(tǒng)成本有所上升，但PAM調節(jié)方式下，輸入變量和輸出變量具有良好的線性關系，能實現DBD型臭氧發(fā)生器放電功率的平滑調節(jié)。因此在三種調節(jié)方式中，可以優(yōu)先選擇PAM調節(jié)方式。

8 結論

本文對PAM、PFM和CLI三種典型調節(jié)方式下串聯諧振供電的DBD型臭氧發(fā)生器負載調節(jié)特性進行了研究。通過研究本文獲得以下結果:

(1)對DBD型臭氧發(fā)生器的線性化等效電路進行了驗證;

(2)基于線性化等效電路得到串聯諧振供電下DBD型臭氧發(fā)生系統(tǒng)電路模型;

(3)推導了DBD型臭氧發(fā)生系統(tǒng)電路約束方程;

(4)對DBD型臭氧發(fā)生器在PAM、PFM和CLI的三種典型調節(jié)方式下的負載調節(jié)特性進行了理論分析和實驗驗證;

(5)對于DBD型臭氧發(fā)生器，PAM調節(jié)方式是一種較為理想的調節(jié)方式。

［1］賴斯，涅澤爾(R G Rice，A Netzer)．臭氧技術及應用手冊 (Handbook of ozone technology and applications)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社 (Beijing:China Building Industry Press)，1991．

［2］屠幼萍，王倩，李敏，等(Tu Youping，Wang Qian，Li Min，et al．)．臭氧濃度對HTV硅橡膠材料的老化作用 (Influence of ozone concentration on deterioration of HTV silicon rubber)［J］．電工技術學報 (Transactions of China Electrotechical Society)，2013，28(1):21-28．

［3］徐學基，諸定昌(Xu Xueji，Zhu Dingchang)．氣體放電物理(The gas discharge physics)［M］．上海:復旦大學出版社 (Shanghai:Fudan University Press)，1996．

［4］劉鐘陽，吳彥，王寧會 (Liu Zhongyang，Wu Yan，Wang Ninghui)．DBD型中高頻臭氧發(fā)生器的動態(tài)負載特性(Dynamic load characteristics of a DBD medium/ high frequency ozonizer)［J］．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2002，22(5):61-64，83．

［5］J Marcos Alonso，Jesus Cardesín，Emilio Lopez Corominas，et al．Low-power high-voltage high-frequency power supply for ozone generation［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，2004，40(2):414-421．

［6］Muhammad Amjad，Zainal Salam，Mochammad Facta，et al．A simple and effective method to estimate the model parameters of dielectric barrier discharge ozone chamber［J］．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2012，61(6):1676-1683．

［7］Vijit Kinnares，Prasopchok Hothongkham．Circuit analysis and modeling of a phase-shifted pulsewidth modulation full-bridge-inverter-fed ozone generator with constant applied electrode voltage［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(7):1739-1752．

［8］Alonso J，Ordiz．C，Gacio D，et al．Closed-loop regulated power supply for ozone generation based on buck converter and current-fed push-pull resonant inverter［A］．13th European Conference on Power Electronics and Applications［C］．2009.1-10．

［9］唐雄民，章云，朱燕飛 (Tang Xiongmin，Zhang Yun，Zhu Yanfei)．串聯諧振式介質阻擋臭氧發(fā)生器等效模型及電源特性分析 (Modeling of dielectric barrier discharge type ozonizer and analysis on performance characteristics of serial load resonant power supply for ozonizer)［J］．高電壓技術 (High Voltage Technology)，2012，38(5):1051-1058．

［10］唐雄民，王翠，彭永進 (Tang Xiongmin，Wang Cui，Peng Yongjin)．介質阻擋放電型臭氧發(fā)生器的一種等效模型 (An equivalent model of dielectric-barrier discharge type ozonizer)［J］．電工技術學報(Transactions of China Electrotechical Society)，2009，24(5):220-224，228．

［11］J P Bonaldo，J A Pomilio．Control strategies for high frequency voltage source converter for ozone generation［A］．IEEE International Symposium on Industrial Electronics［C］．2010.754-760．

［12］孟志強，司超，陳燕東 (Meng Zhiqiang，Si Chao，Chen Yandong)．基于移相控制的軟開關臭氧電源(A soft-switching power supply for ozone generation based on phase-shifted control)［J］．湖南大學學報 (自然科學版)(Journal of Hunan University(Natural Sciences))，2012，39(3):53-57．

(，cont．on p.80)(，cont．from p.58)

Research on load regulation characteristics of DBD type ozone generator under typical adjustment strategies

TANG Xiong-min，YU Ya-dong，LI Si-qi，YAN Qi-lin
(School of Automation Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

The circuit analysis model of DBD(Dielectric Barrier Discharge)type ozone generator system，which is powered by serial load resonant inverter，is achieved with the linear equivalent circuit of DBD type ozone generator in this paper．Based on the circuit analysis，the circuit constraint equations of DBD type ozone generator system are derived．The load regulation characteristics of DBD type ozone generator are deduced and validated by experiments under the PFM(Pulse Frequency Modulation)，the PAM(Pulse Amplitude Modulation)，and the CLI(Change Load Impedance)．Theoretical analysis and experimental results show that the discharge power of DBD type ozone generator is nearly proportional to DC voltage of inverter in PAM，the discharge power of DBD type ozone generator is near to quadratic equation with working frequency in PFM，and the discharge power of DBD type ozone generator is nearly in inverse proportion to resonant inductor in CLI．So PAM is a suitable adjustment strategy for DBD type ozone system．

Dielectric Barrier Discharge(DBD);ozone generator;adjustment strategies;load regulation characteristics

TQ123.2

:A

:1003-3076(2015)05-0054-05

2013-11-21

國家自然科學基金青年基金資助項目(51207026)

唐雄民(1977-)，男，湖南籍，副教授，博士，主要研究方向為電力電子電源技術;余亞東(1989-)，男，河南籍，碩士研究生，主要研究方向為電力電子電源技術。