基于频率跟踪型PWM控制的臭氧发生器电源的设计

程怡安 王忠庆

【摘要】该设计提出了一种臭氧发生器电源的设计。本次设计通过收集近些年来各个领域对臭氧发生器的研究成果，从发生器的形状，电介质等方面开始研究，依次计算出各个功能模块的额定工作电压与电流，从而确定系统的各个元件的最终数值以及类型，提出了一个具体的电路模型。在设计的每一步，都考虑到功率损耗的问题，因此，该设计能满足臭氧发生器电源大功率，高性能高稳定性，高效率的要求。

【关键词】臭氧发生器电源;IGBT;高频变压器

1.引言

臭氧的应用基础是其极强的氧化能力与杀菌能力。臭氧的应用按其作用分类，可分为：杀菌、脱色、脱臭、脱味及氧化分解.按其应用领域分，主要应用在以下领域：水处理;食品加工、存储、保鲜;家用电器;医疗卫生;化学氧化。我国从20世纪80初期，已开始采用臭氧对饮用水消毒和工业废水深度处理予以注意，但发展较慢.在我国目前的城市供水中，绝大多数水厂均采用混凝、沉淀、过滤、消毒的处理工艺，其中消毒工艺主要采用氯气和漂白粉，使用臭氧的比例很低。同时，将臭氧应用于冷却水处理方面的实践，也还刚刚开始。但由于臭氧法处理的经济性、可靠性及绝对无毒、无二次污染等一系列优点，可以预言，臭氧在我国也必将得到普及。因此对臭氧发生器这个主题的研究变得非常重要。

注：（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1 新型PWM控制策略

2.基于频率跟踪型PWM控制的臭氧发生器电源的研究

2.1 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1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1（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1（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1（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[1]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[2]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1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。

2.2 控制策略硬件实现

通过上面的分析，可知该控制策略实现的关键是三角波信号的获取，这个三角波信号幅度恒定并与逆变器输出电流同相同频，实际上是完成将一个频率连续变化的正弦波转换为三角波的功能。其硬件结构示意图如图2所示。给定正弦波经频率/电压变换将频率信号转换为电平信号，通过对电容的充放电得到三角波。为了获得双极性三角波，该电路中由双电源工作的555电路完成反馈功能。这种变换电路产生的三角波具有频率跟踪、相位正确、幅度恒定的特点。

图2 正弦波、三角波变换电路结构

图3 三角波生成

2.3 实验结果

为了验证上述的分析，研制了一台工作频率为20kHz的实验装置。系统主电路的整流部分采用三相不控整流，逆变部分采用IGBT作为开关器件，不考虑相位补偿，由图2方法产生的三角波与正弦波有固定的相位差90°。而实际系统要求三角调制波的相位与系统的输出电流同相，解决这一问题有两种方案：一是对检测得到的输出电流进行积分或者微分处理，补偿相位差;另一种更直接的方案是采用负载电路中电容的电压作为图2中的给定信号，该信号与输出电流相差90°，满足系统工作要求。本文的实验采用后一种方案，如图3所示，其中相位补偿时间为3μs。图3、4、5分别是三角波生成，开关管的驱动信号和逆变器输出电压电流波形。

图4 开关管驱动信号

图5 逆变器输出电压电流波形

3.结语

新型PWM控制策略成功地满足了臭氧发生电源频率跟踪的要求。这种控制策略性能优越，逻辑明了，实现简单易行。在控制电路的实现中，三角调制波的产生是一个关键问题，本文给出了一种功能稳定、结构简单、价格便宜的实现方法。所有的分析都通过实验结果加以验证。

参考文献

[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]陈国呈.PWM变频调速技术[M].北京：机械工业出版社，1999.

[3]刘瑞新，赵全利，等.单片机原理及应用教程[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4]梅丽风，王艳秋，等.单片机原理及接口技术[M].北京：清华大学出版社，2004.

[5]李广弟，朱月秀，等.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[6]徐爱钧.8051单片机实践教程[M].北京：电子工业出版社，2001.