典型调节方式下串联谐振供电的DBD型臭氧发生器负载调节特性研究

唐雄民，余亚东，李思琪，严其林

(广东工业大学自动化学院，广东广州510006)

典型调节方式下串联谐振供电的DBD型臭氧发生器负载调节特性研究

唐雄民，余亚东，李思琪，严其林

(广东工业大学自动化学院，广东广州510006)

利用介质阻挡放电型(Dielectric Barrier Discharge，DBD)臭氧发生器的线性化等效电路，得出了串联谐振供电下DBD型臭氧发生器系统电路模型，并利用电路模型推导了DBD型臭氧发生电路的约束方程。基于这些约束方程对DBD型臭氧发生器在PFM(Pulse Frequency Modulation)、PAM(Pulse Amplitude Modulation)和CLI(Change Load Impedance)三种典型调节方式下的负载调节特性进行了理论分析和实验验证。理论分析和实验结果表明，在PAM调节方式下，DBD型臭氧发生器负载调节特性具有良好的线性特性，能实现DBD型臭氧发生器放电功率的平滑调节，是一种较为理想的调节方式。

介质阻挡放电;臭氧发生器;调节方式;负载调节特性

1 引言

臭氧具有极强的氧化能力，是一种强氧化剂和消毒剂，广泛用于防毒保鲜、除臭净化、工业上污染气体的处理、污水处理和饮用水处理等众多领域［1，2］。介质阻挡放电法由于其自身的优势，已成为工业上合成臭氧的主要方法。由于DBD型臭氧发生器存在放电和未放电两种工作状态［3，4］，且放电和未放电转换条件与外部条件密切相关，因此可认为工作状态下的DBD型臭氧发生器是一个典型非线性负载。这一特性给DBD型臭氧发生器负载的调节特性分析和供电电源设计带来了极大不便，为此，国内外学者纷纷提出参数连续型的等效电路［5-10］。这些等效电路的提出在一定程度上给DBD型臭氧发生器的供电电源设计带来了便利，但由于没有得出等效电路的表达式，且未考虑负载在实际工作过程中的参数变化情况，因此这些等效电路只适合研究某一特定工作点的负载特性，难以对DBD型臭氧发生器负载工作区域内的负载特性进行分析［5-8］。

国内外学者和笔者曾提出将臭氧发生器等效为一个与放电功率有关的电阻和容抗串联的等效模型。该等效模型能在不同工作条件下描述臭氧发生器的等效电阻和等效电容的变化趋势，非常适合用于分析臭氧发生器这类特殊负载的负载调节特性。基于此，本文将利用该等效模型来分析典型调节方式下串联谐振供电的DBD型臭氧发生器的负载调节特性。

2 发生器的等效电路及验证

2.1 发生器的等效电路

文献［9］认为，当臭氧发生器工作在稳定状态时，臭氧发生器可等效为一个与放电功率有关的电阻和容抗串联的等效电路，其表达式为:

式中，Rp和Cp为DBD型臭氧发生器等效电阻和等效电容;P为臭氧发生器放电功率;aR、bR、aC和bC为与臭氧发生器电极形状、阻挡介质材料、发生管构造和数目等相关的常数。图1给出了等效电路的示意图。

图1 DBD型臭氧发生器的等效电路Fig．1 Equivalent circuit of ozone generator

2.2 等效电路的验证

为了验证上述等效电路，笔者搭建了如图2所示的串联负载谐振逆变电源供电的臭氧发生实验系统。图2中，Udc为可调直流电压，Q1～Q4和D1～D4组成全桥逆变电路，C为隔直电容，Tr为升压变压器。臭氧发生器在额定工作条件下产量为10g/h。

图2 实验系统的电路结构Fig．2 Circuit topology of ozone equipment

图3(a)和图3(b)分别给出了实验系统实物图和DBD型臭氧发生器的电荷-电压李莎茹图形［3］。

图4(a)和图4(b)分别给出了不同条件下DBD型臭氧发生器的比电阻、比电容与比功率的示意图(比电阻、比电容和比功率的定义分别为Rp/Rmax、Cp/Cmax和P/Pmax，其中P为发生器的实际放电功率，Pmax为发生器的额定放电功率，Rmax和Cmax分别为在放电功率Pmax下发生器的等效电阻和等效电容)。

由图4可以看出，拟合曲线与实际值的误差小于5%，因此，可认为将发生器等效为一个与放电功率有关的电阻和容抗串联的等效电路是合理并且可行的。

由实验数据并结合式(1)可得，实验系统中DBD发生器等效电阻和电容与放电功率的关系表达式为:

图3 实验系统实物图及李莎茹图形Fig．3 Photo of experiment equipment and Lissajous figure of ozone generator

图4 等效电阻和电容与放电功率关系图Fig．4 Graphs of equivalent risistance，capacitance and discharge power

3 串联谐振供电下DBD型臭氧发生系统分析模型

串联谐振逆变供电电源是最常用的一种DBD型发生器供电电源［11，12］。采用谐振电路中的基波电路分析方法［11］，可得折算到变压器副边的电路模型如图5所示。

图5 折算到变压器副边的电路模型Fig．5 Circuit model in secondary side of transformer

图5中，uac为折算到变压器副边的逆变器输出交流基波电压，LS为变压器漏抗。

当电路处于谐振状态时，电路中的电流为准正弦波，在此条件下结合图5可得:

式中，ω为臭氧发生器工作频率;iR为流过臭氧发生器电流的基波分量;P为发生器等效电阻消耗的功率，即发生器的放电功率。

由于采用了全桥逆变电路，因此有

式中，NTr为变压器原副边匝比。

将式(5)和式(3)代入式(4)，并简化可得:

很显然，式(6)包含了ω、Udc和LS等变量，因此可采用式(6)对典型调节方式下串联谐振供电的DBD型臭氧发生器负载调节特性进行分析。

4 PFM方式下负载调节特性分析

调节串联谐振逆变电源的工作频率，即PFM调节。PFM调节主要有感性调制和容性调制两种状态，当谐振逆变电源工作在容性状态时，逆变电路的开关管损耗大，负载调节范围小;而工作在感性状态下时，开关管工作在零电压状态，负载调节范围大。因此工业上这类电源往往工作在感性状态下［12］。基于这一原因，本节只讨论DBD型臭氧发生器工作在感性状态时的调节特性。

将式(6)变形可得:

对式(7)变形并整理可得:

式中，f为逆变器工作频率，ω=2πf。

结合图4和式(8)可以得出，当放电功率P增加时，逆变电路的工作频率将降低。很显然，当P达到最大值时，逆变电源将工作在完全谐振状态。图6给出在感性状态下工作频率与放电功率的理论计算与实测数据的曲线图(二次抛物线)。

图6 PFM方式下理论计算与实测数据曲线图Fig．6 Calculation and experiment results in PFM

5 PAM方式下负载调节特性分析

采用PAM调节方式时，臭氧发生器电路往往工作在谐振状态或者准谐振状态［7-10］，则式(6)可变为:

由式(2)可推得:

因此式(9)可以简化为:

从式(11)可知，臭氧发生器工作在稳定状态时，放电功率与逆变电压呈线性关系，即随着逆变电压的升高，臭氧发生器的放电功率增加。图7给出PAM调节方式下工作电压与放电功率的理论计算与实测数据曲线图。

6 CLI方式下负载调节特性分析

改变DBD型臭氧发生器系统的负载固有阻抗主要方法有两种，一是改变臭氧发生器的本体结构，但这种方法难以在实际应用中实现;二是改变谐振电抗数值，这一类实现方法也有两种:其一是改变变压器漏抗的数值，其二是在变压器副边串接额外的谐振电感。由于变压器漏抗是由变压器的绕线方式、磁性材质和具体结构决定，很难在实验过程改变;而变压器副边串接可调的补偿电感，须做好耐压绝缘，具体实施相当复杂，不易在实验室中实施，因此本节只在理论上对CLI调节方式下负载调节特性进行分析。

对式(6)变形可得:

图7 PAM方式下理论计算与实测数据曲线图Fig．7 Calculation and experiment results in PAM

又由式(2)可得:

综合式(12)和式(13)可得:

式中，aL=ω2kC，其中kC为Cp与P的比值;bL=bC。

由式(14)可知:当发生器工作在稳定状态时，LS与放电功率P呈现反比例关系。图8给出了CLI方式下等效阻抗与放电功率的理论计算曲线图。

7 不同调节方式下负载调节特性分析

图9给出三种调节方式下的功率调节特性归一化图。

通过观察图9并结合前面章节的分析结果可以得到:

(1)PAM调节方式下，DBD型臭氧发生器的放电功率与逆变电路直流电压的数值基本成正比，即放电功率随着逆变电路直流电压的升高而线性增加。

图8 CLI方式下理论计算曲线图Fig．8 Calculation results in CLI

图9 三种方式下的调节特性图Fig．9 Load regulation characteristics in three adjustment strategies

(2)PFM调节方式下，DBD型臭氧发生器的放电功率与逆变工作频率呈现递减二次函数的特性。采用PFM能比较平缓地调节DBD型臭氧发生器的放电功率，但调节范围较窄。此外，由于PFM调节方式是通过改变逆变电路的工作频率来实现的，这一特点要求升压变压器必须能在较宽频率下工作，势必增加变压器体积和成本，且易出现变压器磁饱和状况。这是造成PFM调节方式在实际应用中调节范围远比理论分析的调节范围窄的重要原因。

(3)改变谐振电感数值将使负载输出功率呈现反比例衰减函数特性，当谐振电感较小时，DBD型臭氧发生器输出功率大，而当谐振电感数值较大时，DBD型臭氧发生器输出功率很小，这一特性非常不适合DBD型臭氧发生器输出功率的调节。而且改变谐振电感LS需要在变压器副边串接可调的高压谐振电感和采用变压器漏抗可调的新结构，使得谐振电感和变压器的设计更加复杂(需要解决高压下的绝缘问题)，极大增加了整个系统成本，因此在实际应用中一般不推荐使用。

(4)PAM调节方式下，逆变电路工作频率恒定，且基本工作在谐振点附近，降低了升压变压器设计难度。这种调节方式需要改变逆变器的直流电压，使系统成本有所上升，但PAM调节方式下，输入变量和输出变量具有良好的线性关系，能实现DBD型臭氧发生器放电功率的平滑调节。因此在三种调节方式中，可以优先选择PAM调节方式。

8 结论

本文对PAM、PFM和CLI三种典型调节方式下串联谐振供电的DBD型臭氧发生器负载调节特性进行了研究。通过研究本文获得以下结果:

(1)对DBD型臭氧发生器的线性化等效电路进行了验证;

(2)基于线性化等效电路得到串联谐振供电下DBD型臭氧发生系统电路模型;

(3)推导了DBD型臭氧发生系统电路约束方程;

(4)对DBD型臭氧发生器在PAM、PFM和CLI的三种典型调节方式下的负载调节特性进行了理论分析和实验验证;

(5)对于DBD型臭氧发生器，PAM调节方式是一种较为理想的调节方式。

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(，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

国家自然科学基金青年基金资助项目(51207026)

唐雄民(1977-)，男，湖南籍，副教授，博士，主要研究方向为电力电子电源技术;余亚东(1989-)，男，河南籍，硕士研究生，主要研究方向为电力电子电源技术。