李明睿 朱天宇 彭陽陽

（河海大學(xué)，常州 213022）

0 引言

臭氧具有很強的氧化性，殺菌消毒和污染物質(zhì)去除作用，在國外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。臭氧應(yīng)用按用途分為四類：水處理，化學(xué)氧化，食品加工與醫(yī)療。美國食品和藥物管理局（FDA）已經(jīng)認定臭氧為可直接與食品接觸的物質(zhì)。國外臭氧作為凈化劑或氧化劑應(yīng)用在工業(yè)及凈水制造業(yè)及倉庫食品、物品防霉保鮮上已有近百年歷史。因此，研究和開發(fā)高效臭氧發(fā)生器有很大的經(jīng)濟價值和社會價值。

目前，介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）方法已經(jīng)成為工業(yè)上生產(chǎn)臭氧氣體的主要方法，高頻（＞1kHz）逆變電源是臭氧發(fā)生器主要部分之一。早期臭氧發(fā)生器逆變電源存在抗干擾性差，易老化，電能損耗大，頻率及功率不可調(diào)的缺點。本文旨在在CF-G-3-1K型臭氧發(fā)生器的基礎(chǔ)上，對原有的臭氧發(fā)生器逆變電源進行重新設(shè)計，以數(shù)字信號處理器（DSP）為臭氧發(fā)生器逆變電源主體控制器件，采用軟件與硬件結(jié)合的設(shè)計方法，實現(xiàn)臭氧發(fā)生器逆變電源ZVZCS軟開關(guān)，以及臭氧發(fā)生器電源系統(tǒng)的數(shù)字化控制和數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）頻率跟蹤。仿真分析證明了基于DSP控制的臭氧發(fā)生器的合理性。

1 DBD型臭氧發(fā)生器等效負載及主電路

1.1 負載特性

采用DBD法產(chǎn)生臭氧的原理如圖1所示，

圖1 DBD法產(chǎn)生臭氧示意圖

CF-G-3-1K型臭氧發(fā)生器采用雙放電氣隙結(jié)構(gòu)臭氧發(fā)生管，內(nèi)外間隙一般均在0.5～1.0mm范圍內(nèi)，內(nèi)外間隙之和在1.5mm～1.7mm之間，此臭氧發(fā)生器單管產(chǎn)量設(shè)計為50g/h。

DBD型臭氧發(fā)生器是在臭氧發(fā)生管上施加足夠高的電壓，當(dāng)達到氣體的擊穿場強時，兩電極之間的氣體擊穿并放電，即介質(zhì)阻擋放電。由于DBD電路存在阻擋介質(zhì)部分和放電間隙部分，因此其放電現(xiàn)象較一般放電現(xiàn)象有不同之處。

圖2 放電前后臭氧發(fā)生管等效電路圖

在外加電壓沒有達到放電的起始電壓時，兩電極之間電容等效為介質(zhì)電容Cd和氣隙電容Cg的串聯(lián)如圖2-（a）；當(dāng)放電發(fā)生時，氣隙間有放電電流出現(xiàn)，氣隙不再表現(xiàn)為恒定電容，氣體放電的負載特性是非線性電阻，如圖2-（b）所示，此時可以將放電間隙等效為一個固定壓降的齊納二極管如圖2-（c），用Uz表示。

1.2 主電路

臭氧發(fā)生器逆變電源主要由逆變主回路和逆變控制驅(qū)動電路組成。如圖3所示逆變主回路經(jīng)由整流濾波部分，逆變升壓部分組成。逆變電源輸入為ABC三相380V交流電，經(jīng)過三相不控整流及LC濾波后，再經(jīng)過串聯(lián)諧振式單相全橋DC/AC逆變電路輸出高頻交流電，由變壓器升壓后加載在臭氧發(fā)生管上。逆變器主開關(guān)器件Q1～Q4為IGBT，Ls為串聯(lián)補償電感，Ldc，Cdc為濾波電感電容。

圖3 逆變電源主回路

對于采用DBD技術(shù)的臭氧發(fā)生器，實際氣源、氣體流速、溫度、濕度條件可定，因此，臭氧產(chǎn)量的實際決定因素是放電功率。對于交流正弦供電，放電平均功率可按式（1）計算：

式中：P為臭氧發(fā)生元件放電功率，單位：W；Us為打火電壓，單位：V；f為臭氧發(fā)生器工作頻率，單位：Hz；Uo為峰值驅(qū)動電壓，單位：V。對于單根臭氧發(fā)生管，由于Cd，Cg，Us均一定，因此在相同的峰值驅(qū)動電壓Uo作用下，放電平均功率僅與發(fā)生器的工作頻率f成正比，即供電頻率越高，臭氧發(fā)生器的功率P越大，臭氧濃度和產(chǎn)量也會相應(yīng)地提高。

2 控制策略

臭氧發(fā)生器逆變電源采用移相脈沖寬度調(diào)制（PS-PWM）控制方法，傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制的特點是當(dāng)逆變器向負載輸出功率時，Q1，Q4同時導(dǎo)通或Q2，Q3同時導(dǎo)通，在一個周期內(nèi)Q1，Q4同時導(dǎo)通或Q2，Q3同時導(dǎo)通的時間長短決定了逆變器輸出功率的大小。

圖4 PS-PWM控制原理圖

圖4為PS-PWM控制原理圖，其中β為移相角，通常指左橋臂Q1和Q3導(dǎo)通分別超前于右橋臂Q4和Q2的相位。由于同一橋臂上下兩管（Q1、Q3）和（Q2、Q4）的驅(qū)動信號互補，使輸出的正負交替電壓之間形成一個零電壓值區(qū)域，如圖4中電壓Uo所示。通過補償電感Ls和臭氧發(fā)生管等效電容的諧振，使流過開關(guān)器件的電流按照正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過零時，IGBT器件開通或關(guān)斷，如圖中電流所示。當(dāng)IGBT在電壓電流為零的區(qū)域開通或關(guān)斷即實現(xiàn)了ZVZCS軟開關(guān)。移向角β在0°～180°范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)β就可以使輸出電壓的占空比變化，即改變輸出電壓的有效值，最終達到調(diào)節(jié)臭氧發(fā)生器輸出功率的目的。

3 系統(tǒng)設(shè)計

如圖5所示為臭氧發(fā)生器逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，由臭氧發(fā)生器主電路及DSP控制電路組成。DSP控制器采用TMS320F2812芯片，通過對負載電流和電壓的檢測并進行電平轉(zhuǎn)換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸入DSP芯片通過調(diào)用程序與給定臭氧發(fā)生器工作頻率作比較，進行頻率跟蹤及移相角β調(diào)控；當(dāng)臭氧發(fā)生器逆變電源電路中檢測到過流或過壓等故障信號時，硬件電路會及時停止逆變器的觸發(fā)信號，以實現(xiàn)保護功能。同時，保護信號會使中斷口XINT發(fā)生中斷，以進行系統(tǒng)的軟保護。

圖5 臭氧逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)程序流程如圖6所示。臭氧發(fā)生器逆變電源開始運行，DSP通過檢測電路得到當(dāng)前臭氧發(fā)生器放電功率的采樣值，計算出相應(yīng)的工作脈沖周期，并且初始化PWM模塊，計算出相應(yīng)的死區(qū)時間。DSP輸出脈沖使全橋逆變電路開始工作，電流檢測電路將通過電流互感器檢測到的電流信號送入過零比較器，取升壓變壓器原邊電路上的電流作為頻率跟蹤的同步信號，運用DSP的捕獲單元CAP1及計數(shù)器2進行計數(shù)，可獲得電流的周期，通過讀取PWM單元計數(shù)器1的計數(shù)值可以獲得相位差，通過調(diào)用功率控制子程序進行移向角β的調(diào)節(jié)實現(xiàn)臭氧發(fā)生器輸出功率的調(diào)節(jié)。下一步DSP通過調(diào)用DPLL鎖相及頻率跟蹤子程序進行鎖相，從DSP的I/O口輸出IGBT所需的觸發(fā)脈沖信號PWM波，經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動臭氧發(fā)生器逆變電源全橋開關(guān)器件IGBT，由此進行數(shù)字鎖相閉環(huán)控制，實現(xiàn)臭氧發(fā)生器電源的頻率跟蹤。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

4 仿真結(jié)果

CF-G-3-1K型臭氧發(fā)生器單根臭氧發(fā)生管臭氧產(chǎn)量設(shè)計為50g/h，采用20根并聯(lián)運行。單根臭氧管介質(zhì)的等效電容Cd=3149pF，氣隙等效電容Cg=717pF，式（1）在放電過程中，負載等效電容與負載電壓峰值Uo，打火電壓Us和介質(zhì)等效電容Cd相關(guān)，打火電壓在氣隙絕對壓力ps和氣隙厚度不變的情況下不變，Us=12.7kV，取負載電壓峰值Uo=20kV，則負載等效電容：

補償電感（折合到升壓變壓器副邊）Ls=20mH

基于以上，應(yīng)用Matlab對臭氧發(fā)生器逆變電源進行了負載條件下的輸出特性仿真分析。如圖7所示給出了不同占空比下臭氧發(fā)生器逆變電路變壓器副邊輸出電流i的波形，其幅值為40A；逆變電路輸入電壓U的波形，其幅值為500V。在輸出電壓占空比85%和65%的負載條件下，輸出電流基本為正弦波，并實現(xiàn)了軟開關(guān)。

圖7 逆變電路輸出電流、電壓波形

5 結(jié)論

以1kg臭氧發(fā)生器（CF-G-3-1K型）為例，設(shè)計出了基于DSP控制的臭氧發(fā)生器逆變電源，輸出電流波形較好。PS-PWM控制實現(xiàn)臭氧發(fā)生器逆變電源開關(guān)器件工作在ZVZCS軟開關(guān)狀態(tài)，數(shù)字鎖相環(huán)使臭氧發(fā)生器實現(xiàn)頻率跟蹤。DSP的使用，使臭氧發(fā)生器抗干擾性明顯提高，頻率可以得到保持，保證了臭氧發(fā)生器運行的實時性和穩(wěn)定性。

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