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大功率串联负载谐振式臭氧发生器供电电源的研究

作　者: 唐雄民
导　师: 彭永进
学　校: 湖南大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 介质阻挡放电法串联谐振式臭氧电源控制方式模态分析基波分析法新型控制器有限状态机软开关
分类号: TN86
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

臭氧(化学表达式为:O3)。常温常压下是一种不稳定的淡蓝色气体,很容易被分解为氧气,不产生二次污染,属于一种无公害、无污染、无残留的氧化与消毒剂。因此,臭氧被大量应用于有机合成、无机化工、冶金、造纸、印染、食品保鲜和医疗器具及餐具消毒等领域,涉及到人们生活的各个方面,并被广泛应用于自来水净化和工业、生活污废水的处理。产生臭氧的方法主要有紫外线照射法、电解法、放射化学法和介质阻挡放电法,在这些方法中介质阻挡放电法(DBD)具有能耗相对较低、单机臭氧产量大,气源可为干燥空气、氧气或含氧浓度较高的富氧气体、便于工业现场生产等优点,因此工业上合成臭氧大多采用该法。目前国内大多数臭氧设备商生产的大功率臭氧发生器大多采用将逆变电路输出方波经升压变压器直接施加于臭氧发生器上,并且电路采用开环控制,整个电源系统存在开关管损耗和开关应力大,开关管和与开关管并联的吸收回路发热严重、整个发生器系统效率低、电路输出功率难以进一步提高的问题,严重的限制了臭氧发生器系统在国内的推广。针对这些问题,本文采用基于全桥串联负载谐振的供电电源来解决原有电源系统存在的问题,并从电源系统主要电气量的电气调节特性、软开关实现技术和多功能控制回路的实现等三个方面,对大功率臭氧发生器供电电源进行了研究和探讨,本文的主要研究工作包括以下几个部分:(1)针对目前臭氧供电电源的分析和设计方法主要依赖经验而不能精确地反映电路工作的实际过程,本文从DBD电路的原始等效电路出发,用时域分析的方法对PFR容性控制、PFR感性控制、PSC感性控制下的DBD电路进行了详细地理论推导和分析,得出了DBD电路的工作频率、逆变电路输出电流峰值、发生器承受的峰值电压和电路的放电功率的显性表达式及对应的调节特性,并采用实验的方法验证了推导的正确性。(2)针对目前还没有相关文献对不同控制方式下的全桥串联负载谐振式DBD电源的性能展开对比分析和研究,为填补这一空白,本文以电路中主要电气量的调节特性为基础,对三种控制方式下电路性能进行对比分析,得到了中、低频下的DBD电源系统适合采用容性控制,而高频下的DBD电源系统适合采用PSC感性控制的结论。这一工作能使臭氧电源设计者能根据实际需要选择适合的控制方式。(3)为降低时域分析方法的复杂和烦琐,本文利用串联谐振电路工作时电流接近正弦波这一特性,提出了串联负载谐振式DBD电路的基波分析方法,推导了DBD电源中主要电气量的表达式。理论计算结果、仿真和实验结果表明,三者的相对误差小于8%。与时域分析法比较,采用基波分析方法计算得到的结果虽然较时域分析法计算得到的结果稍差,但具有简便和实用的特点,有比较现实的工程意义。另外在这一部分,在基波分析方法的基础上提出了串联谐振式DBD电源的基波设计法,它是一种简单和实用的设计方法,实践结果表明本文提出的基波等效设计方法具有快捷、方便和精度相对较高的特点,是一种简捷实用的配套电源设计方法。(4)在现有全桥串联负载谐振式电源的频率跟踪环节的进行了归纳和分析的基础上,得到了PFR容性、PFR感性和PSC感性控制的频率跟踪的通用的实现方法,并以此基础提出了一种能提高DBD电路的放电效率的新型三环调节器,该调节器由功率滞环控制器、发生管峰值电压调节器和相位控制调节器组成,仿真结果表明,这种新型控制系统优于现有的广泛使用的PDM等控制方案,它不仅能满足DBD电源的控制系统的基本要求:在保证DBD电路工作在最佳放电电压的前提下连续地调节电源的输出功率,而且具有更强的抗扰动能力,彻底解决了发生器过压的问题。(5)从控制回路工作的可靠性、良好的保密性和调试的便利性出发,采用了以CPLD/FPGA为核心控制芯片的控制方案,并根据电力电子系统在本质上可以视为离散系统这一特征,提出了电力电子电路控制系统的有限状态机建模方法。在这两者的基础上实现了采用一套硬件方法实现了电路的PFR感性、PFR容性和PSC感性控制。(6)对在串联谐振DBD电源中实现ZVS(ZeroVoltageSwitching)的方法进行了探讨。在研究中放弃了认为开关管切换时电流恒定这一假设,从功率Mosfet管实际开关过程中电流变化规律出发,提出了一种新的等效电路,并依此为工具,详细地研究了串联谐振供电DBD电源的ZVS实现方法。(7)利用本文提出的分析方法和设计公式,作者试制了一台1kgO3/h的串联负载谐振式臭氧发生器供电电源,实验表明电源系统能满足设计要求,已在番禺某厂投入了运行,它能长时间可靠地工作,并得到了用户的认可。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-32
  1.1 臭氧的应用及生产臭氧的主要方法  15-16
  1.2 介质阻挡放电电路  16-21
    1.2.1 介质阻挡放电电路的工作原理  16-17
    1.2.2 介质阻挡放电电路的等效电路及其参数的测量  17-20
    1.2.3 介质阻挡放电电路的参数连续型等效电路  20-21
  1.3 介质阻挡放电型臭氧发生器的结构及研究现状  21-25
    1.3.1 介质阻挡放电型臭氧发生器系统的基本构成  21-22
    1.3.2 臭氧发生管和臭氧发生器本体的基本结构  22-23
    1.3.3 介质层厚度和介质材料对发生管性能的影响  23-24
    1.3.4 电极形状和材料的选择  24
    1.3.5 冷却系统对臭氧合成的影响  24
    1.3.6 进一步提高发生管效率的措施  24-25
  1.4 介质阻挡型臭氧发生器的供电电源  25-30
    1.4.1 工频升压电源  25-26
    1.4.2 串联负载谐振电源  26-27
    1.4.3 并联负载谐振电源  27
    1.4.4 串联负载谐振式电源的主要控制方式  27-29
    1.4.5 介质阻挡型臭氧发生器的电源及控制系统的发展趋势  29-30
  1.5 本文的创新点与主要内容研究  30-32
第2章串联负载谐振DBD 电源的时域分析  32-64
  2.1 串联谐振式DBD 电源  32-35
    2.1.1 串联谐振式DBD 电源的主回路  32-33
    2.1.2 串联谐振式DBD 电源的控制要求和主要控制方式  33-35
  2.2 串联谐振式DBD 电源的模态分析  35-40
    2.2.1 串联谐振式DBD 电源的简化等效电路  35-36
    2.2.2 串联谐振式DBD 电源的可行模态  36-38
    2.2.3 各个模态的求解  38-40
  2.3 PFR 容性控制下串联谐振式DBD 电源的性能分析  40-45
    2.3.1 PFR 容性控制下串联谐振式DBD 电源的两种工作模式  40-41
    2.3.2 PFR 容性控制下串联谐振式DBD 电源的稳态解  41-42
    2.3.3 PFR 容性控制下DBD 电源中主要电气量调节特性  42-44
    2.3.4 PFR 容性控制下DBD 电源的实验结果分析  44-45
  2.4 PFR 感性控制下串联谐振式DBD 电源的性能分析  45-54
    2.4.1 PFR 感性控制下串联谐振式 DBD 电源的两种工作模式  45-46
    2.4.2 PFR 感性控制下正馈点火工作模式的稳态求解  46-48
    2.4.3 PFR 感性控制下回馈点火工作模式的稳态求解  48-51
    2.4.4 PFR 感性控制下两种点火工作模式的临界条件分析  51-52
    2.4.5 PFR 感性控制下DBD 电源中主要电气量调节特性  52-53
    2.4.6 PFR 感性控制下DBD 电源的实验结果  53-54
  2.5 PSC 感性控制下串联谐振式DBD 电源性能分析  54-61
    2.5.1 PSC 感性控制下串联谐振式DBD 电源的点火工作模式  54-55
    2.5.2 PSC 感性控制下正馈点火工作模式的稳态求解  55-57
    2.5.3 PSC 感性控制下环流点火工作模式的稳态求解  57-59
    2.5.4 PSC 感性控制下两种点火工作模式的临界条件分析  59-60
    2.5.5 PSC 感性控制下DBD 电源中主要电气量调节特性  60
    2.5.6 PSC 感性控制下DBD 电源中主要电气量调节特性  60-61
  2.6 三种不同控制方式下DBD 电源性能的对比分析  61-63
  2.7 本章小节  63-64
第3章串联谐振式DBD 电源的基波分析法  64-79
  3.1 全桥串联负载谐振式DBD 电源的电流波形分析  64-66
  3.2 电压降u_(cg)的计算  66-68
  3.3 基波分析法  68-72
    3.3.1 电路中的基波方程  68-70
    3.3.2 DBD 电源的主要电气量的基波表达式  70-72
  3.4 理论计算、仿真和实验结果的误差分析  72-73
  3.5 基波分析法在供电电源设计中的应用  73-75
    3.5.1 供电电源设计思想  73-74
    3.5.2 参数设计  74-75
  3.6 设计实例  75-76
  3.7 基波等效电路在PFR 感性和PFR 容性控制中的应用  76-78
  3.8 本章小节  78-79
第4章串联谐振式DBD 电源的控制系统  79-96
  4.1 频率跟踪环节  79-83
  4.2 电压调节和功率调节环节  83-89
    4.2.1 功率滞环调节器的分析和设计  83-86
    4.2.2 峰值电压调节器和相位调节器限幅环节的设计  86-87
    4.2.3 具有功率滞环特性的控制系统仿真  87-89
  4.3 实验样机的控制器  89-91
    4.3.1 实验样机中的控制方案框图  89-90
    4.3.2 实验样机的实物图和运行数据  90-91
  4.4 基于有限状态机的频率跟踪CPLD 实现  91-95
    4.4.1 有限状态机的基本理论及电力电子电路的有限状态机建模  91-92
    4.4.2 三种频率跟踪方式的有限状态机实现  92-95
  4.5 本章小节  95-96
第5章串联负载谐振式DBD 电源的ZVS 的实现方法  96-109
  5.1 逆变桥换流过程分析  96-102
    5.1.1 换流过程描述  96-98
    5.1.2 换流过程中的方程推导  98-100
    5.1.3 换流过程中的其他两种换流状态  100-102
  5.2 电路软开关特性分析及其设计  102-104
    5.2.1 Q1 软关断的条件及其关断损耗  102-103
    5.2.2 Q2 软开通的条件及换流时间  103-104
  5.3 串联谐振DBD 电路的最高工作频率探讨  104-106
  5.4 仿真验证  106-107
  5.5 一种能在完全谐振状态和感性移相控制中实现ZVS 的控制方案  107-108
  5.6 本章小节  108-109
结论和进一步研究的方向  109-111
  1、全文总结  109-110
  2、臭氧供电系统的进一步研究方向  110-111
参考文献  111-118
附录 A (攻读博士学位期间所发表的学术论文目录)  118-120
附录 B (攻读博士学位期间完成的科研项目)  120-121
致谢  121

大功率串联负载谐振式臭氧发生器供电电源的研究

内容摘要

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