唐雄民，余亞?wèn)|，李思琪，嚴(yán)其林

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006)

典型調(diào)節(jié)方式下串聯(lián)諧振供電的DBD型臭氧發(fā)生器負(fù)載調(diào)節(jié)特性研究

唐雄民，余亞?wèn)|，李思琪，嚴(yán)其林

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006)

利用介質(zhì)阻擋放電型(Dielectric Barrier Discharge，DBD)臭氧發(fā)生器的線(xiàn)性化等效電路，得出了串聯(lián)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(dǎo)了DBD型臭氧發(fā)生電路的約束方程。基于這些約束方程對(duì)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(diào)節(jié)方式下的負(fù)載調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在PAM調(diào)節(jié)方式下，DBD型臭氧發(fā)生器負(fù)載調(diào)節(jié)特性具有良好的線(xiàn)性特性，能實(shí)現(xiàn)DBD型臭氧發(fā)生器放電功率的平滑調(diào)節(jié)，是一種較為理想的調(diào)節(jié)方式。

介質(zhì)阻擋放電;臭氧發(fā)生器;調(diào)節(jié)方式;負(fù)載調(diào)節(jié)特性

1 引言

臭氧具有極強(qiáng)的氧化能力，是一種強(qiáng)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(lǐng)域［1，2］。介質(zhì)阻擋放電法由于其自身的優(yōu)勢(shì)，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(zhuǎn)換條件與外部條件密切相關(guān)，因此可認(rèn)為工作狀態(tài)下的DBD型臭氧發(fā)生器是一個(gè)典型非線(xiàn)性負(fù)載。這一特性給DBD型臭氧發(fā)生器負(fù)載的調(diào)節(jié)特性分析和供電電源設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大不便，為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛提出參數(shù)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(shè)計(jì)帶來(lái)了便利，但由于沒(méi)有得出等效電路的表達(dá)式，且未考慮負(fù)載在實(shí)際工作過(guò)程中的參數(shù)變化情況，因此這些等效電路只適合研究某一特定工作點(diǎn)的負(fù)載特性，難以對(duì)DBD型臭氧發(fā)生器負(fù)載工作區(qū)域內(nèi)的負(fù)載特性進(jìn)行分析［5-8］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者和筆者曾提出將臭氧發(fā)生器等效為一個(gè)與放電功率有關(guān)的電阻和容抗串聯(lián)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(shì)，非常適合用于分析臭氧發(fā)生器這類(lèi)特殊負(fù)載的負(fù)載調(diào)節(jié)特性?；诖?，本文將利用該等效模型來(lái)分析典型調(diào)節(jié)方式下串聯(lián)諧振供電的DBD型臭氧發(fā)生器的負(fù)載調(diào)節(jié)特性。

2 發(fā)生器的等效電路及驗(yàn)證

2.1 發(fā)生器的等效電路

文獻(xiàn)［9］認(rèn)為，當(dāng)臭氧發(fā)生器工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，臭氧發(fā)生器可等效為一個(gè)與放電功率有關(guān)的電阻和容抗串聯(lián)的等效電路，其表達(dá)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(zhì)材料、發(fā)生管構(gòu)造和數(shù)目等相關(guān)的常數(shù)。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(yàn)證

為了驗(yàn)證上述等效電路，筆者搭建了如圖2所示的串聯(lián)負(fù)載諧振逆變電源供電的臭氧發(fā)生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圖2中，Udc為可調(diào)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(chǎn)量為10g/h。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)Fig．2 Circuit topology of ozone equipment

圖3(a)和圖3(b)分別給出了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)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(shí)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(xiàn)與實(shí)際值的誤差小于5%，因此，可認(rèn)為將發(fā)生器等效為一個(gè)與放電功率有關(guān)的電阻和容抗串聯(lián)的等效電路是合理并且可行的。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合式(1)可得，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中DBD發(fā)生器等效電阻和電容與放電功率的關(guān)系表達(dá)式為:

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)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(guān)系圖Fig．4 Graphs of equivalent risistance，capacitance and discharge power

3 串聯(lián)諧振供電下DBD型臭氧發(fā)生系統(tǒng)分析模型

串聯(lián)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(dāng)電路處于諧振狀態(tài)時(shí)，電路中的電流為準(zhǔn)正弦波，在此條件下結(jié)合圖5可得:

式中，ω為臭氧發(fā)生器工作頻率;iR為流過(guò)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(jiǎn)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(duì)典型調(diào)節(jié)方式下串聯(lián)諧振供電的DBD型臭氧發(fā)生器負(fù)載調(diào)節(jié)特性進(jìn)行分析。

4 PFM方式下負(fù)載調(diào)節(jié)特性分析

調(diào)節(jié)串聯(lián)諧振逆變電源的工作頻率，即PFM調(diào)節(jié)。PFM調(diào)節(jié)主要有感性調(diào)制和容性調(diào)制兩種狀態(tài)，當(dāng)諧振逆變電源工作在容性狀態(tài)時(shí)，逆變電路的開(kāi)關(guān)管損耗大，負(fù)載調(diào)節(jié)范圍小;而工作在感性狀態(tài)下時(shí)，開(kāi)關(guān)管工作在零電壓狀態(tài)，負(fù)載調(diào)節(jié)范圍大。因此工業(yè)上這類(lèi)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(shí)的調(diào)節(jié)特性。

將式(6)變形可得:

對(duì)式(7)變形并整理可得:

式中，f為逆變器工作頻率，ω=2πf。

結(jié)合圖4和式(8)可以得出，當(dāng)放電功率P增加時(shí)，逆變電路的工作頻率將降低。很顯然，當(dāng)P達(dá)到最大值時(shí)，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(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)圖(二次拋物線(xiàn))。

圖6 PFM方式下理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖Fig．6 Calculation and experiment results in PFM

5 PAM方式下負(fù)載調(diào)節(jié)特性分析

采用PAM調(diào)節(jié)方式時(shí)，臭氧發(fā)生器電路往往工作在諧振狀態(tài)或者準(zhǔn)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(jiǎn)化為:

從式(11)可知，臭氧發(fā)生器工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，放電功率與逆變電壓呈線(xiàn)性關(guān)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(diào)節(jié)方式下工作電壓與放電功率的理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖。

6 CLI方式下負(fù)載調(diào)節(jié)特性分析

改變DBD型臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的負(fù)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(jié)構(gòu)，但這種方法難以在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn);二是改變諧振電抗數(shù)值，這一類(lèi)實(shí)現(xiàn)方法也有兩種:其一是改變變壓器漏抗的數(shù)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(xiàn)方式、磁性材質(zhì)和具體結(jié)構(gòu)決定，很難在實(shí)驗(yàn)過(guò)程改變;而變壓器副邊串接可調(diào)的補(bǔ)償電感，須做好耐壓絕緣，具體實(shí)施相當(dāng)復(fù)雜，不易在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)施，因此本節(jié)只在理論上對(duì)CLI調(diào)節(jié)方式下負(fù)載調(diào)節(jié)特性進(jìn)行分析。

對(duì)式(6)變形可得:

圖7 PAM方式下理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)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(dāng)發(fā)生器工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，LS與放電功率P呈現(xiàn)反比例關(guān)系。圖8給出了CLI方式下等效阻抗與放電功率的理論計(jì)算曲線(xiàn)圖。

7 不同調(diào)節(jié)方式下負(fù)載調(diào)節(jié)特性分析

圖9給出三種調(diào)節(jié)方式下的功率調(diào)節(jié)特性歸一化圖。

通過(guò)觀(guān)察圖9并結(jié)合前面章節(jié)的分析結(jié)果可以得到:

(1)PAM調(diào)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(shù)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(xiàn)性增加。

圖8 CLI方式下理論計(jì)算曲線(xiàn)圖Fig．8 Calculation results in CLI

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

(2)PFM調(diào)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(xiàn)遞減二次函數(shù)的特性。采用PFM能比較平緩地調(diào)節(jié)DBD型臭氧發(fā)生器的放電功率，但調(diào)節(jié)范圍較窄。此外，由于PFM調(diào)節(jié)方式是通過(guò)改變逆變電路的工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這一特點(diǎn)要求升壓變壓器必須能在較寬頻率下工作，勢(shì)必增加變壓器體積和成本，且易出現(xiàn)變壓器磁飽和狀況。這是造成PFM調(diào)節(jié)方式在實(shí)際應(yīng)用中調(diào)節(jié)范圍遠(yuǎn)比理論分析的調(diào)節(jié)范圍窄的重要原因。

(3)改變諧振電感數(shù)值將使負(fù)載輸出功率呈現(xiàn)反比例衰減函數(shù)特性，當(dāng)諧振電感較小時(shí)，DBD型臭氧發(fā)生器輸出功率大，而當(dāng)諧振電感數(shù)值較大時(shí)，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(diào)節(jié)。而且改變諧振電感LS需要在變壓器副邊串接可調(diào)的高壓諧振電感和采用變壓器漏抗可調(diào)的新結(jié)構(gòu)，使得諧振電感和變壓器的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜(需要解決高壓下的絕緣問(wèn)題)，極大增加了整個(gè)系統(tǒng)成本，因此在實(shí)際應(yīng)用中一般不推薦使用。

(4)PAM調(diào)節(jié)方式下，逆變電路工作頻率恒定，且基本工作在諧振點(diǎn)附近，降低了升壓變壓器設(shè)計(jì)難度。這種調(diào)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(diào)節(jié)方式下，輸入變量和輸出變量具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，能實(shí)現(xiàn)DBD型臭氧發(fā)生器放電功率的平滑調(diào)節(jié)。因此在三種調(diào)節(jié)方式中，可以?xún)?yōu)先選擇PAM調(diào)節(jié)方式。

8 結(jié)論

本文對(duì)PAM、PFM和CLI三種典型調(diào)節(jié)方式下串聯(lián)諧振供電的DBD型臭氧發(fā)生器負(fù)載調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了研究。通過(guò)研究本文獲得以下結(jié)果:

(1)對(duì)DBD型臭氧發(fā)生器的線(xiàn)性化等效電路進(jìn)行了驗(yàn)證;

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

(3)推導(dǎo)了DBD型臭氧發(fā)生系統(tǒng)電路約束方程;

(4)對(duì)DBD型臭氧發(fā)生器在PAM、PFM和CLI的三種典型調(diào)節(jié)方式下的負(fù)載調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;

(5)對(duì)于DBD型臭氧發(fā)生器，PAM調(diào)節(jié)方式是一種較為理想的調(diào)節(jié)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

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51207026)

唐雄民(1977-)，男，湖南籍，副教授，博士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮与娫醇夹g(shù);余亞?wèn)|(1989-)，男，河南籍，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮与娫醇夹g(shù)。