介质阻挡型臭氧发生器逆变电源的研究图文.docx
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介质阻挡型臭氧发生器逆变电源的研究图文
中国石油大学(华东)
硕士学位论文
中频介质阻挡型臭氧发生器逆变电源的研究
姓名:
白彦波
申请学位级别:
硕士
专业:
检测技术与自动化装置
指导教师:
王平;陈继明
20090501
摘要
近年来,臭氧技术己在污水处理、医学、食品、化工生产、空气净化、饮用水杀菌消毒等领域得到广泛应用,并显示出很好的发展前景。
然而我国目前工业型臭氧发生器绝大多数为工频高压型,效率低、能耗高、且为开环控制,使得臭氧技术应用的推广受到阻碍。
与工频臭氧发生器相比,中、高频臭氧发生器具有结构紧凑、臭氧浓度高和低电耗等优点,是臭氧发生器发展的方向。
特别是对于大功率臭氧发生器,中频臭氧发生器系统及其配套电源成为了人们研究的热点。
因此,本文针对这个热点,对中频介质阻挡型臭氧发生器系统中的逆变电源进行研究。
本文研究的主要工作包括如下4个方面:
1.介质阻挡型臭氧发生器负载特性研究。
以工业上常用的大功率介质阻挡型臭氧发生器为研究对象,从介质阻挡放电的物理机理和特点出发,在假定负载外加电压为正弦波和方波的条件下,对臭氧发生器负载特性进行理论分析,这些分析结果为后续高效率臭氧发生器逆变电源的设计和研制提供了重要的理论依据;
2。
介质阻挡型臭氧发生器电源的电路拓扑结构研究。
对介质阻挡型臭氧发生器电源中两种常用的负载谐振式逆变拓扑进行了对比分析,选择串联谐振式逆变电路作为大功率介质阻挡型臭氧发生器电源的逆变拓扑;
3.介质阻挡型臭氧发生器电源控制方式的研究。
对臭氧发生器电源输出功率控制方式进行了比较分析,在相控调功、斩波调功、调频调功和移相PWM调功等控制方式中选择相控调功和频率跟踪容性移相PWM调功作为臭氧发生器电源输出功率控制方式,并通过Matlab/Simulink对采用的控制方式进行仿真验证;
4.臭氧发生器逆变电源的设计和实验。
本文给出了电源主电路、控制电路和驱动电路的详细的设计过程,并对开环控制的电源进行了实验研究,验证了电源设计的正确性和可行性。
关键词:
介质阻挡放电,臭氧发生器,串联谐振逆变器,频率跟踪移相PWM控制
TheResearchonMediumFrequenc)7InverterPowerSupplyofDielectric
BarrierDischargeOzoneGeneration
BaiYanbo(DetectionTechnologyandAutomationDevices)
PingDirectedbyPro.WangandAssociatePro.ChenJiming
Abstract
Recently,ozonehasbeenwidelyusedinmedicine,vivers,airdecontamination,sewagedisposalanddrinkingwatersterilization.Itshowsgoodfutureforlowre-pollutedproductionswhenusedinwaterdisposal.Nowmostofozonegeneratorshavelow
inefficiency,hi曲powertoconsumption,which
normal—frequencyhasgreatlyimpededtheirapplicationandChina.Comparedozonetheozonegenerators,medium
structure,highhi曲frequencygeneratorshavelotsofvirtue,suchastightened
which
ozoneareozoneconcentration,loⅥ,powergenerator.Especiallyconsumption,hi曲-powerthedirectionofthedevelopmentofozoneozoneforgenerator,mediumfrequency
ongeneratorssystemanditssupportingpowersupplybecometheresearchhotspot.Themainworkofthispaperincludethefollowingfouraspects:
1.Researchloadcharacteristicsof
ozoneDBDozonegenerator.Commonlyusedinindustrialhigh-powerdielectricDBDgeneratorforthestudy,thispaperplusthe
voltageoftheconditions
theoreticalandresearchloadassumptionofsinewaveandsquare—wavegenerator
andcharacteristicsoftheozonetocarryoutanalysisfromthedielectricbarrierdischargemechanismthephysicalcharacteristicsoftheload.Theresultsofthe
analysis
ozoneprovideallimportanttheoreticalbasisforthefollow-upofthesehighefficiencysourcegeneratorinverterpower
ondesign.2.Researchinvertertopologiesofinverterpowersupplyfor
resonantinverterhighpowerDBDozonegenerator.Twokindsofload
supplyforDBD
selectedasozonetopologiescommonlyinthisusedininverterpowergeneratorarecomparedpaper,andtheseriesresonantinverteristheinvertertopologiesofthepowersupply.
on3.ResearchthecontrolmethodofDBDozonegeneratorpower
withPhase—shiftedcontrol,Choppercontrol,FMPowerRegulatorsupply.ComparedandPhase—shiftedPWM
trackingphaseshiftcontrolmethod,the
aspaperselectPhase-shiftedcontrolandthefrequencyozone
onPWMcontrolauthenticatetothecontrolmethodforthepowersupplyofDBDgenerator.ThePaperMatlab/Simulink.controlmethod.throughtheuse
onofsimulationapproach4.Research
circuitdesignofthepowersupply.Inthispaper,themainpowercircuit,controlareanddrivecircuitdesignprocess
togivenindetail,andopen-looppowercontrolarestudiedexperimentallyvmfythecorrectnessofthepowersupplydesignandfeasibility.
Keywords:
Dielectricbarrierdischarge,ozonegenerator,series
trackingphase—shiftedresonantinverter,frequencyPWMcontrol
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本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果,论文中有关资料和数据是实事求是的。
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与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。
若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。
学位论文作者签名:
鱼富液日期:
拗c1年争月zc7日
学位论文使用授权书
本人完全同意中国石油大学(华东)有权使用本学位论文(包括但不限于其印刷版和电子版),使用方式包括但不限于:
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保密学位论文在解密后的使用授权同上。
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中国石油大学(华东)硕士学位论文
第1章绪论
1.1课题背景及研究意义
臭氧作为一种强氧化剂,具有强大的消毒、杀菌、除臭和脱色等作用,现己广泛应用于饮用水净化消毒和工业污水处理、空气净化、烟道气体中有毒物质的处理、医疗器具消毒杀菌、织物漂泊与脱色和食品保鲜等领域。
随着人们对环境质量要求的提高,臭氧被认为是从微公害时代走向环保时代的理想绿色环保剂。
与传统的氯气、二氧化氯等消毒剂相比,臭氧消毒后的副产品为氧气,不会带来二次污染,成为今后消毒剂发展的趋势,具有十分广阔的应用前剽1|。
生产臭氧的方法有多种,如紫外线辐射法、电解法、辉光放电法、沿面放电法等等,其中工业上应用最为广泛的方法是介质阻挡放电方法【11。
介质阻挡放电法具有能耗相对较低、单机臭氧产量大,气源可用干燥空气、氧气或含氧浓度较高的富氧气体等优点,因此目前大多数工业系统都是使用基于介质阻挡放电法的臭氧发生器【2卅。
然而,目前我国臭氧发生器的缺点是其生产成本高,生产效率低,耗电量大。
传统的工频臭氧发生器由于受材料、机械加工以及变频技术的限制,不仅臭氧产量低,而且电力消耗也很大,经济效益较差。
因此长期以来,提高臭氧合成效率,降低臭氧发生装置的运行成本,并保证装置能安全可靠地运行,一直是人们关注的热点。
因此针对这个热点,本文从电工学科角度出发,研究大功率臭氧发生器的负载特性和高效率臭氧发生器逆变电源设计,从而降低人工制备臭氧的成本,提高臭氧生产效率。
1.2介质阻挡放电简介
1.2.1介质阻挡放电的机理
介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电,介质可以覆盖在电极上或悬挂在放电空间里,当放电电极上施加足够高的交流电压时,电极间的气体,即使在很高气压下也会被击穿形成所谓的介质阻挡放电。
由于在电极间安插介质,介质阻挡放电不是大面积和长时间的放电过程,而只是大量细微的快脉冲放电通道构成的放电[1】,它的宏观特性表现为一种很均匀、满散、稳定和貌似低气压的辉光放电的放电过程。
一个完整的介质阻挡放电回路至少包含电极、绝缘阻挡介质和气隙三个部分,根据不同的应用场合,三个部分的空间位置会有所不同,图1.1给出了目前三种常用的结构形式示意图。
在上图三种结构形式中,图1.1(a)中介质阻挡层紧靠一个电极,它是一种很实用1
第1奇绪论
的放电结构,通常用以制造臭氧发生器,其特点是结构简单,而且可以通过金属电极把放电产生的热量散发掉。
图1.1(b)中两个电极都被介质阻挡层遮盖,放电发生在两层介质之间,可以防止放电等离子直接与金属接触。
对于具有腐蚀性气体或高纯度等离子体,这种结构具有独特的优点。
图1.1(c)的中介质阻挡层与两个电极都不接触,可以在介质两边同时生成等离子体。
厂——j.高压电极◇≥巍,”谈地电微
(a)
Fi91-1;-———————————一瓮\/暖2=二乙===乙2b【................一(b)L—-{L..。
....................................一!
....................一(c)图1-1介质阻挡放电原理示意图Dielectricbarrierdischargeschematicdiagram
介质阻挡放电中,臭氧的形成过程是一个极为复杂的过程,包括放电电离过程和发生在气隙中的一系列化学过程【1.3.2430.31,35]。
概括起来,可用以下四个步骤简单说明:
①气隙间随外加交变电压增高形成强交变电场,在气隙中产生高能电子;
②高能电子的碰撞使氧分子离解产生氧原子
02+高能电子≥20+低能电子(1-1)
③氧原子与氧分子经三体碰撞结合生成臭氧
0+02+M=03+M+热
式中,M为气隙中的第三体。
④臭氧分子与其它粒子发生碰撞,分解为氧分子
03+0=202(1—2)(1-3)
(1—4)03+e~=02+O+e。
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显然,臭氧生产的反应是可逆反应,当臭氧生成与分解处于相对平衡时,就可在气隙内获得一定浓度值的臭氧,形成臭氧气体。
‘2
中国石油大学(华东)顶±学位论文
介质阻挡放电能够在很大的气压和频率范围内工作,通常的工作气压是104pa~106Pa,工作频率是50Hz ̄lⅦ乜。
在高气压下,介质阻挡放电呈现微通道的放电结构,即通过放电气隙的电流由大量的快脉冲电流细丝组成。
电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的,这种电流细丝称为徽放电,如图1-2昕示口”。
圈1-2介质阻挡放电气障中的微放电
Figl一2Micro—electricaldischargeofdieleetricbarrierdischarge
1.2.2介质阻挡放电的特点
介质阻挡放电法的广泛应用来源于这种放电形式所具有的独特性质:
(1)电介质的存在有效地限制了放电电流的无限增长,避免了在高电压下形成电弧放电或火花放电,因此能够在很大的气压范围内工作,目前常用的工作气压是104pa-106pa。
介质阻挡放电中流过空气的电流实际上是通过介质的位移电流,而不是回路中的短路电流;
(2)电介质的存在对放电起到了镇流的作用,从而使放电准均匀的分布在整个放电空间,有利于产生稳定的大体积大气压等离子体,是目前等离子体制备的最有效且较方便的技术;
(3)电介质的存在防止放电等离子体直接与金属电极相接触,这样避免了腐蚀性气体腐蚀电极,也避免了高纯度等离子体困阴极溅射而被污染:
(4)由于介质的存在,直流电场不能维持放电,因此介质阻挡放电电源必须为交变电源:
(5)当放电通道的间隙电压达到放电要求时,即使再继续升高臭氧发生器负载电压,
第1童绪论
放电间隙电压却基本保持不变。
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“f}“j羁见材|亍G材』士尺4
中围石油,:
学r华东j硕士学位论文
响,常采用电压一电荷李莎茹图形法【28】。
1.2.4介质阻挡型臭氧发生装置系统组成框图
现代工业水处理用的介质阻挡放电臭氧发生器系统由电源、臭氧发生器、气源系统、冷却系统、气水混合、自动检测、控制系统和安防系统八个部分组成的。
图1.5给出了臭氧发生器系统的构成框图。
臭氧浓度:
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【.........................j
图1.5介质阻挡放电型臭氧发生装置系统组成框图
Fig1-5Compositionblockdiagramofdielectricbarrierdischargeozonegenerationsystem
气源系统包括压缩机、冷却器、干燥器、过滤器和参量监控器等,它们的作用是清除进气中的杂质、提供适当的气流速度和气温、控制进气的温度等。
其中最重要的是清除进气中的水分、减小进气的湿度,即降低进气的露点。
冷却系统在臭氧发生器中也很重要,因为臭氧产生时要产生大量的热量,而温度对臭氧生成的影响又非常显著。
研究表明,随着气体温度的升高,臭氧的体积分数会急速降低,从而导致臭氧产量减少、产率降低。
气水混合技术与装置实现臭氧体与被处理水的良好混合,提高臭氧的水溶率和水气接触面积,达到臭氧的高效利用。
自动检测用于在线检测臭氧生产浓度与产量或处理水的相应指标,进一步实现系统的闭环调节,满足水处理臭氧含量精确控制的需要,检测环境中臭氧的浓度,控制由尾气净化与通风装置构成的安防系统,确保人身和设备安全。
控制系统通常采用微机或PLC控制系统,完成整个发生系统的动作控制、参数设置、数据采集、处理与显示,对多台系统进行群控和远程控制,构成无人值守臭氧生产车间。
安防系统可以防止和避免因臭氧的泄漏而造成的对周围环境及工作人员的伤害。
当5
第1孝绪论
系统发生臭氧泄漏时,安防系统就会自动采取的一系列保护措施。
电源系统为臭氧发生器产生臭氧提供能量,其性能的好坏直接影响到产生臭氧的效率。
因此电源和臭氧发生器成为系统的核心与关键,几十年来一直是臭氧技术研究与发展的重点,也是大功率臭氧发生器的难点。
1.3国内外研究现状
早期的臭氧发生器电源多采用固定工频(50~60Hz)可变电压电源[14】,如图1-6所示。
这类电源电压调整容易、结构简单易维修,仍得到使用并不断改进。
但使用该类电源的臭氧产率低、系统体积庞大、耗能高。
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use图1-6采用工频升压供电的介质阻档放电电路图Fig1-6Dielectricbarrierdischargeschematicdiagramfortheofpower-frequency
研究表明,臭氧的产生率随着电源频率的升高而增大,这是因放电的电能密度随着频率的升高而增大,而电能密度的增大在一定的范围内有利于提高臭氧产生率[15A6】。
因此,提高臭氧电源频率一直受到各国臭氧界的重视。
国际臭氧界将放电频率超过10kHz的发生器即称为高频,称50/60Hz电源为工频电源,高频与工频之间的为中频。
近些年来,随着电力电子技术、微电子技术、现代控制技术、计算机技术等的迅猛发展,以及臭氧发生器在产生臭氧的产量和效率等方面对供电电源要求的不断提高,由电力电子器件构成的中高频逆变电源被广泛应用于臭氧发生装置。
电力电子电源与早期的臭氧发生器电源相比具有功率大、频率高、系统体积比较小、使用方便、安全可靠等特点,且还可通过变频来控制臭氧产率和浓度。
实现变频装置的电路设计方案有很多种,最常见的方案如图1.7所示【17】。
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图1.7采用高频升压供电的介质阻档放电电路图
Figl-7DielectricbarrierdischargeschematicdiagramfortheuseofHigh-frequency6
中国石油大学(华东)硕j_学位论文
图1-8是文献[7]提供的中高频与工频发生器臭氧产量相对于输入功率的对比关系曲线。
图中纵坐标为臭氧产量,单位为蚰,横坐标为输入功率与最大功率的百分比,曲线①表示中高频PVV]Vl控制,曲线②表示工频自耦变压器控制。
从图1.8中可以看出中高频臭氧发生器效率和臭氧产量均比工频臭氧发生器的高很多,因此,中高频逆变电源成为了近二十年来工业化生产中被广泛应用的中大功率臭氧发生器供电电源,
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图1.8臭氧产量与输入功率百分比关系曲线
Fig1-8CurveofthepercentageinOzoneproductionandthepercentageofinputpower
目前,国内外许多科研院校和生产厂家在不断地进行介质阻挡型臭氧发生器电源的研究,主要体现在下面几个方面[冽:
1.电极形式的优化设计
从热化学理论算得的臭氧产生的能量利用效率理论值是12009/kWh,但实际却远远达不到该数值,此因臭氧形成中只有(4--12)%的电源能量用于形成臭氧,而其余能量都转化成了热量【371,为此人们对生成臭氧过程中的各个方面做了许多研究。
研究发现,电极的型式决定着放电的形式,也影响着臭氧的产生效率。
工业用的臭氧发生器依据放电元件形状和布局的不同,大致分为板式和管式两大类。
为了改善放电状况、提高放电效率,人们还研究了许多不同结构形式的电极,例如线状电极、刷状电极、螺线状电极、网状电极,还有用水作的电极[38】,但到目前为止人们还很难对电极的型式优化设计给出适合的标准,因此如何选择合适的电极型式和最优的设计参数是提高放电效率关键。
2.中频和低频大功率化,小容量高频化
随着电力电子器件向高电压和大电流化发展【34】,中频和低频的介质阻挡放电装置大功率化已经成为可能。
以臭氧发生器为例,几年前国内最大容量的臭氧发生器其产量小于lkg/h,而最近国内已经有产量为5kgm的臭氧发生器出现,国外甚至己经出现了单机
第1童绪论
容量;]-,J400kg/h,臭氧浓度达到250∥m3,臭氧产生效率可达1009/kwh的臭氧发生装置。
与工业需求的大容量不同,民用产品更注重于性能的提高,从前面的介绍可知,提高臭氧发生器的工作频率对系统的性能将有很大的改善,随着高频电力电子器件B益普及,这也使民用介质阻挡放电装置的高频化成为可能,目前对于小容量的臭氧发生器的配套高频电源频率已经超高了20kHz。
3.软开关技术的采用
要提高系统的功率频率,一个重要的方面就是要采用软开关技术[42.矧,但在实际运行系统中,气隙等效电容、阻挡介质电容以及放电维持电压会随着发生器承受的电压、系统工作频率、施加在发生器上电压波形形状以及系统的温度和气源系统的压力和流量等因素影响,即逆变电路工作时,很难保证电源系统按照事先设定模态工作,因此实现软开关技术有较大的难度。
4.各种参数对系统的影响和整个系统实现闭环控制的可能性研究
介质阻挡放电系统是一个比较复杂的系统,它受输入气压、供电电源电压波动、系统温度等因素的影响。
整个系统可以看作为一个时变的多输入输出系统【27】。
而目前商业化的臭氧发生器的控制系统均为开环控制系统,对外界因素的抑制能力非常差,为了抑制这些因素或这些因素中的某一因素的影响,人们已经开始对介质阻挡放电装置系统闭环控制的可能性展开了研究,并取得了一定进展,例如国外已经出现了对某个因素变化进行抑制的单闭环控制系统,但远远还没有达到对整个系统进行闭环控制的程度。
1.4本文的主要研究内容
本文的主要目的是研究与介质阻挡型臭氧发生器负载特性相匹配的中频介质阻挡型臭氧发生器逆变电源。
为此论文的研究内容围绕以下几个方面展开:
1.介质阻挡型臭氧发生器负载特性的研究。
以工业上常用的介质阻挡型臭氧发生器为研究对象,在假定负载外加电压为正弦波和方波的条件下,对臭氧发生器负载特性进行理论分析。
2.介质阻挡型臭氧发生器逆变电源拓扑结构和控制策略的研究。
本文选择了串联谐振逆变电路作为电源主电路结构,并对臭氧发生器电源输出功率多种控制方式进行了分析和比较,选择移相调功和频率跟踪容性移相PWM调功作为本设计的控制方式。
3.臭氧发生器逆变电源基于Matlab/Simulink仿真分析。
通过Matlab/Simulink对本文所研究的电路搭建仿真模型进行研究。
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4.臭氧发生器逆变电源设计。
根据具体的技术指标设计了电源的主电路、控制电路和驱动保护电路。
并进行了开环控制下的臭氧发生器逆变电源的实验研究,分析讨论了所得到的实验数据,为进一步的频率跟踪控制的臭氧发生器逆变电源研制
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