基本信息
- 项目名称：
- 基于移相控制的臭氧软开关电源
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 臭氧软开关电源以高效节能为目的，采用了新型主电路拓扑结构并采用DSP作为主控制器，实现了逆变电路各个开关管的ZVS和ZCS软开关功能，降低了装备能耗，提升了开关管的可靠性。DSP通过PSPWM移相调节，实现了输出功率可调，从而可实时调节臭氧产量和浓度。采用了负载电流频率跟踪技术，使负载工作在串联准谐振状态，提高了臭氧产量和浓度以及电源转换效率。采用触摸屏实现了电气参数显示和故障诊断等功能。
- 详细介绍：
- 提高生活用水与饮用水质量，处理生活污水与工业废水使之成为可用水，成为了全球环境保护与改善人类生存质量的重要课题。国家最新饮用水标准已将臭氧消毒作为最有效的途径，并大力推广。臭氧特种电源作为臭氧发生装置的核心及关键部件，其研究对臭氧发生、实现臭氧装置产业化有着极其深远的意义。 臭氧软开关电源以高效节能为目的，采用新的主电路拓扑结构和“DSP+触摸屏”控制器，实现了主电路各开关管的ZVS和ZCS软开关功能，从而提高了功率因数和电能转化效率；通过移相调节PSPWM，实现了功率输出可调，从而实时调节臭氧产量和浓度。同时，采用触摸屏实时显示相关的电气参数以及实现故障诊断等功能。该电源由主电路、驱动电路、控制器、供电模块等构成，并将其高度集成于单块电路板上，实现了电源的小型化。在设计中，采用TI的DSP处理器TMS320F28335和触摸屏作为主控制器，并辅以外围电路构成控制系统。在主电路中，单相交流AC220V通过EMC滤波器后，进行不可控全桥整流，整流输出通过LC滤波后，得到稳定的直流电压，直流侧再通过由6个IGBT开关管构成的逆变主电路，产生方波电压，该交流电压通过中频升压器升压后，加到臭氧发生管的两端，进行介质阻挡放电，产生出臭氧。设计中，采用新型逆变电路拓扑，即在4个开关管构成的全桥逆变电路的基础上，在直流母线侧增加了1个无极电容和2个IGBT管，通过算法控制此2个IGBT管的驱动脉冲，实现逆变电路中开关器件的软开关换流控制。本设计在综合考虑臭氧产量和高功率因数基础上，将开关频率设定在10kHz左右，并采用负载电流频率跟踪技术，以满足负载工作在串联准谐振状态，提高整机效率。为了实现后台机的远程监控，设置了CAN工业总线接口，方便装置实现无人值守控制。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.作品目的和基本思路 臭氧软开关电源以高效节能为目的，采用新的主电路拓扑结构和“DSP+触摸屏”控制器，通过在传统H桥逆变电路的基础上，在直流母线侧增加了1个无极电容和2个IGBT管实现了主电路各开关管的ZVS和ZCS软开关功能，从而提高了功率因数和电能转化效率；通过移相调节PSPWM，实现了功率输出可调，从而实时调节臭氧产量和浓度。同时，采用触摸屏实时显示相关的电气参数以及实现故障诊断等功能。本设计采用了负载电流频率跟踪技术，以满足负载工作在串联准谐振状态，提高整机效率。为了实现后台机的远程监控，设置了CAN工业总线接口，方便装置实现无人值守控制。 2.创新点 （1）新型软开关拓扑结构； （2）移相调功PSPWM； （3）“DSP+触摸屏”控制系统； （4）故障自诊断与硬件锁存； （5）负载电流频率跟踪。 3.性能指标 输入交流电压：220V，50Hz 电源的额定输出功率：2.5KVA 中频变压器设计工作频率：2~5kHz 臭氧发生器的技术参数为： 介质等效电容：0.6uF 气隙等效电容：0.2uF 放电起始电压：约2000V 发生管能承受的最大电压为：8000V 4.技术关键 （1）由6个开关管构成的全桥逆变电路中的开关器件的ZVS和ZCS软开关功能实现； （2）TMS320F28335控制器实现功率移相调节PSPWM； （3）中频变压器的设计与制作； （4）触摸屏通讯与显示以及与上位机的CAN通信。
科学性、先进性
- 1.软开关技术以提高功率因数和转换效率 臭氧技术已广泛应用于水处理、食品消毒等领域，但目前国内臭氧电源多采用硬开关技术，因而存在臭氧发生装置能耗大，效率低，臭氧产量低等缺点。 软开关技术是减小电源体积重量、提高功率密度的关键技术。目前国内对臭氧发生器软开关的研究已经展开，但是基于软开关的样机或产品，目前还很少。本装置通过将6个开关管构成的软开关主电路拓扑引入臭氧电源中，从而实现了主电路的高功率密度和可靠性，降低了开通损耗。采用DSP芯片TMS320F28335和触摸屏完成软开关电源中各IGBT开关管的控制，实现了电源的数字化。 2.功率移相调节PSPWM 功率移相调节PSPWM控制策略采用电压电流双环控制。输出电压采样值与内部电压基准比较生成电压误差信号，经过一个PI环节构成电压外环；电压外环输出作为电流环基准，与原边电感电流采样信号比较，经过PI调节输出。电流内环输出即为控制信号移相角α，通过改变移相角的大小实现改变变换器输出与稳压的功能。
获奖情况及鉴定结果
- 在本校“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中，获得一等奖； 在省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中，获得二等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.装置特点和优势 （1）选用TI的32位浮点型DSP-TMS320F28335； （2）功率控制采用移相调功（PSPWM）的方法； （3）触摸屏显示与控制； （4）能够在线故障诊断并报警； （5）预留的CAN总线可组网或与上位机连接； 2.适用范围 工业废水处理、饮用水处理、泳池水处理、污泥处理、医用消毒、食品加工消毒等。 3.推广前景与市场分析 大力发展我国臭氧技术，尤其是臭氧电源技术的研究，研制高效节能的大功率臭氧发生设备，对提高我国臭氧技术水平、大力推广应用臭氧为我国经济建设和和谐发展服务具有重要的意义与经济价值。
同类课题研究水平概述
- 随着半导体技术、电力电子技术和控制理论的不断发展和完善，涌现了大批的臭氧拓扑结构和电路改进方法，极大地促进了臭氧电源的发展。 现代的臭氧电源一般由主逆变电路，升压变压器和控制电路组成。逆变主电路主要采用MOSFET、IGBT等新型高频大功率开关器件，新型磁性材料制作中高频变压器，控制电路包括脉冲幅度调制PAM、频率控制FC、移相脉冲宽度调制PSPWM和脉冲密度调制PDM。中、高频逆变电源具有非常明显的优势，因此越来越得到广泛的应用。逆变式功率变换电路形式有很多种，包括单端正激、单端反激、推挽式、半桥式、全桥式等，它们的性能和特点各不相同，应用的方向也有各自的特点。近年来已提出多种不同拓扑结构的谐振软开关逆变电路，包括谐振过渡开关逆变器、谐振环节逆变器、负载谐振逆变器等。 供电电源功率的控制主要包括对整流电路和逆变电路的控制，以及输出功率控制。输出功率控制方法很多，主要有：脉冲幅度调制PAM、频率控制FC、移相脉冲宽度调制PSPWM和脉冲密度调制PDM四种方式。 黄玉水等人基于负载随外加电压升高，间隙放电逐渐增强，其总的负载等效电容逐渐变大的负载特性，提出了一种基于逆变器输出电流进行闭环频率跟踪控制的高频逆变电源方案。胡维等人在文献《基于双频逆变拓扑结构的臭氧发生器电源研究》中提到将已成熟应用于感应加热电源的双频逆变拓扑结构,成功用于负载容性的臭氧发生器电源，提出了一种新的多频臭氧发生电源拓扑结构。Oleg Kordiravtsev等人系统的研究了一种用于感应加热电源的新型软开关拓扑结构。丁伟等人将这种新型的软开关结构应用于臭氧电源，这将为减小开关损耗，提高臭氧电源效率提供一种新的解决方法。
