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大功率介质阻挡放电臭氧发生电源的关键技术研究与实现

孟志强

  臭氧(O_3)作为自然界最强的无二次污染氧化剂,广泛应用于自来水杀菌、消毒、除臭和去除重金属离子,应用于工业污废水的深度处理去除毒性物质、提高有机物的生物降解能力、使工业污废水中水回用与达标排放,对提高水质和环境保护具有深远的意义和巨大的经济价值。但臭氧是一种极不稳定易分解的物质,应用时需现场生产,最常用的生产方法是介质阻挡放电法,简称为DBD法,由单相交变电源在DBD型臭氧发生器的高、低压电极上形成数千伏的高电压,在绝缘介质层与电极之间的气隙内建立起交变强电场,电离气隙中的氧分子形成大量的微放电生成臭氧。显然,臭氧发生器和供电电源是DBD法的关键。本文在广泛阅读国内外大量文献和深入研究现有臭氧发生电源相关技术的基础上,以移相PWM控制全桥供电的串联谐振式DBD型臭氧发生电源为对象,从发生器的电气特性、电源的移相调节特性和软开关技术三个方面,对电源的关键技术进行了系统的研究与探索,这些工作在理论与应用方面都有很大的意义。本文的主要工作为:1.系统的分析了移相PWM控制全桥供电的串联谐振式DBD型臭氧发生电源系统的工作过程,提出了该系统的三种工作情况和五个主要特征;2.基于波形时域分析,得到了电源在完全谐振放电工况下,发生器介质层端电压的表达式,发生器稳定放电的电气参数匹配条件与最佳匹配范围,在此基础上,提出了电源的时域设计方法,设计实例及其仿真结果证明了理论分析与设计方法的有效性;3.基于对供电模态放电和环流模态放电的时域分析,研究了移相PWM控制串联谐振式DBD型臭氧发生电源系统的移相调节特性,得到了各个主要电气参数与移相角的关系曲线和各种运行工况下的移相调节范围,为运行中调节发生器的端电压和放电功率提供了依据,仿真结果证明了所得关系式的正确性;4.提出了正弦电流供电的DBD型发生器的基波等效模型,可将分段线性的DBD型发生器气隙等效为一个连续变化的RC串联的非线性基波等效模型,详细研究了等效模型的电气特性,获得了发生器稳定放电的电气参数匹配条件与最佳匹配范围,并将该模型成功地运用于移相PWM控制串联谐振式DBD型臭氧发生电源系统,得到了完全谐振放电工况下电源的基波等效模型设计方法和调节特性,其设计结果与时域分析法的结果完全一致,并被仿真所证实。这种基波等效模型分析法不仅简单使用,也可以此为工具将感应加热线性负载用串联谐振电路的丰富的研究成果移植到DBD型非线性负载;5.详细分析了感性工况下,具有谐振极电容、用MOSFET作功率开关的移相PWM控制串联谐振式电源的开关模态,得到了开关模态的重要特征;研究了……