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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于移相控制的臭氧軟開關(guān)電源
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 臭氧軟開關(guān)電源以高效節(jié)能為目的，采用了新型主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并采用DSP作為主控制器，實(shí)現(xiàn)了逆變電路各個(gè)開關(guān)管的ZVS和ZCS軟開關(guān)功能，降低了裝備能耗，提升了開關(guān)管的可靠性。DSP通過PSPWM移相調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了輸出功率可調(diào)，從而可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)臭氧產(chǎn)量和濃度。采用了負(fù)載電流頻率跟蹤技術(shù)，使負(fù)載工作在串聯(lián)準(zhǔn)諧振狀態(tài)，提高了臭氧產(chǎn)量和濃度以及電源轉(zhuǎn)換效率。采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)了電氣參數(shù)顯示和故障診斷等功能。
- 詳細(xì)介紹：
- 提高生活用水與飲用水質(zhì)量，處理生活污水與工業(yè)廢水使之成為可用水，成為了全球環(huán)境保護(hù)與改善人類生存質(zhì)量的重要課題。國家最新飲用水標(biāo)準(zhǔn)已將臭氧消毒作為最有效的途徑，并大力推廣。臭氧特種電源作為臭氧發(fā)生裝置的核心及關(guān)鍵部件，其研究對(duì)臭氧發(fā)生、實(shí)現(xiàn)臭氧裝置產(chǎn)業(yè)化有著極其深遠(yuǎn)的意義。 臭氧軟開關(guān)電源以高效節(jié)能為目的，采用新的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和“DSP+觸摸屏”控制器，實(shí)現(xiàn)了主電路各開關(guān)管的ZVS和ZCS軟開關(guān)功能，從而提高了功率因數(shù)和電能轉(zhuǎn)化效率；通過移相調(diào)節(jié)PSPWM，實(shí)現(xiàn)了功率輸出可調(diào)，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)臭氧產(chǎn)量和濃度。同時(shí)，采用觸摸屏實(shí)時(shí)顯示相關(guān)的電氣參數(shù)以及實(shí)現(xiàn)故障診斷等功能。該電源由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制器、供電模塊等構(gòu)成，并將其高度集成于單塊電路板上，實(shí)現(xiàn)了電源的小型化。在設(shè)計(jì)中，采用TI的DSP處理器TMS320F28335和觸摸屏作為主控制器，并輔以外圍電路構(gòu)成控制系統(tǒng)。在主電路中，單相交流AC220V通過EMC濾波器后，進(jìn)行不可控全橋整流，整流輸出通過LC濾波后，得到穩(wěn)定的直流電壓，直流側(cè)再通過由6個(gè)IGBT開關(guān)管構(gòu)成的逆變主電路，產(chǎn)生方波電壓，該交流電壓通過中頻升壓器升壓后，加到臭氧發(fā)生管的兩端，進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電，產(chǎn)生出臭氧。設(shè)計(jì)中，采用新型逆變電路拓?fù)洌丛?個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的全橋逆變電路的基礎(chǔ)上，在直流母線側(cè)增加了1個(gè)無極電容和2個(gè)IGBT管，通過算法控制此2個(gè)IGBT管的驅(qū)動(dòng)脈沖，實(shí)現(xiàn)逆變電路中開關(guān)器件的軟開關(guān)換流控制。本設(shè)計(jì)在綜合考慮臭氧產(chǎn)量和高功率因數(shù)基礎(chǔ)上，將開關(guān)頻率設(shè)定在10kHz左右，并采用負(fù)載電流頻率跟蹤技術(shù)，以滿足負(fù)載工作在串聯(lián)準(zhǔn)諧振狀態(tài)，提高整機(jī)效率。為了實(shí)現(xiàn)后臺(tái)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)置了CAN工業(yè)總線接口，方便裝置實(shí)現(xiàn)無人值守控制。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1.作品目的和基本思路 臭氧軟開關(guān)電源以高效節(jié)能為目的，采用新的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和“DSP+觸摸屏”控制器，通過在傳統(tǒng)H橋逆變電路的基礎(chǔ)上，在直流母線側(cè)增加了1個(gè)無極電容和2個(gè)IGBT管實(shí)現(xiàn)了主電路各開關(guān)管的ZVS和ZCS軟開關(guān)功能，從而提高了功率因數(shù)和電能轉(zhuǎn)化效率；通過移相調(diào)節(jié)PSPWM，實(shí)現(xiàn)了功率輸出可調(diào)，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)臭氧產(chǎn)量和濃度。同時(shí)，采用觸摸屏實(shí)時(shí)顯示相關(guān)的電氣參數(shù)以及實(shí)現(xiàn)故障診斷等功能。本設(shè)計(jì)采用了負(fù)載電流頻率跟蹤技術(shù)，以滿足負(fù)載工作在串聯(lián)準(zhǔn)諧振狀態(tài)，提高整機(jī)效率。為了實(shí)現(xiàn)后臺(tái)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)置了CAN工業(yè)總線接口，方便裝置實(shí)現(xiàn)無人值守控制。 2.創(chuàng)新點(diǎn) （1）新型軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； （2）移相調(diào)功PSPWM； （3）“DSP+觸摸屏”控制系統(tǒng)； （4）故障自診斷與硬件鎖存； （5）負(fù)載電流頻率跟蹤。 3.性能指標(biāo) 輸入交流電壓：220V，50Hz 電源的額定輸出功率：2.5KVA 中頻變壓器設(shè)計(jì)工作頻率：2~5kHz 臭氧發(fā)生器的技術(shù)參數(shù)為： 介質(zhì)等效電容：0.6uF 氣隙等效電容：0.2uF 放電起始電壓：約2000V 發(fā)生管能承受的最大電壓為：8000V 4.技術(shù)關(guān)鍵 （1）由6個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的全橋逆變電路中的開關(guān)器件的ZVS和ZCS軟開關(guān)功能實(shí)現(xiàn)； （2）TMS320F28335控制器實(shí)現(xiàn)功率移相調(diào)節(jié)PSPWM； （3）中頻變壓器的設(shè)計(jì)與制作； （4）觸摸屏通訊與顯示以及與上位機(jī)的CAN通信。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.軟開關(guān)技術(shù)以提高功率因數(shù)和轉(zhuǎn)換效率 臭氧技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水處理、食品消毒等領(lǐng)域，但目前國內(nèi)臭氧電源多采用硬開關(guān)技術(shù)，因而存在臭氧發(fā)生裝置能耗大，效率低，臭氧產(chǎn)量低等缺點(diǎn)。 軟開關(guān)技術(shù)是減小電源體積重量、提高功率密度的關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)對(duì)臭氧發(fā)生器軟開關(guān)的研究已經(jīng)展開，但是基于軟開關(guān)的樣機(jī)或產(chǎn)品，目前還很少。本裝置通過將6個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的軟開關(guān)主電路拓?fù)湟氤粞蹼娫粗校瑥亩鴮?shí)現(xiàn)了主電路的高功率密度和可靠性，降低了開通損耗。采用DSP芯片TMS320F28335和觸摸屏完成軟開關(guān)電源中各IGBT開關(guān)管的控制，實(shí)現(xiàn)了電源的數(shù)字化。 2.功率移相調(diào)節(jié)PSPWM 功率移相調(diào)節(jié)PSPWM控制策略采用電壓電流雙環(huán)控制。輸出電壓采樣值與內(nèi)部電壓基準(zhǔn)比較生成電壓誤差信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)PI環(huán)節(jié)構(gòu)成電壓外環(huán)；電壓外環(huán)輸出作為電流環(huán)基準(zhǔn)，與原邊電感電流采樣信號(hào)比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)輸出。電流內(nèi)環(huán)輸出即為控制信號(hào)移相角α，通過改變移相角的大小實(shí)現(xiàn)改變變換器輸出與穩(wěn)壓的功能。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 在本?！疤魬?zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中，獲得一等獎(jiǎng)； 在省第九屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中，獲得二等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 1.裝置特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) （1）選用TI的32位浮點(diǎn)型DSP-TMS320F28335； （2）功率控制采用移相調(diào)功（PSPWM）的方法； （3）觸摸屏顯示與控制； （4）能夠在線故障診斷并報(bào)警； （5）預(yù)留的CAN總線可組網(wǎng)或與上位機(jī)連接； 2.適用范圍 工業(yè)廢水處理、飲用水處理、泳池水處理、污泥處理、醫(yī)用消毒、食品加工消毒等。 3.推廣前景與市場分析 大力發(fā)展我國臭氧技術(shù)，尤其是臭氧電源技術(shù)的研究，研制高效節(jié)能的大功率臭氧發(fā)生設(shè)備，對(duì)提高我國臭氧技術(shù)水平、大力推廣應(yīng)用臭氧為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和和諧發(fā)展服務(wù)具有重要的意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
同類課題研究水平概述
- 隨著半導(dǎo)體技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展和完善，涌現(xiàn)了大批的臭氧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路改進(jìn)方法，極大地促進(jìn)了臭氧電源的發(fā)展。 現(xiàn)代的臭氧電源一般由主逆變電路，升壓變壓器和控制電路組成。逆變主電路主要采用MOSFET、IGBT等新型高頻大功率開關(guān)器件，新型磁性材料制作中高頻變壓器，控制電路包括脈沖幅度調(diào)制PAM、頻率控制FC、移相脈沖寬度調(diào)制PSPWM和脈沖密度調(diào)制PDM。中、高頻逆變電源具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，因此越來越得到廣泛的應(yīng)用。逆變式功率變換電路形式有很多種，包括單端正激、單端反激、推挽式、半橋式、全橋式等，它們的性能和特點(diǎn)各不相同，應(yīng)用的方向也有各自的特點(diǎn)。近年來已提出多種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振軟開關(guān)逆變電路，包括諧振過渡開關(guān)逆變器、諧振環(huán)節(jié)逆變器、負(fù)載諧振逆變器等。 供電電源功率的控制主要包括對(duì)整流電路和逆變電路的控制，以及輸出功率控制。輸出功率控制方法很多，主要有：脈沖幅度調(diào)制PAM、頻率控制FC、移相脈沖寬度調(diào)制PSPWM和脈沖密度調(diào)制PDM四種方式。 黃玉水等人基于負(fù)載隨外加電壓升高，間隙放電逐漸增強(qiáng)，其總的負(fù)載等效電容逐漸變大的負(fù)載特性，提出了一種基于逆變器輸出電流進(jìn)行閉環(huán)頻率跟蹤控制的高頻逆變電源方案。胡維等人在文獻(xiàn)《基于雙頻逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的臭氧發(fā)生器電源研究》中提到將已成熟應(yīng)用于感應(yīng)加熱電源的雙頻逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),成功用于負(fù)載容性的臭氧發(fā)生器電源，提出了一種新的多頻臭氧發(fā)生電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Oleg Kordiravtsev等人系統(tǒng)的研究了一種用于感應(yīng)加熱電源的新型軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。丁偉等人將這種新型的軟開關(guān)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于臭氧電源，這將為減小開關(guān)損耗，提高臭氧電源效率提供一種新的解決方法。
