CN111404416B - 一种中高频臭氧发生器装置及控制方法 - Google Patents

一种中高频臭氧发生器装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种中高频臭氧发生器装置及控制方法，该装置在技术上实现了臭氧发生室运行电压和运行电流的采样和闭环控制过程，可实现限压或限流控制运行，同时对臭氧发生室可能出现的短路和开路故障状态进行保护，确保了设备长期运行安全。另外，根据臭氧发生室在电极闪络时，电压值与电流值相互变化的规律，检测闪络的发生并进行相应控制，提高臭氧发生室运行可靠性，避免臭氧发生室接地极和内电极损坏。此外，所述中高频臭氧发生器装置可实现对臭氧发生室的最佳工作频率控制，在确定臭氧产量的同时降低臭氧能耗。最后，所述中高频臭氧发生器装置可实现对输入电源的中频或高频脉冲供电，可提高臭氧浓度并降低臭氧能耗指标。

Description

一种中高频臭氧发生器装置及控制方法
技术领域
本申请涉及自动化控制技术领域，更具体地说，涉及一种中高频臭氧发生器装置及控制方法。
背景技术
臭氧(Ozone)因其具有极强的氧化能力和杀菌能力而在水处理、化学氧化、食品加工和医疗卫生等许多领域具有广泛的应用。臭氧发生器是用于制备臭氧的装置，按臭氧产生的方式划分，主要有三种：一是高压放电式，二是紫外线照射式，三是电解式。工业上制备臭氧最为可行和有效的方法为介质阻挡放电法(Dielectric barrier discharge，DBD)——采用高压放电电离(电化学反应)使空气中的部分氧气分解聚合为臭氧，是氧的同素异形转变过程。
目前主流的臭氧发生器大多采用臭氧产量和有功功率的反馈控制，这种控制方式易受外部条件影响导致介质绝缘击穿或过热损坏，而且无法监测臭氧发生器中臭氧发生室出现的各类故障，易导致发生室接地极和内电极因电蚀损坏，使得臭氧发生室运行稳定性较低，运行成本和维护成本较高。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供了一种中高频臭氧发生器装置及控制方法，以实现降低臭氧发生室的运行成本和维护成本，并提高臭氧发生室的运行稳定性的目的。
为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种中高频臭氧发生器装置，包括：臭氧发生室、臭氧电源及控制系统以及配套仪器仪表；其中，臭氧电源及控制系统包括整流模块、滤波模块、逆变模块、电压转换模块、采样模块和控制模块；
所述整流模块，用于接收输入电源，并将所述输入电源转换为直流电源信号；
所述滤波模块，用于对所述直流电源信号进行滤波处理；
所述逆变模块，用于根据输入控制信号，将滤波处理后的所述直流电源信号转换为交流形式的工作电源；
所述电压转换模块，用于对所述工作电源进行电压转换后传输给臭氧发生室，以控制所述臭氧发生室工作；
所述采样模块，用于获取所述臭氧发生室的运行电流以及所述臭氧发生室的运行电压；
所述控制模块，用于根据所述输入电源的频段，生成所述输入控制信号，和用于根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室是否发生故障，如果是，则关断所述逆变模块的能量输出。
可选的，所述逆变模块包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管；
所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管构成全桥逆变电路，其中，所述第一晶体管和第四晶体管构成所述全桥逆变电路的一组工作臂，所述第二晶体管和第三晶体管构成所述全桥逆变电路的另一组工作臂；
所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管为绝缘栅双极型晶体管。
可选的，所述电压转换模块为变压器；
所述变压器的初级绕组与所述全桥逆变电路的输出端连接；
所述变压器的次级绕组高压侧与所述臭氧发生室的高压输入端连接，接地侧与所述臭氧发生室的接地端连接后再接至地网。
可选的，所述采样模块包括：电压采集单元和电流采集单元；其中，
所述电压采集单元采用电容分压或电阻分压取样，用于采集所述次级绕组的高压侧的电压作为所述臭氧发生室的运行电压；
所述电流采集单元采用电流互感器取样，用于采集所述次级绕组接地侧的电流作为所述臭氧发生室的运行电流。
可选的，所述控制模块根据所述输入电源的频段，生成所述输入控制信号具体用于，
当所述输入电源的运行频率为中频频段时，以SPWM控制方式，生成所述输出控制信号；
当所述输入电源的运行频率为高频频段时，以PWM控制方式，生成所述输出控制信号；
所述以SPWM控制方式，生成所述输出控制信号包括：
按照第一预设公式，根据所述输入电源的运行频率，计算所述输出控制信号的载波比，并以计算获得的载波比生成SPWM信号作为所述输出控制信号；
所述第一预设公式为：
Figure BDA0002425103350000031
其中，fmax表示绝缘栅双极型晶体管允许的最高开关频率，f0表示所述输入电源的运行频率，f2≤f0≤f1，f1表示限压运行时，臭氧产量最高时所述输入电源的运行频率；f2表示限流运行时，能耗最低时所述输入电源的运行频率，n表示所述输出控制信号的载波比；
所述以PWM控制方式，生成所述输出控制信号包括：
将所述载波比设置为预设固定值，并根据设置的所述载波比生成PWM信号作为所述输出控制信号。
可选的，所述控制模块根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室是否发生故障具体用于根据所述运行电流和所述运行电压的阈值 ，判断所述臭氧发生室是否发生短路故障或开路故障；
根据所述运行电流的上升速率和所述运行电压的下降速率，判断所述臭氧发生室是否发生闪络故障。
可选的，所述控制模块根据所述运行电流和所述运行电压的阈值 ，判断所述臭氧发生室是否发生短路故障和或开路故障具体用于，判断所述运行电流是否大于第一电流阈值且所述运行电压是否小于第一电压阈值，如果是，则判定所述臭氧发生室发生短路故障；
判断所述运行电流是否小于第二电流阈值，且所述运行电压是否大于第二电压阈值，如果是，则判定所述臭氧发生室发生开路故障。
可选的，所述根据所述运行电流的上升速率和所述运行电压的下降速率，判断所述臭氧发生室是否发生闪络故障具体用于，判断所述运行电流的下降速率是否大于第一速率阈值，且所述运行电压的下降速率是否大于第二速率阈值，如果是，则判定所述臭氧发生室发生闪络故障。
一种中高频臭氧发生器装置的控制方法，包括：
获取臭氧发生室的运行电流以及所述臭氧发生室的运行电压；
根据所述输入电源的频段，生成输入控制信号，并根据所述输入控制信号，将滤波处理后的直流电源信号转换为交流形式的工作电源，以使所述交流形式的工作电源在进行电压转换后传输给所述臭氧发生室，以控制所述臭氧发生室工作；
根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室是否发生故障，如果是，则切断所述整流模块接收的输入电源。
可选的，所述根据所述输入电源的频段，生成输入控制信号包括：
当所述输入电源的运行频率为中频频段时，以SPWM控制方式，生成所述输出控制信号；
当所述输入电源的运行频率为高频频段时，以PWM控制方式，生成所述输出控制信号；
所述以SPWM控制方式，生成所述输出控制信号包括：
按照第一预设公式，根据所述输入电源的运行频率，计算所述输出控制信号的载波比，并以计算获得的载波比生成SPWM信号作为所述输出控制信号；
所述第一预设公式为：
Figure BDA0002425103350000051
其中，fmax表示绝缘栅双极型晶体管允许的最高开关频率，f0表示所述输入电源的运行频率，f2≤f0≤f1，f1表示限压运行时，臭氧产量最高时所述输入电源的运行频率，f2表示限流运行时，能耗最低时所述输入电源的运行频率，n表示所述输出控制信号的载波比；
所述以PWM控制方式，生成所述输出控制信号包括：
将所述载波比设置为预设固定值，并根据设置的所述载波比生成PWM信号作为所述输出控制信号。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种中高频臭氧发生器装置及控制方法，其中，所述中高频臭氧发生器装置在臭氧发生室的控制过程中，通过采样模块获取臭氧发生室的运行电流和运行电压，通过控制模块根据所述输入电源的频段，生成所述输入控制信号并传给所述逆变模块，所述逆变模块根据所述输入控制信号，将滤波处理后的所述直流电源信号转换为交流形式的工作电源，所述交流形式的工作电源在经由电压转换模块进行电压转换后传输给所述臭氧发生室，以控制所述臭氧发生室工作，实现根据臭氧发生室的运行参数(即运行电压和运行电流)对臭氧发生室进行闭环控制的目的，避免了臭氧发生室易受外部条件影响导致介质绝缘击穿或过热损坏的情况，从而降低了臭氧发生室的运行成本和维护成本，并且提高了臭氧发生器的运行稳定性。
另外，所述控制模块还根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室是否发生故障，并在判定所述臭氧发生室发生故障时，切断所述整流模块接收的输入电源，实现了对臭氧发生室的故障监测和保护的目的，提高了臭氧发生器的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请的一个实施例提供的一种中高频臭氧发生器装置的结构示意图；
图2为本申请的另一个实施例提供的一种中高频臭氧发生器装置的工作原理示意图；
图3为本申请的一个实施例提供的一种中高频臭氧发生器装置控制方法的流程示意图。
具体实施方式
正如背景技术中所述，现有技术中制备臭氧最为可行和有效的方法为介质阻挡放电法，利用该方法制备的臭氧发生室主要包括臭氧发生室、臭氧电源系统、控制系统以及配套仪器仪表，其中臭氧电源系统提供输入电源，控制系统控制臭氧发生室的工作情况，臭氧发生室作为臭氧电源系统的负载，是臭氧生成的场所。根据臭氧发生器的电源系统提供的输入电源的频率分为工频、中频和高频，其中，输入电源的频率为50Hz时称为工频，输入电源的频率在50-1000Hz之间的(一般从400Hz开始，至1000Hz(包含1000Hz))称为中频，输入电源的频率在1000Hz以上时称为高频。
目前主流的臭氧发生器大多采用臭氧产量和有功功率的反馈控制，在技术上无法实现对臭氧发生器运行参数的闭环控制，对发生室存在的二个极限参数——最大工作电压和最大工作电流无法实现实时控制，易受外部条件影响导致介质绝缘击穿或过热损坏，而且无法对电极闪络情况进行保护，易导致发生室接地极和内电极因电蚀损坏，使得臭氧发生器运行稳定性较低，运行和维护成本高于国外同类产品。同时在认识上未能了解臭氧发生器运行电压和运行电流相互之间的运行规律，臭氧电源系统采用单一的中频电源或者高频电源，基本为定频控制，在降低臭氧能耗上仍有提升空间。
发明人通过研究发现，臭氧发生室的等效电路为介质等效电容Cd和气隙等效电容Cg串联得到的负载等效电容，与臭氧电源系统升压变压器次级线圈漏感构成串联谐振，并且谐振频率受输入气体流量、发生单元温度、电源电压波动等因素的影响，如：在介质阻挡放电过程中，负载等效电容与外加电压幅值有直接关系，随着外加电压幅值的升高，臭氧发生室负载等效电容逐渐变大，但不会超过绝缘介质等效电容。同时理论分析和实践中我们可以发现，臭氧电源全波供电时，工作频率等于谐振频率时，臭氧产量最高，能耗较低。
基于此，本申请实施例提供了一种中高频臭氧发生器装置，包括：臭氧发生室、臭氧电源及控制系统以及配套仪器仪表；其中，臭氧电源及控制系统包括整流模块、滤波模块、逆变模块、电压转换模块、采样模块和控制模块；其中，
所述整流模块，用于接收输入电源，并将所述输入电源转换为直流电源信号；
所述滤波模块，用于对所述直流电源信号进行滤波处理；
所述逆变模块，用于根据输入控制信号，将滤波处理后的所述直流电源信号转换为交流形式的工作电源；
所述电压转换模块，用于对所述工作电源进行电压转换后传输给臭氧发生室，以控制所述臭氧发生室工作；
所述采样模块，用于获取所述臭氧发生室的运行电流以及所述臭氧发生室的运行电压；
所述控制模块，用于根据所述输入电源的频段，生成所述输入控制信号，和用于根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室是否发生故障，如果是，则关断所述逆变模块的能量输出。
本申请实施例提供的所述中高频臭氧发生器装置在臭氧发生室的控制过程中，通过采样模块获取臭氧发生室的运行电流和运行电压，所述电压采集单元采用电容分压或电阻分压取样，用于采集所述次级绕组的高压侧的电压作为所述臭氧发生室的运行电压；所述电流采集单元采用电流互感器取样，用于采集所述次级绕组接地侧的电流作为所述臭氧发生室的运行电流。通过控制模块根据所述输入电源的频段，生成所述输入控制信号并传给所述逆变模块，所述逆变模块根据所述输入控制信号，将滤波处理后的所述直流电源信号转换为交流形式的工作电源，所述交流形式的工作电源在经由电压转换模块进行电压转换后传输给所述臭氧发生室，以控制所述臭氧发生室工作，实现根据臭氧发生室的运行参数(即运行电压和运行电流)对臭氧发生室进行闭环控制的目的，避免了臭氧发生室易受外部条件影响导致介质绝缘击穿或过热损坏的情况，从而降低了臭氧发生室的运行成本和维护成本，并且提高了臭氧发生室的运行稳定性。
另外，所述控制模块还根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室是否发生故障，并在判定所述臭氧发生室发生故障时，切断所述整流模块接收的输入电源，实现了对臭氧发生室的故障监测和保护的目的，提高了臭氧发生室的稳定性。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种中高频臭氧发生器装置，如图1所示，包括：整流模块100、滤波模块200、逆变模块300、电压转换模块400、采样模块 700和控制模块600；其中，
所述整流模块100，用于接收输入电源，并将所述输入电源转换为直流电源信号；
所述滤波模块200，用于对所述直流电源信号进行滤波处理；
所述逆变模块300，用于根据输入控制信号，将滤波处理后的所述直流电源信号转换为交流形式的工作电源；
所述电压转换模块400，用于对所述工作电源进行电压转换后传输给臭氧发生室500，以控制所述臭氧发生室500工作；
所述采样模块700，用于获取所述臭氧发生室500的运行电流以及所述臭氧发生室500的运行电压；
所述控制模块600，用于根据所述输入电源的频段，生成所述输入控制信号，和用于根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室500是否发生故障，如果是，则关断所述逆变模块300的能量输出。
在本实施例中，所述输入电源由臭氧电源提供，图2为所述中高频臭氧装置及控制方法工作原理示意图。发明人通过研究发现，臭氧发生室500的等效电路为介质等效电容Cd和气隙等效电容Cg串联得到的负载等效电容，且所述臭氧发生室500与所述电压转换模块400的次级线圈漏感构成串联谐振，谐振频率受输入气体流量、发生单元温度、电源电压波动等因素的影响，如：在介质阻挡放电过程中，负载等效电容与运行电压(即所述臭氧发生室500接收的电压)有直接关系，随着运行电压的升高，臭氧发生室500负载等效电容逐渐变大，但不会超过绝缘介质等效电容。同时理论分析和实践中我们可以发现，中高频臭氧发生器装置为所述臭氧发生室500全波供电时，工作频率等于谐振频率时，臭氧产量最高，能耗较低。
因此，在本实施例中，所述中高频臭氧发生器装置在臭氧发生室500的控制过程中，通过采样模块700获取臭氧发生室500的运行电流和运行电压，通过控制模块600根据所述输入电源的频段，生成所述输入控制信号并传给所述逆变模块300，所述逆变模块300根据所述输入控制信号，将滤波处理后的所述直流电源信号转换为交流形式的工作电源，所述交流形式的工作电源在经由电压转换模块400进行电压转换后传输给所述臭氧发生室500，以控制所述臭氧发生室500工作，实现根据臭氧发生室500的运行参数(即运行电压和运行电流)对臭氧发生室500进行闭环控制的目的，避免了臭氧发生室500易受外部条件影响导致介质绝缘击穿或过热损坏的情况，从而降低了臭氧发生室 500的运行成本和维护成本，并且提高了臭氧发生室500的运行稳定性。
另外，所述控制模块600还根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室500是否发生故障，并在判定所述臭氧发生室500发生故障时，切断所述整流模块100接收的输入电源，实现了对臭氧发生室500的故障监测和保护的目的，提高了臭氧发生室500的稳定性。
在本申请中，中高频臭氧发生器装置中的“中高频”是指输入电源的频率大于50Hz，具体地，输入电源的频率在50-1000Hz之间的(一般从400Hz开始，至1000Hz(包含1000Hz))称为中频，输入电源的频率在1000Hz以上时称为高频。
下面对本申请实施例提供的中高频臭氧发生器装置中的各个模块的具体可行结构进行说明。
参考图2，所述逆变模块300包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3和第四晶体管Q4；
所述第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3和第四晶体管Q4构成全桥逆变电路，其中，所述第一晶体管Q1和第四晶体管Q4构成所述全桥逆变电路的一组工作臂，所述第二晶体管Q2和第三晶体管Q3构成所述全桥逆变电路的另一组工作臂；
所述第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3和第四晶体管Q4均为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。
具体地，仍然参考图2，所述第一晶体管Q1的集电极与所述第二晶体管 Q2的集电极连接，作为所述逆变模块300的第一输入端；
所述第三晶体管Q3的发射极与所述第四晶体管Q4的发射极连接，作为所述逆变模块300的第二输入端；
所述第一晶体管Q1的发射极与所述第三晶体管Q3的集电极连接，作为所述逆变模块300的第一输出端；
所述第二晶体管Q2的集电极与所述第四晶体管Q4的发射极电连接，作为所述逆变模块300的第二输出端；
所述第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的栅极均与所述控制模块600电连接，用于接收所述输入控制信号，在所述输入控制信号的控制下导通或关断。
此外，图2中还示出了第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的反并联二极管(T1、T2、T3、T4)。
仍然参考图2，所述电压转换模块400为变压器TM；
所述变压器TM的初级绕组与所述全桥逆变电路300的第一输出端和第二输出端连接；
所述变压器TM的次级绕组与所述臭氧发生室500的输入端连接，高压侧与所述臭氧发生室的高压输入端连接，接地侧与所述臭氧发生室的接地端连接后再接至地网。
所述采样模块700包括：电压采集单元和电流采集单元；其中，
所述电压采集单元采用电容分压或电阻分压取样，用于采集所述次级绕组的高压侧的电压作为所述臭氧发生室500的运行电压；
所述电流采集单元采用电流互感器取样，用于采集所述次级绕组接地侧的电流作为所述臭氧发生室500的运行电流。
具体地，所述次级绕组的高压侧为附图2中箭头H1所指一侧，所述次级绕组接地侧为附图2中的箭头L1所指一侧。
所述整流模块100包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6，所述第一二极管D1至第六二极管D6构成了不可控三相整流电路，具体连接关系参考图2。
所述滤波模块200包括第一电感L1和第一电容C1，所述第一电感L1的一端与所述整流模块100的正极侧连接，另一端与所述第一电容C1的一端以及所述逆变模块300的第一输入端电连接；
所述第一电容C1另一端与所述整流模块100的负极侧以及所述逆变模块 300的第二输入端连接。
在图2所示的中高频臭氧发生器装置中，采用由绝缘栅双极型晶体管构成的逆变模块300与变压器TM的初级线圈直接连接，而变压器TM的次级线圈与臭氧发生室500直接连接，这两部分的连接均无需增加电容和电感等被动器件。通过所述输入控制信号的调节，可以实现对所述逆变模块300中的绝缘栅双极型晶体管的开关的控制，从而可以实现在输入电源处于中频频段时，进行SPWM控制和在所述输入电源处于高频频段时，进行PWM脉冲控制的目的，从而有利于避免臭氧发生室500易受外部条件影响导致介质绝缘击穿或过热损坏的情况，从而降低了臭氧发生室500的运行成本和维护成本，并且提高了臭氧发生室500的运行稳定性。
具体地，在本申请的一个实施例中，所述控制模块600根据所述输入电源的频段，生成所述输入控制信号具体用于，
当所述输入电源的运行频率为中频频段时，以SPWM控制方式，生成所述输出控制信号；
当所述输入电源的运行频率为高频频段时，以PWM控制方式，生成所述输出控制信号；
所述以SPWM控制方式，生成所述输出控制信号包括：
按照第一预设公式，根据所述输入电源的运行频率，计算所述输出控制信号的载波比，并以计算获得的载波比生成SPWM信号作为所述输出控制信号；
所述第一预设公式为：
Figure BDA0002425103350000121
其中，fmax表示绝缘栅双极型晶体管允许的最高开关频率，f0表示所述输入电源的运行频率，f2≤f0≤f1，f1表示限压运行时，臭氧产量最高时所述输入电源的运行频率，f2表示限流运行时，能耗最低时所述输入电源的运行频率，n表示所述输出控制信号的载波比；
所述以PWM控制方式，生成所述输出控制信号包括：
将所述载波比设置为预设固定值，并根据设置的所述载波比生成PWM信号作为所述输出控制信号。
一般情况下，所述输入电源的运行频率为中频频段是指所述输入电源的运行频率在50-1000Hz之间；所述输入电源的运行频率为高频频段是指所述输入电源的运行频率在1000Hz以上。
在本实施例中，当所述输入电源的运行频率为中频频段时，以SPWM控制方式，生成所述输出控制信号，在技术上可以实现自动寻找最佳工作频率，减少谐波的产生，同时满足功率输出的要求。
自动寻找最佳工作频率一方面可依据准确可靠的电压电流数据以及臭氧产量值，实现快速寻找臭氧发生器系统最佳工作频率。通过扫频定位系统谐振频率，定位谐振频率之后在谐振频率下方寻找某一工作频率点，可使系统保持产量的同时降低功耗，该频率即为系统最佳工作频率。
具体地，在以SPWM控制方式生成所述输出控制信号对所述逆变模块300 进行控制时，可以实现调幅和调频运行：通过限压运行，从
Figure BDA0002425103350000131
(L为变压器次级漏感、Cd为臭氧发生室500的介质等效电流)频率开始，以固定频率步长(例如5Hz、10Hz、20Hz等)为一档逐步提高运行频率，随着运行频率的提高，臭氧发生室500的运行电流会呈现一个抛物线关系，最高点电流对应的运行频率即为f1，这个频率即为当前电压下的谐振频率，这个时候臭氧发生室500的臭氧产量最高；
通过限流运行，通过从
Figure BDA0002425103350000132
频率开始，以固定频率步长(例如5Hz、 10Hz、20Hz等)为一档逐步提高运行频率，随着运行频率的提高，臭氧发生室500的运行电压会呈现一个抛物线关系，最高电压对应的频率即为f2，这个频率即为臭氧发生室500能耗最低的运行频率，臭氧产量略低于运行频率为f1时的臭氧产量，一般情况下f1＞f2，因此，在当f2≤f0≤f1时，可寻找一个最优的运行频率，在保持臭氧产量较高的同时，保持一个较低的臭氧发生室500 能耗。
在当所述输入电源的运行频率为高频频段时，以PWM控制方式，生成所述输出控制信号，可实现高频脉冲控制方式，最高工作频率即为绝缘栅双极型晶体管允许的最高开关频率，高频脉冲(PWM控制方式生成的输出控制信号，即PWM波)的工作方式一方面减少了绝缘栅双极型晶体管的开关损耗，提高了电能利用率；另一方面可实现单脉冲宽度为10μs以上，占空比灵活可调，高电压变化率(du/dt)可提高运行电压峰值，降低介质材料被击穿的概率，且臭氧发生室500接收的电源电压的频率、峰值的提高有利于提高臭氧浓度，降低臭氧能耗指标。
具体地，根据公式
Figure BDA0002425103350000141
P为臭氧电源输出功率，单位为W；Cd为介电等效电容，单位为F；Cg为气隙电容，单位为F；U0为外加驱动电压(峰值)，单位为V；Us为气隙的电晕起始电压(峰值)，单位为V；f0为输入电源频率，Hz；频率、电压峰值的提高有利于提高臭氧浓度，降低臭氧能耗指标。
在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，所述控制模块600 根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室500是否发生故障具体用于，根据所述运行电流和所述运行电压的幅值，判断所述臭氧发生室 500是否发生短路故障和或开路故障；
根据所述运行电流的上升速率和所述运行电压的下降速率，判断所述臭氧发生室500是否发生闪络故障。
具体地，所述控制模块600根据所述运行电流和所述运行电压的阈值 ，判断所述臭氧发生室500是否发生短路故障和或开路故障具体用于，判断所述运行电流是否大于第一电流阈值且所述运行电压是否小于第一电压阈值，如果是，则判定所述臭氧发生室500发生短路故障；
判断所述运行电流是否小于第二电流阈值，且所述运行电压是否大于第二电压阈值，如果是，则判定所述臭氧发生室500发生开路故障。
其中，所述第一电压阈值、第二电压阈值、第一电流阈值和第二电流阈值可以根据实际情况确定。
以一台输入视在功率为300kW的臭氧电源为例，当其满功率运行提供所述输入电源时，所述臭氧发生室500的运行电压小于或等于10kV，运行电流小于或等于50A，可以对臭氧发生室500的运行电压和运行电流进行限压和限流运行，所述第一电压阈值、第二电压阈值可以根据臭氧发生室500内所有的介电材料，如石英玻璃、高硼硅玻璃和搪瓷等材料的介电常数、厚度、气隙厚度进行确定；第一电流阈值和第二电流阈值可以根据臭氧发生室500内所有的节点材料的介质损耗系数和导热性能进行确定。
限压和限流运行有利于臭氧发生室500介电材料的长期可靠运行，确保运行安全。
可选的，所述第一电压阈值可以为2kV，所述第一电流阈值可以为5A；
所述第二电压阈值可以为5kV，所述第二电流阈值可以为3A。
在本申请的一些实施例中，所述控制模块600根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室500是否发生故障，如果是，则关断所述逆变模块300的能量输出(即所述控制模块600对臭氧发生室500的故障判断及故障控制过程)具体包括：
判断所述运行电流是否大于第一电流阈值且所述运行电压是否小于第一电压阈值，如果是，则第一统计次数加1，判断所述第一统计次数是否大于或等于第一预设次数，若是，则切断所述整流模块100接收的输入电源并输出短路故障警报，同时所述第一预设次数清零，或控制所述臭氧电源停机并输出短路故障警报，同时所述第一预设次数清零；
若否，则关闭臭氧电源的功率输出，控制所述臭氧电源的功率从0开始提升，并返回判断所述运行电流是否大于第一电流阈值且所述运行电压是否小于第一电压阈值的步骤；
判断运行电流是否小于第二电流阈值且所述运行电压是否大于第二电压阈值，如果是，则第二统计次数加1，判断所述第二统计次数是否大于或等于第二预设次数，若是，切断所述整流模块100接收的输入电源并输出开路故障警报，同时所述第二预设次数清零，或控制所述臭氧电源停机并输出开路故障警报，同时所述第二预设次数清零；
若否，则关闭臭氧电源的功率输出，控制所述臭氧电源的功率从0开始提升，并返回判断运行电流是否小于第二电流阈值，且所述运行电压是否大于第二电压阈值的步骤。
在该实施例中，在判定开路故障或短路故障之前，均设置了相应的故障统计次数(即第一统计次数和第二统计次数)，只有在一定时间内故障统计次数超过设定的次数阈值(即第一预设次数和第二预设次数)时，才会切断所述整流模块100接收的输入电源并输出短路故障警报，或控制所述臭氧电源停机并输出开路故障警报，避免了误报的可能，提高了装置的鲁棒性。
对于闪络故障的判断主要以运行电流的上升速率和所述运行电压的下降速率进行判断，其中，运行电流的上升速率是指单位时间运行电流的上升数值，可以利用下一时刻的运行电流的数值减去某一时刻获取的运行电流的数值，并利用获得的差值除以这两个时刻的时间间隔，即可获取所述运行电流的上升速率；所述运行电压的下降速率与运行电流的下降速率的获取方式类似，本申请在此不做赘述。
综上所述，本申请实施例提供的中高频臭氧发生器装置在技术上实现了臭氧发生室500运行电压和运行电流的采样和闭环控制过程，可实现限压或限流控制运行，同时对臭氧发生室500可能出现的短路和开路故障状态进行保护，确保了设备长期运行安全。
另外，根据臭氧发生室500在电极闪络时，电压值与电流值相互变化的规律，检测闪络的发生并进行相应控制，提高臭氧发生室500运行可靠性，避免臭氧发生室500接地极和内电极损坏，其中接地外管不易更换。
此外，所述一种中高频臭氧发生器装置及控制方法可实现对臭氧发生室 500的最佳工作频率控制，在确定臭氧产量的同时降低臭氧能耗。
最后，所述一种中高频臭氧发生器装置及控制方法可实现对输入电源的中频或高频脉冲供电，可提高臭氧浓度并降低臭氧能耗指标。
下面对本申请实施例提供的臭氧发生室的控制方法进行描述，下文描述的臭氧发生室的控制方法可与上文描述的一种中高频臭氧发生器装置及控制方法相互对应参照。
相应的，本申请实施例提供了一种臭氧发生室的控制方法，如图3所示，包括：
S101：获取臭氧发生室的运行电流以及所述臭氧发生室的运行电压；
S102：根据所述输入电源的频段，生成输入控制信号，并根据所述输入控制信号，将滤波处理后的直流电源信号转换为交流形式的工作电源，以使所述交流形式的工作电源在进行电压转换后传输给所述臭氧发生室，以控制所述臭氧发生室工作；
S103：根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室是否发生故障，如果是，则切断所述整流模块接收的输入电源。
可选的，所述根据所述输入电源的频段，生成输入控制信号包括：
当所述输入电源的运行频率为中频频段时，以SPWM控制方式，生成所述输出控制信号；
当所述输入电源的运行频率为高频频段时，以PWM控制方式，生成所述输出控制信号；
所述以SPWM控制方式，生成所述输出控制信号包括：
按照第一预设公式，根据所述输入电源的运行频率，计算所述输出控制信号的载波比，并以计算获得的载波比生成SPWM信号作为所述输出控制信号；
所述第一预设公式为：
Figure BDA0002425103350000171
其中，fmax表示绝缘栅双极型晶体管允许的最高开关频率，f0表示所述输入电源的运行频率，f2≤f0≤f1，f1表示限压运行时，臭氧产量最高时所述输入电源的运行频率，f2表示限流运行时，能耗最低时所述输入电源的运行频率，n表示所述输出控制信号的载波比；
所述以PWM控制方式，生成所述输出控制信号包括：
将所述载波比设置为预设固定值，并根据设置的所述载波比生成PWM信号作为所述输出控制信号。
综上所述，本申请实施例提供了一种中高频臭氧发生器装置及控制方法，其中，所述中高频臭氧发生器装置在臭氧发生室的控制过程中，通过采样模块获取臭氧发生室的运行电流和运行电压，所述电压采集单元采用电容分压或电阻分压取样，用于采集所述次级绕组的高压侧的电压作为所述臭氧发生室的运行电压；所述电流采集单元采用电流互感器取样，用于采集所述次级绕组接地侧的电流作为所述臭氧发生室的运行电流。通过控制模块根据所述输入电源的频段，生成所述输入控制信号并传给所述逆变模块，所述逆变模块根据所述输入控制信号，将滤波处理后的所述直流电源信号转换为交流形式的工作电源，所述交流形式的工作电源在经由电压转换模块进行电压转换后传输给所述臭氧发生室，以控制所述臭氧发生室工作，实现根据臭氧发生室的运行参数(即运行电压和运行电流)对臭氧发生室进行闭环控制的目的，避免了臭氧发生室易受外部条件影响导致介质绝缘击穿或过热损坏的情况，从而降低了臭氧发生室的运行成本和维护成本，并且提高了臭氧发生室的运行稳定性。
另外，所述控制模块还根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室是否发生故障，并在判定所述臭氧发生室发生故障时，切断所述整流模块接收的输入电源，实现了对臭氧发生室的故障监测和保护的目的，提高了臭氧发生室的稳定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种中高频臭氧发生器装置，其特征在于，包括：臭氧发生室、臭氧电源及控制系统以及配套仪器仪表；其中，臭氧电源及控制系统包括整流模块、滤波模块、逆变模块、电压转换模块、采样模块和控制模块；
所述整流模块，用于接收输入电源，并将所述输入电源转换为直流电源信号；
所述滤波模块，用于对所述直流电源信号进行滤波处理；
所述逆变模块，用于根据输出控制信号，将滤波处理后的所述直流电源信号转换为交流形式的工作电源；
所述电压转换模块，用于对所述工作电源进行电压转换后传输给臭氧发生室，以控制所述臭氧发生室工作；
所述采样模块，用于获取所述臭氧发生室的运行电流以及所述臭氧发生室的运行电压；
所述控制模块，用于根据所述输入电源的频段，生成所述输出控制信号，和用于根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室是否发生故障，如果是，则关断所述逆变模块的能量输出；
其中，所述控制模块根据所述输入电源的频段，生成所述输出控制信号具体用于：
当所述输入电源的运行频率为中频频段时，以SPWM控制方式，生成输出控制信号；
当所述输入电源的运行频率为高频频段时，以PWM控制方式，生成输出控制信号；
所述以SPWM控制方式，生成所述输出控制信号包括：
按照第一预设公式，根据所述输入电源的运行频率，计算所述输出控制信号的载波比，并以计算获得的载波比生成SPWM信号作为所述输出控制信号；
所述第一预设公式为：
Figure FDA0003715416150000021
其中，fmax表示绝缘栅双极型晶体管允许的最高开关频率，f0表示所述输入电源的运行频率，f2≤f0≤f1，f1表示限压运行时，臭氧产量最高时所述输入电源的运行频率；f2表示限流运行时，能耗最低时所述输入电源的运行频率，n表示所述输出控制信号的载波比；
所述以PWM控制方式，生成所述输出控制信号包括：
将所述载波比设置为预设固定值，并根据设置的所述载波比生成PWM信号作为所述输出控制信号。
2.根据权利要求1所述的中高频臭氧发生器装置，其特征在于，所述逆变模块包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管；
所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管构成全桥逆变电路，其中，所述第一晶体管和第四晶体管构成所述全桥逆变电路的一组工作臂，所述第二晶体管和第三晶体管构成所述全桥逆变电路的另一组工作臂；
所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管为绝缘栅双极型晶体管。
3.根据权利要求2所述的中高频臭氧发生器装置，其特征在于，所述电压转换模块为变压器；
所述变压器的初级绕组与所述全桥逆变电路的输出端连接；
所述变压器的次级绕组高压侧与所述臭氧发生室的高压输入端连接，接地侧与所述臭氧发生室的接地端连接后再接至地网。
4.根据权利要求3所述的中高频臭氧发生器装置，其特征在于，所述采样模块包括：电压采集单元和电流采集单元；其中，
所述电压采集单元采用电容分压或电阻分压取样，用于采集所述次级绕组的高压侧的电压作为所述臭氧发生室的运行电压；
所述电流采集单元采用电流互感器取样，用于采集所述次级绕组接地侧的电流作为所述臭氧发生室的运行电流。
5.根据权利要求1所述的中高频臭氧发生器装置，其特征在于，所述控制模块根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室是否发生故障具体用于根据所述运行电流和所述运行电压的阈值，判断所述臭氧发生室是否发生短路故障或开路故障；
根据所述运行电流的上升速率和所述运行电压的下降速率，判断所述臭氧发生室是否发生闪络故障。
6.根据权利要求5所述的中高频臭氧发生器装置，其特征在于，所述控制模块根据所述运行电流和所述运行电压的阈值，判断所述臭氧发生室是否发生短路故障和或开路故障具体用于，判断所述运行电流是否大于第一电流阈值且所述运行电压是否小于第一电压阈值，如果是，则判定所述臭氧发生室发生短路故障；
判断所述运行电流是否小于第二电流阈值，且所述运行电压是否大于第二电压阈值，如果是，则判定所述臭氧发生室发生开路故障。
7.根据权利要求5所述的中高频臭氧发生器装置，其特征在于，所述根据所述运行电流的上升速率和所述运行电压的下降速率，判断所述臭氧发生室是否发生闪络故障具体用于，判断所述运行电流的下降速率是否大于第一速率阈值，且所述运行电压的下降速率是否大于第二速率阈值，如果是，则判定所述臭氧发生室发生闪络故障。
8.一种中高频臭氧发生器装置的控制方法，其特征在于，包括：
获取臭氧发生室的运行电流以及所述臭氧发生室的运行电压；
根据输入电源的频段，生成输出控制信号，并根据所述输出控制信号，将滤波处理后的直流电源信号转换为交流形式的工作电源，以使所述交流形式的工作电源在进行电压转换后传输给所述臭氧发生室，以控制所述臭氧发生室工作；
根据所述运行电流和所述运行电压，判断所述臭氧发生室是否发生故障，如果是，则切断整流模块接收的输入电源；
其中，所述根据所述输入电源的频段，生成输出控制信号包括：
当所述输入电源的运行频率为中频频段时，以SPWM控制方式，生成输出控制信号；
当所述输入电源的运行频率为高频频段时，以PWM控制方式，生成输出控制信号；
所述以SPWM控制方式，生成所述输出控制信号包括：
按照第一预设公式，根据所述输入电源的运行频率，计算所述输出控制信号的载波比，并以计算获得的载波比生成SPWM信号作为所述输出控制信号；
所述第一预设公式为：
Figure FDA0003715416150000041
其中，fmax表示绝缘栅双极型晶体管允许的最高开关频率，f0表示所述输入电源的运行频率，f2≤f0≤f1，f1表示限压运行时，臭氧产量最高时所述输入电源的运行频率，f2表示限流运行时，能耗最低时所述输入电源的运行频率，n表示所述输出控制信号的载波比；
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