CN205490104U - 一种pwm全控软开关臭氧电源装置 - Google Patents

一种pwm全控软开关臭氧电源装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种PWM全控软开关臭氧电源装置，电网电能经接触器后进入EMC滤波器，滤波后送入三相整流桥进行三相不可控整流，整流输出经过直流LC滤波器，得到的直流电通过全桥软开关逆变器逆变为单相方波交流，再经输出滤波电感滤波并通过高频变压器升压隔离后，作用在臭氧发生器使得氧气电离产生臭氧；电压和电流检测模块分别检测直流LC滤波器的直流侧电压以及高频变压器的输出电流、输出电压并将检测结果输送值控制模块，控制模块输出PWM脉冲经IGBT驱动保护模块放大后控制全桥软开关逆变器的导通、关断。本实用新型降低了开通损耗和关断损耗，提升了开关频率，降低了装置体积，保护了IGBT模块，提高了装置的可靠性与工作效率。

Description

一种PWM全控软开关臭氧电源装置
技术领域
本实用新型涉及臭氧电源装置，具体涉及一种PWM全控软开关臭氧电源装置。
背景技术
随着社会的发展，特别是工业的发展，城镇人口越来越多，生活用水、生产用水量越来越大，造成的生活污水与工业废水亦越来越多，逐渐变成为环境污染的重要污染源，严重危害与威胁着人类生存环境，尤其在少水与缺水地区，这一问题更为突出。因此，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。
由于臭氧的极强无毒氧化能力和杀菌性能，且在水中对细菌、病毒等微生物杀灭率高、速度快，对有机化合物等污染物质去除彻底而又不产生二次污染效率高而无有害残留物，使得产生臭氧的关键核心装备大功率臭氧电源系统成为了环保行业的重要组成部分，在世界发达国家的自来水和污水处理得到广泛应用。
臭氧电源系统作为臭氧发生核心装备，主要用于现场制造高浓度臭氧气体，通过有效使用臭氧实现杀菌、消毒、氧化、保鲜、脱色、除臭和重金属离子去除等环保与工业用途，应用于自来水深度处理、工业污废水回收及排放处理、垃圾处理、空气净化、工业氧化、纸浆漂白、印染脱色、医疗卫生、食品加工等领域。
目前国内臭氧电源装置多采用工频升压或中频升压电源供电，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，但现有供电电源多采用硬开关技术，主电路的功率开关器件开关损耗大，放电频率难以提升，降低了臭氧出口产量与浓度，制约了臭氧电源的高频化和小型化。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本实用新型提供一种PWM全控软开关臭氧电源装置，降低了开通损耗和关断损耗，降低了装置体积，提高了装置的可靠性与工作效率。
技术方案：本实用新型所述PWM全控软开关臭氧电源装置，包括主电路和控制电路，主电路包括依次连接的接触器、EMC滤波器、三相整流桥、直流LC滤波器、全桥软开关逆变器、输出滤波电感、高频变压器、臭氧发生器，电网电能经接触器后进入EMC滤波器，滤波后送入三相整流桥进行三相不可控整流，整流输出经过直流LC滤波器，得到的直流电通过全桥软开关逆变器逆变为单相方波交流，再经输出滤波电感滤波并通过高频变压器升压隔离后，作用在臭氧发生器使得氧气电离产生臭氧；控制电路包括控制模块以及与控制模块分别相连的电压和电流检测模块、IGBT驱动保护模块、触摸屏、上位机，电压和电流检测模块与直流LC滤波器、高频变压器并联，IGBT驱动保护模块接入全桥软开关逆变器，电压和电流检测模块分别检测直流LC滤波器的直流侧电压以及高频变压器的输出电流、输出电压并将检测结果输送值控制模块，控制模块输出PWM脉冲经IGBT驱动保护模块放大后控制全桥软开关逆变器的导通、关断。
进一步地，所述控制模块包括DSP处理器以及与DSP处理器分别相连的过零检测电路、峰值检测电路、A/D转换器、保护电路、RS232接口电路、IGBT驱动保护电路，过零检测电路接入DSP处理器的CAP端口，RS232接口电路与DSP处理器的SCIA接口双向连接，IGBT驱动保护电路与DSP处理器的PWM输出端口相连，RS232接口电路与所述触摸屏双向连接， DSP处理器的SCIB接口与所述上位机通过RS485通讯协议双向连接。
进一步地，所述全桥软开关逆变器包括无感电容和6个IGBT开关器件，第一IGBT开关器件和第三IGBT开关器件串联构成全桥软开关逆变器的超前臂，第二IGBT开关器件和第四IGBT开关器件串联构成全桥软开关逆变器的滞后臂，超前臂、滞后臂与无感电容并联构成全桥逆变器，全桥逆变器与第五IGBT开关器件和第六IGBT开关器件串联。
进一步地，所述IGBT开关器件型号为FF450R17ME3，所述IGBT驱动保护电路为2SP0115T驱动板。
进一步地，所述电压和电流检测模块包括输出电流检测电路和直流侧电压检测电路；输出电流检测电路包括分压电阻和一级比较运算放大器，所述高频变压器输出信号经传感器转换成电流信号，电流信号由采样电阻转换成电压信号，电压信号经一级RC滤波器滤波后由二极管限幅，限幅后的信号经正向放大电路调整后进入所述控制模块的A/D转换器；直流侧电压检测电路包括霍尔传感器，霍尔传感器输出信号经采样电阻转换成电压信号，经RC低通滤波器滤波后，再经电平转换电路转换成电压信号进入所述控制模块的A/D转换器。
进一步地，所述过零检测电路包括依次连接的电阻采样滤波电路、反并联二极管钳位电路、LM393滞环比较电路、高速光耦隔离电路，所述高频变压器输出的电流信号经电阻采样滤波电路采用后进入反并联二极管钳位电路进行限幅，再经LM393滞环比较电路比较输出高电平或低电平信号，高电平或低电平信号经高速光耦隔离电路隔离后进入所述DSP处理器的CAP端口，在下降沿触发中断请求。
进一步地，所述峰值检测电路包括依次连接的RC滤波电路、前级TL082反相放大电路、二极管半波检测电路、叠加电路、后级TL082反相RC滤波电路，所述臭氧发生器两端的电压经互感器变换后进入RC滤波电路，滤波后经前级TL082反相放大电路 、二极管半波检测电路放大、反向并滤去负半波，输出的半波信号与原始信号送入叠加电路形成反相的全波整流信号，再经后级TL082反相RC滤波器进行滤波输出平均值信号。
进一步地，所述控制模块接有直流侧过压保护电路和输出过流保护电路，所述直流侧过压保护电路并接入所述全桥软开关逆变器输入端与所述直流侧电压检测电路之间，所述输出过流保护电路并接入所述臭氧发生器输出端与所述输出电流检测电路之间。
进一步地，所述直流侧过压保护电路包括依次连接的LM393比较器、光电隔离芯片4504、反相器4069，所述直流侧电压检测电路输出电压信号与LM393比较器的安全阈值电压比较后输出至光电隔离芯片4504隔离，再经反相器4069电平转换得到过压保护信号驱动继电保护器控制所述接触器动作；所述输出过流保护电路包括低通有源滤波电路和LM393比较器，所述输出电流检测电路输出信号经低通有源滤波电路滤波后与LM393比较器的安全阈值电压比较后输出过流保护信号驱动继电保护器控制所述接触器动作。
进一步地，所述DSP处理器型号为TMS320F28335。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型的优点：主电路中所有功率开关器件均实现了零电压关断（ZVS）和零电流开通（ZCS），降低了开通损耗和关断损耗，进而提升了主电路的开关频率，降低了电源装置体积，并提高了装置的可靠性与工作效率；主电路中连接有高频升压隔离变压器，能够使臭氧发生器与电网进行隔离，防止故障导致整个系统受损。
附图说明
图1为本实用新型拓扑结构示意图；
图2为本实用新型控制模块结构框图；
图3为本实用新型输出电流检测电路原理图；
图4为本实用新型直流侧电压检测电路原理图；
图5为本实用新型过零检测电路原理图；
图6为本实用新型峰值检测电路原理图；
图7为本实用新型直流侧过压保护电路原理图；
图8为本实用新型输出过流保护电路原理图。
具体实施方式
下面通过附图对本实用新型技术方案进行详细说明。
实施例1：如图1、图2所示的PWM全控软开关臭氧电源装置，包括主电路和控制电路，主电路包括依次连接的接触器、EMC滤波器、三相整流桥、直流LC滤波器、全桥软开关逆变器、输出滤波电感、高频变压器、臭氧发生器，控制电路包括控制模块以及与控制模块分别相连的电压和电流检测模块、IGBT驱动保护模块、上位机、触摸屏；电压和电流检测模块与直流LC滤波器、高频变压器并联， IGBT驱动保护模块接入全桥软开关逆变器，控制模块包括DSP处理器以及与DSP处理器分别相连的过零检测电路、峰值检测电路、A/D转换器、保护电路、RS232接口电路、IGBT驱动保护电路，过零检测电路接入DSP处理器的CAP端口，RS232接口电路与DSP处理器的SCIA接口双向连接，IGBT驱动保护电路与DSP处理器的PWM输出端口相连，RS232接口电路与触摸屏双向连接， DSP处理器的SCIB接口与上位机通过RS485通讯协议双向连接；高频变压器为高频升压隔离变压器。电网电能经接触器K1后进入EMC滤波器，滤波后送入三相整流桥进行三相不可控整流，整流输出经过直流LC滤波器后，得到直流电Udc，通过全桥软开关逆变器逆变为单相方波交流，经输出滤波电感L滤波并通过高频变压器升压隔离后，作用在臭氧发生器，使得氧气电离产生臭氧。电压和电流检测模块分别检测直流侧电压、输出电流及输出电压并将检测结果输送入控制模块，控制模块经过运算处理后输出PWM脉冲经过IGBT驱动保护模块放大后控制全桥软开关逆变器6个IGBT开关器件的导通、关断。
接触器K1的作用是在系统启动时接通电源，在故障时切断主电源；全桥软开关逆变器由6个IGBT开关器件串并联组成，第一IGBT开关器件Q1和第三IGBT开关器件Q3串接构成移向全桥软开关逆变器的超前臂，第二IGBT开关器件Q2和第四IGBT开关器件Q4串接构成全桥软开关逆变器的滞后臂，超前臂、滞后臂与无感电容Cs并联构成全桥逆变器，全桥逆变器与第五IGBT开关器件Q5和第六IGBT开关器件Q6串联构成全桥软开关逆变器。IGBT模块型号为FF450R17ME4，IGBT驱动保护模块采用型号为2SP0115T的驱动板；直流侧输出滤波电路采用二阶低通LC滤波电路，Ld为平波电抗器。
为了提高A/D转换精度，本实用新型选用片外A/D转换器AD7656。过零检测电路捕获输出电流过零点，实现负载频率跟踪与锁相同步，提高放电的功率因数；DSP处理器采用基于高性能浮点的32位型号为TMS320F28335的DSP处理器，负责进行PWM脉冲计算与控制、通讯和故障保护以及人机接口。本实用新型采用电流内环的闭环控制方式。DSP处理器设有RS485通讯接口与上位机相连，将本地数据在远程显示，并可接受远程控制。触摸屏与DSP处理器通过RS232接口电路双向连接，能实时的显示平台的动态运行数据，并可通过触摸液晶显示屏对系统进行操作。
如图3所示的输出电流检测电路原理图，臭氧发生器两端输出电流通过分压电阻和一级比较运算放大器实现，采用的比较运算放大器型号为LM324。经传感器转换的小电流信号首先由采样电阻变成电压信号，然后经过一级RC滤波器进行滤波，其输出加入保护二极管完成对信号进行限幅，抑制尖峰干扰；再经过正向放大电路，调理成适合A/D转换器采集的-10~+10V之间的信号。
如图4所示的直流侧电压检测电路采用霍尔电压传感器CHV-50P/800进行检测，霍尔传感器输出信号经采样电阻得到电压采样信号，通过RC低通滤波器滤除信号毛刺后，再经电平转换电路变为-10~+10V的电压信号，再送至外接的A/D转换器进行数据采样，运放LM324输入端并联的二极管主要用于对采样信号进行限幅。
如图5所示的过零检测电路，为提高抗干扰能力及检测的快速性，采用了依次连接的电阻采样滤波电路、反并联二极管钳位电路、LM393滞环比较电路、高速光耦隔离电路来实现负载电流频率和相位的实时跟踪，输出电流信号通过取样电阻R1引入控制电路。为防反馈信号过大而导致运放损坏，增加了由二极管D1和D2构成的二极管限幅电路。在正向电流过零点，由于A点电压UA>0，使得比较器LM319输出高电平，随着电流继续增大，反相输入端电压增大，当达到UA时，比较器LM319翻转输出低电平，使得A点电压钳位为0，此后，只要电流为正，比较器LM319输出均保持高电平；当电流反相过零时，比较器LM319翻转输出高电平，该信号经高速光耦电路6N136隔离后，送往DSP处理器TMS320F28335的捕获引脚，该信号由DSP处理器的CAP单元捕获，在下降沿触发CAP中断请求。
如图6所示的输出电压峰值检测电路，为了防止过压击穿发生管，同时为了计算出放电功率的参考值，需检测臭氧发生器两端的电压峰值。利用互感器将臭氧发生器两端电压Uo变换成-5V~5V的电压信号，进入峰值检测电路。峰值检测电路包括依次连接的RC滤波电路、前级TL082反相放大电路、二极管半波检测电路、叠加电路、后级TL082反相RC滤波电路，将输入的电压信号正半波电压放大一倍并反相，负半波滤去，输出的半波信号与原始信号送入叠加电路进行信号叠加，形成为反相的全波整流信号，由后级运算放大器通过电阻、电容RC平均值滤波电路进行滤波，得到的平均值作为信号输出。
控制模块接有直流侧过压保护电路和输出过流保护电路，直流侧过压保护电路并接入全桥软开关逆变器输入端与直流侧电压检测电路之间，输出过流保护电路并接入臭氧发生器输出端与输出电流检测电路之间。如图7所示，直流侧电压与给定电压值送入比较器LM393进行比较后，其输出经过光电隔离芯片4504后，通过反相器4069实现电平转换，得到过压保护信号，从而驱动继电保护装置动作。当检测值大于设定安全阈值时，控制继电器使接触器K1跳闸。
如图8所示，输出电流经过低通有源滤波电路去除尖峰毛刺后，和设定安全阈值电压送入比较器LM393进行比较，其输出过流保护信号，从而驱动继电保护装置动作控制接触器K1跳闸。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种PWM全控软开关臭氧电源装置，其特征在于：包括主电路和控制电路，主电路包括依次连接的接触器、EMC滤波器、三相整流桥、直流LC滤波器、全桥软开关逆变器、输出滤波电感、高频变压器、臭氧发生器，电网电能经接触器后进入EMC滤波器，滤波后送入三相整流桥进行三相不可控整流，整流输出经过直流LC滤波器，得到的直流电通过全桥软开关逆变器逆变为单相方波交流，再经输出滤波电感滤波并通过高频变压器升压隔离后，作用在臭氧发生器使得氧气电离产生臭氧；控制电路包括控制模块以及与控制模块分别相连的电压和电流检测模块、IGBT驱动保护模块、触摸屏、上位机，电压和电流检测模块与直流LC滤波器、高频变压器并联，IGBT驱动保护模块接入全桥软开关逆变器，电压和电流检测模块分别检测直流LC滤波器的直流侧电压以及高频变压器的输出电流、输出电压并将检测结果输送值控制模块，控制模块输出PWM脉冲经IGBT驱动保护模块放大后控制全桥软开关逆变器的导通、关断。
2.根据权利要求1所述的PWM全控软开关臭氧电源装置，其特征在于：所述控制模块包括DSP处理器以及与DSP处理器分别相连的过零检测电路、峰值检测电路、A/D转换器、保护电路、RS232接口电路、IGBT驱动保护电路，过零检测电路接入DSP处理器的CAP端口，RS232接口电路与DSP处理器的SCIA接口双向连接，IGBT驱动保护电路与DSP处理器的PWM输出端口相连，RS232接口电路与所述触摸屏双向连接， DSP处理器的SCIB接口与所述上位机通过RS485通讯协议双向连接。
3.根据权利要求2所述的PWM全控软开关臭氧电源装置，其特征在于：所述全桥软开关逆变器包括无感电容和6个IGBT开关器件，第一IGBT开关器件和第三IGBT开关器件串联构成全桥软开关逆变器的超前臂，第二IGBT开关器件和第四IGBT开关器件串联构成全桥软开关逆变器的滞后臂，超前臂、滞后臂与无感电容并联构成全桥逆变器，全桥逆变器与第五IGBT开关器件和第六IGBT开关器件串联。
4.根据权利要求3所述的PWM全控软开关臭氧电源装置，其特征在于：所述IGBT开关器件型号为FF450R17ME3，所述IGBT驱动保护电路为2SP0115T驱动板。
5.根据权利要求2所述的PWM全控软开关臭氧电源装置，其特征在于：所述电压和电流检测模块包括输出电流检测电路和直流侧电压检测电路；输出电流检测电路包括分压电阻和一级比较运算放大器，所述高频变压器输出信号经传感器转换成电流信号，电流信号由采样电阻转换成电压信号，电压信号经一级RC滤波器滤波后由二极管限幅，限幅后的信号经正向放大电路调整后进入所述控制模块的A/D转换器；直流侧电压检测电路包括霍尔传感器，霍尔传感器输出信号经采样电阻转换成电压信号，经RC低通滤波器滤波后，再经电平转换电路转换成电压信号进入所述控制模块的A/D转换器。
6.根据权利要求 2所述的PWM全控软开关臭氧电源装置，其特征在于：所述过零检测电路包括依次连接的电阻采样滤波电路、反并联二极管钳位电路、LM393滞环比较电路、高速光耦隔离电路，所述高频变压器输出的电流信号经电阻采样滤波电路采用后进入反并联二极管钳位电路进行限幅，再经LM393滞环比较电路比较输出高电平或低电平信号，高电平或低电平信号经高速光耦隔离电路隔离后进入所述DSP处理器的CAP端口，在下降沿触发中断请求。
7.根据权利要求2所述的PWM全控软开关臭氧电源装置，其特征在于：所述峰值检测电路包括依次连接的RC滤波电路、前级TL082反相放大电路、二极管半波检测电路、叠加电路、后级TL082反相RC滤波电路，所述臭氧发生器两端的电压经互感器变换后进入RC滤波电路，滤波后经前级TL082反相放大电路、二极管半波检测电路放大、反向并滤去负半波，输出的半波信号与原始信号送入叠加电路形成反相的全波整流信号，再经后级TL082反相RC滤波器进行滤波输出平均值信号。
8.根据权利要求5所述的PWM全控软开关臭氧电源装置，其特征在于：所述控制模块接有直流侧过压保护电路和输出过流保护电路，所述直流侧过压保护电路并接入所述全桥软开关逆变器输入端与所述直流侧电压检测电路之间，所述输出过流保护电路并接入所述臭氧发生器输出端与所述输出电流检测电路之间。
9.根据权利要求8所述的PWM全控软开关臭氧电源装置，其特征在于：所述直流侧过压保护电路包括依次连接的LM393比较器、光电隔离芯片4504、反相器4069，所述直流侧电压检测电路输出电压信号与LM393比较器的安全阈值电压比较后输出至光电隔离芯片4504隔离，再经反相器4069电平转换得到过压保护信号驱动继电保护器控制所述接触器动作；所述输出过流保护电路包括低通有源滤波电路和LM393比较器，所述输出电流检测电路输出信号经低通有源滤波电路滤波后与LM393比较器的安全阈值电压比较后输出过流保护信号驱动继电保护器控制所述接触器动作。
10.根据权利要求2所述的PWM全控软开关臭氧电源装置，其特征在于：所述DSP处理器型号为TMS320F28335。
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