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正弦波電流供電的介質(zhì)阻擋放電電路分析

作者: 時間:2012-05-23 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引 言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/177177.htm

是一種非線性容性負(fù)載 ,在設(shè)計其電源時,考慮到容性負(fù)載的特殊性,為提高電源的效率,在負(fù)載回路中串接了串聯(lián)補(bǔ)償電感,使其與負(fù)載構(gòu)成串聯(lián)諧振回路。隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及條件的要求,目前大多電源采用由電力電子器件構(gòu)成的中高頻逆變電源。由于采用了負(fù)載諧振型逆變,使得工作在諧振頻率附近時負(fù)載接近于正弦波。因此為了設(shè)計出性能優(yōu)良的串聯(lián)諧振式介質(zhì)阻擋放電電路電源,很有必要清楚電路的工作原理、正弦時介質(zhì)阻擋放電電路的特殊性。本文正是從這一思想出發(fā),利用介質(zhì)阻擋放電電路的等效電路了由正弦波供電的介質(zhì)阻擋放電電路的工作原理,推導(dǎo)出了間隙放電電壓和放電電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并由此求出了放電間隙的等效阻抗。希望本文的工作對從事介質(zhì)阻擋放電電源設(shè)計的人員有所幫助。

2 正弦波電流供電的介質(zhì)阻擋放電電路

根據(jù)介質(zhì)阻擋放電的原理,從其物理過程出發(fā),推導(dǎo)出的介質(zhì)阻擋放電電路的等效電路如圖1所示,其中Cd為介質(zhì)電容,Cg為氣隙電容,Z為雙向穩(wěn)壓管,其穩(wěn)壓值即為放電維持電壓Vz 。未放電時,介質(zhì)阻擋放電電路等效為介質(zhì)電容Cd和氣隙電容Cg的串聯(lián);放電時等效為介質(zhì)電容Cd與雙向穩(wěn)壓管Z的串聯(lián)。因此,對供電電源來說,介質(zhì)阻擋放電電路表現(xiàn)為非線性容性負(fù)載。

圖1 介質(zhì)阻擋放電等效電路

串聯(lián)逆變器供電的介質(zhì)阻擋放電電路原理圖如圖2所示,圖中C為隔直電容,以防止變壓器偏磁,同時電容C也參與電路的諧振過程;Ls(包括中頻變壓器的漏感)為串聯(lián)補(bǔ)償電感,是諧振回路的電感元件;Tr為中頻升壓變壓器。

圖2 串聯(lián)逆變器供電的介質(zhì)阻擋放電電路原理圖

由于串聯(lián)逆變器的工作頻率接近于串聯(lián)諧振頻率,所以逆變器的輸出電流接近于正弦波,從介質(zhì)阻擋放電電路的輸入端看,可將它等效為圖3所示的由正弦電流源供電的介質(zhì)阻擋放電電路。

圖3 正弦電流源供電的介質(zhì)阻擋放電電路原理圖

下面對正弦電流源供電的介質(zhì)阻擋放電電路在一個周期內(nèi)的工作過程進(jìn)行。在前,為便于分析,我們作一下假設(shè):

設(shè)正弦電流源的

,放電開始時的電角度為

,間隙電壓為

,間隙充電電流為

,間隙放電電流為

。從負(fù)向放電結(jié)束的瞬間,即

時開始分析。

① 負(fù)向放電結(jié)束到正向放電開始階段,即區(qū)間(0,

時,負(fù)向放電電流過零點(diǎn),負(fù)向放電結(jié)束。此時,間隙電壓

。在區(qū)間(0,

)內(nèi)有:

② 正向放電階段,即區(qū)間

時,正向放電開始。在區(qū)間

內(nèi)有:

③ 正向放電結(jié)束到負(fù)向放電開始階段,即區(qū)間

時,正相放電電流過零點(diǎn),正向放電結(jié)束。此時間隙電壓

。在區(qū)間

內(nèi)有:

④ 負(fù)向放電階段,即區(qū)間

時,負(fù)向放電開始。在區(qū)間

內(nèi)有:

綜上,正弦電流源供電的介質(zhì)阻擋放電電路在一個工作周期內(nèi)間隙電壓

的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

圖4給出了間隙電壓與間隙電流的波形圖:

圖4 間隙電壓和電流的波形

因?yàn)?/p>

分別為負(fù)向和正向電流過零的瞬間,所以它們也分別為負(fù)向和正向放電結(jié)束的瞬間。

令式(3)中的第1式等于

,可以求出正向放電開始的電角度

從圖4中的間隙電壓與電流波形,我們可以看到間隙電壓

超前間隙電流i一定的電角度,說明介質(zhì)阻擋放電電路的放電間隙是呈容性的。更進(jìn)一步,還可以將間隙電壓

傅立葉展開,求出它的基波分量。利用基波分量便可得到放電間隙的等效阻抗。

設(shè)間隙電壓

的基波為:

式(8)表明,放電間隙等效于一個電阻

和一個電抗

的串聯(lián)電路,其值為:

式(11)和式(13)表明電阻

和電抗

都是非線性的,圖5-a是

的關(guān)系曲線,圖5-b是

的關(guān)系曲線。從圖5-b中可以看出,

,故

呈容性。所以放電間隙的等效阻抗為一非線性電阻和一非線性電容的串聯(lián),整個介質(zhì)阻擋放電電路可等效為如圖6所示的電路。

圖6 介質(zhì)阻擋放電電路的基波等效電路

3 對基波等效電路的討論

設(shè)逆變電源輸出的有功功率為P ,介質(zhì)擊穿強(qiáng)度為

。而介質(zhì)阻擋放電電路確定后,介質(zhì)電容Cd、氣隙電容Cg以及放電維持電壓Vz是已知的。從圖6所示的介質(zhì)阻擋放電等效電路有:

的值代入(11)、(13)式,可求得

的值,從而介質(zhì)阻擋放電電路的等效電路得以確定。

當(dāng)

確定后,可以根據(jù)串聯(lián)諧振電路的頻率計算公式:

,求出補(bǔ)償電感

(包括變壓器的漏感)的電感量:

當(dāng)電路工作于諧振狀態(tài)時,變壓器副邊的電壓

即為電阻

上的電壓

根據(jù)整流電路的輸出電壓,可求得變壓器的變比n。設(shè)整流電路輸出電壓為

,則逆變器輸出方波的基波有效值為

。所以變壓器變比為:

4 結(jié) 論

通過對正弦波電流供電的介質(zhì)阻擋放電電路工作過程的分析,可以看到:

① 放電間隙電流呈正弦波,且由兩部分疊加而成,即間隙充電電流、間隙放電電流;

② 放電結(jié)束的時刻在每次放電電流的過零點(diǎn),而放電開始的時刻與供電電源頻率、放電維持電壓、電流幅值和氣隙電容有關(guān);

③ 放電間隙可等效為一非線性阻抗和一非線性容抗的串聯(lián);

④ 利用放電間隙基波等效電路,根據(jù)有關(guān)技術(shù)指標(biāo),可以設(shè)計出滿足要求的補(bǔ)償電感的電感量、中頻變壓器的變比等電氣參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉鐘陽等.DBD型中高頻臭氧發(fā)生器的動態(tài)負(fù)載特性[J],中國電機(jī)工程學(xué)報,2002(5)

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