靜電除塵用大功率高壓電源相位跟蹤的研究

0 引言

為了減少大型工廠(chǎng)煙囪煙塵的排放，我們研制了大功率高壓電源對工廠(chǎng)煙囪進(jìn)行靜電除塵。傳統的高壓電源有兩種制作方法。

1)直接對市電升壓，然后整流、濾波，這樣制作的高壓電源效率低，占地面積大，成本高。

2)采用ac／dc／ac／dc變換，利用改變頻率的方法來(lái)改變電源的功率。這種方法解決了電源小型化的問(wèn)題，降低了成本，但由于用于靜電除塵的兩個(gè)電極板隨著(zhù)煙塵吸附的多少而改變了電容介質(zhì)，因而改變了負載的諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點(diǎn)附近的輸出功率最大，當改變逆變器工作頻率時(shí)，負載等效阻抗發(fā)生變化，輸出功率減小，而且逆變器主開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，效率低。

為了提高效率，減少開(kāi)關(guān)損耗，所研制的高壓逆變電源采用串聯(lián)諧振式全橋dc／ac逆變電路，以igbt為主開(kāi)關(guān)器件，用新型的頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，使逆變器始終工作于諧振狀態(tài)，而且igbt能始終工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，整機工作效率較高。串聯(lián)諧振變換器是一種在理論和實(shí)際e都比較成熟的電路。但在實(shí)際研制過(guò)程中，仍有一些技術(shù)問(wèn)題需要解決，本文對傳統的相位跟蹤技術(shù)做了進(jìn)一步改進(jìn)。

1 一般相位跟蹤技術(shù)及其存在的問(wèn)題

1．1 相位跟蹤串聯(lián)諧振逆變器的控制原理

靜電除塵用大功率高壓電源采用ac／dc／ac／dc的變換，逆變器采用單相橋式串聯(lián)諧振逆變電路，其工作原理如圖1所示。通過(guò)霍爾電流傳感器對橋臂電流io進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)零比較器產(chǎn)生方波信號，使其與負載電壓相位一致，并把其信號送至cd4046鑒相器，與控制信號進(jìn)行相位比較，鎖相環(huán)自動(dòng)調節使其相位差為零，從而實(shí)現無(wú)相差的頻率跟蹤。根據實(shí)際負載回路的參數確定鎖相環(huán)中的元件值，使負載回路頻率的變化在鎖相環(huán)的捕捉范圍內，就可以使鎖相環(huán)實(shí)現相位自動(dòng)跟蹤，負載電壓與電流的相位差幾乎為零。使逆變器的功率因數接近于1。

逆變器采用igbt作為主電路開(kāi)關(guān)，圖1中s1~s4為igbt開(kāi)關(guān)器件，d1~d4為快恢復二極管，l為總的等效電感，c為總的等效電容，lc為串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò )，s1～s4承受的電壓為方波，電流為正弦波。如果s1～s4驅動(dòng)信號的頻率與lc串聯(lián)諧振頻率一致，則負載呈阻型，逆變器橋臂電壓u。與橋臂電流io的相位差為零，s1～s4在電流為零時(shí)開(kāi)通關(guān)斷(zcs)。

串聯(lián)諧振的諧振頻率fo可由式(1)求出，品質(zhì)因數由式(2)確定，變壓器的諧振電壓由式(3)確定。

l.2 傳統的相位補償及存在的問(wèn)題
在實(shí)際電路中，電流采樣、過(guò)零比較器比較、鎖相跟蹤、隔離驅動(dòng)和igbt的開(kāi)關(guān)都需要時(shí)間，這將引起負載電壓滯后于負載電流，使得逆變器工作在容性負載狀態(tài)。因此，在實(shí)際控制電路中，必須解決相位補償問(wèn)題。傳統解決相位補償的方法就是利用cd4046鎖相環(huán)的特點(diǎn)，調節比較器的比較電壓，可以實(shí)現相位補償。如圖2所示，在比較器的正向輸入端加一偏置電壓up,使比較器上升沿提前了時(shí)間△t，調整rp可以改變偏置電壓up和提前時(shí)間△t，鎖相環(huán)所對應的輸出信號作為圖1中s1的驅動(dòng)信號，反向后作為s2的驅動(dòng)信號，驅動(dòng)信號相對電流而言，提前了時(shí)間△t，而△t正是相位補償時(shí)間。調節rp可以使逆變器工作在諧振狀態(tài)。但裝置在實(shí)際運行過(guò)程中，△t是會(huì )發(fā)生變化的。下面分析發(fā)生變化的幾種主要因素。

1．2.1 igbt開(kāi)關(guān)器件換流時(shí)間
靜電除塵用高壓電源在工作過(guò)程中負載不斷變化，輸出功率也發(fā)生變化，這都將導致負載電壓電流的變化，負載電壓電流的變化都對igbt開(kāi)關(guān)器件換流時(shí)間有影響。

當負載電流不變時(shí)，u越高換流時(shí)間越短；當負載電壓不變時(shí)，負載電流越大，換流時(shí)間越。

l.2.3 電流取樣信號的幅度
由于io在諧振點(diǎn)附近是正弦波，它存在過(guò)零比較延時(shí)，而且延時(shí)時(shí)間t2或者延時(shí)角度θ2除了與器件本身的延時(shí)有關(guān)外，還與檢測的電流幅度有關(guān)。假設比較器的過(guò)零比較誤差電壓△u1>0，則延時(shí)相位為

式中：kio為電流霍爾傳感器檢測輸出電壓峰值。
經(jīng)實(shí)際測量，在其它條件不變的情況下，當kio=3 v時(shí)，滯后時(shí)間△t=2μs，當ki=o.5v時(shí)，滯后時(shí)間△t=2．26μs，滯后時(shí)間與橋臂電流取樣信號的幅度成反比。

2 相位跟蹤技術(shù)的改進(jìn)
為了保證逆變器工作在諧振狀態(tài)，必須分析逆變器偏離諧振點(diǎn)的特征。經(jīng)研究發(fā)現，當逆變器工作在感性狀態(tài)或容性狀態(tài)時(shí)，并聯(lián)在igbt集電極和發(fā)射極的二極管存在續流，只要在d2上方加一個(gè)霍爾電流傳感器(如圖3所示)，并根據其輸出電壓是靠近s，驅動(dòng)信號的下降沿還是上升沿，就可判斷逆變器是工作在感性狀態(tài)還是容性狀態(tài)。如圖4所示，當二極管續流區靠近s2驅動(dòng)信號的上升沿且驅動(dòng)信號為高電平時(shí)，逆變器工作在感性狀態(tài)；當二極管續流區靠近s2驅動(dòng)信號的下降沿且驅動(dòng)信號為高電平時(shí)，逆變器工作在容性狀態(tài)；當二極管沒(méi)有續流時(shí)，逆變器工作在諧振狀態(tài)。為了判斷逆變器的工作狀態(tài)，可以取出一個(gè)s，驅動(dòng)信號的二倍頻信號f2(這個(gè)二倍頻信號很容易由鎖相環(huán)二倍頻實(shí)現)，由圖4可以看出，當f2和s2驅動(dòng)信號都為高電平時(shí)，二極管d2存在續流，則逆變器工作在感性狀態(tài)，當f2為低電平，s2驅動(dòng)信號為高電平時(shí)，二極管d2存在續流，則逆變器工作在容性狀態(tài)。

改進(jìn)的相位跟蹤技術(shù)是基于原有pll鎖相環(huán)相位跟蹤技術(shù)，并加入榆測控制電路。通過(guò)檢測判斷逆變器工作在什么狀態(tài)，并通過(guò)pi調節，使其工作在諧振狀態(tài)。當判斷出逆變器工作在容性狀態(tài)時(shí)，降低比較器的比較電壓，增大相位補償時(shí)間；當判斷出逆變器工作在感性狀態(tài)時(shí)提高比較器的比較電壓，減小相位補償時(shí)間，這樣反復調節，只要橋臂電流滯后于控制信號的時(shí)間不超過(guò)控制信號周期的1／4(一般不會(huì )超過(guò))，就可以保證逆變器始終工作在諧振點(diǎn)附近。其原理框圖如圖5所示．

3 實(shí)驗結果
根據以上分析，我們利用傳統相位跟蹤技術(shù)和改進(jìn)后的相位跟蹤技術(shù)各研制了一臺樣機，并測出橋臂的電壓電流波形，如圖6所示。圖中方波為橋臂取樣電壓，正弦波為橋臂取樣電流。由圖6可知兩種方法都可以實(shí)現頻率自動(dòng)跟蹤，但傳統方法經(jīng)常偏離諧振點(diǎn)工作。而改進(jìn)后的相位跟蹤技術(shù)則能保證逆變器工作在諧振點(diǎn)附近。

4 結語(yǔ)

實(shí)驗證明，利用pll相位跟蹤技術(shù)可以實(shí)現頻率自動(dòng)跟蹤，且具有電路簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，但傳統的相位跟蹤技術(shù)受到lgbt開(kāi)關(guān)換流時(shí)間，電源工作頻率和橋臂電流取樣信號幅度可變的影響。改進(jìn)后的相位跟蹤技術(shù)能夠克服這些因素的影響，保證逆變器工作在諧振點(diǎn)附近，提高了靜電除塵用高壓電源的可靠性。