靜電除塵用大功率高壓電源相位跟蹤的研究

0 引言

為了減少大型工廠煙囪煙塵的排放，我們研制了大功率高壓電源對工廠煙囪進(jìn)行靜電除塵。傳統(tǒng)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改變電源的功率。這種方法解決了電源小型化的問題，降低了成本，但由于用于靜電除塵的兩個電極板隨著煙塵吸附的多少而改變了電容介質(zhì)，因而改變了負(fù)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(dāng)改變逆變器工作頻率時，負(fù)載等效阻抗發(fā)生變化，輸出功率減小，而且逆變器主開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，效率低。

為了提高效率，減少開關(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能始終工作在軟開關(guān)狀態(tài)，整機(jī)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)際研制過程中，仍有一些技術(shù)問題需要解決，本文對傳統(tǒng)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。通過霍爾電流傳感器對橋臂電流io進(jìn)行采樣，經(jīng)過零比較器產(chǎn)生方波信號，使其與負(fù)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)自動調(diào)節(jié)使其相位差為零，從而實(shí)現(xiàn)無相差的頻率跟蹤。根據(jù)實(shí)際負(fù)載回路的參數(shù)確定鎖相環(huán)中的元件值，使負(fù)載回路頻率的變化在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)，就可以使鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)相位自動跟蹤，負(fù)載電壓與電流的相位差幾乎為零。使逆變器的功率因數(shù)接近于1。

逆變器采用igbt作為主電路開關(guān)，圖1中s1~s4為igbt開關(guān)器件，d1~d4為快恢復(fù)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(qū)動信號的頻率與lc串聯(lián)諧振頻率一致，則負(fù)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在電流為零時開通關(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(shù)由式(2)確定，變壓器的諧振電壓由式(3)確定。

l.2 傳統(tǒng)的相位補(bǔ)償及存在的問題
在實(shí)際電路中，電流采樣、過零比較器比較、鎖相跟蹤、隔離驅(qū)動和igbt的開關(guān)都需要時間，這將引起負(fù)載電壓滯后于負(fù)載電流，使得逆變器工作在容性負(fù)載狀態(tài)。因此，在實(shí)際控制電路中，必須解決相位補(bǔ)償問題。傳統(tǒng)解決相位補(bǔ)償?shù)姆椒ň褪抢胏d4046鎖相環(huán)的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)比較器的比較電壓，可以實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)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間△t，調(diào)整rp可以改變偏置電壓up和提前時間△t，鎖相環(huán)所對應(yīng)的輸出信號作為圖1中s1的驅(qū)動信號，反向后作為s2的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號相對電流而言，提前了時間△t，而△t正是相位補(bǔ)償時間。調(diào)節(jié)rp可以使逆變器工作在諧振狀態(tài)。但裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中，△t是會發(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開關(guān)器件換流時間
靜電除塵用高壓電源在工作過程中負(fù)載不斷變化，輸出功率也發(fā)生變化，這都將導(dǎo)致負(fù)載電壓電流的變化，負(fù)載電壓電流的變化都對igbt開關(guān)器件換流時間有影響。

當(dāng)負(fù)載電流不變時，u越高換流時間越短；當(dāng)負(fù)載電壓不變時，負(fù)載電流越大，換流時間越。

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，它存在過零比較延時，而且延時時間t2或者延時角度θ2除了與器件本身的延時有關(guān)外，還與檢測的電流幅度有關(guān)。假設(shè)比較器的過零比較誤差電壓△u1>0，則延時相位為

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(dāng)kio=3 v時，滯后時間△t=2μs，當(dāng)ki=o.5v時，滯后時間△t=2．26μs，滯后時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(xiàn)，當(dāng)逆變器工作在感性狀態(tài)或容性狀態(tài)時，并聯(lián)在igbt集電極和發(fā)射極的二極管存在續(xù)流，只要在d2上方加一個霍爾電流傳感器(如圖3所示)，并根據(jù)其輸出電壓是靠近s，驅(qū)動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(dāng)二極管續(xù)流區(qū)靠近s2驅(qū)動信號的上升沿且驅(qū)動信號為高電平時，逆變器工作在感性狀態(tài)；當(dāng)二極管續(xù)流區(qū)靠近s2驅(qū)動信號的下降沿且驅(qū)動信號為高電平時，逆變器工作在容性狀態(tài)；當(dāng)二極管沒有續(xù)流時，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s，驅(qū)動信號的二倍頻信號f2(這個二倍頻信號很容易由鎖相環(huán)二倍頻實(shí)現(xiàn))，由圖4可以看出，當(dāng)f2和s2驅(qū)動信號都為高電平時，二極管d2存在續(xù)流，則逆變器工作在感性狀態(tài)，當(dāng)f2為低電平，s2驅(qū)動信號為高電平時，二極管d2存在續(xù)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。通過檢測判斷逆變器工作在什么狀態(tài)，并通過pi調(diào)節(jié)，使其工作在諧振狀態(tài)。當(dāng)判斷出逆變器工作在容性狀態(tài)時，降低比較器的比較電壓，增大相位補(bǔ)償時間；當(dāng)判斷出逆變器工作在感性狀態(tài)時提高比較器的比較電壓，減小相位補(bǔ)償時間，這樣反復(fù)調(diào)節(jié)，只要橋臂電流滯后于控制信號的時間不超過控制信號周期的1／4(一般不會超過)，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(yàn)結(jié)果
根據(jù)以上分析，我們利用傳統(tǒng)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(jī)，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(xiàn)頻率自動跟蹤，但傳統(tǒng)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(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明，利用pll相位跟蹤技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)頻率自動跟蹤，且具有電路簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的相位跟蹤技術(shù)受到lgbt開關(guān)換流時間，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。