高壓靜電除塵用電源調(diào)壓特性分析

為了得到高壓靜電除塵電源工作于串聯(lián)諧振斷續(xù)電流模式下的調(diào)壓特性及選擇一種適宜的控制方式，在分析電路工作原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出了反映電路輸出特性的解析表達(dá)式，分析了控制參數(shù)對(duì)電路調(diào)壓特性的影響。通過(guò)仿真主要研究了調(diào)頻、調(diào)占空比和調(diào)輸入電壓3種控制方式下電路特性的對(duì)比，結(jié)果表明，采用調(diào)節(jié)輸入電壓的控制方式具有較低的諧振電流峰值和有效值，是一種適合于高壓靜電除塵的控制方式，最后通過(guò)樣機(jī)給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
0 引 言

    工作于斷續(xù)電流模式下的串聯(lián)諧振變流器能夠在較寬的輸出電壓范圍內(nèi)因具有平均充電電流恒定、方便的實(shí)現(xiàn)功率器件的軟開(kāi)關(guān)等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于高壓電容器負(fù)載充電系統(tǒng)中,但這類應(yīng)用中輸出負(fù)載僅為儲(chǔ)能電容器。而實(shí)際高壓應(yīng)用中很多情況下輸出側(cè)存在持續(xù)消耗能量的連續(xù)負(fù)載，如高壓靜電除塵電源,其負(fù)載等效為電容電阻并聯(lián)電路,且輸出電壓需要可調(diào)節(jié)，但目前僅有很少的文章對(duì)這一方面稍加提及,且未深入討論。本文將分析串聯(lián)諧振電流斷續(xù)工作模式下靜電除塵電源電路的調(diào)壓特性及存在的問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上提出了幾種改進(jìn)的方法，并通過(guò)仿真研究了電路在幾種控制方式下的調(diào)壓特性，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 電路工作原理

    帶連續(xù)負(fù)載的串聯(lián)諧振高壓電源的主電路拓?fù)湟?jiàn)圖1，變壓器變比為行，Lr為諧振電感，Cr為諧振電容，Ts、fs分別為開(kāi)關(guān)周期和開(kāi)關(guān)頻率，Tr、fr分別代表諧振周期和諧振頻率，it為諧振電流，Uout、Iout分別代表輸出電壓和輸出電流，C0、R0分別為負(fù)載電容和電阻，n2C0≥Cr成立。

圖1 串聯(lián)諧振高壓電源的主電路拓?fù)?/p>

    為減小開(kāi)關(guān)損耗，電路采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，選取Ts＞2Tt，串聯(lián)諧振電路工作在諧振電流斷續(xù)模式下，開(kāi)關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)零電流開(kāi)通、零電壓零電流關(guān)斷，其工作過(guò)程波形圖見(jiàn)圖2。

圖2 串聯(lián)諧振電流斷續(xù)工作模式下的波形圖

    t0～t1期間，開(kāi)關(guān)管S1、S4導(dǎo)通，ir＞0，電路正向諧振。能量由電源輸入傳遞至諧振環(huán)節(jié)，同時(shí)向負(fù)載側(cè)傳遞。S1、S4零電流開(kāi)通，此工作過(guò)程電路圖見(jiàn)圖3。

圖3 t0～t1期間等效電路圖

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    t1～t2期間，二極管D1、D4導(dǎo)通，ir＞0，電路反向續(xù)流諧振。諧振環(huán)節(jié)同時(shí)向電源側(cè)和負(fù)載側(cè)傳遞能量。在此過(guò)程中關(guān)斷S1、S4，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電壓零電流關(guān)斷，此工作過(guò)程電路圖見(jiàn)圖4。

圖4 t1～t2期間等效電路圖

    t2～t3期間，ir＝0，電路處于諧振電流斷續(xù)狀態(tài)。從t3時(shí)刻開(kāi)始電路進(jìn)行下一個(gè)半周期的諧振過(guò)程，因與前面半個(gè)周期的工作過(guò)程對(duì)稱，此處不再贅述。

2 電路的數(shù)學(xué)分析

    假設(shè)電路已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，輸出電容足夠大，輸出電壓保持不變；U0和I0分別為等效輸出電壓和等效輸出電流，U0＝Uout/n，I0＝nIout；t0時(shí)刻Cr上的電壓為Ucr(t0)，t0～t1期間，電路正向諧振過(guò)程的簡(jiǎn)化等效電路見(jiàn)圖5，數(shù)學(xué)分析式如下：
   

圖5 t0～t1期間簡(jiǎn)化等效電路圖

    t1～t2期間，電路反向續(xù)流諧振過(guò)程電路的簡(jiǎn)化等效電路見(jiàn)圖6，數(shù)學(xué)分析式如下：
   

圖6 t0～t1期間簡(jiǎn)化等效電路圖

    根據(jù)電路工作的對(duì)稱性可得
   

    綜合式(2)、(4)、(5)可得：
   

    故正向諧振電流和反向續(xù)流諧振電流分別為：
   

    半個(gè)諧振周期內(nèi)諧振電流絕對(duì)值的積分值為：
  

    又因ir經(jīng)整流后的平均值為等效輸出電流，故

    經(jīng)整理得到

3 數(shù)學(xué)分析結(jié)果的討論

    3.1 式(13)成立的條件

    由式(10)可看出，當(dāng)U0＝Uin時(shí)，反向續(xù)流諧振電流將消失，故式(13)成立的條件是U0≤Uin。故當(dāng)電路參數(shù)(如諧振電容、負(fù)載等)一定的情況下，存在一個(gè)臨界頻率fcn。，即
   

    當(dāng)fs≥fcn時(shí)，U0＝Uin，電路將不具有調(diào)壓特性。[!--empirenews.page--]

    3.2 fs對(duì)諧振電流峰值的影響1

    當(dāng)fs≥fcn時(shí)，U0＝Uin諧振過(guò)程只存在正向諧振電流，故依據(jù)電流守恒，即ir經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換整流后的平均值即為輸出電流，可得到諧振電流峰值ir,p為：
   

    因U0＝Uin時(shí)電路已不存在反向諧振電流，此時(shí)增大fs，ir,p減小，在一定負(fù)載條件下，因開(kāi)關(guān)頻率的最大值fs,max＝fr，故正向諧振電流峰值的最小值min ir,p為
   

    3.3 fs對(duì)諧振電流峰值的影響2

    當(dāng)fs＜fcn、U0＜Uin時(shí)，由U0＝8UmCrfsR0/n2可知，U0∝fs，電路具有線性調(diào)壓特性。此時(shí)睹振電流峰值：
   

    3.4 負(fù)載對(duì)調(diào)壓特性的影響

    一般靜電除塵器等效電阻的變化范圍很大，故輕載下采用調(diào)頻控制方式時(shí)，臨界調(diào)壓頻率將非常低，基本上不具有凋壓的特性。

4 原有控制方式的改進(jìn)方案

    通過(guò)以上分析可得，傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電流斷續(xù)工作模式的控制方法存在調(diào)壓的I臨界頻率低、輕載調(diào)壓特性差的缺點(diǎn)，下面將討論一些改進(jìn)的方法。

    4.1 減小Cr以提高線性調(diào)壓的臨界頻率

    由線性凋壓臨界頻率公式fcn＝n2/(8CrR0)可知，減小Cr可以提高線性調(diào)壓fcn。但受高壓變壓器寄生電容、漏感及fs。的限制，Cr允許變化的范圍很小，且與靜電除塵器等效電阻的變化相比更是微乎其微，故通過(guò)減小Cr來(lái)改善串聯(lián)諧振電流斷續(xù)模式下的調(diào)壓特性作用很小。

    4.2 脈沖寬度控制

    傳統(tǒng)的串聯(lián)睹振電流斷續(xù)工作模式下，功率器件驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷時(shí)刻在諧振電流反向續(xù)流諧振過(guò)程中，這樣可以實(shí)現(xiàn)功率器件的零電流零電壓關(guān)斷，但這也帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，就是正向諧振處于不控狀態(tài)，調(diào)壓特性變差。故可通過(guò)改變功率器件驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷時(shí)刻處于正向諧振過(guò)程中，從而通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。此方法的缺點(diǎn)是關(guān)斷電流較大，開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷損耗大。

    4.3 調(diào)節(jié)直流母線電壓

    靜電除塵器穩(wěn)態(tài)時(shí)需要工作在接近閃絡(luò)電壓處的某一工作點(diǎn)上，但實(shí)際中受各種因素的影響，閃絡(luò)電壓會(huì)發(fā)生變化，故電路需要?jiǎng)討B(tài)的調(diào)整Uout到某一新的工作點(diǎn)上。為了保持串聯(lián)諧振電流斷續(xù)工作模式下具有控制簡(jiǎn)單、能夠?qū)崿F(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，可采用調(diào)節(jié)Uin來(lái)調(diào)節(jié)Uout的控制方式，此時(shí)高頻逆變橋始終工作在其允許的最大頻率處，由前述3.2節(jié)分析可知，此時(shí)諧振電流的峰值最小。因網(wǎng)絡(luò)電壓的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，故采用傳統(tǒng)的三相可控硅相控整流電路就可實(shí)現(xiàn)Uin的改變，達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整高壓輸出電壓的目的。

5 仿真研究及分析

    本文通過(guò)仿真對(duì)調(diào)頻、改變脈沖寬度以及調(diào)節(jié)Uin3種調(diào)節(jié)Uout的調(diào)壓方式進(jìn)行了對(duì)比研究，圖7分別給出了頻率、占空比、Uin與Uout的關(guān)系曲線，從圖中可知頻率和占空比與輸出電壓是非線性關(guān)系。

圖8 不同控制方式下ir,p及諧振電流有效值的對(duì)比曲線

6 實(shí)驗(yàn)研究

    一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)已經(jīng)構(gòu)建完成并用于實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)如下：Lr＝6μH；Cr＝9μF；變壓器變比n＝120；輸出負(fù)載R0＝47.8 kQ。
    下面給出了采用調(diào)節(jié)Uin、Uout的控制方式下所得到的實(shí)驗(yàn)波形，圖9為直流母線電壓Uin和Uout的關(guān)系，圖10為Uin＝290 V時(shí)的諧振電流和驅(qū)動(dòng)波形，圖中諧振電流正向諧振結(jié)束后的反向諧振過(guò)程是因高頻高壓變壓器的寄生電容所產(chǎn)生的，實(shí)驗(yàn)中利用這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了功率器件的零電壓零電流關(guān)斷。

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)量Uin與Uout的關(guān)系曲線

圖10 驅(qū)動(dòng)電壓及諧振電流波形

7 結(jié) 語(yǔ)

  本文分析了高壓靜電除塵電源在串聯(lián)諧振電流斷續(xù)工作模式下的調(diào)壓特性，指出了在采用調(diào)頻控制方式下，當(dāng)fs＞fcri時(shí)電路將不具有調(diào)壓特性。進(jìn)而比較了調(diào)頻控制、調(diào)節(jié)占空比控制和調(diào)節(jié)輸入電壓控制3種控制方式下電路的調(diào)壓特性，得出了采用調(diào)節(jié)Uin的方式能夠?qū)崿F(xiàn)線性的調(diào)壓特性，且諧振電流的峰值及諧振電流有效值小的結(jié)論，適合應(yīng)用于高頻大功率靜電除塵電源。