基于MATALAB的靜電除塵電源技術(shù)仿真

摘要：文中在對(duì)交流調(diào)壓電路和不可控整流電路做出理論分析的基礎(chǔ)上，給出了單相、三相靜電除塵電源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立了基于MATL AB／Simulink靜電除塵單相、三相電源的仿真模型，用Power System工具箱進(jìn)行仿真，用實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真效果，為高效靜電除塵電源控制系統(tǒng)的研制提供了開發(fā)環(huán)境和打下了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗啵嘟涣髡{(diào)壓電路；單相／三相不可控整流電路；建模；仿真

    近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，治理工業(yè)粉塵污染的高壓靜電除塵器(EPS)岡除塵效率高、能耗低、維修管理方便等，越來(lái)越受到人們的重視。目前，在安全可靠運(yùn)行的前提下如何提高除塵效率是靜電除塵器的研究熱點(diǎn)。高壓供電電源是靜電除塵器的核心部分，其供電方式、運(yùn)行方式及其控制方式的不同，對(duì)靜電除塵器的除塵效率和運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的影響。
    MATLAB軟件以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算可視化程序設(shè)計(jì)融合到一個(gè)交互的工作環(huán)境中，可實(shí)現(xiàn)工程計(jì)算、算法研究、建模與仿真等功能。  Power System是MATLAB軟件中種針對(duì)電力系統(tǒng)的可視化建模與仿真的工具。Power System和Simulink同時(shí)使用將使一些復(fù)雜的、非線性的電力系統(tǒng)建模與仿真變得簡(jiǎn)捷。通過控制搭建成的除塵器電源系統(tǒng)的參數(shù)，可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓、電流的控制。對(duì)除塵器電源系統(tǒng)性能分析，控制策略，故障判斷等有著重要的理論意義與工程實(shí)踐意義。

1 除塵器電源系統(tǒng)模型
    高壓靜電除塵的原理是，在空間放置一組或幾組間隔一定距離的金屬極板，通以直流高壓，維持一個(gè)足以使氣體電離的靜電場(chǎng)，當(dāng)粉塵顆粒進(jìn)入靜電場(chǎng)后與氣體電離產(chǎn)生的電子、陰離子、陽(yáng)離子結(jié)合，帶了電后的塵粒在電場(chǎng)作用下，向極性相反的電極運(yùn)動(dòng)，并在幾秒鐘內(nèi)到達(dá)而沉積在電極上，以達(dá)到塵粒和氣體分離的目的。

    晶閘管相控直流供電以其供電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容量大、投資少(原理圖見圖1)，是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的傳統(tǒng)靜電除塵供電方式。交流調(diào)壓電路通過兩個(gè)反向并聯(lián)的可控硅，控制高壓變壓器的一側(cè)電壓。硅整流變壓器將電壓升壓整流為負(fù)高壓作用于電除塵器的正負(fù)極。

2 除塵器電源系統(tǒng)仿真
    空氣的擊穿電壓為72kV，工程上除塵器直流輸出電壓一般采用60～72kV電流為1～1．5A，本實(shí)驗(yàn)最大直流電壓為72kV電流為1A，以獲得最大的除塵效率。
2．1 單相電源除塵系統(tǒng)仿真
    搭建仿真系統(tǒng)如圖2所示。單相電源除塵系統(tǒng)輸入380V／50Hz，當(dāng)觸發(fā)角α=0°時(shí)，整流橋直流輸出平均值電壓Ud與整流橋交流輸入有效值電壓U2(變壓器二次側(cè)電壓有效值)的關(guān)系為：Ud=0．9U2，當(dāng)加至放電極與收塵極間平均電壓Ud=72kV時(shí)，則u2=80kV所以加至兩極間的最高峰值電壓為Vp=1．414U2=113kV。據(jù)此可以算出變壓器變比為：1：298，設(shè)置晶閘管參數(shù)Ron=0．001Ω，Lon=0H，Vf=0．8V，Rs=50Ω，Cs= 4．7e-6F。

    脈沖發(fā)生器模塊Pulse1、Pulse2相位互差180°，通過改變各自的相位延遲時(shí)間控制交流電壓輸出波彤，進(jìn)而控制整流側(cè)輸出電壓。[!--empirenews.page--]

    單相調(diào)壓控制角的移相范圍是0°～180°，當(dāng)控制角α=0°、60°、時(shí)整流器直流側(cè)輸出電壓電流波形如圖3、4所示，仿真輸出與數(shù)學(xué)模型計(jì)算值一致驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)的正確性。
2．2 三相電源除塵系統(tǒng)仿真
    搭建三相仿真系統(tǒng)如圖5所示。電源輸入是380V／50Hz三相相位互差120°的交流電，當(dāng)觸發(fā)角α=0°時(shí)，整流橋直流輸出平均值電壓Ud與整流橋交流輸入有效值電壓U2(變壓器二次側(cè)電壓有效值)的關(guān)系為：Ud=2．34U2，當(dāng)加至放電極與收塵極間平均電壓Ud=72kV時(shí)，則U2= 30．78kV所以加至兩極間的最高峰值電壓為Vp=1．414 U2=43．5kV。據(jù)此可以算出變壓器變比為：1：198，設(shè)置三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管參數(shù)Ron=0．001Ω，Lon=OH，Vf=0．8V，Rs=50Ω，Cs=4．7e-6F。

    為了保證電路能正常工作，應(yīng)采用大于60°的寬脈沖或雙窄脈沖的觸發(fā)電路；為保證輸出電壓三相對(duì)稱并有一定的調(diào)節(jié)范圍，晶閘管的觸發(fā)信號(hào)與相應(yīng)的交流電源相序一致，三相的觸發(fā)脈沖應(yīng)依次相差120°，同一相的兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管觸發(fā)脈沖應(yīng)相差180°，觸發(fā)脈沖順序是VT1→VT→VT3→VT4→VT5→VT6，依次相差60°，通過改變Pulse Cenerator的移相控制端的大小進(jìn)行調(diào)壓控制。[!--empirenews.page--]

    三相調(diào)壓控制角的移相范圍是0°～150°，當(dāng)控制角α=0°、60°、時(shí)整流器直流側(cè)輸出電壓電流波形如圖6、7所示，仿真輸出與數(shù)學(xué)模型計(jì)算值一致從而驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)的正確性。

3 實(shí)驗(yàn)
3．1 實(shí)驗(yàn)條件
    本實(shí)驗(yàn)借助基于dsPIC30F6014A高壓靜電除塵控制系統(tǒng)對(duì)MATLAB三相電源仿真波形進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主電路為天煌教儀電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)還涉及同步過零信號(hào)捕捉電路設(shè)計(jì)、脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)等。
    根據(jù)晶閘管導(dǎo)通條件的要求，晶閘管原件上所加的電壓和控制極上所加的觸發(fā)脈沖電壓在相位上必須配合合理，否則晶閘管將無(wú)法正常導(dǎo)通，準(zhǔn)確的對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行測(cè)量是實(shí)現(xiàn)跟蹤采樣、脈沖形成、產(chǎn)生限制保護(hù)從而使晶閘管正常觸發(fā)的基礎(chǔ)。原理圖如圖8。

    為了保證晶閘管的可靠工作，要求觸發(fā)脈沖有很高實(shí)時(shí)性和很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，本實(shí)驗(yàn)采用寬脈沖方式觸發(fā)。觸發(fā)脈沖是由DSC的輸出比較模塊產(chǎn)生，移相和脈沖形成都由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過外部放大隔離電路輸出至晶閘管。移相觸發(fā)脈沖控制方式采用定時(shí)器作為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得到定時(shí)器的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)捕獲到同步電壓的上升沿時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)達(dá)到計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。
3．2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
    搭建好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后我們對(duì)控制板能否完成需要的功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要包括是否能產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，一、二次側(cè)電壓是否滿足數(shù)學(xué)模型要求等圖9為主控界面，圖10為參數(shù)設(shè)置界面。

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    在參數(shù)設(shè)定界面將二次電壓設(shè)定為72kV探尋時(shí)間為5個(gè)周期開始試驗(yàn)，用示波器測(cè)得的晶閘管調(diào)壓后的一次測(cè)電壓曲線為圖11所示，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，存測(cè)量二次側(cè)電壓時(shí)我們首先使用了降壓變壓對(duì)電壓進(jìn)行了降低，再用小型整流器進(jìn)行整流得出整流后曲線如圖12所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    從仿真波形上可以看出輸出相同直流電壓值，單相電源是半個(gè)正弦波波動(dòng)，三相電源是六個(gè)波頭波動(dòng)，很顯然單相電源波動(dòng)幅度比三相電源波動(dòng)幅度要大，因此，三相電源電壓更加穩(wěn)定可靠；另外單相電源峰值Up為113kV遠(yuǎn)高于空氣擊穿電壓72kV容易引起火花放電，除塵器本體不能長(zhǎng)時(shí)間處于臨界火化狀態(tài)工作，從而降低了除塵效率，三相電源峰值Vp略低于擊穿電壓不容易引起火花放電且更容易滿足控制策略的要求；單相電源調(diào)壓電路中主要含有3次和3的整數(shù)倍次諧波，可使電網(wǎng)中線電流劇增造成電網(wǎng)的不平衡和電路功率因數(shù)的下降，三相星形調(diào)壓電路中因?yàn)椴缓兄芯€且三相的3次和3的整數(shù)倍次諧波是同相位的不能在各相之間流動(dòng)，因此，三相星形調(diào)壓電路中沒有此類諧波，對(duì)電網(wǎng)影響很小。從實(shí)際實(shí)驗(yàn)波形可以看出與三相仿真二次側(cè)輸出波肜一致，說明了利用MATLAB對(duì)除塵器電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真能真實(shí)的反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況，為下一步高效率電源控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了開發(fā)環(huán)境。