1 引言
随着我国工业的迅猛发展,环境污染变得越来越严重,由此导致静电除尘器等设备的应用越来越广泛。高频高压电源作为除尘设备的供能“心脏”,其面对扰动的快速反应性和输出的良好稳定性显得尤为重要。电源的高频高压变压器在制作过程中所特有的分布电容以及漏感极大地影响了电源的整体性能,如何针对这些杂散参数采取合适的控制策略,关系到除尘器的工作效能。因此,充分了解除尘器工作原理及与变压器的关系,有助于电源的整体设计。
2 静电除尘器工作原理
2.1 静电除尘器工作过程
图1
2.2 灰尘的电特性
电除尘器在工作时,对除尘板周围的空气进行电离并做功,周围的空气以及尘埃耦合到电路中相当于静电除尘器的负载。负载的电特性可以用伏安特性曲线表示,伏安特性主要和除尘极板之间的间距、除尘极板的大小、空气的湿度以及灰尘成分有关。静电除尘设备可以用可变电阻与电容的并联电路来模拟等效负载[4]。当静电除尘器上积累了灰尘后,灰尘层会产生电压降,可以表示为
式中,j为电流密度;ρ为粉尘的比电阻;d为粉尘层的厚度。比电阻ρ的变化范围很广,一般在10 kΩ~100 MΩ之间,超出或小于该范围都会影响电除尘的效果[5]。当等效的比电阻过小时,两个极板之间会发生击穿放电,此时电流急剧增大,反之极板两端的电压急剧减小,这种现象也称之为电压闪络现象。
此外,表示电除尘正负极板之间的等效电容C,其大小可由极板电容计算得出,即
式中,ε为介电常数,与空气中灰尘成分、温度以及湿度等有关;S为两极板之间的有效面积;k为静电常数,其大小为k=9.0×109 N;d为两极板之间的距离。在固定工作环境下,介电常数一般不变,则等效电容的大小也为固定值,其范围一般在5~100 nF之间。
2.3 除尘电源结构及工作方式
除尘设备的供能“心脏”——高频高压变压器,其工作的可靠性和效率取决于变压器本身包括漏感和分布电容在内的杂散参数。如果直接将其用于高频PWM逆变器中,由于漏感的原因会产生较大的尖峰电压,极有可能导致IGBT等功率器件损坏。分布电容的存在会在逆变器回路中产生较大的环流,使能量不能有效地向变压器二次侧传递,减小了变压器的效率。为了解决上述问题,本文引入外加电容的方式,使变压器工作在LCC准谐振状态,从而功率器件可以实现零电流开通和零电压零电流关断,克服了尖峰电压和环流的缺点。软开关的引入,不仅提高了变压器的效率,延长了功率器件的寿命,而且提高了逆变器的效率。
同时,由于LCC电路中参与谐振的串联谐振电感Lr包含了变压器漏感和电路外加串联电感,并联谐振电容Cp也包括了变压器分布电容和外加变压器并联电容,所以如果设计合理,在良好的变压器制作工艺下可以大大减小外加电容和电感值,甚至能够实现去掉外加元件,极大地减小了设备的体积和制作成本。
图2
电感电流断续模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)下,更容易实现功率器件IGBT的零电流关断,更容易减小功率器件的损耗,提高逆变电路的效率。当fs<0.5fr时,变换器可以工作于电流断续模式,其中,fs为功率器件开关频率,fr为谐振频率[8]。如图3所示,在[t0,t1]时间段,开关管S1与开关管S4的驱动电压为高电平,S1和S4导通,电路谐振电流ILr在电感的阻碍作用下从零开始增加,实现了零电流开通(Zero Current Switch,ZCS)。此时电路的谐振电流ILr由变压器二次测流向负载,起到传递能量的作用。在[t1,t2]时间段,电流ILr过零,此时并联在功率开关管S1和S4两端的续流二极管VD1和VD4续流,开关管两端电压被钳位为0。在[t1,t2]期间内的任意时刻,关断S1和S4都能实现零电压(Zoro Vlotage Switch,ZVS)和ZCS关断[9]。
图3
3 移相调压原理
除尘器工作时,工况复杂多变,除尘电源负载变化大,变压器由于受外界环境变化和自然老化等因素影响,其分布参数也会发生偏移,再加上受电路中寄生参数的影响,因此必须采用电压调制技术才能实现除尘电源电压的稳定输出。
移相全桥开关变换器利用外加电容(包括功率器件的寄生电容)以及高频变压器的漏感和分布电容来实现ZVS和ZCS开关。该控制方法具有简单、损耗小、效率高等优点,因而广泛应用于逆变电路中[10]。
4 仿真模型及结果分析
4.1 仿真平台搭建
图4
4.1.1 主电路仿真
电源的主电路拓扑包括全桥电路、高频变压器、高压整流滤波器以及由并联的电容和电阻构成的等效负载。取直流侧整流后的电压Vdc=510 V;S1、S3为逆变器的超前臂;S2、S4为滞后臂。C1、C2为并联在S1、S3上的电容,取C1=C2=0.01 μF;Cp为并联谐振电容(变压器的并联电容和其自身的分布电容之和),取Cp=0.95 nF;Lr为串联谐振电感(谐振电路串联电感和变压器漏感之和),取Lr= 6 μH;Cr为使逆变电路达到准谐振软开关状态而串入电路的串联谐振电容,取Cr=6 μF;Co和电阻RL为静电除尘器等效负载,其中取Co=100 nF,RL=10 MΩ。
4.1.2 控制电路仿真
图5
4.2 仿真结果分析
由于寄生参数造成的谐振腔参数偏移,进而导致输出电压偏移值相对于突变负载造成的电压改变值小,很容易通过移相电压调制技术达到额定输出电压,因此本文的仿真将仅以突加负载的方式来验证应用移相调压控制策略后仿真系统的稳定性以及快速性。本文选择的稳态工作条件为等效负载10 MΩ,电容为100 nF。
如图6所示,t=0.008 s时,在等效负载两侧并入一个100 kΩ的负载,目的是模拟静电除尘器在工作中遇到的扰动,由于引入了移相调压闭环控制,负载电压快速稳定在60 kV,负载电流会急剧增大,随后电流也快速稳定在一定值。为保证IGBT等功率开关器件及整个电路的安全,应设置过电压、过电流保护。
图6
图7
从仿真结果看,输出电压在突加负载扰动后很快稳定在了60 kV,达到了预期的效果。
5 实验结果分析
图8
图9
图9为系统突变减载时的电压波形图,其分析过程与加载类似,可以看出电压输出波形仍然稳定在约60 kV,符合理论和仿真分析。
综上,可以得出移相调压控制技术应用于静电除尘电源后,可使系统具有较好的快速性和稳定性。
6 结论
本文利用Simulink对静电除尘电源进行仿真,并以仿真结果为指导依据,搭建实验平台。通过仿真波形和最终实验结果分析可以得到以下结论：
(1) 通过移相电压调制技术,无论是仿真还是实验,在突变负载后,直流侧输出电压总能很快响应,并稳定在60 kV输出,可知本文采用的基于PID控制的移相PWM电压调制方式在有负载扰动的情况下,能将输出电压稳定在一定范围内,且具有超调量小和响应速度快等优点。
(2) LCC谐振电路拓扑以及移相PWM电压调制方式能充分利用高频变压器的漏感及分布电容等杂散参数,使功率管工作在准谐振状态,实现了软开关,减少了功率开关管的开断损耗,提高了除尘电源的工作效率。
参考文献
一种Boost型宽电压范围输入LLC谐振变换器
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DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.15.019
Magsci
[本文引用: 1]
传统的桥式LLC谐振变换器不适合宽电压范围输入,且其输入电流断续。为此提出了一种新型的Boost型LLC谐振变换器。通过集成两个交错并联的Boost电感,不仅可以拓宽LLC变换器的增益范围,而且可以显著减小输入电流的纹波,因此该变换器适合用在光伏、燃料电池等可再生能源发电系统中。与传统的脉冲频率调制控制相比,该变换器采用定频脉冲宽度调制控制,励磁电感和Boost电感对变换器的增益特性影响很小,可以简化谐振参数的设计,同时定频控制也有利于磁性元器件和滤波电路的设计。首先介绍了该变换器的工作原理;然后通过时域分析,对该变换器的增益特性进行了深入研究;之后对变换器的ZVS软开关条件进行了详细的分析;最后建立了一台120~240 V输入、24 V/25 A输出的实验样机,实验结果验证了变换器的实用性及理论分析的正确性。
A Boost-integrated LLC resonant converter for wide input voltage range
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传统的桥式LLC谐振变换器不适合宽电压范围输入,且其输入电流断续。为此提出了一种新型的Boost型LLC谐振变换器。通过集成两个交错并联的Boost电感,不仅可以拓宽LLC变换器的增益范围,而且可以显著减小输入电流的纹波,因此该变换器适合用在光伏、燃料电池等可再生能源发电系统中。与传统的脉冲频率调制控制相比,该变换器采用定频脉冲宽度调制控制,励磁电感和Boost电感对变换器的增益特性影响很小,可以简化谐振参数的设计,同时定频控制也有利于磁性元器件和滤波电路的设计。首先介绍了该变换器的工作原理;然后通过时域分析,对该变换器的增益特性进行了深入研究;之后对变换器的ZVS软开关条件进行了详细的分析;最后建立了一台120~240 V输入、24 V/25 A输出的实验样机,实验结果验证了变换器的实用性及理论分析的正确性。
LCC-VSC混合直流电网机电暂态建模方法研究
[J].
DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.24.001
Magsci
[本文引用: 1]
提出可用于大型电力系统暂态稳定分析的电网换相换流器-电压源换流器(line commutated converter -voltage source converter,LCC-VSC)混合直流电网机电暂态建模方法。首先,根据LCC、VSC换流器技术特点,建立混合直流电网的基本形态。其次,根据换流器基本数学模型和机电暂态仿真的特征,通过合理简化提出混合直流电网基本元件LCC、VSC、DC/DC换流器的机电暂态建模方法。基于Dommel算法,提出直流网络模型的求解方法。在PSASP程序中实现了各元件的模块化设计,使用户可根据需要自由搭建仿真算例。最后,基于VSC-HVDC汇集分布式可再生能源和常规能源、LCC-HVDC实现远距离大容量稳定输电的构想,设计四端混合直流电网的仿真算例,分析对比3种不同工况下的运行特性。结果表明,所提LCC-VSC混合直流电网机电暂态模型准确、可靠,可用于大型电力系统暂态稳定性分析。
Electromechanical transient modeling of hybrid DC grid based on LCC and VSC converter
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高铝煤混燃飞灰电除尘特性的试验研究
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燃水煤飞灰的电除尘特性分析
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LCC谐振变换器的电路特性分析
[J].为了研究具有电容型滤波器LCC串并联谐振变换器的电路特性, 对其进行了建模与分析。首先, 建立了两种工作模式下LCC谐振变换器的时域数学模型;然后, 在数学模型的基础上研究了LCC谐振变换器的电路特性, 推导了谐振槽元件参数的计算表达式, 讨论了谐振槽元件参数选择与电路特性之间的关联, 指出并联电容与串联电容的比值是决定电路性能的一个重要因数;最后, 根据设计要求提供了LCC谐振变换器电路的设计方法, 介绍了设计过程, 给出了仿真和实验结果。
Analysis of circuit characteristics of LCC resonant converter
[J].为了研究具有电容型滤波器LCC串并联谐振变换器的电路特性, 对其进行了建模与分析。首先, 建立了两种工作模式下LCC谐振变换器的时域数学模型;然后, 在数学模型的基础上研究了LCC谐振变换器的电路特性, 推导了谐振槽元件参数的计算表达式, 讨论了谐振槽元件参数选择与电路特性之间的关联, 指出并联电容与串联电容的比值是决定电路性能的一个重要因数;最后, 根据设计要求提供了LCC谐振变换器电路的设计方法, 介绍了设计过程, 给出了仿真和实验结果。
高电压静电除尘用电源调压特性的分析
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基于三重移相控制的双主动全桥直流变换器优化调制策略
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DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.06.022
Magsci
[本文引用: 2]
传统的单移相控制下,当电压传输比不等于1时,双主动全桥(dual active bridge,DAB)直流变换器的部分开关管在轻载状态下会失去零电压开通的特性,从而造成开关损耗的增加。三重移相控制引入了内部移相角,比传统的移相控制多两个自由度,使控制具有更大的灵活性。在三重移相控制的基础上,提出一种改善DAB特性的优化调制策略,使所有开关管在全功率范围内具有软开关的特性,并且能够减小轻载状态下变换器的电流应力和导通损耗,从而提高了变换器的效率。此外,提出的求解最优控制量的算法具有广泛的适用性,可以扩展至DAB变换器其他的最优化问题。实验结果验证了所提出调制策略的有效性。
Optimized modulation scheme of dual active bridge DC-DC converter based on triple-phase-shift control
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