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专业专业硕士学位论文硕士学位论文 高压高频静电除尘电源的研究 Research on High-Voltage High-Frequency Electrostatic Precipitator Power Supply 刘沛然刘沛然 2014 年年 6 月月 国内图书分类号:TM433 学校代码:10079 国际图书分类号:621.3 密级:公开 专业硕士学位论文 高压高频静电除尘电源的研究 硕 士 研 究 生 : 刘沛然 导 师 : 石新春 教授 申请学位 : 工程硕士 专业领域 : 电气工程 培养方式 : 全日制 所 在 学 院 : 电气与电子工程学院 答 辩 日 期 : 2014 年 6 月 授予学位单位 : 华北电力大学 Classified Index: TM433 U.D.C: 621.3 Thesis for the Master Degree Research on High-Voltage High-Frequency Electrostatic Precipitator Power Supply Candidate: Liu Peiran Supervisor: A.Prof. Shi Xin-chun School: School of Electrical and Electironic Engineering Date of Defence: March, 2014 Degree-Conferring-Institution: North China Electric Power University 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 高压高频静电除尘电源的研究 , 是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取 得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外,不包含他人已发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式 注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 高压高频静电除尘电源的研究系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在 导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有,本论 文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保 存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子 版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学,可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于(请在以上相应方框内打“”): 保密,在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名: 日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 I 摘 要 节能减排已成为当今社会发展的主题,高压静电除尘器以其独特的优势广泛 应用于工业粉尘的回收和处理领域。本文从高压高频静电除尘电源实际控制的角 度出发,对移相全桥变换器的工作特性进行了详细的分析,并对高压高频静电除尘 电源的控制策略进行研究。涉及的主要内容如下: 在阐述高压高频变压器的电路特性和负载等效模型的前提下,结合软开关技 术,分析整合变压器寄生参数后的主电路工作过程,选取合适的工作模式。 针对高压高频静电除尘电源工作特性的需求,电源的逆变部分选取移相全桥变 换器,并提出了闪络判定和处理的方法。对使用比较普遍的火化率控制算法进行 研究,提出了三段式火花跟踪调节,实现对电源的升压控制。 使用 MATLAB/Simulink 软件搭建仿真模型,对提出的控制策略进行验证。 关键词:高压高频;静电除尘;开关电源;移相全桥变换器 华北电力大学硕士学位论文 II Abstract Energy saving has become the subject of todays social development, electrostatic precipitators (ESP) are widely used in the field of recycling and treatment of industrial dust with its unique advantages.From the practical control of view, we research on the control strategy, and carried out a detailed analysis of its operating characteristics of the phase-shifted full-bridge converter. The development process include the following: Based on the soft-switching technology, after explaining the high-voltage high-frequency transformer circuit characteristics and load equivalent model, we analyze the main circuit engineering integrated with transformer parasitic parameters, then select the appropriate mode. In order to meet the demand of high-voltage high-frequency electrostatic precipitator power supply operating characteristics, using phase-shifted full-bridge converter, proposing a method for flashover determination and processing. We research on the spark rate control algorithm, and propose spark and tracking through the three-stage adjustment, finally achieve the control for high-voltage high-frequency electrostatic precipitator power supply. Keywords: high-voltage high-frequency, electrostatic precipitators, switch power supply, phase-shifted full-bridge converter 华北电力大学硕士学位论文 III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 静电除尘简介 . 2 1.2.1 静电除尘技术的发展 . 2 1.2.2 静电除尘原理 . 3 1.3 常见除尘电源的简介 . 7 1.3.1 晶闸管供电电源 . 7 1.3.2 高频 IGBT 逆变电源 . 8 1.3.3 微秒脉冲电源 . 8 1.4 国内外研究现状 . 9 1.5 本文主要工作 . 10 第 2 章 高压高频静电除尘电源主电路 . 11 2.1 高压高频静电除尘电源原理 . 11 2.2 高压高频变压器 . 11 2.3 负载等效模型 . 12 2.4 软开关变换器 . 13 2.4.1 软开关技术的应用与发展 . 13 2.4.2 LC 和 LCC 谐振变换器 . 14 2.4.3 ZVS-PWM 移相全桥变换器 . 17 2.4 本章小结 . 20 第 3 章 主电路参数计算和设计 . 21 3.1 电源整流输入电路 . 21 3.2 三相整流电路输出滤波电容计算 . 22 3.3 主功率开关器件的选择 . 24 3.4 高频变压器参数设计 . 24 华北电力大学硕士学位论文 IV 3.5 高压整流桥设计 . 25 3.6 本章小结 . 26 第 4 章 高压高频静电除尘电源的控制 . 27 4.1 数字 PID 闭环控制 . 27 4.1.1 数字控制的优缺点 . 27 4.1.2 闭环控制的实现 . 28 4.2 闪络控制 . 29 4.2.1 闪络判定 . 29 4.2.2 闪络处理 . 31 4.2.3 电除尘控制方式 . 31 4.2.4 反电晕 . 33 4.3 本章小结 . 34 第 5 章 仿真验证 . 36 5.1 引言 . 36 5.2 仿真及其波形 . 36 5.2.1 移相全桥变换器仿真 . 36 5.2.2 移相 PWM 的生成 . 37 5.2.3 仿真波形 . 39 5.2.4 闪络判定 . 41 5.3 本章小结 . 42 第 6 章 结论与展望 . 43 6.1 结论 . 43 6.2 展望 . 43 参考文献 . 44 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 . 47 致 谢 . 48 华北电力大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 随着社会的进步,环境指标成为衡量人类生活水平的重要指标。近年来,随着 我国改革开放的深化,经济的飞速发展,工业生产规模逐渐扩大,由此造成的空气 污染问题已经开始影响到国家的经济民生。工业粉尘及其他空气污染物的主要来源 是电力、冶金、石化等工业使用的各种燃煤锅炉,这些粉尘的大量排放,一方面危 及人体健康,另一方面还会造成大量贵重材料的流失。 我国是个燃煤大国,燃煤锅炉产生的大量烟尘导致了严重的空气污染,比如近 年来媒体、民众关注较多的 PM2.5。PM2.5 主要由硫和氮的氧化物转化而成。而这 些气体氧化物来源于人类对化石燃料(煤、石油等)利用和垃圾的焚烧。在发展中 国家,生产生活以及冬季家庭取暖所需的能源主要靠燃烧煤炭获取,而煤炭的燃烧 会产生大量的颗粒物,另外没有先进废气处理装置的柴油汽车也是颗粒物的来源, 比如燃烧柴油的卡车,其尾气中就有较多的颗粒物。除此之外,烟尘中所包含的二 氧化硫还是形成酸雨的主要物质。长期以来,我国就对环境污染问题非常重视,先 后制定了一系列法律法规和相关标准,具体如下: 1) 1989 年 12 月 26 日,施行中华人民共和国环境保护法 ; 2) 1999 年 1 月 1 日,国家环境保护总局发布污染源检测管理办法 ; 3) 1999 年 6 月 21 日,国家环境保护总局发布国家重点环境保护实用技术 推广管理办法 ; 4) 2000 年 4 月 29 日,施行中华人民共和国大气污染防治法 ; 5) 2003 年 1 月 1 日,施行中华人民共和国清洁生产促进法 ; 6) 2004 年 1 月 1 日,实施国标火电厂大气污染物排放标准 ,GB 13223-2003。 其中,国标 GB13223-2003 对烟尘允许的最高排放浓度和烟气黑度限值进行了 详细规定,并要求强制执行。因此除尘技术对于钢铁、冶金、化工、制造、电力等 工业生产具有及其重要的意义1。 目前工业上常用的除尘器按运行原理可分为:机械式除尘器、过滤式除尘器、 湿式除尘器和电除尘器四大类。机械式除尘器主要有重力沉降室,惯性除尘器和旋 风除尘器三部分组成,分别以重力、惯性和离心力为原理进行固气分离,从而达到 除尘目的。过滤式除尘器以过滤机理作为其主要原理,包括袋式除尘器和颗粒层除 尘器。湿式除尘器的除尘介质主要是水,包括低能湿式除尘器和高能文式除尘器。 华北电力大学硕士学位论文 2 电除尘器则是利用高电压产生的高场强使气体电离,产生电晕放电,进而使粉尘荷 电,并在电场力作用下,使气体中的悬浮粒子分离出来的除尘技术。 对于这些除尘器优缺点的比较,如表 1-1 所示。 表 1-1 不同类型除尘器优缺点的比较 除尘器类型 优点 缺点 机械式除 尘器 重力沉降室 结构简单,投资省,易维护, 耐用 除尘效率低, 设备较庞大, 不 能处理微粒 惯性除尘器 结构简单,价廉,易维护 除尘效率低,不能处理微粒 旋风除尘器 结构简单, 易维护, 性能稳定 对细粉尘 (小于 5m) 的效率 不高 过滤式除 尘器 袋式除尘器 效率高, 适应性强, 使用灵活, 构造简单,工作稳定 应用范围有局限, 不适合黏结 性强及吸湿性强的粉尘, 占地 大 颗粒层除尘器 耐高温, 滤料价廉, 适应性强 占地大, 对微细粉尘的除尘效 率不高,清灰复杂 湿式除尘器 除尘效率高, 适用度高, 可以 净化有害气体, 结构简单, 占 地少 大量消耗水,需要二次处理, 不适用于疏水性气体 电除尘器 除尘效率高, 阻力损失小, 处 理量大, 运行费用低, 不同的 烟尘分类收集 不易变化,受粉尘比电阻影 响,消耗钢材,占地大 与其他类型的除尘方式相比,鉴于电除尘器众多的优点,高压静电除尘法成为 了工业生产中普遍应用的一种除尘方式2,3。 1.2 静电除尘简介 1.2.1 静电除尘技术的发展 1824 年,德国莱比锡市的数学教师霍尔菲德尔最早提出了静电除尘的想法,认 为电能够使烟粒沉淀。到了 1907 年,美国伯克利州加利福尼亚大学化学教授科特 雷尔(F.G.Cottrell)首次实验成功,随后开发出了商用版的科特雷尔型工业用电除 尘装置。自此,静电除尘器(ESP)迅速得到推广应用。 虽然根据文字记载中国在西汉末年就已经发现了静电产生吸附的现象,但是我 国在 20 世纪 30 年代才引入了静电除尘技术。我国于 1936 年在本溪水泥厂首次使 用静电除尘器,但直到 1960 年,投入使用的也没有超过 60 台。随着我国工业生产 的发展和环境保护意识的提高,对静电除尘器的需求日益增加。20 世纪 60 年代, 电除尘技术的进步突出表现在开始采用 300mm 极间距、 单层 Z385 极板和芒刺放电 极,以及采用饱和电抗器调压的高压整流设备替代了高压机械整流设备。另外,逐 步趋于成熟的卧式 ESP 结构设计, 也为 ESP 的推广使用打下了基础。 到了 70 年代, 可控硅调压设备开始吸引人们的眼球。 “七五”期间,国家科技攻关项目中列入了 华北电力大学硕士学位论文 3 “高效除尘技术的研究”课题,其研究成果分别被国家科委和国家环保总局列为国 家科技成果重点推广项目和最佳实用技术。而随着资源紧缺问题的出现,节能减排 也成为了重中之重4。我国目前使用的多为工频的可控硅相控 ESP 电源。虽然这种 电源构造简单、容量大、技术较为成熟,但这种电源效率低,输出纹波大,不利于 节能减排,而且还消耗大量的铜和铁,不利于长期的可持续发展战略。随着科技进 步,高频开关电源应运而生,而且被应用到静电除尘领域。与工频静电除尘电源相 比, 高频静电除尘电源的系统复杂, 但是高频化的开关电源不仅可以缩小电源体积, 还能减轻重量,提高功率密度。因此,研发高频静电除尘电源成为了节能减排的一 个重要技术途径。 1.2.2 静电除尘原理 基本原理 电除尘器是使用电除尘电源发出的高电压产生的高场强使得气体局部电离、粒 子(固体或液体)带电,并利用电场力达到粒子与气流分离的目的。电晕放电是气 体介质在不均匀电场中,发生在相对曲率半径较小的尖端电极附近局部自持放电的 一种现象。在电晕放电时,非均匀的电场是维持电晕放电的必要条件。在管式静电 除尘器中,同轴布置的圆管和细导线形成了非均匀电场极性相反的两个电极,如图 1-1 所示。 + + + + + + + + + - - - - 净化空气出口 高压直流电源 接地线 灰斗 含尘空气进口 绝缘子 电晕极 集尘极 图 1-1 管式电除尘器示意图 接地的金属圆管叫集尘极(阳极) ,与高压直流电源输出相连的细金属线叫电 晕极(阴极) 。从电晕形成的原理和电晕的实际表现来看,以负电极作为电晕极存 在着比较明显的优点:1.负电晕放电较为集中,电晕区小;2.在电场中自由电子的 运动速度跟正离子相比要大,而且在电晕电流跟除尘率挂钩的前提下,同一电压下 的负电晕电流比正电晕的大;3.在相同条件下,正电晕比负电晕更容易形成放电通 华北电力大学硕士学位论文 4 道,也就意味着正电晕放电更容易击穿,负电晕可以工作在更高的电压下。因此, 以负电极作为电晕极的除尘器是市场上的主流。但是负电晕产生臭氧,所以在跟人 体有密切、频繁接触的场合必须使用正电极作为电晕极。 根据高斯定理,可以求出同轴圆柱形电极之间的电场 x E为半径方向,其值为: ln x U E R x r (1-1) 式中:U极间电压 r,R内部和外部电极的半径 x空间任一点到轴线的距离 工作时,将一个直流高电压加在电晕极和集尘极之间,从而使电晕极发生电晕 放电,在电晕极附近形成一个电晕区,生成大量自由电子和正离子的,如图 1-2 所 示。 供电装 置 电晕极 电晕区 电子 离子 粒子 集尘极 图 1-2 静电除尘器工作原理 气体分子由于自由电子的依附,会产生带负电的离子。在电场力的作用下,正 离子向电晕极运动,自由电子和负离子则向集尘极移动,进而充满整个空间。当工 业废气通过烟道时,气体中的气溶胶粒子与自由电子和负离子发生碰撞并带电,形 成带负电的粒子。 然后在电场力的作用下, 这些带上负电的粒子开始向集尘极移动, 当贴靠到集尘极时会放出所带电荷并沉积在集尘极上。同样,气溶胶粒子与电晕产 生的正离子碰撞也会带上正电,并在电场力的作用下吸附到电晕极,然后放电沉积 在电晕极上。但是由于正离子向电晕极运动的路径极短,只有少数的气溶胶粒子能 够与之发生碰撞, 所以最终沉积在电晕极上的粉尘颗粒并不多。 当沉积在集尘极 (或 者电晕极)上的粉尘达到一定的厚度之后,通过机械振打等方法将其清理掉,清理 华北电力大学硕士学位论文 5 掉的灰尘再从灰斗中排出。 总体来说,静电除尘器包括以下几个阶段:1.气体的电离;2 粉尘带电;3.带电 粒子在电场力的作用下移动;4.粉尘沉积;5.振打清灰。 静电放电程度 在静电除尘器中,电晕电流所受的影响主要来自于自由电子和负离子的运动。 而由于不同的气体具有不同的亲和力和迁移率,因此不同的放电程度对于不同的粉 尘有着不同的效果。放电强度由弱到强依次分为电晕放电、闪络放电和电弧放电 三个阶段5。 电晕放电:在自然界的环境下,由于环境中的放射性、紫外线等因素的作 用,空气中通常会存在一些被电离的分子和自由电子。给空气施加电压,在电 场强度达到气体电离的临界值时,空气中的自由电子足以从气体原子或分子上 撞出一个电子,这时导线周围的小部分空气开始发生电离,出现气体的非自持 放电。随着电压升高,气体电离加剧,会发出淡蓝色的辉光和咝咝声响,由非 自持放电转变为自持放电。这种特定形式的气体放电就是电晕放电。电晕放电 时间较短,不会出现电压大幅下降以及电流明显上升的情况。该状态有助于气 体的电离和粉尘荷电,但无损于电极,是静电除尘的前提状态。 闪络放电:在电晕放电产生后,如果电压升高到某一值(不恒定) ,则会出 现电压突然降低、电流升高,并伴有明亮的闪光的现象,这就是闪络放电阶段。 如果闪络频繁、集中的出现在某一部分,就有可能对极板造成局部损坏。 电弧放电:在闪络放电产生后,若电压继续升高,则极板就会完全被击穿, 产生放电通道,电源通过放电通道持续放电,这就是电弧放电阶段。这个阶段 通常会发出强光并伴有强烈的爆裂声。此时如果不能及时切断电源,就会烧坏 极板。 电气和控制特性对于电除尘器的性能影响 影响电除尘器性能的因素可以大致归纳为五个方面:粉尘特性、烟气性质、 结构因素、操作因素和电气与控制特性。粉尘特性包括粉尘的化学成分、粒径 分布、比电阻等因素。烟气性质包括烟气温度、压力、流速、含尘浓度等。结 构因素是指电晕线的几何形状等。操作因素则包括伏安特性、粉尘二次飞扬等。 而由于由供电电压、电压波形、控制特性以及控制方式等构成的电气条件很大 程度上决定了电除尘器的效率,这里主要介绍电气与控制特性。 电除尘器的除尘效率一般都是由多伊奇(Deutsch)公式计算: 1 A Q e (1-2) 华北电力大学硕士学位论文 6 式中:粉尘驱进速度 A集尘极的面积 Q为烟气流量 不难看出,在集尘极面积固定、烟气流量基本一致的条件下, 越大,电除尘 器的除尘效率越高。而根据驱进速度的计算公式: = 6 p qE (1-3) 式中:q饱和状态下气溶胶粒子所带电荷 Ep收尘电场场强 粒子半径 气溶胶粒子的粘度 单相半波整流单相全波整流 三相全波整流间歇供电 富能供电脉冲供电 图 1-3 常见供电波形 可以看出,在粒子半径 、以及粒子的粘度 基本稳定,饱和状态下气溶胶粒 子所带电荷 q 又取决于电晕电流大小的条件下,电场强度越大,粉尘的驱进速度越 快。因此,增大供电电压可以增加收尘电场强度 Ep,进而增加粒子的驱进速度,并 最终提高除尘效率。 除去电场强度对除尘效率的影响,供电波形也占了很大的比重。目前来说,国 内外电除尘器高压供电设备主要采用单相半波整流、 单相/三相全波整流、 间歇供电、 富能供电、脉冲供电等,不同设备的供电波形如图 1-3 所示。 华北电力大学硕士学位论文 7 对于低比电阻粉尘(5*1010cm)选择峰值电压 高平均电压低的波形,如:间歇供电等。 除去这些因素外,由于除尘器发生闪络时,相当于处于一个停机的状态,如果 反应太慢或处理时间过长,都会降低除尘器的工作效率。因而,对于闪络的控制也 很重要6。 1.3 常见除尘电源的简介 1.3.1 晶闸管供电电源 电除尘用晶闸管供电电源包括单相和三相晶闸管电源,如图 1-4,1-5 所示。 最常见的 ESP 供电电源为单相晶闸管供电电源,其采用变压器原边电压控制。 并通过 50/60Hz 的变压器升压得到 40100kV 的高压,然后经过高压整流装置最终 输出直流电压。变压器原边的电抗器起到除尘器发生闪络时限流的作用。除尘器的 电压纹波 U(U=Umax-Umin)由除尘器的电容和电晕电流决定。由于闪络通常发 生在除尘器峰值电压 Umax附近,而 Umax又受限于闪络电压,即 Umax12.54mF。考虑实际电 容的大小,可以选用 12 个 1100F 的电解电容使用。 通过 MATLAB 软件进行仿真,可以得到波形,如图 3-4 所示。 华北电力大学硕士学位论文 24 00.010.020.030.040.05 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 / t s /U V 图 3-4 并联电容后的直流电压和三相交流波形 3.3 主功率开关器件的选择 380V 三相交流电经三相全桥不控整流输出的母线电压为 530 5%V,考虑两倍 裕量选取额定电压 1200V 的 IGBT。高频变压器的变比 K=1/160,高压整流硅堆输 出的最大电流为 1A,因此变压器原边的最大电流 ir(max)=160A,如果电流也考虑两 倍裕量,则可以选择额定电流 320A 的 IGBT。综上所述,可以选取英飞凌公司生产 的型号 FF400R12KE3 的 IGBT,该 IGBT 内部自带一个反并联二极管,电压裕量 2 倍,电流裕量 2.5 倍。其主要电气参数如下: 击穿电压 VCES=1200V; 集电极电流 IC=400A(TC=80,TVj=150) 集电极重复尖峰电流 ICRM=800A(tp=1ms); 栅极射极门极驱动电压 VGES=20V; 集射极饱和压降 VCE sat=1.7V(IC=400A,VGE=15V,TVj=25) VCE sat=2.0V(IC=400A,VGE=15V,TVj=125); 3.4 高频变压器参数设计 由于该电源要求工作在 20kHz,因此对于变压器铁芯材料的高频损耗要求尽可 能的低。此外还要求铁芯的磁饱和密度高,并且对于温度变化所受的影响不大,因 华北电力大学硕士学位论文 25 此选择磁芯材料为 Mn-Zn 铁氧体。本文采用西安三联磁业科技有限公司生产的磁 芯,如图 3-5 所示。 图 3-5 铁芯尺寸 该铁芯的有效截面积: Ae=3.2*3.2+4*0.5*2.1*2.1+4*3.2*2.1=45.94cm246cm2 (3-10) 对于变压器变比的计算,需要按照最低输入电压选择,根据之前的仿真可得, 直流母线电压最低值约在 500V 左右。以 500V 作为变压器的最低输入电压,变压 器的最高输出电压为 80kV,因此变压器的变比为: min 0 max 1160 in U N U (3-10) 而变压器原边的匝数则可以通过公式(3-12)计算得到: minin p fsme U N K f B A (3-11) 式中:Np为变压器的原边匝数,Uin min为变压器的最低输入电压,Kf为波形细 数,fs为变压器的工作频率,Ae为铁芯的有效截面积,Bm为最大磁感应强度。取波 形系数 Kf值为 4,工作频率 fs为 20kHz,最大磁感应强度 Bm=0.3T,将铁芯的有效 截面积代入公式(3-11)计算可以得到 Np=5,副边绕组匝数为 800 匝,并将副边绕组 分成 8 个线包,每个线包 100 匝。 3.5 高压整流桥设计 高压整流装置采用全桥整流,由于工作在高频环境下,因此选取快速恢复二极 管。 华北电力大学硕士学位论文 26 使用全桥整流方式,二极管承受的最大反向电压为变压器二次电压的最大值, 即: UDr=Uin(max)/K=560*160=89600V (3-12) 由于变压的副边绕组采用了八个线包,因此每个线包上面的电压为 11200V。 因此选用誉尚电子科技有限公司生产的型号为 BY359X-1500 的快速恢复二极管模 块,其主要参数为:最大反向工作电压 VR=1300V,反向电流 Ir=10mA,正向压降 VF=1.3V,反向恢复时间 Trr=350ns。 将 10 个快速恢复二极管串联使用,则每个整流桥需要 40 个二极管,整流装置 则总共需要 320 个二极管。然后将 8 个整流桥的输出串联起来,最终可以得到所需 要的输出电压。 3.6 本章小结 本章在确定了高压高频静电除尘电源拓扑结构的基础上,对主电路元器件的参 数进行了计算和选型, 通过计算得到的数据选择合适的三相整流桥以及 IGBT 型号。 同时对高频变压器的磁芯材料进行了选择,计算了高频变压器原副边绕组的匝数。 高压整流桥选用快速恢复二极管,并对高压整流桥的工作方式进行了初步的设计。 华北电力大学硕士学位论文 27 第 4 章 高压高频静电除尘电源的控制 高频高压静电除尘电源的控制系统主要包括:闭环控制、闪络控制和保护。闪 络控制主要包括:闪络判断、闪络处理、最佳火花率的实现等。保护则包括软件和 硬件的保护,主要分为:过流保护、过压保护以及相应的故障报警等。 4.1 数字 PID 闭环控制 PID 控制算法是目前应用最为广泛、 最为成熟的一种控制技术, 是一种线性调 节器。PID 控制器是指比例、积分、微分控制器,其中包括比例环节、积分环节和 微分环节。根据给定值和实际值得到的误差,由误差的比例、积分、微分线性组合 得到控制量作用于被控对象。其控制原理框图如图 4-1 所示。 比例 积分 微分 被控对象 + - + + + r(t) u(t)y(t) 图 4-1 PID 控制原理框图 其中,比例控制中,控制器的输出按照比例系数反应系统的偏差,一旦系统出 现偏差,比例控制器立刻产生调节作用从而使偏差变小。积分控制中,控制器的输 出与系统偏差的积分成正比,系统偏差只要存在,积分调节就会起作用直至偏差消 失,最终积分调节停止时控制器输出一个固定值。通常积分控制不会单独使用,而 是与比例控制或者微分控制组合,构成 PI 调节器或者 PID 控制器。微分控制器的 输出则与系统偏差的微分成正比,通过预测偏差的变化趋势进而产生超前的控制作 用,从而来改善控制系统的暂态性能,当输入的系统偏差没有变化时,微分控制输 出为零。同样,微分控制也不能单独使用,需要与比例控制或者积分控制组合,构 成 PD 调节器或者 PID 控制器。 4.1.1 数字控制的优缺点 PID 控制算法已经在模拟控制逆变电源系统中得到了很好的应用。随着科学技 华北电力大学硕士学位论文 28 术的发展,各种微处理器芯片的工作速度、运算能力、集成度都有显著地提高,微 处理器芯片成本也大幅下降,通过微处理器用软件来实现对系统的控制成为了一种 可能。与模拟电路进行比较,数字化控制的优缺点如下。 数字控制的优点:1.可以实现一些模拟电路不能或不容易实现的既先进又复杂 的控制方法;2.可靠性得到了很大的提高;3.由于通过软件来实现控制算法,避免 了由于模拟器件参数的离散性引起的控制特性的不一致性;4.控制方法的修改成本 低、周期短;5.可以满足系统不断提高的智能化的要求。 数字控制的缺点:微处理器芯片的工作频率和运算能力限制了控制算法的运算 速度;而对于小功率电源模块来说,通用微处理器芯片的集成度还有待提高。但是 这些缺点都可以随着控制算法的改进、微处理器芯片技术的进步逐步得以解决。 4.1.2 闭环控制的实现 逆变电源分为开环控制系统和闭环控制系统,其中控制装置与被控对象之间只 有顺向作用没有反向作用的控制方式为开环控制,而控制装置与被控对象之间不仅 有顺向作用也有反向联系,即存在被控量对控制过程的影响的这种方式叫做闭环控 制。 开环控制系统的输出在电网电压和负载变化时,无稳定作用,控制效果较一般, 只用于小功率、波形质量要求不太高的场合。而对于波形要求较高的场合,一般都 采用闭环控制系统。 对于单相逆变电源的控制, 多为采用输出电压反馈的 PI 控制。 其控制框图如图 4-2 所示。采用输出电压反馈的单环控制,其原理是将输出电压的采样值经过反馈 比例系数的作用与给定值进行比较, 两者的偏差值输入到 PI 调节器中, 误差放大后 形成控制电压 Uref,然后再依此值为基准输入到移相控制模块,驱动移相全桥变换 器。 给定电压PI调节器移相控制 输出电压 反馈比例系数 + - 图 4-2 单环控制框图 为了进一步改善系统的性能,可以把输出电流引入控制系统,与输出电压一起 形成双闭环控制系统。其控制框图如图 4-3 所示,将输出电压的采样值经过反馈比 例系数的作用与给定值进行比较。 两者的误差值输入到 PI 调节器中得到一个值作为 电流基准值,与输出电流值进行比较,再将其误差输入到另一个 PI 调节器中,误差 放大后形成控制电压 Uref,然后再依此值输入到移相控制模块中驱动移相全桥变换 器。用外环电压误差的控制信号去控制电流,可以调节电流使输出电压跟踪参考电 华北电力大学硕士学位论文 29 压值,提高了系统的动态响应。而由于双闭环控制系统存在内环回路,因而具有很 多的特点。比如,可以减少内环对象的等效时间常数;可以提高系统的工作频率; 可以抑制进入内环回路的
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