應(yīng)用于污泥處理的等離子體動(dòng)態(tài)匹配電源的研究

胡晨 趙龍章 高升

關(guān)鍵詞： 污泥處理; 等離子體電源; 動(dòng)態(tài)匹配; 整流電路; Matlab仿真; 電路設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN86?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）02?0107?05

Research on plasma dynamic matching power supply applicable for sludge disposal

HU Chen， ZHAO Longzhang， GAO Sheng

（School of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 211800， China）

Abstract： With the constant deepening application of the plasma technology to the sludge disposal， the performance requirement of the plasma power supply is getting higher and higher. Therefore， the dynamic matching function of the plasma power supply in the sludge disposal device is emphatically researched in this paper. The three?phase uncontrollable rectifying circuit，IGBT full?bridge inverter circuit， DC?side Buck chopped wave power regulation and frequency auto?tracking algorithm strategy are adopted. The correctness of the system and the effectiveness of the dynamic matching algorithm are verified by simulating the power supply system using the Simulink.

Keywords： sludge disposal; plasma power supply; dynamic matching; rectifying circuit; Matlab simulation; circuit design

0 ?引 ?言

如今，通過(guò)等離子體技術(shù)處理污泥的方式越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注，已成為近幾年等離子體和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)[1]。等離子體系統(tǒng)包括：等離子體電源、等離子體反應(yīng)器，而等離子體電源作為等離子體系統(tǒng)的核心部件之一。由于傳統(tǒng)的等離子體處理污泥過(guò)程中，污泥的含水量和進(jìn)料速度等因素會(huì)對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)參數(shù)產(chǎn)生影響，使負(fù)載的諧振頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致等離子體電源的效率下降，等離子體密度不夠，從而影響到污泥處理的效果[2]。因此本文旨在研究一種能夠使用高效，穩(wěn)定工作的動(dòng)態(tài)匹配電源系統(tǒng)。

1 ?電源總體方案

本電源采用逆變型功率放大電路，根據(jù)電源系統(tǒng)指標(biāo)，確定電源的主電路結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由整流濾波電路、DC/DC電路、逆變電路、高頻變壓器、匹配電路、控制電路等部分組成。

電網(wǎng)中輸出380 V交流電，經(jīng)由整流橋后獲得脈動(dòng)直流電，濾波后得到穩(wěn)定的直流電，直流電壓可通過(guò)DC/DC電路的輸出電壓調(diào)節(jié)，再輸入逆變電路得到低壓交流電，通過(guò)變壓器隔離、升壓得到符合等離子體反應(yīng)器工作要求的交流電，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)流向等離子體反應(yīng)器供電來(lái)產(chǎn)生等離子體。同時(shí)，為了保證負(fù)載始終處于諧振狀態(tài)，利用DSP數(shù)字信號(hào)處理器，通過(guò)采集負(fù)載電壓、電流信號(hào)的幅值和相位，及時(shí)調(diào)節(jié)逆變電路的輸出頻率，使電源頻率跟隨等離子體反應(yīng)器頻率。

2 ?基于DSP的等離子體電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ?主電路硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)等離子體的產(chǎn)生機(jī)理，研究相關(guān)理論，并結(jié)合污泥處理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用要求，最終確定了電源的設(shè)計(jì)要求，主要有以下幾點(diǎn)：輸入電壓工頻380 V;最大輸出功率5 kW;頻率15～25 kHz可調(diào);輸出最大電壓3 kV。

等離子體污泥處理電源主電路由三相不可控整流電路、Buck型斬波電路、全橋逆變電路和變壓器構(gòu)成。三相交流電經(jīng)橋式不可控整流電路后變成脈動(dòng)的直流電壓，在濾波電容的作用下，直流電壓變得平滑，然后進(jìn)入Buck型斬波電路進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)功目的。斬波調(diào)節(jié)后的直流電經(jīng)過(guò)單相全橋逆變電路逆變成高頻交流電壓，此高頻交流電經(jīng)過(guò)隔直電容后送入高頻變壓器升壓隔離后帶動(dòng)負(fù)載，負(fù)載中的反應(yīng)器在高頻交流信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生等離子體。為了保護(hù)功率開(kāi)關(guān)管，在逆變電路中每個(gè)開(kāi)關(guān)管兩端都并聯(lián)了阻容吸收電路[3]。主電路圖如圖2所示。

2.2 ?控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以TI公司的TMS[320]LF[2812]為控制芯片，以DSP為核心的硬件電路，首先傳感器收集反應(yīng)系統(tǒng)兩端的電壓和電流信號(hào)，將采樣獲得的電壓、電流信號(hào)輸入到調(diào)理電路中，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)DSP處理，經(jīng)過(guò)芯片的內(nèi)部運(yùn)算，經(jīng)過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)后送給步進(jìn)電機(jī)和全橋逆變電路，實(shí)現(xiàn)匹配電感的可調(diào)和電源輸出頻率實(shí)時(shí)跟隨反應(yīng)器諧振頻率的功能。

2.2.1 ?DSP芯片電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用低壓降且雙電壓輸出的電壓穩(wěn)壓芯片TPS[767]D[318]，輸出兩路電壓，分別為[5] V/[3.3] V，[5] V/[1.8] V，供給I/O端口和內(nèi)核[4]。DSP電源電路如圖3所示。

在穩(wěn)壓芯片TPS[767]D[318]的輸入端并聯(lián)了兩個(gè)電容，濾除輸入電壓的干擾，其中10 μF的鉭電解電容濾除低頻干擾，0.1 μF的陶瓷電容濾除高頻干擾;芯片輸出端加入了LC濾波電路，減小了電源輸出的紋波。當(dāng)輸出電壓低于穩(wěn)壓芯片TPS[767]D[318]的門(mén)限電壓時(shí)，復(fù)位（RESET）引腳為低電平，進(jìn)入復(fù)位處理。

2.2.2 ?IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT驅(qū)動(dòng)電路位于主電路和控制電路之間，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP控制器的控制信號(hào)的隔離、放大，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)通與關(guān)斷[5?6]。其主要根據(jù)IGBT開(kāi)關(guān)管的型號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)，不同型號(hào)的IGBT開(kāi)關(guān)管，柵極的耐壓值也有所不同。IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

由圖4可知，本電源選用的是IR公司的IRFP460A。在Q1和Q3放大后，芯片的輸出脈沖為PWM信號(hào)，變壓器耦接到輔助側(cè)驅(qū)動(dòng)IGBT。限制驅(qū)動(dòng)峰值電流由R6來(lái)實(shí)現(xiàn)，保證CGS處在無(wú)電壓狀態(tài)是由R8來(lái)實(shí)現(xiàn)，R8主要是參與靜態(tài)放電，以防止IGBT長(zhǎng)期處于導(dǎo)通狀態(tài)。

2.2.3 ?采樣電路設(shè)計(jì)

TMS[320]LF[2812]芯片內(nèi)A/D采樣輸入的電壓范圍為0～3 V，通過(guò)模擬采樣電路，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)變成DSP需要的信號(hào)，避免過(guò)高或過(guò)低的信號(hào)進(jìn)入DSP芯片，損毀芯片[7]。由于等離子體電源電壓為3 kV，采用溫度系數(shù)比較低，耐壓值高的精密電阻，按1∶10的比例將電壓控制在300 V以下，電壓信號(hào)由霍爾電壓傳感器采樣轉(zhuǎn)換為[0～20] mA電流信號(hào)，再由[IV]轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成[0～3] V模擬電壓，電壓信號(hào)采樣電路如圖5所示。

2.3 ?DSP數(shù)字化控制器軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 ?控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

等離子體污泥處理裝置的電源控制系統(tǒng)主程序第一步是系統(tǒng)初始化，然后判斷讀取的參數(shù)是否有效，當(dāng)讀到數(shù)據(jù)有效時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法子程序，預(yù)測(cè)可控電感的值，輸出環(huán)形脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)。再調(diào)用搜索最大電流頻率跟蹤程序，通過(guò)控制芯片輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)時(shí)得到PWM波的占空比來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變電路[8]。圖6給出等離子污泥處理裝置的電源控制系統(tǒng)主程序流程圖。

2.3.2 ?A/D采樣程序設(shè)計(jì)

A/D采樣是為電源系統(tǒng)提供各種反饋量的程序，并且這些反饋量是DSP[2812]可以直接進(jìn)行計(jì)算、處理、使用的數(shù)字量，用它將電壓電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化之后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送到寄存器中存儲(chǔ)[9]。其工作過(guò)程為：由定時(shí)器發(fā)出中斷信號(hào)，A/D采樣程序開(kāi)始工作，先將采集的量經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)存到結(jié)果寄存器當(dāng)中，再將結(jié)果從結(jié)果寄存器中讀出，然后計(jì)算采樣的平均值并存儲(chǔ)，最后調(diào)用控制子系統(tǒng)，輸出電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。A/D采樣主程序如圖7所示。

2.3.3 ?PWM生成程序設(shè)計(jì)

在主程序調(diào)用PWM生成子程序后，初始化全局變量，DSP芯片中A/D模塊將采集的電壓電流值與寄存器中給定值比較，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，給各寄存器賦值，系統(tǒng)產(chǎn)生PWM波。PWM波生成和輸出子程序流程如圖8所示。

3 ?仿真結(jié)果與分析

3.1 ?等離子體污泥處理電源系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)前文設(shè)計(jì)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，利用Matlab/Simulink中的電氣系統(tǒng)庫(kù)，選取合適的元件搭建等離子體污泥處理電源系統(tǒng)[10?11]，對(duì)電源的性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真模型如圖9所示。

3.2 ?仿真分析

本節(jié)研究等離子體電源的輸出頻率與匹配電感量對(duì)等離子體反應(yīng)器諧振特性的影響。電源的輸入為工頻380 V的電壓，經(jīng)過(guò)整流濾波電路得到幅值約為500 V的直流電壓，由于在仿真中省去了整流模塊，直接采用500 V直流電作為輸入電壓。設(shè)定等效電路參數(shù)[Cm=45 nF]，[Lm=1.5 mH]，[Rm=250 ?Ω]，[C0=33 nF]，此時(shí)等離子體反應(yīng)器的串聯(lián)諧振頻率為20 kHz?？梢杂?jì)算得到匹配電感L=1.03 mH 。

匹配電感合適且電源頻率與負(fù)載頻率相同時(shí)的電壓電流波形如圖10所示。

從圖10中可以看出，等離子體反應(yīng)器兩端電壓為方波，電流非常接近正弦電流，電壓電流波形同相位，等離子體反應(yīng)器工作在諧振狀態(tài)。電壓波形幅值約為400 V，在開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻有一定的尖峰電壓，但其值遠(yuǎn)小于IGBT管的耐壓值，能夠安全穩(wěn)定的工作。電流波形的幅值約為5 A，周期為0.000 05 s與串聯(lián)諧振頻率20 kHz一致。

圖11為匹配電感量減小后，通過(guò)改變電源的工作頻率使等離子體恢復(fù)諧振時(shí)的電壓電流波形。從圖可以看出，當(dāng)匹配電感量偏移后，反應(yīng)系統(tǒng)諧振時(shí)的負(fù)載電流小，其幅值只有3 A，且諧振頻率增大，為21.3 kHz。通過(guò)仿真波形再次表明，在進(jìn)行頻率自動(dòng)跟蹤之前應(yīng)先將匹配電感量調(diào)到合適的位置。

圖12為匹配電感量合適但電源的輸出頻率大于等離子體反應(yīng)器的串聯(lián)諧振頻率時(shí)負(fù)載的電壓電流波形。此時(shí)負(fù)載呈感性，這與圖中電壓波形相位超前電流波形相一致。圖12中電流幅值只有2 A，說(shuō)明等離子體電源的工作頻率偏離時(shí)，等離子體反應(yīng)器的等效阻抗變大，負(fù)載電流變小。這也說(shuō)明搜索最大電流進(jìn)行頻率跟蹤的方法是有效的。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究了污泥處理裝置中的等離子體電源的動(dòng)態(tài)匹配功能。通過(guò)Simulink對(duì)等離子體污泥處理電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了電源系統(tǒng)的正確性、高效性和穩(wěn)定性以及本文采取的動(dòng)態(tài)匹配算法的有效性。

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