摘要：文中在對交流調壓電路和不可控整流電路做出理論分析的基礎上，給出了單相、三相靜電除塵電源系統(tǒng)的數學模型，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工具箱進行仿真，用實際試驗驗證了仿真效果，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。
關鍵詞：單相／三相交流調壓電路；單相／三相不可控整流電路；建模；仿真
近年來，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，越來越受到人們的重視。目前，在安全可靠運行的前提下如何提高除塵效率是靜電除塵器的研究熱點。高壓供電電源是靜電除塵器的核心部分，其供電方式、運行方式及其控制方式的不同，對靜電除塵器的除塵效率和運行穩(wěn)定性具有重要的影響。
MATLAB軟件以矩陣運算為基礎，把計算可視化程序設計融合到一個交互的工作環(huán)境中，可實現(xiàn)工程計算、算法研究、建模與仿真等功能。 Power System是MATLAB軟件中種針對電力系統(tǒng)的可視化建模與仿真的工具。Power System和Simulink同時使用將使一些復雜的、非線性的電力系統(tǒng)建模與仿真變得簡捷。通過控制搭建成的除塵器電源系統(tǒng)的參數，可輕松實現(xiàn)對輸出電壓、電流的控制。對除塵器電源系統(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，維持一個足以使氣體電離的靜電場，當粉塵顆粒進入靜電場后與氣體電離產生的電子、陰離子、陽離子結合，帶了電后的塵粒在電場作用下，向極性相反的電極運動，并在幾秒鐘內到達而沉積在電極上，以達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構簡單、容量大、投資少(原理圖見圖1)，是目前國內外普遍采用的傳統(tǒng)靜電除塵供電方式。交流調壓電路通過兩個反向并聯(lián)的可控硅，控制高壓變壓器的一側電壓。硅整流變壓器將電壓升壓整流為負高壓作用于電除塵器的正負極。
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，本實驗最大直流電壓為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，當觸發(fā)角α=0°時，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(變壓器二次側電壓有效值)的關系為：Ud=0．9U2，當加至放電極與收塵極間平均電壓Ud=72kV時，則u2=80kV所以加至兩極間的最高峰值電壓為Vp=1．414U2=113kV。據此可以算出變壓器變比為：1：298，設置晶閘管參數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間控制交流電壓輸出波彤，進而控制整流側輸出電壓。[!--empirenews.page--]
單相調壓控制角的移相范圍是0°～180°，當控制角α=0°、60°、時整流器直流側輸出電壓電流波形如圖3、4所示，仿真輸出與數學模型計算值一致驗證了仿真系統(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，當觸發(fā)角α=0°時，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(變壓器二次側電壓有效值)的關系為：Ud=2．34U2，當加至放電極與收塵極間平均電壓Ud=72kV時，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。據此可以算出變壓器變比為：1：198，設置三對反并聯(lián)的晶閘管參數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稱并有一定的調節(jié)范圍，晶閘管的觸發(fā)信號與相應的交流電源相序一致，三相的觸發(fā)脈沖應依次相差120°，同一相的兩個反并聯(lián)的晶閘管觸發(fā)脈沖應相差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行調壓控制。[!--empirenews.page--]
三相調壓控制角的移相范圍是0°～150°，當控制角α=0°、60°、時整流器直流側輸出電壓電流波形如圖6、7所示，仿真輸出與數學模型計算值一致從而驗證了仿真系統(tǒng)的正確性。
3 實驗
3．1 實驗條件
本實驗借助基于dsPIC30F6014A高壓靜電除塵控制系統(tǒng)對MATLAB三相電源仿真波形進行驗證性實驗。實驗主電路為天煌教儀電力電子實驗平臺，實驗還涉及同步過零信號捕捉電路設計、脈沖發(fā)生器設計等。
根據晶閘管導通條件的要求，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，否則晶閘管將無法正常導通，準確的對系統(tǒng)頻率進行測量是實現(xiàn)跟蹤采樣、脈沖形成、產生限制保護從而使晶閘管正常觸發(fā)的基礎。原理圖如圖8。
為了保證晶閘管的可靠工作，要求觸發(fā)脈沖有很高實時性和很強的驅動能力，本實驗采用寬脈沖方式觸發(fā)。觸發(fā)脈沖是由DSC的輸出比較模塊產生，移相和脈沖形成都由軟件來實現(xiàn)，經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器作為計時標準，計算得到定時器的計數脈沖個數，當捕獲到同步電壓的上升沿時，啟動定時器，當達到計數脈沖個數時，產生觸發(fā)脈沖。
3．2 實驗數據
搭建好實驗平臺后我們對控制板能否完成需要的功能進行實驗，主要包括是否能產生觸發(fā)脈沖，一、二次側電壓是否滿足數學模型要求等圖9為主控界面，圖10為參數設置界面。
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在參數設定界面將二次電壓設定為72kV探尋時間為5個周期開始試驗，用示波器測得的晶閘管調壓后的一次測電壓曲線為圖11所示，由于實驗條件限制，存測量二次側電壓時我們首先使用了降壓變壓對電壓進行了降低，再用小型整流器進行整流得出整流后曲線如圖12所示。
4 結束語
從仿真波形上可以看出輸出相同直流電壓值，單相電源是半個正弦波波動，三相電源是六個波頭波動，很顯然單相電源波動幅度比三相電源波動幅度要大，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，除塵器本體不能長時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；單相電源調壓電路中主要含有3次和3的整數倍次諧波，可使電網中線電流劇增造成電網的不平衡和電路功率因數的下降，三相星形調壓電路中因為不含有中線且三相的3次和3的整數倍次諧波是同相位的不能在各相之間流動，因此，三相星形調壓電路中沒有此類諧波，對電網影響很小。從實際實驗波形可以看出與三相仿真二次側輸出波肜一致，說明了利用MATLAB對除塵器電源系統(tǒng)進行仿真能真實的反應現(xiàn)場工況，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。
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