靜電除塵用大功率高壓電源相位跟蹤的研究

摘要：介紹了傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電源的工作原理，分析了其相位跟蹤技術(shù)的缺點(diǎn)，給出了影響其相位跟蹤的幾個(gè)因素。根據(jù)逆變器偏離諧振點(diǎn)時(shí)續(xù)流二極管存在續(xù)流，對(duì)傳統(tǒng)的相位跟蹤技術(shù)提出了改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)后的相位跟蹤技術(shù)效果明顯，保證了逆變器工作在諧振點(diǎn)附近，提高了靜電除塵用大功率高壓電源的可靠性。
關(guān)鍵詞：相位跟蹤；串聯(lián)諧振；相位補(bǔ)償

0 引言
    為了減少大型工廠煙囪煙塵的排放，我們研制了大功率高壓電源對(duì)工廠煙囪進(jìn)行靜電除塵。傳統(tǒng)的高壓電源有兩種制作方法。
    1)直接對(duì)市電升壓，然后整流、濾波，這樣制作的高壓電源效率低，占地面積大，成本高。
    2)采用AC／DC／AC／DC變換，利用改變頻率的方法來改變電源的功率。這種方法解決了電源小型化的問題，降低了成本，但由于用于靜電除塵的兩個(gè)電極板隨著煙塵吸附的多少而改變了電容介質(zhì)，因而改變了負(fù)載的諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點(diǎn)附近的輸出功率最大，當(dāng)改變逆變器工作頻率時(shí)，負(fù)載等效阻抗發(fā)生變化，輸出功率減小，而且逆變器主開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，效率低。

    為了提高效率，減少開關(guān)損耗，所研制的高壓逆變電源采用串聯(lián)諧振式全橋DC／AC逆變電路，以IGBT為主開關(guān)器件，用新型的頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，使逆變器始終工作于諧振狀態(tài)，而且IGBT能始終工作在軟開關(guān)狀態(tài)，整機(jī)工作效率較高。串聯(lián)諧振變換器是一種在理論和實(shí)際E都比較成熟的電路。但在實(shí)際研制過程中，仍有一些技術(shù)問題需要解決，本文對(duì)傳統(tǒng)的相位跟蹤技術(shù)做了進(jìn)一步改進(jìn)。

1 一般相位跟蹤技術(shù)及其存在的問題
1．1 相位跟蹤串聯(lián)諧振逆變器的控制原理
    靜電除塵用大功率高壓電源采用AC／DC／AC／DC的變換，逆變器采用單相橋式串聯(lián)諧振逆變電路，其工作原理如圖1所示。通過霍爾電流傳感器對(duì)橋臂電流io進(jìn)行采樣，經(jīng)過零比較器產(chǎn)生方波信號(hào)，使其與負(fù)載電壓相位一致，并把其信號(hào)送至CD4046鑒相器，與控制信號(hào)進(jìn)行相位比較，鎖相環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)使其相位差為零，從而實(shí)現(xiàn)無相差的頻率跟蹤。根據(jù)實(shí)際負(fù)載回路的參數(shù)確定鎖相環(huán)中的元件值，使負(fù)載回路頻率的變化在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)，就可以使鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)相位自動(dòng)跟蹤，負(fù)載電壓與電流的相位差幾乎為零。使逆變器的功率因數(shù)接近于1。

    逆變器采用IGBT作為主電路開關(guān)，圖1中S1~S4為IGBT開關(guān)器件，D1~D4為快恢復(fù)二極管，L為總的等效電感，C為總的等效電容，LC為串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，S1～S4承受的電壓為方波，電流為正弦波。如果S1～S4驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率與LC串聯(lián)諧振頻率一致，則負(fù)載呈阻型，逆變器橋臂電壓u。與橋臂電流Io的相位差為零，S1～S4在電流為零時(shí)開通關(guān)斷(ZCS)。

    串聯(lián)諧振的諧振頻率fo可由式(1)求出，品質(zhì)因數(shù)由式(2)確定，變壓器的諧振電壓由式(3)確定。

   

   
l.2 傳統(tǒng)的相位補(bǔ)償及存在的問題
    在實(shí)際電路中，電流采樣、過零比較器比較、鎖相跟蹤、隔離驅(qū)動(dòng)和IGBT的開關(guān)都需要時(shí)間，這將引起負(fù)載電壓滯后于負(fù)載電流，使得逆變器工作在容性負(fù)載狀態(tài)。因此，在實(shí)際控制電路中，必須解決相位補(bǔ)償問題。傳統(tǒng)解決相位補(bǔ)償?shù)姆椒ň褪抢肅D4046鎖相環(huán)的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)比較器的比較電壓，可以實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。如圖2所示，在比較器的正向輸入端加一偏置電壓Up,使比較器上升沿提前了時(shí)間△t，調(diào)整Rp可以改變偏置電壓Up和提前時(shí)間△t，鎖相環(huán)所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)作為圖1中S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，反向后作為S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)相對(duì)電流而言，提前了時(shí)間△t，而△t正是相位補(bǔ)償時(shí)間。調(diào)節(jié)Rp可以使逆變器工作在諧振狀態(tài)。但裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中，△t是會(huì)發(fā)生變化的。下面分析發(fā)生變化的幾種主要因素。

1．2.1 IGBT開關(guān)器件換流時(shí)間
    靜電除塵用高壓電源在工作過程中負(fù)載不斷變化，輸出功率也發(fā)生變化，這都將導(dǎo)致負(fù)載電壓電流的變化，負(fù)載電壓電流的變化都對(duì)IGBT開關(guān)器件換流時(shí)間有影響。

    當(dāng)負(fù)載電流不變時(shí)，u越高換流時(shí)間越短；當(dāng)負(fù)載電壓不變時(shí)，負(fù)載電流越大，換流時(shí)間越長(zhǎng)。

1．2．2 工作頻率
    靜電除塵用高壓電源的工作頻率會(huì)跟蹤負(fù)載諧振頻率，而且負(fù)載諧振頻率變化還比較大。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，在其它條件不變的情況下，頻率為73 kHz時(shí)，電流信號(hào)滯后于控制信號(hào)時(shí)間△t=2．14μs，頻率為50 Hz時(shí)，電流信號(hào)滯后于控制信號(hào)時(shí)間△t=2．25μs。由此可見，頻率越高，△t越小，頻率越低，△t越大。

l.2.3 電流取樣信號(hào)的幅度
    由于io在諧振點(diǎn)附近是正弦波，它存在過零比較延時(shí)，而且延時(shí)時(shí)間T2或者延時(shí)角度θ2除了與器件本身的延時(shí)有關(guān)外，還與檢測(cè)的電流幅度有關(guān)。假設(shè)比較器的過零比較誤差電壓△U1>0，則延時(shí)相位為

   
    式中：KIo為電流霍爾傳感器檢測(cè)輸出電壓峰值。
經(jīng)實(shí)際測(cè)量，在其它條件不變的情況下，當(dāng)KIo=3 V時(shí)，滯后時(shí)間△t=2μs，當(dāng)KI=O.5V時(shí)，滯后時(shí)間△t=2．26μs，滯后時(shí)間與橋臂電流取樣信號(hào)的幅度成反比。

2 相位跟蹤技術(shù)的改進(jìn)
    為了保證逆變器工作在諧振狀態(tài)，必須分析逆變器偏離諧振點(diǎn)的特征。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)逆變器工作在感性狀態(tài)或容性狀態(tài)時(shí)，并聯(lián)在IGBT集電極和發(fā)射極的二極管存在續(xù)流，只要在D2上方加一個(gè)霍爾電流傳感器(如圖3所示)，并根據(jù)其輸出電壓是靠近s，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降沿還是上升沿，就可判斷逆變器是工作在感性狀態(tài)還是容性狀態(tài)。如圖4所示，當(dāng)二極管續(xù)流區(qū)靠近S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿且驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，逆變器工作在感性狀態(tài)；當(dāng)二極管續(xù)流區(qū)靠近S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降沿且驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，逆變器工作在容性狀態(tài)；當(dāng)二極管沒有續(xù)流時(shí)，逆變器工作在諧振狀態(tài)。為了判斷逆變器的工作狀態(tài)，可以取出一個(gè)s，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的二倍頻信號(hào)f2(這個(gè)二倍頻信號(hào)很容易由鎖相環(huán)二倍頻實(shí)現(xiàn))，由圖4可以看出，當(dāng)f2和S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)都為高電平時(shí)，二極管D2存在續(xù)流，則逆變器工作在感性狀態(tài)，當(dāng)f2為低電平，S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，二極管D2存在續(xù)流，則逆變器工作在容性狀態(tài)。

    改進(jìn)的相位跟蹤技術(shù)是基于原有PLL鎖相環(huán)相位跟蹤技術(shù)，并加入榆測(cè)控制電路。通過檢測(cè)判斷逆變器工作在什么狀態(tài)，并通過PI調(diào)節(jié)，使其工作在諧振狀態(tài)。當(dāng)判斷出逆變器工作在容性狀態(tài)時(shí)，降低比較器的比較電壓，增大相位補(bǔ)償時(shí)間；當(dāng)判斷出逆變器工作在感性狀態(tài)時(shí)提高比較器的比較電壓，減小相位補(bǔ)償時(shí)間，這樣反復(fù)調(diào)節(jié)，只要橋臂電流滯后于控制信號(hào)的時(shí)間不超過控制信號(hào)周期的1／4(一般不會(huì)超過)，就可以保證逆變器始終工作在諧振點(diǎn)附近。其原理框圖如圖5所示．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    根據(jù)以上分析，我們利用傳統(tǒng)相位跟蹤技術(shù)和改進(jìn)后的相位跟蹤技術(shù)各研制了一臺(tái)樣機(jī)，并測(cè)出橋臂的電壓電流波形，如圖6所示。圖中方波為橋臂取樣電壓，正弦波為橋臂取樣電流。由圖6可知兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤，但傳統(tǒng)方法經(jīng)常偏離諧振點(diǎn)工作。而改進(jìn)后的相位跟蹤技術(shù)則能保證逆變器工作在諧振點(diǎn)附近。

4 結(jié)語
    實(shí)驗(yàn)證明，利用PLL相位跟蹤技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤，且具有電路簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的相位跟蹤技術(shù)受到lGBT開關(guān)換流時(shí)間，電源工作頻率和橋臂電流取樣信號(hào)幅度可變的影響。改進(jìn)后的相位跟蹤技術(shù)能夠克服這些因素的影響，保證逆變器工作在諧振點(diǎn)附近，提高了靜電除塵用高壓電源的可靠性。