周兵　趙龍章　竇迅　沈美杰　周崇明

摘 要： 近期PM2.5細(xì)顆粒霧霾造成了嚴(yán)峻的大氣環(huán)境污染，引起了社會(huì)廣泛的關(guān)注。針對(duì)此問(wèn)題，研究一種新型高頻高壓等離子體電源去除霧霾裝置，通過(guò)打斷有害物質(zhì)化學(xué)鍵的方式，從根本上起到凈化空氣的作用。對(duì)等離子電源負(fù)載端的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，基于DSP的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載頻率的有效跟蹤，使電源工作于功率因數(shù)約為1的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，從而大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性能。

關(guān)鍵詞： 等離子體； 高頻高壓電源； 頻率跟蹤控制； 鎖相環(huán)路

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）04?0156?03

Abstract： The air environmental pollution caused by PM2.5 fine particle haze has aroused extensive attention of society. To solve this problem， a new haze removing device with high?frequency and high?voltage plasma power supply is studied， in which the air is fundamentally cleaned by means of interrupting the chemical bond of harmful substances. The stability at load?side of the plasma power supply is studied. The design of phase?locked loop （PLL） based on DSP can realize the effective tracking of load frequency， which makes the power supply work at quasi?resonant state， whose power factor is about 1. The dynamic performance and stable performance of the system can be greatly improved.

Keywords： plasma； high?frequency and high?voltage power supply； frequency tracking control； phase?locked loop

0 引 言

近期細(xì)顆粒PM2.5造成了嚴(yán)峻的大氣環(huán)境污染，影響著人們的正常生活和工作[1]。PM2.5顆粒直徑小，活性吸附強(qiáng)，面積較大，很容易攜帶有害物質(zhì)和有毒物質(zhì)，而且這些有毒有害物質(zhì)在大氣中傳播距離遠(yuǎn)、停留時(shí)間長(zhǎng)。由于這些細(xì)顆粒物的直徑越小，則進(jìn)入人體呼吸道的部位越深。直徑10 μm的顆粒物一般附在氣管的上呼吸道，而直徑2 μm以下細(xì)顆粒物則可以深入到細(xì)支氣管和肺泡，然而這些細(xì)顆粒物進(jìn)入人體肺泡后，將直接影響人體肺的通氣功能，使身體更容易處在缺氧狀態(tài)[2]。同時(shí)氮和硫的氧化物還可以轉(zhuǎn)化成PM2.5，然而這些氣體污染物主要是燃燒垃圾和燃燒化石造成的，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大[3]。因此，首先迫切需要尋找一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、高效、環(huán)保的無(wú)害化處理，真正地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的空氣凈化。近年來(lái)利用低溫等離子體進(jìn)行凈化空氣的技術(shù)獲得越來(lái)越廣泛的重視，已成為等離子體和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[4]。

等離子空氣凈化裝置主要由整機(jī)結(jié)構(gòu)、風(fēng)道及氣流控制、等離子系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。而具有高頻高壓的等離子特種電源是空氣凈化裝置系統(tǒng)中最核心內(nèi)容之一。這里重點(diǎn)介紹了一種新型等離子體特種電源，實(shí)現(xiàn)了可靠的保護(hù)性能和穩(wěn)定的控制性能。本等離子特種電源具有效率高、體積小和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5?6]。

1 電源主電路設(shè)計(jì)

等離子空氣凈化裝置電源是一種滿足低溫等離子體凈化空氣的特殊要求和相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)的軟開(kāi)關(guān)電源。等離子特種電源系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)主要由控制電路、功率電路和輔助電路等組成。等離子特種電源系統(tǒng)的硬件基本組成電路如圖1所示。

電路工作原理：電源接入三相交流電，經(jīng)過(guò)整流模塊濾波之后將得到直流電壓，然后通過(guò)全橋逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)變成高頻交流電壓，高頻電壓經(jīng)過(guò)LCC串并聯(lián)諧振模塊，使電路增強(qiáng)抗短路的能力，以此來(lái)降低輕載時(shí)電路諧振電流的峰值，在通過(guò)輸出整流濾波電路，將高頻交流電壓整流濾波后得到高品質(zhì)直流電壓，最后經(jīng)過(guò)等離子反應(yīng)器。采樣信號(hào)通過(guò)采樣電路及直流電壓電流采樣調(diào)整電路輸入給DSP控制器，從而形成負(fù)反饋[7]。

2 電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

等離子體空氣凈化處理過(guò)程中氣體種類、進(jìn)氣速度等因素與等離子弧中等離子體能量密度相關(guān)，為達(dá)到較好的空氣凈化效果，電源負(fù)載的變化要求產(chǎn)生的等離子的能量密度在一定的范圍內(nèi)是可以調(diào)節(jié)的，顯然地，這種調(diào)節(jié)在量上反映為等離子空氣凈化處置電源的功率可調(diào)。同時(shí)，在空氣凈化處置過(guò)程中，還應(yīng)考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，結(jié)合以上所述因素（氣體種類、進(jìn)氣速度），負(fù)載的諧振頻率將會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致等離子特種電源性能的不穩(wěn)定。如果在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下電路工作，這樣隨著電源負(fù)載的變化，使電路工作頻率偏離工作點(diǎn)，等離子特種電源難以達(dá)到穩(wěn)定的要求。故而本文采用閉環(huán)控制，會(huì)對(duì)電源負(fù)載頻率進(jìn)行有效跟蹤，使等離子特種電源電路工作在諧振狀態(tài)。

2.1 電源逆變電路方案研究

在逆變電源技術(shù)中，逆變器及其控制是其核心。逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是研究逆變器及其控制的第一步。由于等離子負(fù)載特性比較特殊，需選擇與之匹配的逆變方案進(jìn)行研究和分析。等離子空氣凈化裝置電源是根據(jù)氣體處理系統(tǒng)的特殊性將技術(shù)指標(biāo)定為：輸出電壓為15～75 kV可調(diào)；工作頻率為10～35 kHz可調(diào)；功率為10～50 kW。由于等離子電源有高頻高壓的特性，高電壓、小電流是串聯(lián)諧振變換器固有特性，而低電壓、大電流是并聯(lián)諧振變換器的一大特點(diǎn)。所以在串聯(lián)諧振支路中添加并聯(lián)諧振元件或者在并聯(lián)諧振支路中添加串聯(lián)諧振元件組成含兩個(gè)以上諧振元件的串并聯(lián)諧振變換器。

LCC串并聯(lián)諧振變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)與單一的串聯(lián)諧振電路相比，串并聯(lián)諧振電路在原有電路基礎(chǔ)上多了一個(gè)并聯(lián)電容[Cp]，[Cp]為變壓器寄生電容折算到原邊側(cè)的并聯(lián)諧振電容，而圖2中[Lr]為變壓器漏感與諧振電感折算到原邊側(cè)的電感；[Cr]為外加串聯(lián)諧振電容。

根據(jù)并聯(lián)諧振電容[Cp]上的初始電壓是否被變壓器二次側(cè)輸出電壓箝位，電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)將存在兩種諧振狀態(tài)，即LC與LCC兩種諧振狀態(tài)。根據(jù)[SW1/SW4]（或者[SW2/SW3]）導(dǎo)通瞬間，判斷并聯(lián)諧振電容[Cp]上的電壓是否被變壓器二次側(cè)輸出電壓[-Vo]箝位，在諧振電流不連續(xù)情況下電路的工作模式分為DCM?1和DCM?2兩種。通過(guò)與串聯(lián)諧振電路的比較，由于存在著并聯(lián)諧振電容，這樣使得串并聯(lián)諧振電路的諧振過(guò)程和諧振參數(shù)、輸入電壓和輸出電壓之間有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。并聯(lián)諧振電容對(duì)于串并聯(lián)諧振電路中的電氣特性，并聯(lián)諧振電容有著十分重要的影響。

2.2 電源的負(fù)載頻率跟蹤控制研究

等離子體空氣凈化裝置電源如工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，跟蹤負(fù)載頻率是很有好處的，下面給予分析：

本文中等離子體空氣凈化裝置電源采用介質(zhì)阻擋放電（DBD）形式，DBD一般都是電容耦合型的放電形式，其反應(yīng)器可等效為一個(gè)非線性電阻和電容的并聯(lián)。作為放電激勵(lì)的等離子體電源含有升壓變壓器，因此等離子體電源與反應(yīng)器構(gòu)成了一個(gè)含有電感、電阻和電容的網(wǎng)絡(luò)，在一定的電源頻率下必然發(fā)生諧振。介質(zhì)阻擋放電是由很多流光放電所聚集形成的，根據(jù)不同的氣體種類，這些流光放電可持續(xù)幾納秒至幾百納秒不等，如果當(dāng)DBD系統(tǒng)不發(fā)生諧振振蕩時(shí)，DBD反應(yīng)器中流光放電的數(shù)量會(huì)隨著激勵(lì)頻率的提高而增加，媒質(zhì)氣體的電離程度會(huì)隨著激勵(lì)頻率的增加而增強(qiáng)。而如果在應(yīng)用頻率范圍內(nèi)，DBD系統(tǒng)存在某一諧振頻率，在相同激勵(lì)電壓條件下，在諧振頻率之后DBD中媒質(zhì)氣體的電離程度將不會(huì)隨激勵(lì)頻率的增加而增大，反而會(huì)出現(xiàn)相反的結(jié)果，這是因?yàn)樵诩?lì)頻率遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)時(shí)，DBD上獲得的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于諧振時(shí)的電壓，所以說(shuō)DBD系統(tǒng)的諧振對(duì)高于諧振頻率時(shí)反應(yīng)器放電性能的影響是不利的，因此，必須設(shè)法提高DBD系統(tǒng)的固有諧振頻率。

等離子空氣凈化過(guò)程中由于進(jìn)氣速度、氣體種類及電網(wǎng)電壓波動(dòng)等諸多因素都會(huì)嚴(yán)重影響等離子弧的不穩(wěn)定性，進(jìn)而會(huì)使等離子特種電源負(fù)載頻率會(huì)發(fā)生變化。等離子特種電源在介質(zhì)阻擋放電過(guò)程中，如果在開(kāi)環(huán)狀態(tài)工作下的電路，隨著等離子電源負(fù)載的變化，電路工作頻率會(huì)偏離工作點(diǎn)，輸出功率與要求不符合。而對(duì)等離子體電源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性要求很高，所以本凈化裝置采用閉環(huán)控制，對(duì)等離子特種電源負(fù)載進(jìn)行頻率跟蹤，使電源電路一直工作在諧振狀態(tài)，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)等離子負(fù)載頻率的動(dòng)態(tài)跟蹤，這里介紹了鎖相環(huán)跟蹤控制技術(shù)[9]。

鎖相就是相位同步的自動(dòng)控制，而鎖相環(huán)的意義是能夠完成相位同步的兩個(gè)電信號(hào)自動(dòng)控制的閉環(huán)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱PLL。其原理圖如圖3所示。鎖相環(huán)是由鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器組成的閉環(huán)電路。鑒相器用來(lái)鑒別輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位差，同時(shí)輸出誤差電壓，低通濾波器會(huì)把誤差電壓中的干擾成分濾除，同時(shí)形成壓控振蕩器的控制電壓。壓控振蕩器是把輸出振蕩頻率拉向環(huán)路輸入信號(hào)頻率，如果當(dāng)兩者頻率信號(hào)相等時(shí)，將鎖定電路環(huán)路，稱為入鎖。

傳統(tǒng)鎖相電路是以集成鎖相環(huán)為核心的模擬電路，主要對(duì)負(fù)載的電流進(jìn)行頻率動(dòng)態(tài)跟蹤，有頻率跟蹤范圍較窄、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢、死區(qū)時(shí)間難以實(shí)現(xiàn)、可靠性較差等缺點(diǎn)。根據(jù)以上缺陷，本文采用基于DSP實(shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)的具體思路為：通過(guò)改變PWM驅(qū)動(dòng)頻率即改變PWM載波周期寄存器TPR的值，來(lái)改變逆變電路輸出的電壓、電流的相位差，這里分兩種情況討論：

（1） 如果負(fù)載電壓超前于負(fù)載電流，則負(fù)載呈感性，即負(fù)載驅(qū)動(dòng)頻率大于負(fù)載諧振頻率，此時(shí)需要減小驅(qū)動(dòng)PWM的頻率。

（2） 如果負(fù)載電流超前于負(fù)載電壓，則負(fù)載呈容性，即負(fù)載驅(qū)動(dòng)頻率小于負(fù)載諧振頻率，此時(shí)需要增大驅(qū)動(dòng)PWM的頻率。

通過(guò)不斷變化的PWM驅(qū)動(dòng)頻率，即改變PWM載波周期寄存器TPR的值，可以實(shí)現(xiàn)逆變電路輸出電壓頻率和輸出電流頻率的一致[8，10]。

3 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

本文介紹了鎖相的原理，并基于DSP進(jìn)行了數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)，利用Matlab進(jìn)行建模，對(duì)頻率跟蹤電路進(jìn)行仿真。本文設(shè)計(jì)出輸出電壓15～75 kV可調(diào)，工作頻率10～35 kHz可調(diào)，功率10～50 kW的低溫等離子體空氣凈化裝置。如圖4所示給出的電源工作頻率為20 kHz時(shí)電壓電流的波形。其中x軸表示時(shí)間：20 μs/div；y軸表示電壓：10 kV/div，電流：0.5 A/div。

結(jié)果表明，等離子體空氣凈化裝置電源的樣機(jī)設(shè)計(jì)是合理的、成功的和穩(wěn)定的。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果可得，這里利用 DSP芯片完成負(fù)載頻率變化的有效跟蹤和對(duì)逆變過(guò)程的可靠控制。此研究成果已成功投入到市場(chǎng)運(yùn)行，具有很好的發(fā)展前景。

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