申兆豐， 魏 月， 曾慶軍， 陳 峰

（1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.鎮(zhèn)江天力變壓器有限公司 江蘇 鎮(zhèn)江 212400）

高頻大功率靜電除塵電源新型控制策略研究

申兆豐1， 魏 月1， 曾慶軍1， 陳 峰2

（1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.鎮(zhèn)江天力變壓器有限公司 江蘇 鎮(zhèn)江 212400）

文中提出了一種用于高頻大功率靜電除塵電源的新型控制策略，脈沖移相頻率調(diào)制（Pulse Shift Frequency Modulation，PSFM）。此方法將脈沖頻率調(diào)制（PFM）與移相脈寬調(diào)制（PS-PWM）進行有效結(jié)合，實現(xiàn)了高頻電源電路的全程軟開關(guān)。本文首先闡述了高頻大功率電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對LCC變換器在電流連續(xù)模式（CCM）下的新型工作方式進行了詳細(xì)分析，然后著重介紹了SPFM的原理、穩(wěn)定性分析以及實現(xiàn)方法，最后采用MATLAB軟件對新型的控制系統(tǒng)進行仿真，并依次增加PID控制器、模糊PID控制器用于優(yōu)化高頻電源系統(tǒng)的控制效果。仿真結(jié)果表明了此新型控制策略的合理性和有效性，并能夠用于指導(dǎo)電除塵高頻電源系統(tǒng)的研究。

脈沖移相頻率調(diào)制；MATLAB；模糊PID

目前，靜電除塵電源技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)除塵領(lǐng)域，而高頻大功率靜電除塵電源較傳統(tǒng)工頻除塵電源而言，穩(wěn)定性更強、除塵效率更高，成為靜電除塵電源發(fā)展的主流趨勢[1]。高頻電源中的LCC諧振環(huán)節(jié)能夠使得電源電路在軟開關(guān)的狀態(tài)下工作，有利于減少了開關(guān)損耗，是電除塵高頻高壓電源的核心部件。LCC 有 3 個不同的工作模式[2]：1）fs≤0.5f0，電流斷續(xù)模式（DCM）（fs:開關(guān)頻率；f0:諧振頻率）。 2）0.5f0＜fs≤f0，電流連續(xù)模式（CCM）。 3） fs＞f0，電流連續(xù)模式（CCM）。其中，模式1）和模式3）提供最小的開關(guān)損耗，模式1）斷續(xù)模式下的半導(dǎo)體損耗最小，可實現(xiàn)軟開關(guān)，但這種操作模式存在很高的電流峰值，諧振回路中有過多的能量傳遞，并且此模式需要一個很大的操作頻率范圍達(dá)到對輸出電壓的有效控制，使得感性元件難以設(shè)計[3-4]。因此本文選取模式3）進行分析。

LCC諧振變換器通常有兩種控制方式：脈沖頻率調(diào)制（PFM）和移相脈寬調(diào)制（PS-PWM）。PS-PWM在輸出為輕載時，可能導(dǎo)致滯后橋臂無法實現(xiàn)ZVS開通，且存在副邊占空比丟失現(xiàn)象；PFM在低輸出電流、低輸出電壓時開關(guān)損耗過大，且較大的頻率變化范圍使得磁性元件、門電路及電磁干擾過濾難以優(yōu)化，因此都不是高頻大功率靜電除塵電源理想的控制方式[5-7]。基于以上兩種控制策略的不足，本文提出一種新型的控制策略，脈沖移相頻率調(diào)制（PSFM），它不但解決了以上兩種控制策略的缺點，而且使得系統(tǒng)效率有了進一步的提高。本文首先闡述了高頻大功率電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對LCC變換器在電流連續(xù)模式（CCM）下的新型工作方式進行了詳細(xì)分析，然后著重介紹了SPFM的原理、穩(wěn)定性分析以及實現(xiàn)方法，最后采用MATLAB軟件對新型的控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)仿真，并依次增加PID控制器、模糊PID控制器用于優(yōu)化高頻電源系統(tǒng)的控制效果。結(jié)果表明了此新型控制策略的合理性和有效性，并能夠用于指導(dǎo)電除塵高頻電源系統(tǒng)的研究。

1 高頻靜電除塵電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電路拓?fù)浞治?/h2>

圖1為高頻大功率靜電除塵電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由主電路和控制電路構(gòu)成。主電路包括：平波電抗器、整流模塊、母線電容、全橋逆變器、LCC、高頻變壓器、二次側(cè)整流硅堆、以及靜電除塵器負(fù)載。其中，C為濾波電容；S1-S4為全橋逆器上的IGBT，D1-D4分別為S1-S4兩端的反并聯(lián)單向?qū)ㄆ骷籆r、Lr、Cp分別為LCC環(huán)節(jié)中的串聯(lián)電容、串聯(lián)電感和并聯(lián)電容；n為高頻變壓器的匝比；D01、D02、D03、D04為變壓器二次側(cè)的整流二極管。

圖1 高頻大功率靜電除塵電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制電路包括：電壓、電流采集電路、SPFM控制器、脈沖發(fā)生器和驅(qū)動環(huán)節(jié)。信號采集電路將一次諧振電流和二次輸出電壓信號采集后，傳遞給PSFM控制器，PSFM控制器運用雙重控制策略將控制信號發(fā)送給脈沖生成電路，電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖經(jīng)過驅(qū)動電路的放大最終用于觸發(fā)IGBT。

2 LCC工作模式分析

圖2為PSFM控制下電源電路S1-S4的觸發(fā)信號及諧振電流ir、逆變器輸出電壓Vab和并聯(lián)諧振電容電壓VCp的波形。

圖2 LCC諧振電路波形圖

忽略功率器件的開關(guān)階段，工作過程分析如下：

1）（t0—t1）階段：t0時刻 ir穿越零點，S4 零電流開通，S1在之前階段零電壓開通。此階段Vab為正，ir正向流過 S1、Cr、Lr、Cp、S4，VCp由-U0/n 向 U0/n 增加，變壓器二次側(cè)整流管關(guān)斷，電源不向負(fù)載供電。當(dāng)t1時刻VCp達(dá)到U0/n時此階段完成。

2）（t1—t2）階段：此階段 Vab依然為正，ir正向流過 S1、Cr、Lr、S4，VCp被箝位在 U0/n，二次側(cè)整流管導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電。

3）（t3—t3）階段：t2時刻 S1 有限電流關(guān)斷。 此階段 Vab為零，ir正向通過 D2、Cr、Lr、S4 續(xù)流。t3時刻 S2零電壓開通。

4）（t3—t4）階段：此階段 S2、S4 導(dǎo)通，ir正向流過S2、Cr、Lr、S4，t4時刻 ir即將穿越零點，S4 零電流關(guān)斷。

5）（t4—t5）階段：此階段 ir正向通過 S2、Cr、Lr、D3續(xù)流。t5時刻ir穿越零點，S3零電流開通，完成S4到S3 的換相。t5時刻后 ir反向流過 S3、VCp、Lr、Cr、S2，VCp開始減少，二次側(cè)整流管關(guān)斷，電源不向負(fù)載供電，Vab為負(fù)。電路正向半個開關(guān)周期結(jié)束。

電路反向半開關(guān)周期與上述工作過程對稱。

3 SPFM控制策略分析

文中提出一種新型的控制策略，脈沖移相頻率調(diào)制（PSFM），控制流程如圖3所示。其結(jié)合了PFM和PS-PWM的特點，在每個操作點盡可能找到一個頻率和移相角的結(jié)合，首先利用變頻控制調(diào)節(jié)逆變?nèi)珮虻拈_關(guān)頻率，然后使其中一橋臂上兩個開關(guān)管的移相角自動調(diào)節(jié)以確保兩個橋臂分別在ZCS及ZVS下進行換相，并使電源達(dá)到額定輸出功率。PSFM實現(xiàn)了全程的軟開關(guān)，在達(dá)到輸出功率要求的情況下縮窄了開關(guān)頻率變化，克服了PFM在低輸出功率操作下的高損耗，減少了器件開關(guān)頻率和關(guān)斷電流，改善了系統(tǒng)的整體效率，是一種新型的、有效的控制策略[8-9]。

圖3 PSFM控制流程圖

3.1 PSFM控制策略的穩(wěn)定性分析

當(dāng)諧振變換器在高于諧振頻率的工作模式下工作時，電路的低通濾波特性使得高次諧波被削弱，只有基波成份對電路產(chǎn)生比較大的影響，因此選擇基波分析的方式對電路進行分析和描述是合理的。為了實現(xiàn)感性輸出濾波后的整流，等效負(fù)載電阻設(shè)為Req=（π2/8）R0，其中 R0代表實際負(fù)載。 PSFM 控制策略要求在控制變量γ的變化角度范圍內(nèi)實現(xiàn)全程ZVS，可選取自然反饋變量參與閉環(huán)控制來實現(xiàn)這一目的。由于串聯(lián)諧振電感電流ir和串聯(lián)諧振電容電壓VCr這兩個變量含有相同的基波成份，測量方便，可以任選其一。

逆變輸出電壓Vab到串聯(lián)諧振電感電流ir和串聯(lián)諧振電容電壓VCr的傳遞函數(shù)[10-11]分別為：

其中，Qr=（ω0Lr）/RL，。

奈奎斯特圖如圖4。

圖4 PSFM控制下的LCC穩(wěn)定性判定

3.2 PSFM控制策略的實現(xiàn)

反饋變量為串聯(lián)諧振電感電流ir時的PSFM控制策略的實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 ZCS和ZVS橋臂門極信號發(fā)生器

如圖5所示，ZCS（變頻控制）橋臂上開關(guān)管的門極觸發(fā)信號與過零點諧振電流ir同步。ir經(jīng)過滯環(huán)比較器后生成兩路互補的脈沖，用于控制開關(guān)管的頻率。

4 PSFM控制策略仿真

使用MATLAB的Simulink組件對SPFM控制下的高頻電源系統(tǒng)進行仿真，并在同等參數(shù)下與PFM控制的仿真效果進行比較，然后分別為PSFM加入PID和模糊PID控制器使得控制效果更佳。

仿真中所用到的實際工程設(shè)計參數(shù)[14-15]為：Ls=80μF；Cr=2.15μF；Cp=0.88μF；工作頻率 fs：20 kHz；輸出電壓：72 KV。

PSFM仿真的相關(guān)波形圖如圖6所示。

PFM的仿真波形圖如圖7所示。

圖6 PSFM控制下電路波形

圖7 PFM控制下的電路波形

如圖6（a）所示，PSFM滯后橋臂上S2，S4為零電流開關(guān)，超前橋臂上S1，S3能實現(xiàn)零電壓開通，但存在關(guān)斷電流，關(guān)斷電流值大約為140 A；而如圖7（a），而PFM控制下S1-S4都能實現(xiàn)零電壓開通，但是都存在關(guān)斷電流，關(guān)斷電流值大約為190 A?？梢奝SFM控制下的電源電路硬開關(guān)的器件數(shù)量少，且關(guān)斷電流小。

如圖6（b）所示，電源輸出電壓最終穩(wěn)定到72 kV，達(dá)到了指標(biāo)要求，超調(diào)達(dá)到80 kV，穩(wěn)定時間達(dá)到0.022秒。相比較而言，圖7（b）PFM控制下輸出電壓的穩(wěn)定時間為0.05秒，控制響應(yīng)較差。

為PSFM控制系統(tǒng)加入PID和模糊PID控制器后的輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 PSFM加入控制器的輸出電壓波形

如圖8（a）所示，加入PID控制器后輸出電壓最終穩(wěn)定在72 kV，超調(diào)明顯消失，系統(tǒng)在0.016秒處達(dá)到穩(wěn)定。如圖8（b）所示，系統(tǒng)加入模糊PID控制器后輸出電壓最終穩(wěn)定在72 kV，無電壓超調(diào)，穩(wěn)定時間縮短至0.002秒，有效減少了控制響應(yīng)時間。

仿真驗證結(jié)果：PSFM在控制效果和電路損耗方面都明顯優(yōu)于PFM，兩個橋臂能夠成功實現(xiàn)ZCS和ZVS。加入PID控制器和模糊PID控制器后，電源系統(tǒng)的控制響應(yīng)效果更加明顯，對于高頻電源這類非線性對象的控制具有更好的魯棒性和抑制超調(diào)的能力。

5 結(jié) 論

文中首先闡述了高頻大功率電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對LCC變換器在電流連續(xù)模式（CCM）下的新型工作方式進行了詳細(xì)分析，然后著重介紹了SPFM的原理、穩(wěn)定性分析以及實現(xiàn)方法，最后采用MATLAB軟件對新型的控制系統(tǒng)進行仿真，并依次增加PID控制器、模糊PID控制器用于優(yōu)化高頻電源系統(tǒng)的控制效果。仿真結(jié)果表明了此新型控制策略的合理性和有效性，并能夠用于指導(dǎo)電除塵高頻電源系統(tǒng)的研究。

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Research on new control strategy of high frequency and high power electrostatic precipitator power supply

SHEN Zhao-feng1，WEI Yue1，ZENG Qing-jun1，CHEN Feng2
（1.School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2.Zhenjiang Tianli Transformer Co.Ltd，Zhenjiang 212400，China）

This paper presents a new control strategy，Pulse Shift Frequency Modulation （PSFM），for high frequency and high power electrostatic precipitator power supply.This method combines the pulse frequency modulation （PFM）with the phase shift pulse width modulation （PS-PWM）to achieve soft switch in the all range of high frequency power supply circuit working.Firstly，this paper describes the system structure and the working mode of the LCC converter in continuous current mode （CCM）are analyzed.Then，this paper focuses on the principle of SPFM，stability analysis and implementation methods.At last，the new control system is simulated by MATLAB software，and the PID controller and fuzzy PID controller are added in order to optimize the control effect.The simulation results show that the new control strategy is reasonable and effective，and can be used to guide the research of the high frequency power supply system.

pulse shift frequency modulation；MATLAB；fuzzy PID

TM919

：A

：1674－6236（2017）14-0063-05

2016-09-23稿件編號：201609212

江蘇省科技支撐計劃項目（BE2012146）；鎮(zhèn)江市重點研發(fā)計劃項目（GY201503）

申兆豐（1987—），男，遼寧海城人，碩士研究生。研究方向：智能電氣與系統(tǒng)、現(xiàn)代綜合測控技術(shù)。