鎖相環頻率跟蹤技術在等離子電源中的應用研究

周兵　趙龍章　竇迅　沈美杰　周崇明

摘 要： 近期PM2.5細顆粒霧霾造成了嚴峻的大氣環境污染，引起了社會廣泛的關注。針對此問題，研究一種新型高頻高壓等離子體電源去除霧霾裝置，通過打斷有害物質化學鍵的方式，從根本上起到凈化空氣的作用。對等離子電源負載端的穩定性進行研究，基于DSP的鎖相環設計，實現對負載頻率的有效跟蹤，使電源工作于功率因數約為1的準諧振狀態，從而大大提高系統的動態性能和穩定性能。

關鍵詞： 等離子體； 高頻高壓電源； 頻率跟蹤控制； 鎖相環路

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

近期細顆粒PM2.5造成了嚴峻的大氣環境污染，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，面積較大，很容易攜帶有害物質和有毒物質，而且這些有毒有害物質在大氣中傳播距離遠、停留時間長。由于這些細顆粒物的直徑越小，則進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以下細顆粒物則可以深入到細支氣管和肺泡，然而這些細顆粒物進入人體肺泡后，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[2]。同時氮和硫的氧化物還可以轉化成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，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大[3]。因此，首先迫切需要尋找一種經濟、實用、高效、環保的無害化處理，真正地實現室內的空氣凈化。近年來利用低溫等離子體進行凈化空氣的技術獲得越來越廣泛的重視，已成為等離子體和環境科學領域研究的熱點問題之一[4]。

等離子空氣凈化裝置主要由整機結構、風道及氣流控制、等離子系統和輔助系統組成。而具有高頻高壓的等離子特種電源是空氣凈化裝置系統中最核心內容之一。這里重點介紹了一種新型等離子體特種電源，實現了可靠的保護性能和穩定的控制性能。本等離子特種電源具有效率高、體積小和穩定性強等優點[5?6]。

1 電源主電路設計

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的技術指標的軟開關電源。等離子特種電源系統主電路結構主要由控制電路、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，經過整流模塊濾波之后將得到直流電壓，然后通過全橋逆變器將直流電壓轉變成高頻交流電壓，高頻電壓經過LCC串并聯諧振模塊，使電路增強抗短路的能力，以此來降低輕載時電路諧振電流的峰值，在通過輸出整流濾波電路，將高頻交流電壓整流濾波后得到高品質直流電壓，最后經過等離子反應器。采樣信號通過采樣電路及直流電壓電流采樣調整電路輸入給DSP控制器，從而形成負反饋[7]。

2 電源控制系統設計

等離子體空氣凈化處理過程中氣體種類、進氣速度等因素與等離子弧中等離子體能量密度相關，為達到較好的空氣凈化效果，電源負載的變化要求產生的等離子的能量密度在一定的范圍內是可以調節的，顯然地，這種調節在量上反映為等離子空氣凈化處置電源的功率可調。同時，在空氣凈化處置過程中，還應考慮到電網電壓波動的影響，結合以上所述因素（氣體種類、進氣速度），負載的諧振頻率將會發生變化，這會導致等離子特種電源性能的不穩定。如果在開環狀態下電路工作，這樣隨著電源負載的變化，使電路工作頻率偏離工作點，等離子特種電源難以達到穩定的要求。故而本文采用閉環控制，會對電源負載頻率進行有效跟蹤，使等離子特種電源電路工作在諧振狀態。

2.1 電源逆變電路方案研究

在逆變電源技術中，逆變器及其控制是其核心。逆變器的拓撲結構設計是研究逆變器及其控制的第一步。由于等離子負載特性比較特殊，需選擇與之匹配的逆變方案進行研究和分析。等離子空氣凈化裝置電源是根據氣體處理系統的特殊性將技術指標定為：輸出電壓為15～75 kV可調；工作頻率為10～35 kHz可調；功率為10～50 kW。由于等離子電源有高頻高壓的特性，高電壓、小電流是串聯諧振變換器固有特性，而低電壓、大電流是并聯諧振變換器的一大特點。所以在串聯諧振支路中添加并聯諧振元件或者在并聯諧振支路中添加串聯諧振元件組成含兩個以上諧振元件的串并聯諧振變換器。

LCC串并聯諧振變換器主電路拓撲結構如圖2所示。通過與單一的串聯諧振電路相比，串并聯諧振電路在原有電路基礎上多了一個并聯電容[Cp]，[Cp]為變壓器寄生電容折算到原邊側的并聯諧振電容，而圖2中[Lr]為變壓器漏感與諧振電感折算到原邊側的電感；[Cr]為外加串聯諧振電容。

根據并聯諧振電容[Cp]上的初始電壓是否被變壓器二次側輸出電壓箝位，電路穩態工作時將存在兩種諧振狀態，即LC與LCC兩種諧振狀態。根據[SW1/SW4]（或者[SW2/SW3]）導通瞬間，判斷并聯諧振電容[Cp]上的電壓是否被變壓器二次側輸出電壓[-Vo]箝位，在諧振電流不連續情況下電路的工作模式分為DCM?1和DCM?2兩種。通過與串聯諧振電路的比較，由于存在著并聯諧振電容，這樣使得串并聯諧振電路的諧振過程和諧振參數、輸入電壓和輸出電壓之間有著千絲萬縷的關系。并聯諧振電容對于串并聯諧振電路中的電氣特性，并聯諧振電容有著十分重要的影響。

2.2 電源的負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諧振狀態，跟蹤負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，其反應器可等效為一個非線性電阻和電容的并聯。作為放電激勵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器構成了一個含有電感、電阻和電容的網絡，在一定的電源頻率下必然發生諧振。介質阻擋放電是由很多流光放電所聚集形成的，根據不同的氣體種類，這些流光放電可持續幾納秒至幾百納秒不等，如果當DBD系統不發生諧振振蕩時，DBD反應器中流光放電的數量會隨著激勵頻率的提高而增加，媒質氣體的電離程度會隨著激勵頻率的增加而增強。而如果在應用頻率范圍內，DBD系統存在某一諧振頻率，在相同激勵電壓條件下，在諧振頻率之后DBD中媒質氣體的電離程度將不會隨激勵頻率的增加而增大，反而會出現相反的結果，這是因為在激勵頻率遠離諧振點時，DBD上獲得的電壓遠遠小于諧振時的電壓，所以說DBD系統的諧振對高于諧振頻率時反應器放電性能的影響是不利的，因此，必須設法提高DBD系統的固有諧振頻率。

等離子空氣凈化過程中由于進氣速度、氣體種類及電網電壓波動等諸多因素都會嚴重影響等離子弧的不穩定性，進而會使等離子特種電源負載頻率會發生變化。等離子特種電源在介質阻擋放電過程中，如果在開環狀態工作下的電路，隨著等離子電源負載的變化，電路工作頻率會偏離工作點，輸出功率與要求不符合。而對等離子體電源系統動態穩定性要求很高，所以本凈化裝置采用閉環控制，對等離子特種電源負載進行頻率跟蹤，使電源電路一直工作在諧振狀態，保持系統的穩定性。

為了實現等離子負載頻率的動態跟蹤，這里介紹了鎖相環跟蹤控制技術[9]。

鎖相就是相位同步的自動控制，而鎖相環的意義是能夠完成相位同步的兩個電信號自動控制的閉環系統，簡稱PLL。其原理圖如圖3所示。鎖相環是由鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器組成的閉環電路。鑒相器用來鑒別輸入信號與輸出信號之間的相位差，同時輸出誤差電壓，低通濾波器會把誤差電壓中的干擾成分濾除，同時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路輸入信號頻率，如果當兩者頻率信號相等時，將鎖定電路環路，稱為入鎖。

傳統鎖相電路是以集成鎖相環為核心的模擬電路，主要對負載的電流進行頻率動態跟蹤，有頻率跟蹤范圍較窄、動態響應較慢、死區時間難以實現、可靠性較差等缺點。根據以上缺陷，本文采用基于DSP實現的鎖相環技術。

實現的具體思路為：通過改變PWM驅動頻率即改變PWM載波周期寄存器TPR的值，來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） 如果負載電壓超前于負載電流，則負載呈感性，即負載驅動頻率大于負載諧振頻率，此時需要減小驅動PWM的頻率。

（2） 如果負載電流超前于負載電壓，則負載呈容性，即負載驅動頻率小于負載諧振頻率，此時需要增大驅動PWM的頻率。

通過不斷變化的PWM驅動頻率，即改變PWM載波周期寄存器TPR的值，可以實現逆變電路輸出電壓頻率和輸出電流頻率的一致[8，10]。

3 系統仿真與實驗

本文介紹了鎖相的原理，并基于DSP進行了數字鎖相環的設計，利用Matlab進行建模，對頻率跟蹤電路進行仿真。本文設計出輸出電壓15～75 kV可調，工作頻率10～35 kHz可調，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時電壓電流的波形。其中x軸表示時間：20 μs/div；y軸表示電壓：10 kV/div，電流：0.5 A/div。

結果表明，等離子體空氣凈化裝置電源的樣機設計是合理的、成功的和穩定的。

4 結 語

通過實驗仿真結果可得，這里利用 DSP芯片完成負載頻率變化的有效跟蹤和對逆變過程的可靠控制。此研究成果已成功投入到市場運行，具有很好的發展前景。

參考文獻

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