應用于污泥處理的等離子體動態匹配電源的研究

胡晨 趙龍章 高升

關鍵詞： 污泥處理; 等離子體電源; 動態匹配; 整流電路; Matlab仿真; 電路設計

中圖分類號： TN86?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）02?0107?05

Research on plasma dynamic matching power supply applicable for sludge disposal

HU Chen， ZHAO Longzhang， GAO Sheng

（School of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 211800， China）

Abstract： With the constant deepening application of the plasma technology to the sludge disposal， the performance requirement of the plasma power supply is getting higher and higher. Therefore， the dynamic matching function of the plasma power supply in the sludge disposal device is emphatically researched in this paper. The three?phase uncontrollable rectifying circuit，IGBT full?bridge inverter circuit， DC?side Buck chopped wave power regulation and frequency auto?tracking algorithm strategy are adopted. The correctness of the system and the effectiveness of the dynamic matching algorithm are verified by simulating the power supply system using the Simulink.

Keywords： sludge disposal; plasma power supply; dynamic matching; rectifying circuit; Matlab simulation; circuit design

0 ?引 ?言

如今，通過等離子體技術處理污泥的方式越來越受到廣泛的關注，已成為近幾年等離子體和環境科學領域研究的一大熱點[1]。等離子體系統包括：等離子體電源、等離子體反應器，而等離子體電源作為等離子體系統的核心部件之一。由于傳統的等離子體處理污泥過程中，污泥的含水量和進料速度等因素會對負載動態參數產生影響，使負載的諧振頻率發生變化，導致等離子體電源的效率下降，等離子體密度不夠，從而影響到污泥處理的效果[2]。因此本文旨在研究一種能夠使用高效，穩定工作的動態匹配電源系統。

1 ?電源總體方案

本電源采用逆變型功率放大電路，根據電源系統指標，確定電源的主電路結構，其系統框圖如圖1所示。該系統主要由整流濾波電路、DC/DC電路、逆變電路、高頻變壓器、匹配電路、控制電路等部分組成。

電網中輸出380 V交流電，經由整流橋后獲得脈動直流電，濾波后得到穩定的直流電，直流電壓可通過DC/DC電路的輸出電壓調節，再輸入逆變電路得到低壓交流電，通過變壓器隔離、升壓得到符合等離子體反應器工作要求的交流電，經過動態匹配網絡流向等離子體反應器供電來產生等離子體。同時，為了保證負載始終處于諧振狀態，利用DSP數字信號處理器，通過采集負載電壓、電流信號的幅值和相位，及時調節逆變電路的輸出頻率，使電源頻率跟隨等離子體反應器頻率。

2 ?基于DSP的等離子體電源系統設計

2.1 ?主電路硬件設計

根據對等離子體的產生機理，研究相關理論，并結合污泥處理系統的實際應用要求，最終確定了電源的設計要求，主要有以下幾點：輸入電壓工頻380 V;最大輸出功率5 kW;頻率15～25 kHz可調;輸出最大電壓3 kV。

等離子體污泥處理電源主電路由三相不可控整流電路、Buck型斬波電路、全橋逆變電路和變壓器構成。三相交流電經橋式不可控整流電路后變成脈動的直流電壓，在濾波電容的作用下，直流電壓變得平滑，然后進入Buck型斬波電路進行電壓調節來實現調功目的。斬波調節后的直流電經過單相全橋逆變電路逆變成高頻交流電壓，此高頻交流電經過隔直電容后送入高頻變壓器升壓隔離后帶動負載，負載中的反應器在高頻交流信號激勵下產生等離子體。為了保護功率開關管，在逆變電路中每個開關管兩端都并聯了阻容吸收電路[3]。主電路圖如圖2所示。

2.2 ?控制系統硬件設計

控制系統以TI公司的TMS[320]LF[2812]為控制芯片，以DSP為核心的硬件電路，首先傳感器收集反應系統兩端的電壓和電流信號，將采樣獲得的電壓、電流信號輸入到調理電路中，經過A/D轉換后，通過DSP處理，經過芯片的內部運算，經過隔離驅動后送給步進電機和全橋逆變電路，實現匹配電感的可調和電源輸出頻率實時跟隨反應器諧振頻率的功能。

2.2.1 ?DSP芯片電源電路設計

本設計采用低壓降且雙電壓輸出的電壓穩壓芯片TPS[767]D[318]，輸出兩路電壓，分別為[5] V/[3.3] V，[5] V/[1.8] V，供給I/O端口和內核[4]。DSP電源電路如圖3所示。

在穩壓芯片TPS[767]D[318]的輸入端并聯了兩個電容，濾除輸入電壓的干擾，其中10 μF的鉭電解電容濾除低頻干擾，0.1 μF的陶瓷電容濾除高頻干擾;芯片輸出端加入了LC濾波電路，減小了電源輸出的紋波。當輸出電壓低于穩壓芯片TPS[767]D[318]的門限電壓時，復位（RESET）引腳為低電平，進入復位處理。

2.2.2 ?IGBT驅動電路設計

IGBT驅動電路位于主電路和控制電路之間，主要實現對DSP控制器的控制信號的隔離、放大，進而驅動IGBT開通與關斷[5?6]。其主要根據IGBT開關管的型號來設計，不同型號的IGBT開關管，柵極的耐壓值也有所不同。IGBT驅動電路如圖4所示。

由圖4可知，本電源選用的是IR公司的IRFP460A。在Q1和Q3放大后，芯片的輸出脈沖為PWM信號，變壓器耦接到輔助側驅動IGBT。限制驅動峰值電流由R6來實現，保證CGS處在無電壓狀態是由R8來實現，R8主要是參與靜態放電，以防止IGBT長期處于導通狀態。

2.2.3 ?采樣電路設計

TMS[320]LF[2812]芯片內A/D采樣輸入的電壓范圍為0～3 V，通過模擬采樣電路，對采集信號進行適當的轉化，轉變成DSP需要的信號，避免過高或過低的信號進入DSP芯片，損毀芯片[7]。由于等離子體電源電壓為3 kV，采用溫度系數比較低，耐壓值高的精密電阻，按1∶10的比例將電壓控制在300 V以下，電壓信號由霍爾電壓傳感器采樣轉換為[0～20] mA電流信號，再由[IV]轉換電路轉化成[0～3] V模擬電壓，電壓信號采樣電路如圖5所示。

2.3 ?DSP數字化控制器軟件設計

2.3.1 ?控制系統主程序設計

等離子體污泥處理裝置的電源控制系統主程序第一步是系統初始化，然后判斷讀取的參數是否有效，當讀到數據有效時，系統開始調用BP神經網絡算法子程序，預測可控電感的值，輸出環形脈沖信號控制步進電機。再調用搜索最大電流頻率跟蹤程序，通過控制芯片輸出相應的控制信號，實時得到PWM波的占空比來驅動逆變電路[8]。圖6給出等離子污泥處理裝置的電源控制系統主程序流程圖。

2.3.2 ?A/D采樣程序設計

A/D采樣是為電源系統提供各種反饋量的程序，并且這些反饋量是DSP[2812]可以直接進行計算、處理、使用的數字量，用它將電壓電流信號經過采樣、保持、量化之后轉換為數字量送到寄存器中存儲[9]。其工作過程為：由定時器發出中斷信號，A/D采樣程序開始工作，先將采集的量經過A/D轉存到結果寄存器當中，再將結果從結果寄存器中讀出，然后計算采樣的平均值并存儲，最后調用控制子系統，輸出電路的驅動信號。A/D采樣主程序如圖7所示。

2.3.3 ?PWM生成程序設計

在主程序調用PWM生成子程序后，初始化全局變量，DSP芯片中A/D模塊將采集的電壓電流值與寄存器中給定值比較，再進行數據處理，給各寄存器賦值，系統產生PWM波。PWM波生成和輸出子程序流程如圖8所示。

3 ?仿真結果與分析

3.1 ?等離子體污泥處理電源系統仿真模型

根據前文設計的主電路拓撲結構和參數，利用Matlab/Simulink中的電氣系統庫，選取合適的元件搭建等離子體污泥處理電源系統[10?11]，對電源的性能進行仿真驗證，仿真模型如圖9所示。

3.2 ?仿真分析

本節研究等離子體電源的輸出頻率與匹配電感量對等離子體反應器諧振特性的影響。電源的輸入為工頻380 V的電壓，經過整流濾波電路得到幅值約為500 V的直流電壓，由于在仿真中省去了整流模塊，直接采用500 V直流電作為輸入電壓。設定等效電路參數[Cm=45 nF]，[Lm=1.5 mH]，[Rm=250 ?Ω]，[C0=33 nF]，此時等離子體反應器的串聯諧振頻率為20 kHz。可以計算得到匹配電感L=1.03 mH 。

匹配電感合適且電源頻率與負載頻率相同時的電壓電流波形如圖10所示。

從圖10中可以看出，等離子體反應器兩端電壓為方波，電流非常接近正弦電流，電壓電流波形同相位，等離子體反應器工作在諧振狀態。電壓波形幅值約為400 V，在開關管的開通和關斷時刻有一定的尖峰電壓，但其值遠小于IGBT管的耐壓值，能夠安全穩定的工作。電流波形的幅值約為5 A，周期為0.000 05 s與串聯諧振頻率20 kHz一致。

圖11為匹配電感量減小后，通過改變電源的工作頻率使等離子體恢復諧振時的電壓電流波形。從圖可以看出，當匹配電感量偏移后，反應系統諧振時的負載電流小，其幅值只有3 A，且諧振頻率增大，為21.3 kHz。通過仿真波形再次表明，在進行頻率自動跟蹤之前應先將匹配電感量調到合適的位置。

圖12為匹配電感量合適但電源的輸出頻率大于等離子體反應器的串聯諧振頻率時負載的電壓電流波形。此時負載呈感性，這與圖中電壓波形相位超前電流波形相一致。圖12中電流幅值只有2 A，說明等離子體電源的工作頻率偏離時，等離子體反應器的等效阻抗變大，負載電流變小。這也說明搜索最大電流進行頻率跟蹤的方法是有效的。

4 ?結 ?語

本文重點研究了污泥處理裝置中的等離子體電源的動態匹配功能。通過Simulink對等離子體污泥處理電源系統進行仿真，驗證了電源系統的正確性、高效性和穩定性以及本文采取的動態匹配算法的有效性。

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