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等离子体电源（精选四篇）
等离子体电源 篇1
利用等离子体处理污染物的技术自出现以来,便引起了广泛关注。利用低温等离子体处理固体废弃物的优点在于:高效率,低功耗,低成本且无二次污染。等离子体处理固体废弃物技术的应用前景十分广阔[1]。
等离子体处理固体废弃物装置的核心是等离子体的产生及控制,这就要求设计出一种能产生足够等离子体并能对等离子体参数进行控制的电源,即要求电源能够输出足够的功率而且可以根据负载的变化调节输出功率。而等离子体处理固体废弃物时,负载的波动比较大,所以要求功率宽范围可调,但单一的电源模块实现起来难度较大,而多模块并联运行可以实现这个目标并且可以提高电源的可靠性。为此,在浙江省金华固废处置中心投入运行的等离子体处理固废装置的基础上,笔者提出了基于并联均流技术的改进方案。此装置中的电源系统为单一模块,在保证单一模块实际可行的基础上,进行并联均流技术的研究。
1 并联均流技术
等离子体处理固废装置的电源系统输入380V的工频交流电,是经过整流滤波、调压电路、逆变环节、输出电压15～25kV可调、频率10～20kHz可调和功率5～15kW可调的高频脉冲交流电[1]。控制电路、保护电路和其他辅助电路已在实际应用中验证可行。此电源如果要提高输出功率,传统的方法只能是从根本上重新设计电路,但这对于技术和资源投入都将增加负担,而并联技术能够利用模块化的方法,将一定规格的模块式的电源以并联或者串联的方式运行,达到扩展输出电压、电流和功率的目的。
开关电源的并联运行是目前开关电源技术的发展和研究方向之一。此技术的优点是:小功率的电源可以作为一个模块方便地组合成大功率的电源,且电源容量可以任意扩展;实现电源系统的冗余,可以提高电源运行的可靠性;增加电源的灵活性,根据应用场合的不同可以灵活地进行组合。
电源模块并联技术所要解决的主要问题是多模块之间的均流技术,均流技术是为了解决并联的多个模块之间输出不平衡问题,即各个模块没有平均分摊整个电源系统的输出,在各个模块之间出现环流,影响系统的稳定性和可靠性,甚至能够造成系统的崩溃。
笔者所研究的电源的输出是高频脉冲交流电,自然涉及到逆变器的并联运行。交流电源的并联运行由于有电压幅值、相位和频率3个参数,所以其实现比直流并联技术难得多。要实现交流电源的并联运行,首先应该解决3个问题[2]:
a. 多模块并联运行,各模块之间以及与系统之间的幅值、相位和频率必须达到一致或者小于容许误差;
b. 笔者所述的均流不同于直流均流,应该包括有功均流和无功均流;
c. 单模块内部故障、均流异常或同步异常时不中断转换。
2 并联均流的实现
为了实现电源并联运行,关键是要解决均流问题,直流电源的均流控制已经有UC公司的UC3902和UC3907集成均流控制电路,已经广泛应用于工程实践当中,但交流电源的均流控制比较复杂,应该针对具体情况,选择不同的控制策略,并通过有强大的数据处理能力的DSP芯片来实现。常见的控制方法有[2]:自整步法、外特性下垂法、有功和无功并联控制方式以及主从模块法。笔者选择主从控制模式,主从模块法以一个模块作为主模块,以主模块来控制从模块,但如果主模块故障,则整个系统不能运行。
主电路的的作用是将输入的380V工频交流电经过整流滤波,DC/DC转换和逆变之后,经过变压器升压,输出高频脉冲交流电,以使气体放电产生等离子体。输出电压、电流以及频率作为控制电路的输入量,通过DSP的处理,改变相应的驱动信号,对输出参数进行控制。
图1所示的电源系统为一个模块,笔者研究两个模块进行并联均流的输出特性。通过DSP芯片TMS320LF2407A的CAN总线数字技术来实现逆变器的并联,将一台逆变器的电压及电流信号通过CAN总线发送给其他并联的模块,各并联模块跟踪主模块的电流信号,调节自身的输出电流,达到均流的目的[3]。
均流控制方法的控制框图如图2所示,均流环采用不完全微分PID控制,可以减少CAN总线传输中的单个数据出现错误对系统的影响,在主从控制方式中,根据采样到的逆变器电感上的电流加入一个均流环,可以使各个并联的模块实现均流。基于DSP的系统总体设计框图如图3所示。
3 仿真结果
根据上述设计,通过TMS320LF2407A实现该电源系统的控制系统。经仿真之后,系统的输出电压和电流的波形如图4所示,从图中可以看出输出波形较为理想。
图5是两台电源模块逆变器中电感电流的对比结果,从图中可以看出,两台电源模块的电感电流基本上同步,并且没有大的波动,所以笔者所设计的均流控制方式可以很好地解决环流问题。
4 结束语
主从控制的均流方式可以有效地抑制两个单元模块之间的环流,达到很好的并联运行的效果,但这是建立在单个电源模块的高可靠性的基础上,对于可靠性不高的电源模块,主模块的故障会导致整个系统的崩溃。主从控制方法只能提高电源的输出功率,满足超出单个电源输出功率的需求。同时,这种方法无法达到冗余的目的,对于需要通过冗余来提高可靠性的场合,应采用其他均流控制方法。
参考文献
[1]杜寅捷.基于DSP实现等离子体固废处置电源的研究[D].南京:南京工业大学,2011.
[2]周志敏,周继海,纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用[M].北京:人民邮电出版社,2005.
等离子电源高速稳流控制系统的设计 篇2
大功率等离子体的应用近年来得到了广泛的应用,高温等离子切割技术、电子垃圾焚烧技术以及大功率等离子航空航天设备、军工设备等的风洞模拟实验等等,都需要高压大电流的等离子发生器,而该类等离子炬的电源控制技术更是等离子发生环节中非常重要的一环,并成为该行业的一个技术难点。
大功率等离子炬为了获得较高的温度、延长等离子炬阴阳极寿命而长期稳定运行,往往采用的方法是提高电压并提供较为稳定的电流,电流稳定范围不超过设定值的±2%,而等离子体运行期间负载瞬间会剧烈变化,因此电流控制变得非常困难,要求电源控制系统反应必须非常灵敏,在数字化控制系统中需要在纳秒级完成采集并计算同时改变整流器触发角而控制电流输出,而大功率高温氢等离子炬的电压一般都在几千伏至几十万伏,在这样的条件下对等离子体电源数字化提出了相当难度的要求,本文正是为解决这一技术难点而介绍了一种基于DSP(TMS320F2812)为主控芯片的5MW(及以上)等离子体电源的控制系统。
2 系统组成
系统总体电路结构由整流主回路、控制电路、采样电路、反馈电路和各类保护电路等部分组成。
主回路由三大部分组成:整流变压器、三相全桥整流电路和滤波电路。系统总共2台整流机组,每台整流机组由一台整流变压器供电,整流变压器原边接35kV三相电源,联结形式为Y/△,原边移相(+15°、-15°各1台)两台串连构成12相整流电路,以减少高次谐波[1]。单台整流机组直流输出空载电压4000V,额定负载800A,串联输出稳定功率5MW。整流电路将三相交流电变成直流电,经过滤波电路后得到稳定的直流电流输出,主回路如图1所示。
3 控制系统
3.1 控制要求
负载为具有非线性的负阻特性的电弧,且电弧受诸多因素影响,不易稳定,这就要求控制系统能快速跟随负载变化,以达到控制负载电流稳定输出的目的。
本电源控制精度要求高,在起弧阶段电流要能快速上升,恒流阶段可以变参数运行。电流稳定精度≤±2%,响应时间小于10ms,电流控制超调量小于20%。
电源可靠性要求高,各部件都须精心设计确保质量,系统要求有完善的检测保护措施,以免在故障时损坏负载,引发不安全因素。
电源为恒流电源,静态时,10ms内的电流平均值相对变化值要求不大于2%。
电源动态特性要求当负载阻抗阶跃式变化50%时,电流变化相对值不超过20%,并在50ms内电流值回复到原设定值。
3.2 控制模式
系统控制模式采用MCGS上位机系统、LabVIEW数据采集系统加现场控制单元组合模式。上位机系统完成电源参数的设置、控制指令发出和机组状态信息显示,数据采集系统完成负载电压电流信号的实时采集与保存,现场控制单元根据上位机设定的电流-时间曲线,进行移相量的计算,根据上位机指令和同步信号生成12路整流触发脉冲,并完成整流器的保护。控制模式拓扑图如图2所示。
3.3 现场控制单元硬件组成
现场控制单元由主控制器、脉冲分配与保护控制器两部分组成。采用标准3U机箱,插件布置见图3~4。主控制器采用DSP+CPLD为核心的全数字控制系统,能快速、准确地对负载电流电压进行采样并实现快速PID调节,生成系统所需的触发脉冲。脉冲分配与保护控制器以CPLD为核心,对主控制器发出的12路触发脉冲进行1→N多路转换,同时对主柜晶闸管元件进行实时监测保护并将保护信号传给主控制器。主控制器与脉冲分配与保护控制器之间,脉冲分配与保护控制器与整流主柜之间的连接全部采用光纤连接,其联络图如图5所示。
现场控制单元主要硬件由CPU插件、电源插件、数字量输入输出插件、脉冲光纤发送板、脉冲光纤分配板和保护控制板插件等部分组成。
CPU板插件使用TI公司32位DSP(数字信号处理器)(TMS320F2812)作为主CPU[2,3],CPLD(EPM1270T144)作为辅助控制芯片,实现系统调节、移相触发脉冲的生成、地址译码、脉冲调制、信号采集及处理、锁相环、保护接口、信号远传和系统保护等功能。
电源插件提供CPU所需要的5V、±15V电源、数字量输入所需要的+24V电源和脉冲功率放大插件所需的±24V电源。
数字量输入输出插件接收系统数字状态信号,并转换成标准TTL数字信号,送入CPU插件,同时,它把CPU插件发出的标准TTL数字信号转换成交流继电器输出的结点信号,实现故障报警和跳闸等功能。
脉冲光纤发送板插件对CPU插件送来的脉冲信号进行光电转换,生成6路移相触发脉冲光信号。
脉冲光纤分配板对接收主控机箱发送的12路触发脉冲每路进行1~N分配,发送到主柜触发板。
保护控制板接收主柜晶闸管的状态回报信号,检测晶闸管状态信号,进行故障保护。
3.4 控制原理
电源通过改变晶闸管的导通角度,调节整流器输出电压,从而达到调节输出直流电流的目的。控制系统的调节过程主要为:检测输出的直流电流,与给定指令电流进行比较,通过PI调节器调节晶闸管的开通角,使输出电流达到指令要求的值。
控制回路主要由电源模块、三相同步信号处理模块、模拟量输入处理模块、脉冲形成输出电路、开关量输入输出模块、数字PI调节模块、通讯接口电路、人机接口模块等部分组成,其任务是向晶闸管提供符合要求的触发脉冲,同时提供必要的保护措施,保证电路可靠地工作。控制回路逻辑框图如图6所示。
3.5 控制软件
控制系统软件任务主要由一片DSP和一片CPLD完成。DSP负责AD采样、同步锁相环处理、数字PI调节、控制逻辑处理、保护输入监测与逻辑保护输出、中央通讯等。CPLD负责地址编码与触发脉冲调制工作。DSP控制软件采用C语言编写,具有很好的移植性。为提高软件的实时性,DSP软件主要任务都基于中断处理方式。
2套整流机组由一个现场控制单元控制,主控制器根据同步信号、来自上位机的电流-时间曲线产生对应各个桥臂的移相触发脉冲,实现12相整流每相均能移相调节的要求。TMS320F2812的捕获中断1用于检测同步信号和计算同步信号周期,并启动CMP1比较器。CMP1比较器周期为1.66ms,每产生CMP1中断整流机组换相一次,在CMP1中断处理中决定要触发的桥臂。触发脉冲采用双脉冲触发方式,在产生本次换相桥臂元件触发脉冲的同时,给上一次换相的桥臂元件补发脉冲。主程序完成上电自检、变量初始化和按键处理;CAP1中断子程序完成同步信号的锁相;CMP1中断子程序完成触发脉冲的生成。控制流程图如图7所示。
3.6 人机交互接口和通信
控制系统具有便于操作的人机接口,输入采用12个面膜按键,其中6个为主键、6个为从键,当主键中的按键有损坏时,能够通过调节设置,使用6个从键完成全部功能。输出使用240×128点阵的绿色液晶屏,能够显示输出电压、电流以及上位设置波形等数据。系统发生故障时,液晶屏能够清楚指示故障原因及故障点。
现场控制单元与上位控制系统间采用RS485通信。所有现场信息可在上位机上实时显示,并完成历史曲线、报表生成和储、打印等功能。
4 试验结果与结语
通过对该系统进行了全面试验,对电源输出数据采集系统的检测和分析显示:通过上位机系统和现场控制单元的协调控制,输出电压电流满足了系统稳定性和实时性的要求,成功点燃等离子炬,提供了稳定可靠的高温氢等离子体热源。根据上位机的指令,输出负载所需电压、电流现场试验波形如图8所示。
本方案中使用的主电路及控制系统,还可以适合在类似要求的直流供电用途中,例如:等离子体加热电源,垃圾处理用弧流电源,航天设备等离子环境的风洞实验等。它们的共同特征是负载特性变化快,对于控制响应的实时性要求非常高,电源输出电压等级较高,需要良好的主电路和控制电路隔离,本系统中采用的光纤隔离方案能很好的满足系统要求。
摘要：介绍了一种大功率等离子电源控制系统的工作原理、硬件构成及软件流程。该电源控制系统以美国TI公司生产的TMS320F2812芯片为控制核心,以数据采集系统和上位机为辅助,满足了等离子电源控制精度和速度的要求,是一种稳定可靠,实时性和精确性都非常高的电源控制系统。
关键词：TMS320F2812,晶闸管,整流电源,现场控制单元,等离子体
参考文献
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
[2]孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京:清华大学出版社,2008.
等离子切割机半桥逆变电源的设计 篇3
金属热切割方法主要包括火焰切割、等离子切割和激光切割。相较于火焰切割，等离子切割具有操作简便、速度快、质量高、范围广等优点。相较于激光切割，等离子切割具有成本低、厚度大、耗材省、性价比高的优势。上世纪80年代左右，等离子切割技术从国外引入中国市场，经过几十年的发展，国内科研院所和企业逐渐掌握了等离子切割技术，但更多的是以引进国外核心部件为主，并在此基础上进行二次开发。因此，真正实现等离子切割机国产化还需更多投入。等离子电源大致分为以下几类:硅整流电源、晶闸管整流电源、高频逆变电源和高频斩波电源。随着等离子切割技术向高精度、智能化、标准化、模块化趋势发展，逆变电源和斩波电源逐渐成为当前主流。斩波电源适用于大功率场合，效率较高，设计简单，易于模块化，但为了降低开关损耗，开关频率一般不大于10 k Hz，因此需要体积庞大的平波电感，而且需要采用笨重的三相降压变压器。逆变电源适用于中小功率场合，具有体积小、效率高、成本低的优点。
在引弧方面，等离子切割包括接触式和非接触式。接触引弧一般采用高频引弧，通过高频高压击穿喷嘴与电极之间的气体间隙，从而得到等离子电弧。高频引弧成功率高，但对周围环境构成高频干扰。非接触引弧又称短路引弧，先将喷嘴和电极进行短路，形成短路电流，再利用气体将喷嘴和电极吹开，从而形成电弧。短路引弧成本低，干扰小，适用于低成本、中小功率场合。
在功率电路方面，相比全桥逆变式DC-DC变换器，半桥逆变式DC-DC变换器具有结构简单、控制方便和成本低廉的优点，适用于中小功率等离子切割机的应用场合。在控制电路方面，国内等离子切割机一般采用模拟控制电路，国外大多采用数字控制电路。数字控制电路相对较复杂，但拓展性强、易于二次开发，是等离子电源发展的方向。在控制方法方面，等离子切割电源一般采用电流闭环控制。也可以增加电压环，形成双闭环控制，使系统更加运行平稳，顺利由引弧阶段过渡到切割阶段[1]。本设计基于中小功率等离子切割机应用，采用短路引弧和半桥逆变电源电路，支持输出电流范围35 A～115 A，具有较高的电流精度。
1 整体方案与工作原理
1.1 弧转移过程
等离子电弧为直流电弧，根据气体放电理论，典型直流电弧的伏安特性如图1所示[2]。
等离子切割过程可以分为以下五个阶段:瞬时短路阶段、吹弧阶段、弧转移阶段、弧稳定阶段和熄弧阶段[3]。
切割开始时，割炬电极和喷嘴相接触，形成短路回路，控制短路电流维持恒定，此阶段为瞬时短路阶段;此后打开气路，通过压缩空气将电机和喷嘴吹开，拉出电弧，为吹弧阶段。瞬时短路阶段和吹弧阶段分别对应图1的DE段和EF段，使喷嘴和电极间电弧工作在一个稳定可自持的放电特性区域。
随着电弧被吹出喷嘴，接触工件，工件和电极间形成回路，此阶段称为弧转移阶段，对应图1中FG和GH段，为使工作电弧平稳地由辉光放电进入电弧放电，可增大工件和电极间电压或减小工件和电极间距离，以提高工件和电极间电场强度。
当工件和电极间回路形成后，通过控制维持工件和电极间电流稳定在设定电流值，此阶段为弧稳定阶段，对应图1中HK段，此阶段电弧较稳定，可利用Steenbeck-Raizer通道模型进行定性分析[4,5,6]。
需要停止切割时，电弧根据设定流程逐步降低直至熄灭，此阶段称为熄弧阶段，对应图1中由K点反向恢复至DEF段。由图1可知，在反向恢复过程中，电流由电弧放电阶段下降至辉光放电阶段时，会产生电压尖峰，对系统产生过压冲击，在电路设计中需要特别注意。
以弧转移过程为基础，根据状态机编程思路，得到总体控制程序架构如图2所示。
1.2 电路拓扑与工作原理
功率电路采用半桥逆变DC-DC变换器，如图3所示，包含网侧滤波电感、三相工频二极管不控整流桥、半桥逆变电路、高频变压器、次级高频二极管不控整流桥、引弧支路和工件负载环节。
功率电路的核心部分是半桥逆变电路，其工作原理如下:
S1与S2PWM驱动信号占空比d(d<0.5)相同，相差180!，开关周期为Ts，可得到半桥逆变电路的四个开关状态:
状态1:0<t<d Ts,S1导通，S2关断，电容C2储能对高频变压器初级供电，产生电流并形成高频磁场，高频变压器的次级形成电压，经过平波电感形成电流，产生等离子弧柱。
状态2:d Ts<t<0.5Ts,S1、S2均关断，变压器初级电路经电容C3短暂续流后断流，变压器次级平波电感进入续流状态，通过整流二极管和切割工件构成电流回路，电流方向不变。
状态3:0.5Ts<t<(0.5+d)Ts,S1关断，S2导通，电容C3储能对高频变压器初级供电，产生电流并形成高频磁场，高频变压器的次级形成电压，经过平波电感形成电流，产生等离子弧柱。
状态4:(0.5+d)Ts<t<Ts,S1、S2关断，变压器初级电路经电容C2短暂续流后断流，变压器次级平波电感进入续流状态，通过整流二极管和切割工件构成电流回路，电流方向不变。
对于状态1和状态3，变压器初级电流方向不同，但对于次级负载表现一致，因此可以合并为一个状态a。类似地，状态2和状态4也可合并为状态b。假定高频变压器的变比为n∶1，状态a和状态b如图4所示。
2 实验验证
在上述理论基础上，进行仿真分析，并制作等离子切割机逆变电源样机实物如图5所示，包括控制电路、反激电源电路、显示与输入电路和功率电路等。额定输入电压380 V/50 Hz，额定输出功率16.8 k W，额定输出电压160 V，引弧电流20 A，额定输出电流115 A，开关频率24 k Hz，直流侧吸收电容2×3μF，直流母线电压波动幅度低于10%，额定负载电阻160/105Ω。控制器采用TMS320F28335，半桥逆变电路IGBT选用SKM300GB126D，驱动器采用HCPL-316J;引弧IGBT选用1MBI100U4F-120L-50，驱动器采用HCPL-312。气控电路采用SMC公司生产的流量精密减压阀VEX1133-02N-X259和两个微型三通电磁阀V124-5MOU-X255相互配合。
当输出电流为115 A时，等离子切割机逆变电源工作时序如图6所示，图中A踪为电弧电压波形，B踪为引弧IGBT驱动电压波形，C踪为等离子切割机输出电流波形，即工件负载电流波形，D踪为引弧电流波形。电源输出时序与预期时序一致，满足等离子切割机的工作需求。
工件负载输出电流纹波部分如图7所示，输出额定电流115A，纹波峰峰值约为12 A，纹波电流峰峰值为额定电流10.4%，满足设计要求，电流纹波频率约为48 k Hz，即为单个逆变IGBT开关频率的两倍。电流纹波与负载轻重、开关频率大小以及平波电感大小有关。
3 结束语
采用半桥逆变DC-DC变换器，实现了输出直流电流35 A～115 A连续可调的等离子切割机电源装置，短路引弧方式的引弧成功率在98%以上。分析了半桥逆变DC-DC变换器的小信号模型，根据弧切割过程设计了总体控制策略，给出现场实测波形。结合显示与输入模块、过热保护、过压保护、桥臂电压失衡保护构成了完整的数字化等离子切割机电源，实际切割效果达到国外同类产品水平。
参考文献
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[2]杨津基.气体放电[M].北京:科学出版社,1983.
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[4]孙强,刘延明.逆变式空气等离子切割机低频引弧技术的研究[J].电力电子技术,2011,45(7):121-123.
[5]李强.半桥逆变弧焊电源系统建模和仿真技术研究[D].青岛:青岛大学,2007.
等离子体电源 篇4
近期细颗粒PM2.5造成了严峻的大气环境污染，影响着人们的正常生活和工作[1]。PM2.5颗粒直径小，活性吸附强，面积较大，很容易携带有害物质和有毒物质，而且这些有毒有害物质在大气中传播距离远、停留时间长。由于这些细颗粒物的直径越小，则进入人体呼吸道的部位越深。直径10μm的颗粒物一般附在气管的上呼吸道，而直径2μm以下细颗粒物则可以深入到细支气管和肺泡，然而这些细颗粒物进入人体肺泡后，将直接影响人体肺的通气功能，使身体更容易处在缺氧状态[2]。同时氮和硫的氧化物还可以转化成PM2.5，然而这些气体污染物主要是燃烧垃圾和燃烧化石造成的，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大[3]。因此，首先迫切需要寻找一种经济、实用、高效、环保的无害化处理，真正地实现室内的空气净化。近年来利用低温等离子体进行净化空气的技术获得越来越广泛的重视，已成为等离子体和环境科学领域研究的热点问题之一[4]。
等离子空气净化装置主要由整机结构、风道及气流控制、等离子系统和辅助系统组成。而具有高频高压的等离子特种电源是空气净化装置系统中最核心内容之一。这里重点介绍了一种新型等离子体特种电源，实现了可靠的保护性能和稳定的控制性能。本等离子特种电源具有效率高、体积小和稳定性强等优点[5,6]。
1 电源主电路设计
等离子空气净化装置电源是一种满足低温等离子体净化空气的特殊要求和相应的技术指标的软开关电源。等离子特种电源系统主电路结构主要由控制电路、功率电路和辅助电路等组成。等离子特种电源系统的硬件基本组成电路如图1所示。
电路工作原理：电源接入三相交流电，经过整流模块滤波之后将得到直流电压，然后通过全桥逆变器将直流电压转变成高频交流电压，高频电压经过LCC串并联谐振模块，使电路增强抗短路的能力，以此来降低轻载时电路谐振电流的峰值，在通过输出整流滤波电路，将高频交流电压整流滤波后得到高品质直流电压，最后经过等离子反应器。采样信号通过采样电路及直流电压电流采样调整电路输入给DSP控制器，从而形成负反馈[7]。
2 电源控制系统设计
等离子体空气净化处理过程中气体种类、进气速度等因素与等离子弧中等离子体能量密度相关，为达到较好的空气净化效果，电源负载的变化要求产生的等离子的能量密度在一定的范围内是可以调节的，显然地，这种调节在量上反映为等离子空气净化处置电源的功率可调。同时，在空气净化处置过程中，还应考虑到电网电压波动的影响，结合以上所述因素（气体种类、进气速度），负载的谐振频率将会发生变化，这会导致等离子特种电源性能的不稳定。如果在开环状态下电路工作，这样随着电源负载的变化，使电路工作频率偏离工作点，等离子特种电源难以达到稳定的要求。故而本文采用闭环控制，会对电源负载频率进行有效跟踪，使等离子特种电源电路工作在谐振状态。
2.1 电源逆变电路方案研究
在逆变电源技术中，逆变器及其控制是其核心。逆变器的拓扑结构设计是研究逆变器及其控制的第一步。由于等离子负载特性比较特殊，需选择与之匹配的逆变方案进行研究和分析。等离子空气净化装置电源是根据气体处理系统的特殊性将技术指标定为：输出电压为15～75 kV可调；工作频率为10～35 kHz可调；功率为10～50 kW。由于等离子电源有高频高压的特性，高电压、小电流是串联谐振变换器固有特性，而低电压、大电流是并联谐振变换器的一大特点。所以在串联谐振支路中添加并联谐振元件或者在并联谐振支路中添加串联谐振元件组成含两个以上谐振元件的串并联谐振变换器。
LCC串并联谐振变换器主电路拓扑结构如图2所示。通过与单一的串联谐振电路相比，串并联谐振电路在原有电路基础上多了一个并联电容Cp,Cp为变压器寄生电容折算到原边侧的并联谐振电容，而图2中Lr为变压器漏感与谐振电感折算到原边侧的电感；Cr为外加串联谐振电容。
根据并联谐振电容Cp上的初始电压是否被变压器二次侧输出电压箝位，电路稳态工作时将存在两种谐振状态，即LC与LCC两种谐振状态。根据SW1/SW4（或者SW2/SW3）导通瞬间，判断并联谐振电容Cp上的电压是否被变压器二次侧输出电压-Vo箝位，在谐振电流不连续情况下电路的工作模式分为DCM-1和DCM-2两种。通过与串联谐振电路的比较，由于存在着并联谐振电容，这样使得串并联谐振电路的谐振过程和谐振参数、输入电压和输出电压之间有着千丝万缕的关系。并联谐振电容对于串并联谐振电路中的电气特性，并联谐振电容有着十分重要的影响。
2.2 电源的负载频率跟踪控制研究
等离子体空气净化装置电源如工作在准谐振状态，跟踪负载频率是很有好处的，下面给予分析：
本文中等离子体空气净化装置电源采用介质阻挡放电（DBD）形式，DBD一般都是电容耦合型的放电形式，其反应器可等效为一个非线性电阻和电容的并联。作为放电激励的等离子体电源含有升压变压器，因此等离子体电源与反应器构成了一个含有电感、电阻和电容的网络，在一定的电源频率下必然发生谐振。介质阻挡放电是由很多流光放电所聚集形成的，根据不同的气体种类，这些流光放电可持续几纳秒至几百纳秒不等，如果当DBD系统不发生谐振振荡时，DBD反应器中流光放电的数量会随着激励频率的提高而增加，媒质气体的电离程度会随着激励频率的增加而增强。而如果在应用频率范围内，DBD系统存在某一谐振频率，在相同激励电压条件下，在谐振频率之后DBD中媒质气体的电离程度将不会随激励频率的增加而增大，反而会出现相反的结果，这是因为在激励频率远离谐振点时，DBD上获得的电压远远小于谐振时的电压，所以说DBD系统的谐振对高于谐振频率时反应器放电性能的影响是不利的，因此，必须设法提高DBD系统的固有谐振频率。
等离子空气净化过程中由于进气速度、气体种类及电网电压波动等诸多因素都会严重影响等离子弧的不稳定性，进而会使等离子特种电源负载频率会发生变化。等离子特种电源在介质阻挡放电过程中，如果在开环状态工作下的电路，随着等离子电源负载的变化，电路工作频率会偏离工作点，输出功率与要求不符合。而对等离子体电源系统动态稳定性要求很高，所以本净化装置采用闭环控制，对等离子特种电源负载进行频率跟踪，使电源电路一直工作在谐振状态，保持系统的稳定性。
为了实现等离子负载频率的动态跟踪，这里介绍了锁相环跟踪控制技术[9]。
锁相就是相位同步的自动控制，而锁相环的意义是能够完成相位同步的两个电信号自动控制的闭环系统，简称PLL。其原理图如图3所示。锁相环是由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组成的闭环电路。鉴相器用来鉴别输入信号与输出信号之间的相位差，同时输出误差电压，低通滤波器会把误差电压中的干扰成分滤除，同时形成压控振荡器的控制电压。压控振荡器是把输出振荡频率拉向环路输入信号频率，如果当两者频率信号相等时，将锁定电路环路，称为入锁。
传统锁相电路是以集成锁相环为核心的模拟电路，主要对负载的电流进行频率动态跟踪，有频率跟踪范围较窄、动态响应较慢、死区时间难以实现、可靠性较差等缺点。根据以上缺陷，本文采用基于DSP实现的锁相环技术。
实现的具体思路为：通过改变PWM驱动频率即改变PWM载波周期寄存器TPR的值，来改变逆变电路输出的电压、电流的相位差，这里分两种情况讨论：
(1）如果负载电压超前于负载电流，则负载呈感性，即负载驱动频率大于负载谐振频率，此时需要减小驱动PWM的频率。
(2）如果负载电流超前于负载电压，则负载呈容性，即负载驱动频率小于负载谐振频率，此时需要增大驱动PWM的频率。
通过不断变化的PWM驱动频率，即改变PWM载波周期寄存器TPR的值，可以实现逆变电路输出电压频率和输出电流频率的一致[8,10]。
3 系统仿真与实验
本文介绍了锁相的原理，并基于DSP进行了数字锁相环的设计，利用Matlab进行建模，对频率跟踪电路进行仿真。本文设计出输出电压15～75 kV可调，工作频率10～35 kHz可调，功率10～50 k W的低温等离子体空气净化装置。如图4所示给出的电源工作频率为20 kHz时电压电流的波形。其中x轴表示时间：20μs/div;y轴表示电压：10 kV/div，电流：0.5 A/div。
结果表明，等离子体空气净化装置电源的样机设计是合理的、成功的和稳定的。
4 结语
通过实验仿真结果可得，这里利用DSP芯片完成负载频率变化的有效跟踪和对逆变过程的可靠控制。此研究成果已成功投入到市场运行，具有很好的发展前景。
摘要：近期PM2.5细颗粒雾霾造成了严峻的大气环境污染,引起了社会广泛的关注。针对此问题,研究一种新型高频高压等离子体电源去除雾霾装置,通过打断有害物质化学键的方式,从根本上起到净化空气的作用。对等离子电源负载端的稳定性进行研究,基于DSP的锁相环设计,实现对负载频率的有效跟踪,使电源工作于功率因数约为1的准谐振状态,从而大大提高系统的动态性能和稳定性能。
关键词：等离子体,高频高压电源,频率跟踪控制,锁相环路
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