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大功率介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生電源系統(tǒng)

發(fā)布時間:2012-12-30 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】本文研制和開發(fā)了大功率介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生電源系統(tǒng),通過一系列實驗室和現(xiàn)場工程試驗,獲得了電源運行特性和穩(wěn)定工作條件,進行了長期運行輸出功率20~30kW、最大輸出功率約80kW的工業(yè)試驗,實現(xiàn)適用介質(zhì)阻擋放電的百千瓦級電源的工業(yè)應(yīng)用,掌握了此類大功率電源的設(shè)計和制造核心技術(shù)。

介質(zhì)阻擋放電(DBD)最早起源于對臭氧發(fā)生及其應(yīng)用技術(shù)的研究。近二十多年來,由于工業(yè)等離子體化學(xué)合成與分解、環(huán)境污染治理等方面的需求,同時又由于材料科學(xué)和電力電子技術(shù)等相關(guān)學(xué)科也取得了較大的發(fā)展,因此促進了對介質(zhì)阻擋等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)的研究,并很快成為低溫非平衡等離子體研究的熱點之一。
  
介質(zhì)阻擋等離子體裝置作為一個由反應(yīng)器、電源、媒質(zhì)氣體等組成的系統(tǒng),通常要在適當(dāng)?shù)臍怏w流量、氣體壓力、濕度和一定的電源電壓、頻率條件下工作,電源是給放電裝置提供能量的重要組成部分,亦是關(guān)鍵技術(shù)。
  
電源工作原理與技術(shù)要點
  
介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生器電源自上個世紀(jì)以來隨著電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和材料技術(shù)等相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展,經(jīng)歷了工頻(50/60Hz)、中頻(幾百至幾千Hz)和高頻(>10kHz)三個階段,高頻高壓串聯(lián)負(fù)載諧振式電源是目前主要發(fā)展方向。本文研制大功率電源的主電回路亦采用高頻高壓串聯(lián)負(fù)載諧振式工作方式,其諧振式控制采用電流過零關(guān)斷形式。
  
1)介質(zhì)阻擋等離子體串聯(lián)諧振式電源工作原理
  
Hideaki Fujita和Kazuyuki Ohe分別設(shè)計了用于介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)的脈沖密度控制電源和用于臭氧生產(chǎn)的時控逆變電源。電源的電壓和頻率是兩個重要參數(shù),研究電壓和頻率對放電性能的影響的報道也很多,但在激勵電源變壓器參數(shù)與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)相匹配方面的研究還未見報道。由于介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)中存在具有感性的電源變壓器和具有容性的介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器,實際上構(gòu)成了一個R、L、C串聯(lián)電路系統(tǒng),該系統(tǒng)必然存在一個固有諧振頻率,并會影響到介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)的頻率特性,進而影響介質(zhì)阻擋等離子體的放電性能。因此,對介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)諧振問題的研究對于提高系統(tǒng)放電性能參量具有十分重要的意義。
  
本文采用串聯(lián)諧振式電源,其主回路如圖1所示,線框I代表的是串聯(lián)逆變供電電源,其中整流二極管VDZ1~VDz6組成三相不可控整流,和濾波電感L和儲能電容C1、C2共同形成逆變電路輸入的直流電壓VD1;IGBT的VT1~VT2和快恢復(fù)二極管VD1~VD2構(gòu)成半橋逆變電路;線框II是電流過零關(guān)斷諧振控制電路,由霍爾電流傳感器TFI檢測信號,輸入諧振控制器CTRL,CTRL產(chǎn)生IGBT控制信號,輸入IGBT控制極;線框III為阻擋介質(zhì)反應(yīng)器等效電路,其中Cd和Cg分別為未放電時介質(zhì)和氣隙等效電容,VDZ為擊穿電壓為Uz的等效雙向穩(wěn)壓二極管。TF為高頻升壓變壓器。

適用介質(zhì)阻擋等離子體串聯(lián)諧振式電源的主回路
圖1:適用介質(zhì)阻擋等離子體串聯(lián)諧振式電源的主回路

2)串聯(lián)諧振式控制與電流過零關(guān)斷
  
高頻高壓串聯(lián)負(fù)載諧振式電源的主要控制方式有:率因數(shù)調(diào)節(jié)PFR(Power FactorRegulation),PFR控制靠改變驅(qū)動信號與反饋電流Ui的相位來調(diào)節(jié)輸出功率;脈沖密度調(diào)制PDM(ulse Density Modulation),PDM控制通過對逆變器的開關(guān)脈沖進行間斷控制,調(diào)節(jié)輸出脈沖密度的大小,以達到功率調(diào)節(jié)的目的;移相控制一脈沖寬度調(diào)制PSC—PWM(hase ShiftingContr0l-PWM),PSC-PWM控制將基本橋臂的驅(qū)動信號與反饋電流Ui同相位,再使移動橋臂驅(qū)動信號超前或滯后基本橋臂驅(qū)動信號一個相角。
  
但是,上述串聯(lián)負(fù)載諧振式電源控制方式都存在電子開關(guān)損耗大,影響電子開關(guān)安全使用的問題,電子開關(guān)的損耗隨著頻率增大成比例增加,限制了功率提高。為提高開關(guān)功率,降低開關(guān)損耗,減小電源體積,本文采用準(zhǔn)諧振電流過零的軟關(guān)斷技術(shù),有效地降低伴隨著高頻化帶來的損耗,突破大功率IGBT模塊的長期工業(yè)化安全使用難題。
  
本文采用的準(zhǔn)諧振電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷方法,工作原理如下:
  
圖2是研制電源TFI測量主電流IL曲線,一個諧振工作周期分為t0~t2:兩個工作區(qū)間。區(qū)間l(t0≤t<t1),t0前VT2導(dǎo)通,t0時刻IL過零,控制回路檢測到過零點時,VT2零電流關(guān)斷,實現(xiàn)所謂“過零關(guān)軟關(guān)斷”,此時VT1尚未導(dǎo)通,電流通過VD1向電源反饋能量;t0后控制信號在t0時刻驅(qū)動VT1導(dǎo)通。區(qū)間2(t1≤t<t2),到t1時刻,電流IL再次過零,控制信號在t1時刻驅(qū)動VT1零電流關(guān)斷,然后驅(qū)動VT2導(dǎo)通;工作至t2時刻IL再次過零。t2~t3~t4時段,電路進入下一周期的循環(huán)。由于是控制回路檢測到過零點時驅(qū)動開關(guān)關(guān)斷導(dǎo)通和開關(guān),主回路的工作頻率fs取決于主回路的諧振參數(shù),選取適合的主回路參數(shù),將諧振頻率限制在16~30kHz,對于大電流IGBT安全工作是非常必要。

電流過零諧振式電源主回路工作電流波形圖
圖2:電流過零諧振式電源主回路工作電流波形圖

等離子體發(fā)生電源工業(yè)運行特性
  
本文研制電源是為大型介質(zhì)阻擋放電負(fù)載配套,運用于等離子體煙氣脫硫脫硝工業(yè)裝置。在一系列工業(yè)試驗和運行中,本電源系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定、可靠,達到了工程研制目標(biāo),表現(xiàn)出優(yōu)秀特性。
  
如圖3所示,整個大功率電源實際工業(yè)系統(tǒng)的組成如下:三相380V工頻交流電源,先經(jīng)過隔離變壓器,再經(jīng)三相調(diào)壓變壓器降壓至工作電壓,輸入高壓高頻發(fā)生電源,產(chǎn)生的高壓高頻電流加載在由板一板電極結(jié)構(gòu)組成的介質(zhì)阻擋放電負(fù)載上。

大功率電源實際工業(yè)系統(tǒng)組成簡圖
圖3:大功率電源實際工業(yè)系統(tǒng)組成簡圖

隔離變壓器輸入和輸出均為380V,隔離變壓器的主要作用是:保證后續(xù)電路與供電主回路的隔離以免受到主回路中比較大的電壓、電流特性變動的影響,達到后續(xù)電路的穩(wěn)定性,同時防止高壓脈沖電源對主回路的影響,防止造成電源污染,提高整個一二次電路的安全性和可靠性。三相調(diào)壓變壓器通過輸出電壓調(diào)節(jié),控制電源系統(tǒng)的功率輸出,本電源系統(tǒng)使用的機械式調(diào)壓變壓器,也可很方便的采用電子調(diào)壓方法。阻擋介質(zhì)放電負(fù)載為多個板一板電極結(jié)構(gòu)負(fù)載的并聯(lián),為一般大功率阻擋介質(zhì)放電負(fù)載形式。
  
1)電源過零開關(guān)軟關(guān)斷運行特性
  
是否真正實現(xiàn)電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷,是串聯(lián)負(fù)載諧振式電源能否長時間可靠工作的關(guān)鍵,特別在電源大功率工作狀態(tài),實現(xiàn)電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷尤為困難和重要。
  
本文對電源在現(xiàn)場實際運行狀態(tài)進行了主電流IL的測量,獲得了大功率下電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷特性。電源高壓高頻電源產(chǎn)生并輸出幾萬伏的高頻電壓,輸出端為一個高電壓電極接反應(yīng)器負(fù)載正極,另一端負(fù)極接反應(yīng)器負(fù)載負(fù)極,負(fù)極必須可靠接地。負(fù)極上串有互感器(見圖3),互感器的輸出信號由數(shù)字示波器觀察并記錄如圖4,這樣可由示波器觀察到放電回路中波形變化。  

串聯(lián)負(fù)載諧振電源輸出電流和電流過零軟關(guān)斷特性
圖4:串聯(lián)負(fù)載諧振電源輸出電流和電流過零軟關(guān)斷特性

由于實際諧振電源控制電路在電流過零關(guān)斷驅(qū)動IGBT時存在誤差,產(chǎn)生瞬時脈沖震蕩不可避免,驅(qū)動誤差越小則脈沖震蕩越小,脈沖震蕩小,電源電子開關(guān)IGBT工作安全性就高。圖4和圖2中的波形毛刺就是IBGT驅(qū)動關(guān)斷誤差形成的脈沖震蕩電流,它表明在大功率工作狀態(tài)下,本文研制的電源系統(tǒng)在電流過零關(guān)斷控制串聯(lián)負(fù)載諧振方面,達到了很高的技術(shù)水平,完全保證電源大功率狀態(tài)下長時間連續(xù)工作的要求,結(jié)果令人滿意。
  
2)電源變負(fù)載自適應(yīng)運行特性
  
本文研制電源系統(tǒng)的又一重要特點時變負(fù)載自適應(yīng)運行特性,這一優(yōu)點對工程應(yīng)用尤為重要。眾所周知,實際工業(yè)負(fù)載很難做到非常穩(wěn)定,特別是大功率負(fù)載尤其如此。
  
所謂變負(fù)載自適應(yīng)運行特性是指電源的諧振控制系統(tǒng)并不固定系統(tǒng)諧振頻率,系統(tǒng)諧振頻率是由系統(tǒng)中存在具有感性的高頻變壓器和具有容性的DBD反應(yīng)器負(fù)載所決定,它們實際上構(gòu)成了一個R、L、C串聯(lián)諧振電路。系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生變化時,系統(tǒng)諧振頻率亦發(fā)生變化。本文研制電源諧振控制電路是通過檢測主諧振電流實現(xiàn)電流過零軟關(guān)斷控制,因此,諧振控制與負(fù)載特性無關(guān),從而實現(xiàn)電源的變負(fù)載自適應(yīng)運行特性。
  
在本文研制電源系統(tǒng)的工程運用試驗中,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的負(fù)載不穩(wěn)定,濕度對負(fù)載電氣特性產(chǎn)生不良影響。在不同天氣情況下進行了系統(tǒng)的負(fù)載測試,顯示系統(tǒng)負(fù)載的電阻特性發(fā)生很大變化,從1.56MΩ~200.0MΩ。電源系統(tǒng)的在負(fù)載變化情況下,運行諧振頻率相應(yīng)變化,運行結(jié)果見圖5。

負(fù)載保護對電源諧振頻率的影響
圖5:負(fù)載保護對電源諧振頻率的影響

3)大功率長時間工業(yè)運行特性
  
大功率諧振電源啟動是發(fā)生電子開關(guān)IGBT燒損事故最危險時刻,諧振啟動過程的良好設(shè)計是研制電源的第一個關(guān)鍵問題,本文研制電源系統(tǒng)很好解決了這一難題。
  
本文研制電源在配套的大型阻擋介質(zhì)放電負(fù)載上已經(jīng)過無數(shù)次啟動,至今為止尚未發(fā)生IGBT燒損現(xiàn)象,完全滿足工業(yè)應(yīng)用要求。
  
圖6是研制電源在大功率啟動過程的IGBT觸發(fā)信號和諧振主電流特性曲線,主諧振回路經(jīng)過6~8個諧振周期,主諧振電流達到了穩(wěn)定工作電流,諧振電流包絡(luò)線增長平滑。

大功率電源諧振啟動過程主電流波形
圖6:大功率電源諧振啟動過程主電流波形

為了配合介質(zhì)阻擋放電DBD反應(yīng)器的工業(yè)試驗,本文研制電源進行了長期運行工作可靠性考核,包括48小時12~30kw電源連續(xù)運行無故障,至今為止累計運行數(shù)千小時無故障,整個電源系統(tǒng)性能狀態(tài)穩(wěn)定。
  
圖7是隨機采集的電源工作狀態(tài)諧振輸出電流Io的波形曲線,圖中(a)和(b)是分別在不同時間尺度200μs和1.0ms的波形描述。圖7(a)中出現(xiàn)的少量曲線毛刺說明:盡管采用電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷技術(shù),由于電子器件實際性能和大功率工作狀態(tài),仍然會出現(xiàn)少量瞬時電流震蕩脈沖,但不影響IGBT的安全工作。圖7(b)呈現(xiàn)的諧振電流包絡(luò)線波動現(xiàn)象,分析認(rèn)為是整個諧振系統(tǒng)電路中的約300Hz低頻因素造成。

大功率運行狀態(tài)時電源諧振輸出電流波形
圖7:大功率運行狀態(tài)時電源諧振輸出電流波形

針對本文研制電源,進行了不同功率運行的現(xiàn)場工業(yè)試驗,結(jié)果見表l。如前面所述,電源系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)是通過控制三相調(diào)壓變壓器實現(xiàn),在配套介質(zhì)阻擋放電DBD負(fù)載上,運行功率從l8kW至最大約80kW。由于本文板一板電極結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋放電負(fù)載所能承受過載電流能力的限制,60kW以上的工作功率試驗均只進行了短時運行,以防負(fù)載的阻擋介質(zhì)擊穿燒毀,基于同樣的原因,80kw以上的試驗未進行。

在表l的全部電源不同功率運行情況中,本文研制電源系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全,電源系統(tǒng)無任何故障或異常現(xiàn)象,說明本文研制電源的功率設(shè)計有很大的冗容,完全可能達到lOOkW甚至更大的工作功率。

表1:不同功率電源運行參數(shù)
不同功率電源運行參數(shù)

研制了大功率介質(zhì)阻擋放電串聯(lián)諧振式電源系統(tǒng),成功配套和應(yīng)用在大功率板一板電極阻擋介質(zhì)等離子體煙氣處理裝置,進行了長時間現(xiàn)場工業(yè)運行,研制電源系統(tǒng)運行穩(wěn)定、啟動安全,有很高的工程可靠性,掌握了此類大功率電源的設(shè)計和制造核心技術(shù)。
  
諧振電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷是實現(xiàn)此類阻擋介質(zhì)放電諧振電源大功率化的最佳方法之一,本文研究表明:該方法和技術(shù)非常有效的保證了電子器件IGBT的長期安全工作。
  
進行了18~80kW不同功率運行試驗,本文研制電源系統(tǒng)具有很大的工作功率冗容,能夠達到100kW級工作水平。
  
本文研制電源系統(tǒng)具有的變負(fù)載自適應(yīng)運行特性,使電源系統(tǒng)不但能夠運用于配套的煙氣處理介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器,而且可以廣泛應(yīng)用于包括臭氧發(fā)生器的一系列介質(zhì)阻擋DBD發(fā)生器負(fù)載,應(yīng)用前景廣闊。

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