应用于污泥处理的等离子体动态匹配电源的研究

胡晨 赵龙章 高升

关键词： 污泥处理; 等离子体电源; 动态匹配; 整流电路; Matlab仿真; 电路设计

中图分类号： TN86?34                       文献标识码： A                          文章编号： 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，通过等离子体技术处理污泥的方式越来越受到广泛的关注，已成为近几年等离子体和环境科学领域研究的一大热点[1]。等离子体系统包括：等离子体电源、等离子体反应器，而等离子体电源作为等离子体系统的核心部件之一。由于传统的等离子体处理污泥过程中，污泥的含水量和进料速度等因素会对负载动态参数产生影响，使负载的谐振频率发生变化，导致等离子体电源的效率下降，等离子体密度不够，从而影响到污泥处理的效果[2]。因此本文旨在研究一种能够使用高效，稳定工作的动态匹配电源系统。

1  电源总体方案

本电源采用逆变型功率放大电路，根据电源系统指标，确定电源的主电路结构，其系统框图如图1所示。该系统主要由整流滤波电路、DC/DC电路、逆变电路、高频变压器、匹配电路、控制电路等部分组成。

电网中输出380 V交流电，经由整流桥后获得脉动直流电，滤波后得到稳定的直流电，直流电压可通过DC/DC电路的输出电压调节，再输入逆变电路得到低压交流电，通过变压器隔离、升压得到符合等离子体反应器工作要求的交流电，经过动态匹配网络流向等离子体反应器供电来产生等离子体。同时，为了保证负载始终处于谐振状态，利用DSP数字信号处理器，通过采集负载电压、电流信号的幅值和相位，及时调节逆变电路的输出频率，使电源频率跟随等离子体反应器频率。

2  基于DSP的等离子体电源系统设计

2.1  主电路硬件设计

根据对等离子体的产生机理，研究相关理论，并结合污泥处理系统的实际应用要求，最终确定了电源的设计要求，主要有以下几点：输入电压工频380 V;最大输出功率5 kW;频率15～25 kHz可调;输出最大电压3 kV。

等离子体污泥处理电源主电路由三相不可控整流电路、Buck型斩波电路、全桥逆变电路和变压器构成。三相交流电经桥式不可控整流电路后变成脉动的直流电压，在滤波电容的作用下，直流电压变得平滑，然后进入Buck型斩波电路进行电压调节来实现调功目的。斩波调节后的直流电经过单相全桥逆变电路逆变成高频交流电压，此高频交流电经过隔直电容后送入高频变压器升压隔离后带动负载，负载中的反应器在高频交流信号激励下产生等离子体。为了保护功率开关管，在逆变电路中每个开关管两端都并联了阻容吸收电路[3]。主电路图如图2所示。

2.2  控制系统硬件设计

控制系统以TI公司的TMS[320]LF[2812]为控制芯片，以DSP为核心的硬件电路，首先传感器收集反应系统两端的电压和电流信号，将采样获得的电压、电流信号输入到调理电路中，经过A/D转换后，通过DSP处理，经过芯片的内部运算，经过隔离驱动后送给步进电机和全桥逆变电路，实现匹配电感的可调和电源输出频率实时跟随反应器谐振频率的功能。

2.2.1  DSP芯片电源电路设计

本设计采用低压降且双电压输出的电压稳压芯片TPS[767]D[318]，输出两路电压，分别为[5] V/[3.3] V，[5] V/[1.8] V，供给I/O端口和内核[4]。DSP电源电路如图3所示。

在稳压芯片TPS[767]D[318]的输入端并联了两个电容，滤除输入电压的干扰，其中10 μF的钽电解电容滤除低频干扰，0.1 μF的陶瓷电容滤除高频干扰;芯片输出端加入了LC滤波电路，减小了电源输出的纹波。当输出电压低于稳压芯片TPS[767]D[318]的门限电压时，复位（RESET）引脚为低电平，进入复位处理。

2.2.2  IGBT驱动电路设计

IGBT驱动电路位于主电路和控制电路之间，主要实现对DSP控制器的控制信号的隔离、放大，进而驱动IGBT开通与关断[5?6]。其主要根据IGBT开关管的型号来设计，不同型号的IGBT开关管，栅极的耐压值也有所不同。IGBT驱动电路如图4所示。

由圖4可知，本电源选用的是IR公司的IRFP460A。在Q1和Q3放大后，芯片的输出脉冲为PWM信号，变压器耦接到辅助侧驱动IGBT。限制驱动峰值电流由R6来实现，保证CGS处在无电压状态是由R8来实现，R8主要是参与静态放电，以防止IGBT长期处于导通状态。

2.2.3  采样电路设计

TMS[320]LF[2812]芯片内A/D采样输入的电压范围为0～3 V，通过模拟采样电路，对采集信号进行适当的转化，转变成DSP需要的信号，避免过高或过低的信号进入DSP芯片，损毁芯片[7]。由于等离子体电源电压为3 kV，采用温度系数比较低，耐压值高的精密电阻，按1∶10的比例将电压控制在300 V以下，电压信号由霍尔电压传感器采样转换为[0～20] mA电流信号，再由[IV]转换电路转化成[0～3] V模拟电压，电压信号采样电路如图5所示。

2.3  DSP数字化控制器软件设计

2.3.1  控制系统主程序设计

等离子体污泥处理装置的电源控制系统主程序第一步是系统初始化，然后判断读取的参数是否有效，当读到数据有效时，系统开始调用BP神经网络算法子程序，预测可控电感的值，输出环形脉冲信号控制步进电机。再调用搜索最大电流频率跟踪程序，通过控制芯片输出相应的控制信号，实时得到PWM波的占空比来驱动逆变电路[8]。图6给出等离子污泥处理装置的电源控制系统主程序流程图。

2.3.2  A/D采样程序设计

A/D采样是为电源系统提供各种反馈量的程序，并且这些反馈量是DSP[2812]可以直接进行计算、处理、使用的数字量，用它将电压电流信号经过采样、保持、量化之后转换为数字量送到寄存器中存储[9]。其工作过程为：由定时器发出中断信号，A/D采样程序开始工作，先将采集的量经过A/D转存到结果寄存器当中，再将结果从结果寄存器中读出，然后计算采样的平均值并存储，最后调用控制子系统，输出电路的驱动信号。A/D采样主程序如图7所示。

2.3.3  PWM生成程序设计

在主程序调用PWM生成子程序后，初始化全局变量，DSP芯片中A/D模块将采集的电压电流值与寄存器中给定值比较，再进行数据处理，给各寄存器赋值，系统产生PWM波。PWM波生成和输出子程序流程如图8所示。

3  仿真结果与分析

3.1  等离子体污泥处理电源系统仿真模型

根据前文设计的主电路拓扑结构和参数，利用Matlab/Simulink中的电气系统库，选取合适的元件搭建等离子体污泥处理电源系统[10?11]，对电源的性能进行仿真验证，仿真模型如图9所示。

3.2  仿真分析

本节研究等离子体电源的输出频率与匹配电感量对等离子体反应器谐振特性的影响。电源的输入为工频380 V的电压，经过整流滤波电路得到幅值约为500 V的直流电压，由于在仿真中省去了整流模块，直接采用500 V直流电作为输入电压。设定等效电路参数[Cm=45 nF]，[Lm=1.5 mH]，[Rm=250  Ω]，[C0=33 nF]，此时等离子体反应器的串联谐振频率为20 kHz。可以计算得到匹配电感L=1.03 mH 。

匹配电感合适且电源频率与负载频率相同时的电压电流波形如图10所示。

从图10中可以看出，等离子体反应器两端电压为方波，电流非常接近正弦电流，电压电流波形同相位，等离子体反应器工作在谐振状态。电压波形幅值约为400 V，在开关管的开通和关断时刻有一定的尖峰电压，但其值远小于IGBT管的耐压值，能够安全稳定的工作。电流波形的幅值约为5 A，周期为0.000 05 s与串联谐振频率20 kHz一致。

图11为匹配电感量减小后，通过改变电源的工作频率使等离子体恢复谐振时的电压电流波形。从图可以看出，当匹配电感量偏移后，反应系统谐振时的负载电流小，其幅值只有3 A，且谐振频率增大，为21.3 kHz。通过仿真波形再次表明，在进行频率自动跟踪之前应先将匹配电感量调到合适的位置。

图12为匹配电感量合适但电源的输出频率大于等离子体反应器的串联谐振频率时负载的电压电流波形。此时负载呈感性，这与图中电压波形相位超前电流波形相一致。图12中电流幅值只有2 A，说明等离子体电源的工作频率偏离时，等离子体反应器的等效阻抗变大，负载电流变小。这也说明搜索最大电流进行频率跟踪的方法是有效的。

4  结  语

本文重点研究了污泥处理装置中的等离子体电源的动态匹配功能。通过Simulink对等离子体污泥处理电源系统进行仿真，验证了电源系统的正确性、高效性和稳定性以及本文采取的动态匹配算法的有效性。

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