基于MATALAB的静电除尘电源技术仿真

摘要：文中在对交流调压电路和不可控整流电路做出理论分析的基础上，给出了单相、三相静电除尘电源系统的数学模型，建立了基于MATL AB／Simulink静电除尘单相、三相电源的仿真模型，用Power System工具箱进行仿真，用实际试验验证了仿真效果，为高效静电除尘电源控制系统的研制提供了开发环境和打下了基础。
关键词：单相／三相交流调压电路；单相／三相不可控整流电路；建模；仿真

    近年来，随着科技的发展，治理工业粉尘污染的高压静电除尘器(EPS)冈除尘效率高、能耗低、维修管理方便等，越来越受到人们的重视。目前，在安全可靠运行的前提下如何提高除尘效率是静电除尘器的研究热点。高压供电电源是静电除尘器的核心部分，其供电方式、运行方式及其控制方式的不同，对静电除尘器的除尘效率和运行稳定性具有重要的影响。
    MATLAB软件以矩阵运算为基础，把计算可视化程序设计融合到一个交互的工作环境中，可实现工程计算、算法研究、建模与仿真等功能。  Power System是MATLAB软件中种针对电力系统的可视化建模与仿真的工具。Power System和Simulink同时使用将使一些复杂的、非线性的电力系统建模与仿真变得简捷。通过控制搭建成的除尘器电源系统的参数，可轻松实现对输出电压、电流的控制。对除尘器电源系统性能分析，控制策略，故障判断等有着重要的理论意义与工程实践意义。

1 除尘器电源系统模型
    高压静电除尘的原理是，在空间放置一组或几组间隔一定距离的金属极板，通以直流高压，维持一个足以使气体电离的静电场，当粉尘颗粒进入静电场后与气体电离产生的电子、阴离子、阳离子结合，带了电后的尘粒在电场作用下，向极性相反的电极运动，并在几秒钟内到达而沉积在电极上，以达到尘粒和气体分离的目的。

    晶闸管相控直流供电以其供电装置结构简单、容量大、投资少(原理图见图1)，是目前国内外普遍采用的传统静电除尘供电方式。交流调压电路通过两个反向并联的可控硅，控制高压变压器的一侧电压。硅整流变压器将电压升压整流为负高压作用于电除尘器的正负极。

2 除尘器电源系统仿真
    空气的击穿电压为72kV，工程上除尘器直流输出电压一般采用60～72kV电流为1～1．5A，本实验最大直流电压为72kV电流为1A，以获得最大的除尘效率。
2．1 单相电源除尘系统仿真
    搭建仿真系统如图2所示。单相电源除尘系统输入380V／50Hz，当触发角α=0°时，整流桥直流输出平均值电压Ud与整流桥交流输入有效值电压U2(变压器二次侧电压有效值)的关系为：Ud=0．9U2，当加至放电极与收尘极间平均电压Ud=72kV时，则u2=80kV所以加至两极间的最高峰值电压为Vp=1．414U2=113kV。据此可以算出变压器变比为：1：298，设置晶闸管参数Ron=0．001Ω，Lon=0H，Vf=0．8V，Rs=50Ω，Cs= 4．7e-6F。

    脉冲发生器模块Pulse1、Pulse2相位互差180°，通过改变各自的相位延迟时间控制交流电压输出波彤，进而控制整流侧输出电压。[!--empirenews.page--]

    单相调压控制角的移相范围是0°～180°，当控制角α=0°、60°、时整流器直流侧输出电压电流波形如图3、4所示，仿真输出与数学模型计算值一致验证了仿真系统的正确性。
2．2 三相电源除尘系统仿真
    搭建三相仿真系统如图5所示。电源输入是380V／50Hz三相相位互差120°的交流电，当触发角α=0°时，整流桥直流输出平均值电压Ud与整流桥交流输入有效值电压U2(变压器二次侧电压有效值)的关系为：Ud=2．34U2，当加至放电极与收尘极间平均电压Ud=72kV时，则U2= 30．78kV所以加至两极间的最高峰值电压为Vp=1．414 U2=43．5kV。据此可以算出变压器变比为：1：198，设置三对反并联的晶闸管参数Ron=0．001Ω，Lon=OH，Vf=0．8V，Rs=50Ω，Cs=4．7e-6F。

    为了保证电路能正常工作，应采用大于60°的宽脉冲或双窄脉冲的触发电路；为保证输出电压三相对称并有一定的调节范围，晶闸管的触发信号与相应的交流电源相序一致，三相的触发脉冲应依次相差120°，同一相的两个反并联的晶闸管触发脉冲应相差180°，触发脉冲顺序是VT1→VT→VT3→VT4→VT5→VT6，依次相差60°，通过改变Pulse Cenerator的移相控制端的大小进行调压控制。[!--empirenews.page--]

    三相调压控制角的移相范围是0°～150°，当控制角α=0°、60°、时整流器直流侧输出电压电流波形如图6、7所示，仿真输出与数学模型计算值一致从而验证了仿真系统的正确性。

3 实验
3．1 实验条件
    本实验借助基于dsPIC30F6014A高压静电除尘控制系统对MATLAB三相电源仿真波形进行验证性实验。实验主电路为天煌教仪电力电子实验平台，实验还涉及同步过零信号捕捉电路设计、脉冲发生器设计等。
    根据晶闸管导通条件的要求，晶闸管原件上所加的电压和控制极上所加的触发脉冲电压在相位上必须配合合理，否则晶闸管将无法正常导通，准确的对系统频率进行测量是实现跟踪采样、脉冲形成、产生限制保护从而使晶闸管正常触发的基础。原理图如图8。

    为了保证晶闸管的可靠工作，要求触发脉冲有很高实时性和很强的驱动能力，本实验采用宽脉冲方式触发。触发脉冲是由DSC的输出比较模块产生，移相和脉冲形成都由软件来实现，经过外部放大隔离电路输出至晶闸管。移相触发脉冲控制方式采用定时器作为计时标准，计算得到定时器的计数脉冲个数，当捕获到同步电压的上升沿时，启动定时器，当达到计数脉冲个数时，产生触发脉冲。
3．2 实验数据
    搭建好实验平台后我们对控制板能否完成需要的功能进行实验，主要包括是否能产生触发脉冲，一、二次侧电压是否满足数学模型要求等图9为主控界面，图10为参数设置界面。

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    在参数设定界面将二次电压设定为72kV探寻时间为5个周期开始试验，用示波器测得的晶闸管调压后的一次测电压曲线为图11所示，由于实验条件限制，存测量二次侧电压时我们首先使用了降压变压对电压进行了降低，再用小型整流器进行整流得出整流后曲线如图12所示。

4 结束语
    从仿真波形上可以看出输出相同直流电压值，单相电源是半个正弦波波动，三相电源是六个波头波动，很显然单相电源波动幅度比三相电源波动幅度要大，因此，三相电源电压更加稳定可靠；另外单相电源峰值Up为113kV远高于空气击穿电压72kV容易引起火花放电，除尘器本体不能长时间处于临界火化状态工作，从而降低了除尘效率，三相电源峰值Vp略低于击穿电压不容易引起火花放电且更容易满足控制策略的要求；单相电源调压电路中主要含有3次和3的整数倍次谐波，可使电网中线电流剧增造成电网的不平衡和电路功率因数的下降，三相星形调压电路中因为不含有中线且三相的3次和3的整数倍次谐波是同相位的不能在各相之间流动，因此，三相星形调压电路中没有此类谐波，对电网影响很小。从实际实验波形可以看出与三相仿真二次侧输出波肜一致，说明了利用MATLAB对除尘器电源系统进行仿真能真实的反应现场工况，为下一步高效率电源控制系统的开发提供了开发环境。