等离子体污水处理高压直流电源研究 3页

第47卷第5期电力电子技术Vo1．47．No．52013年5月PowerElectronicsMay2013等离子体污水处理高压直流电源研究武海霞，嵇保健z(1．南京工业大学，环境学院，江苏南京211816；2．南京工业大学，自动化与电气工程学院，江苏南京211816)摘要：将倍压谐振整流技术引入等离子体污水处理高压直流电源研究，以移相全桥变换器为研究对象，分析其工作原理、初级开关管零电压零电流开关(ZVZCS)条件、次级二极管零电流开关(ZCS)条件及占空比丢失问题改善情况。仿真及实验结果表明倍压谐振整流技术解决了次级二极管反向恢复问题。有效降低了次级二极管电压应力及次级变压器匝数关键词：高压直流电源：倍压谐振整流：移相全桥中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：1000一IOOX(2013)05—0074—02ResearchonHighVoltageDCPowerSupplyforWasteWaterTreatmentbyNon．thermalPlasmaWUHai．xia1．J1Bao-jian(NanjingUniversityofTechnology，Nanjing211816，China)Abstract：Thispaperintroducesvoltagedoublerectifiertechniquetohighvoltageplasmapowersupply，wherephase—shiftedfull—bridgeconverterischosenandevaluated．Theworkingprinciplesarepresented，andzerovoltagezerocur—rentswitching(ZVZCS)conditionforprimaryswitches，zerocurrentswitching(ZCS)conditionforsecondarydiodesanddutycyclelossimprovementarediscussed．Thesimulationandexperimentalresultsbothtestifytheafeetivityofvoltagedoublerectifiertechniquefordiodereversecurrentissueelimination，andvoltagestressofthediodeandsee—ondarytransformerturnsarebothdecreased．Keywords：highvoltagedirectcurrentpowersupply；voltagedoubleresonantrectifier；phase—shiftedfull·bridgeFoundationProject：SupposedbytheNaturalScienceFoundationoftheJiangsuHigherEducationInstitutionsofChina(No．12KJB470009)1引言2倍压谐振整流移相全桥变换器目前常规的污水处理方法有生物处理法、物图1为所研究倍压谐振整流全桥变换器结理化学絮凝法、应用膜过滤技术等『I】。等离子体污构。图2为其各关键结点电压和支路电流波形。水处理技术不产生二次污染．是一种高效节能的污水处理技术其中涉及的高频脉冲放电技术及VJJ旺jc。丰．=D高频脉冲电源是电力电子方面的热点及难点／21。J岳IC'2T。高频脉冲电源分为两种：①通过PWM直接获图1倍压谐振整流全桥变换器得各种高频高压脉冲波形的形变电源：②高压直Fig．1Voltagedoubleresonantrectifierful—bridgeconve~er流及高频交流叠加而成的交直流电源【3】。交直流电源可独立调节．互相配合优化工作。有效降低了控制难度，是一种较好的选择。对这类高压电源多采用谐振控制，以充分利用其寄生参数，但变频控制较为复杂。这里在高压直流变换器中引入倍压谐振整流技术．在实现初级开关管及次级二极管谐振软开关基础上，实现变换器恒频工作[41。图2结点电压和支路电流波形Fig．2Nodevoltageandbranchcurentwaveforms基金项目：江苏省高校自然科学基金(12KJB470009)定稿日期：2012一l2—07模态l[t。～t1]变压器初级开关管V1，V4导通，作者简介：~(1980一)，女，江苏盐城人，博士研究生，初级电压加在变压器初级绕组上，次级感应电势研究方向为等离子体技术在污水处理中的应用。上正下负，次级整流二极管VD1导通。次级漏感，74\n等离子体污水处理高压直流电源研究VD，谐振电容C，，输出电容及负载构成谐考虑到次级二极管在半个开关周期内完成半振支路，向负载传递能量。个谐振周期后，折合至初级电流仅为励磁电流，初模态2[t～t1V导通，V关断，结电容充级环流较小。可认为滞后桥臂开关管关断时为ZCS。电，C放电，有助于V。实现零电压关断，并为V：3．3占空比丢失讨论零电压开通创造条件。此时次级谐振支路继续向由于初级额外谐振电感的存在，变压器初级负载传递能量。电流由正到负。或由负到正过渡时间较长。变压器模态3[t～t]C5放电完毕，V：体二极管自然次级电流不足以维持负载电流，次级二极管同时导通。维持初级续流，此时开通V可实现零电压导通续流。变压器次级短路．造成传统ZVS移相开通．初级电流在隔直电容电压作用下逐渐减小。全桥变换器存在较大的占空比丢失问题。此时次级谐振支路继续向负载传递能量。适当增加死区会造成部分占空比丢失，若取模态4[t～t1变压器次级半个谐振周期后，消谐振电感。采用倍压整流．在初级电流换向之VD自然关断，实现零电流关断，无反向恢复现前，次级二极管已自然关断，变压器次级开路，大象，输出电压由谐振电容及输出电容维持。初级电大改善了占空比丢失现象。流为励磁电流，为实现V零电流关断创造条件。4仿真与实验模态5[t～t]V零电流关断后，结电容充在Saber软件中建立仿真实验平台．输入直流电，c6放电，为V，零电压开通创造条件。电压为三相整流电压540V．变压器初、次级匝比V，开通后，初级电压通过V，，V：加在变压器为1：3，开关频率为25kHz，隔直电容为1．88F，初级绕组．剩余工作模态与前5个工作模态类似。初级漏感为15H，次级漏感为120ixH，次级谐3参数设计与讨论振电容为5nF。输出直流电压为2．7kV。输出功率如模态分析所述。倍压谐振整流全桥变换器为3．6kW。图3示出仿真波形。初、次级存在2个谐振网络，分别为初级开关管、l5>次级二极管创造软开关条件，为便于分析，这里将一5变压器漏感能量分别折合为初、次级漏感能量。600芝4003．1次级二极管软开关条件201-39962251．39963251．3996425如模态4所述，在半个开关周期内，变压器次t／s(a)超前桥臂ZVS波形级完成半个谐振周期后，VD。实现自然关断，则：TJ24CMos3(3)电压整流经变压器升压后的1．62kV。(下转第84页)75\n弟4，巷弟5期电力电子技术Vo1．47．No．52013年5月PowerElectronicsMay2013容的情况下，APF的投入易导致容性非线性负载别是对邻近的线性和非线性容性负载．故需选取过流损坏．实际现场中由于其在10kVI母线和II合适的安装点：③可通过只补偿无功或限制带宽的母线间有12组无功补偿电容。改变运行方式后可方法。或改变现场的运行方式(利用存在的无功补可避免此问题。表1为补偿后i。谐波及其THD，偿电容器组)来减小甚至消除并联型有源电力滤波APF可很好地补偿谐波和无功。钳形表和人工监测器对相邻负载或被补偿负载造成的影响。仿真和显示邻近容性非线性负载变频器电流并无变化。实验结果验证了所提方法的正确性和可行性。应用该方法可有效保证并联型有源电力滤波器运用蠹魏：==在包含容性非线性负载场合时．负载交流侧电流卜■-卜W峰值不增大，同时有效抑制电网中的谐波电流。黧：：==：：．：：．：t／(10ms／格)参考文献图5实验波形【1]FangZhengPeng．ApplicationIssuesofActivePowerFil·Fig．5Experimentalwavefornlsters[J1．IEEETrans．OilInd．App1．，1998，4(5)：21-30．表1谐波及其TItD【2】GaryWChang，Shin—kuanChen．AnAnalyticalApproachTable1f|harmoniCSanditsT皿analysisforCharacterizingHarmonicandInter—harmonicCurrents谐波次数15711131719GeneratedbyVSI-fedAdjustableSpeedDrives[J】．IEEE有效值／mV490．175．8358．8137．5473．7073．0741．720Trans．onPowerDelivery，2005，20(4)：2585-2593．THDJ％1001．191．7981．540．7560．6270．351[3】HuLihua，YacaminiR．HarmonicTransferThroughCon-vertersandHVDCLinks[J]．IEEETrans．onPowerElec-5结论tronics，1992，4(3)：517-525．针对实际应用中并联型有源电力滤波器对相[4]蒋麦占．谐波的实用抑制措施及滤波器的应用[J]．变频器世界，2006，10(2)：ll0一l16．邻负载及被补偿负载的影响进行研究。得到以下[5】赵文强，陈国柱．并联型APF在容性非线性负载中应结论：①由于相控整流负载的频率变换效应．并联用【J】．电力自动化设备，2009，29(12)：59—64．有源滤波器在补偿这类电流型谐波源时效果有【6】LascuC，AsiminoaeiL，BoldeaI，eta1．FrequencyRe-限，且易引入频率扰动而影响其他负载；②并联型sponseAnalysisofCurrentControllersforSelective有源电力滤波器就近补偿电流型谐波源负载时。HarmonicCompensationinActivePowerFilters[J]．IEEE对邻近负载会造成谐波放大、峰值过流的问题，特Trans．onIndustrialElectronics，2009，56(2)：337—347．(上接第75页)相比传统全桥变换器．可有效降低变5结论压器高压侧匝数，减小设计难度。基于谐振倍压整流技术，研究了一种适合于实际参数与仿真略有差别。图4a为超前桥臂等离子污水处理的移相全桥高压直流电源方案。开关管栅极、漏源两端电压，开通和关断均实现了讨论了其输出二极管及初级开关管软开关实现条软开关。图4b为超前、滞后桥臂移相波形。图4c为件。实现了输出二极管电压尖峰抑制，降低了二极次级二极管整流电压、电流，消除了反向恢复问管电压应力，为建立更高输出电压等级样机测试题。实验结果验证了理论分析及仿真的正确性。平台奠定了理论及技术基础。：⋯f|：f参考文献赫Jf___赫—-强囱[1】丁玺霖．{氐温等离子体液相氧化废水污染物高频高压电源的研究【D】．北京：北京交通大学，2008．t／(10Lts／格1(a)超前桥臂开关管ZVS[2]刘军．LCC_SPRC高压高频大功率电除尘电源的理论分析与功率参数设计[D】．杭州：浙江大学，2010．堪>萋萼⋯一．。高!!：?，『3]王爱国，姜学东，胡小吐．低温等离子体污水处理电源0，!’·-：：’．．善的设计fJ]．电力电子技术，2009，43(2)：41—43．塑：，．三再#二二J[4】Baojianji，JianhuaWang，JianfengZhao．NovelHighStep·tl(1ous／格)t／(10ps／格)upGainConveaersWithoutForwardandReverseRe—(b)超前桥臂和滞后桥臂移相(c)整流二极管电压、电流波形图4实验波形coveryCurrentIssueofRectifyingDiodes[A]．ISIE’12[C]．Fig．4ExperimentalwaveformsHangzhou，China，2012：983-1002．84