大功率介质阻挡等离子体电源特性及工业应用研究

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引言

介质阻挡放电(DBD)最早起源于对臭氧发生及其应用技术的研究。近二十多年来,由于工业等离子体化学合成与分解、环境污染治理等方面的需求,同时又由于材料科学和电力电子技术等相关学科也取得了较大的发展,因此促进了对介质阻挡等离子体产生系统的研究,并很快成为低温非平衡等离子体研究的热点之一。

介质阻挡等离子体装置作为一个由反应器、电源、媒质气体等组成的系统,通常要在适当的气体流量、气体压力、湿度和一定的电源电压、频率条件下工作,电源是给放电装置提供能量的重要组成部分,亦是关键技术。

本文研制和开发了大功率介质阻挡等离子体发生电源系统,通过一系列实验室和现场工程试验,获得了电源运行特性和稳定工作条件,进行了长期运行输出功率20~30kW、最大输出功率约80kW的工业试验,实现适用介质阻挡放电的百千瓦级电源的工业应用,掌握了此类大功率电源的设计和制造核心技术。

1 电源工作原理与技术要点

介质阻挡等离子体发生器电源自上个世纪以来随着电子技术、电力电子技术、控制技术和材料技术等相关学科和技术的发展,经历了工频(50/60Hz)、中频(几百至几千Hz)和高频(>10kHz)三个阶段,高频高压串联负载谐振式电源是目前主要发展方向。本文研制大功率电源的主电回路亦采用高频高压串联负载谐振式工作方式,其谐振式控制采用电流过零关断形式。

1)介质阻挡等离子体串联谐振式电源工作原理

Hideaki Fujita和Kazuyuki Ohe分别设计了用于介质阻挡等离子体系统的脉冲密度控制电源和用于臭氧生产的时控逆变电源。电源的电压和频率是两个重要参数,研究电压和频率对放电性能的影响的报道也很多,但在激励电源变压器参数与反应器结构参数相匹配方面的研究还未见报道。由于介质阻挡等离子体系统中存在具有感性的电源变压器和具有容性的介质阻挡等离子体反应器,实际上构成了一个R、L、C串联电路系统,该系统必然存在一个固有谐振频率,并会影响到介质阻挡等离子体系统的频率特性,进而影响介质阻挡等离子体的放电性能。因此,对介质阻挡等离子体系统谐振问题的研究对于提高系统放电性能参量具有十分重要的意义。

本文采用串联谐振式电源,其主回路如图1所示,线框I代表的是串联逆变供电电源,其中整流二极管VDZ1~VDz6组成三相不可控整流,和滤波电感L和储能电容C1、C2共同形成逆变电路输入的直流电压VD1;IGBT的VT1~VT2和快恢复二极管VD1~VD2构成半桥逆变电路;线框II是电流过零关断谐振控制电路,由霍尔电流传感器TFI检测信号,输入谐振控制器CTRL,CTRL产生IGBT控制信号,输入IGBT控制极;线框III为阻挡介质反应器等效电路,其中Cd和Cg分别为未放电时介质和气隙等效电容,VDZ为击穿电压为Uz的等效双向稳压二极管。TF为高频升压变压器。



2)串联谐振式控制与电流过零关断

高频高压串联负载谐振式电源的主要控制方式有:率因数调节PFR(Power FactorRegulaTIon),PFR控制靠改变驱动信号与反馈电流Ui的相位来调节输出功率;脉冲密度调制PDM(ulse Density Modulation),PDM控制通过对逆变器的开关脉冲进行间断控制,调节输出脉冲密度的大小,以达到功率调节的目的;移相控制一脉冲宽度调制PSC—PWM(hase ShiftingContr0l-PWM),PSC-PWM控制将基本桥臂的驱动信号与反馈电流Ui同相位,再使移动桥臂驱动信号超前或滞后基本桥臂驱动信号一个相角。

但是,上述串联负载谐振式电源控制方式都存在电子开关损耗大,影响电子开关安全使用的问题,电子开关的损耗随着频率增大成比例增加,限制了功率提高。为提高开关功率,降低开关损耗,减小电源体积,本文采用准谐振电流过零的软关断技术,有效地降低伴随着高频化带来的损耗,突破大功率IGBT模块的长期工业化安全使用难题。

本文采用的准谐振电流过零电子开关软关断方法,工作原理如下:

图2是研制电源TFI测量主电流IL曲线,一个谐振工作周期分为t0~t2:两个工作区间。区间l(t0≤t<t1),t0前VT2导通,t0时刻IL过零,控制回路检测到过零点时,VT2零电流关断,实现所谓“过零关软关断”,此时VT1尚未导通,电流通过VD1向电源反馈能量;t0后控制信号在t0时刻驱动VT1导通。区间2(t1≤t<t2),到t1时刻,电流IL再次过零,控制信号在t1时刻驱动VT1零电流关断,然后驱动VT2导通;工作至t2时刻IL再次过零。t2~t3~t4时段,电路进入下一周期的循环。由于是控制回路检测到过零点时驱动开关关断导通和开关,主回路的工作频率fs取决于主回路的谐振参数,选取适合的主回路参数,将谐振频率限制在16~30kHz,对于大电流IGBT安全工作是非常必要。



2 等离子体发生电源工业运行特性

本文研制电源是为大型介质阻挡放电负载配套,运用于等离子体烟气脱硫脱硝工业装置。在一系列工业试验和运行中,本电源系统表现稳定、可靠,达到了工程研制目标,表现出优秀特性。

如图3所示,整个大功率电源实际工业系统的组成如下:三相380V工频交流电源,先经过隔离变压器,再经三相调压变压器降压至工作电压,输入高压高频发生电源,产生的高压高频电流加载在由板一板电极结构组成的介质阻挡放电负载上。



隔离变压器输入和输出均为380V,隔离变压器的主要作用是:保证后续电路与供电主回路的隔离以免受到主回路中比较大的电压、电流特性变动的影响,达到后续电路的稳定性,同时防止高压脉冲电源对主回路的影响,防止造成电源污染,提高整个一二次电路的安全性和可靠性。三相调压变压器通过输出电压调节,控制电源系统的功率输出,本电源系统使用的机械式调压变压器,也可很方便的采用电子调压方法。阻挡介质放电负载为多个板一板电极结构负载的并联,为一般大功率阻挡介质放电负载形式。

1)电源过零开关软关断运行特性

是否真正实现电流过零电子开关软关断,是串联负载谐振式电源能否长时间可靠工作的关键,特别在电源大功率工作状态,实现电流过零电子开关软关断尤为困难和重要。

本文对电源在现场实际运行状态进行了主电流IL的测量,获得了大功率下电流过零电子开关软关断特性。电源高压高频电源产生并输出几万伏的高频电压,输出端为一个高电压电极接反应器负载正极,另一端负极接反应器负载负极,负极必须可靠接地。负极上串有互感器(见图3),互感器的输出信号由数字示波器观察并记录如图4,这样可由示波器观察到放电回路中波形变化。



由于实际谐振电源控制电路在电流过零关断驱动IGBT时存在误差,产生瞬时脉冲震荡不可避免,驱动误差越小则脉冲震荡越小,脉冲震荡小,电源电子开关IGBT工作安全性就高。图4和图2中的波形毛刺就是IBGT驱动关断误差形成的脉冲震荡电流,它表明在大功率工作状态下,本文研制的电源系统在电流过零关断控制串联负载谐振方面,达到了很高的技术水平,完全保证电源大功率状态下长时间连续工作的要求,结果令人满意。

2)电源变负载自适应运行特性

本文研制电源系统的又一重要特点时变负载自适应运行特性,这一优点对工程应用尤为重要。众所周知,实际工业负载很难做到非常稳定,特别是大功率负载尤其如此。

所谓变负载自适应运行特性是指电源的谐振控制系统并不固定系统谐振频率,系统谐振频率是由系统中存在具有感性的高频变压器和具有容性的DBD反应器负载所决定,它们实际上构成了一个R、L、C串联谐振电路。系统负载发生变化时,系统谐振频率亦发生变化。本文研制电源谐振控制电路是通过检测主谐振电流实现电流过零软关断控制,因此,谐振控制与负载特性无关,从而实现电源的变负载自适应运行特性。

在本文研制电源系统的工程运用试验中,发现系统的负载不稳定,湿度对负载电气特性产生不良影响。在不同天气情况下进行了系统的负载测试,显示系统负载的电阻特性发生很大变化,从1.56MΩ~200.0MΩ。电源系统的在负载变化情况下,运行谐振频率相应变化,运行结果见图5。



3)大功率长时间工业运行特性

大功率谐振电源启动是发生电子开关IGBT烧损事故最危险时刻,谐振启动过程的良好设计是研制电源的第一个关键问题,本文研制电源系统很好解决了这一难题。

本文研制电源在配套的大型阻挡介质放电负载上已经过无数次启动,至今为止尚未发生IGBT烧损现象,完全满足工业应用要求。

图6是本文研制电源在大功率启动过程的IGBT触发信号和谐振主电流特性曲线,主谐振回路经过6~8个谐振周期,主谐振电流达到了稳定工作电流,谐振电流包络线增长平滑。



为了配合介质阻挡放电DBD反应器的工业试验,本文研制电源进行了长期运行工作可靠性考核,包括48小时12~30kw电源连续运行无故障,至今为止累计运行数千小时无故障,整个电源系统性能状态稳定。

图7是随机采集的电源工作状态谐振输出电流Io的波形曲线,图中(a)和(b)是分别在不同时间尺度200μs和1.0ms的波形描述。图7(a)中出现的少量曲线毛刺说明:尽管采用电流过零电子开关软关断技术,由于电子器件实际性能和大功率工作状态,仍然会出现少量瞬时电流震荡脉冲,但不影响IGBT的安全工作。图7(b)呈现的谐振电流包络线波动现象,分析认为是整个谐振系统电路中的约300Hz低频因素造成。



针对本文研制电源,进行了不同功率运行的现场工业试验,结果见表l。如前面所述,电源系统功率调节是通过控制三相调压变压器实现,在配套介质阻挡放电DBD负载上,运行功率从l8kW至最大约80kW。由于本文板一板电极结构介质阻挡放电负载所能承受过载电流能力的限制,60kW以上的工作功率试验均只进行了短时运行,以防负载的阻挡介质击穿烧毁,基于同样的原因,80kw以上的试验未进行。


在表l的全部电源不同功率运行情况中,本文研制电源系统运行稳定、安全,电源系统无任何故障或异常现象,说明本文研制电源的功率设计有很大的冗容,完全可能达到lOOkW甚至更大的工作功率。



3 结束语

研制了大功率介质阻挡放电串联谐振式电源系统,成功配套和应用在大功率板一板电极阻挡介质等离子体烟气处理装置,进行了长时间现场工业运行,研制电源系统运行稳定、启动安全,有很高的工程可靠性,掌握了此类大功率电源的设计和制造核心技术。

谐振电流过零电子开关软关断是实现此类阻挡介质放电谐振电源大功率化的最佳方法之一,本文研究表明:该方法和技术非常有效的保证了电子器件IGBT的长期安全工作。

进行了18~80kW不同功率运行试验,本文研制电源系统具有很大的工作功率冗容,能够达到100kW级工作水平。

本文研制电源系统具有的变负载自适应运行特性,使电源系统不但能够运用于配套的烟气处理介质阻挡等离子体反应器,而且可以广泛应用于包括臭氧发生器的一系列介质阻挡DBD发生器负载,应用前景广阔。