电除尘用LCC电源特性分析及不同网侧整流方式整机比较

摘要

现代工业的不断进步在给我国社会经济带来飞速发展的同时也使得工业粉尘颗粒成为大气主要污染源之一。静电除尘器是受到公认的高效率除尘设备，为治理大气污染做出了巨大贡献。作为其关键部分，电除尘用大功率高压电源是目前国内外该领域的研究重点。本文将三相VIENNA整流器与LCC谐振技术应用于除尘电源，该技术方案是目前国内外该领域的最优方案之一，在理论和工程应用上都具有显著的价值。
　　本文从电除尘器本体工作原理和电特性出发，说明了高频化电源因在提高除尘效率和系统响应速度等方面具有诸多优势而成为电除尘电源主要发展方向。
　　本文详细分析了LCC串并联谐振变换器软开关工作原理，论证了其是高频高压除尘电源系统中输出级的最好拓扑结构，能有效地消除高频高压变压器漏感和分布电容对电除尘电源系统的不利影响；探讨了断续电流模式为电除尘用LCC谐振变换器工作模式的优势，即可以实现开关管的零电流开通及零电压/零电流关断的软开关效果，大大的减小了开关损耗，提高了输出功率，使得装置可以达到高压侧1.2A输出电流的国际先进水平。
　　本文基于该模式下变换器等效电路进行详细数学描述分析，推导出了其特性解析表达式。探讨了软开关实现方法、调压特性，深入研究了对影响谐振回路能量环流、效率及谐振电流峰值的参数的选择方法，确定了双脉冲临界模式且输出达到上限时为变换器断续模式最佳工作状态。作出了临界频率与电压输出系数及等效负载品质因数与电压输出系数、电容比关系曲线作为变换器开关频率和谐振元件参数的理论设计依据。基于参数设计曲线设计LCC谐振变换器主要参数，通过在Saber软件中建立仿真模型进行验证；并利用基于TI公司TMS320F28035控制芯片所设计的输出电压72kV、功率30kW大功率高频高压除尘电源实验样机对输出级LCC谐振变换器进行了调频测试。仿真和实验结果均验证了对LCC谐振变换器断续模式数学描述及特性分析的正确性，对工程实践具有很好的指导作用。同时也证明了在现有实验系统输入级仍采用传统整流方式下仅依靠调节输出级频率调节输出电压及功率的方式会存在谐振电流峰值较大、临界频率附近调压特性较差、输出功率较难提高的不足。
　　针对目前电除尘电源系统输入级整流器普遍采用传统整流器时而存在的与输出级特性匹配较差，并且这种搭配方式对电网危害较大的问题，本文引入具有功率因数校正功能的三相VIENNA整流器作为输入级，以将其直流母线电压作为新的调节输出电压及功率的调节变量。在建立其数学模型的基础上研究其控制策略。通过在Saber仿真系统中搭建整流器仿真模型验证了理论分析的正确性。为将三相VIENNA整流器应用于大功率电除尘电源系统提供了理论参考。
　　以课题要求的输出电压80kV，功率80kW为额定指标，分别设计采用三相不控整流器和VIENNA整流器为输入级时的系统参数，并在Saber仿真软件中进行整机特性对比分析，结果证明了后者因具有直流母线电压可控且能升压的优点而作为系统输入级时能在解决其入网问题的同时大大减小高频变压器变比，并有效地解决了目前传统整流器作为电除尘电源系统网侧整流器时与输出级LCC谐振变换器特性匹配的不足，具有很好的应用前景。

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1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 静电除尘原理

1.3 高频化除尘电源特点

1.4 高频高压除尘电源系统研究现状

1.5 论文研究的主要内容

2 电除尘用输出级LCC变换器工作模式分析

2.1 LCC谐振变换器工作模式选择

2.2 LCC谐振变换器断续工作模式原理

2.3 稳态方程数学描述分析

2.4 工作特性分析

2.5 参数设计曲线

2.6 本章小结

3 输出级LCC变换器调频特性验证

3.1 仿真分析与验证

3.2 实验平台介绍及实验验证

3.3 本章小结

4 输入级VIENNA整流器控制策略分析

4.1 三相VIENNA整流器工作原理

4.2 三相VIENNA整流器数学模型

4.3 三相VIENNA整流器控制策略分析

4.4 参数设计

4.5 仿真验证及分析

4.6 本章小结

5 整机系统性能仿真比较

5.1 系统参数设计

5.2 整机特性比较及分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文：