[发明专利]静电除尘高频高压电源系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种静电除尘高频高压电源系统及控制方法，主要控制步骤为静电除尘高频高压电源的LCC谐振电流和二次输出电压值依次通过信号采集电路、调理电路、A/D转换电路后，将数字电压信号传递给DSP控制电路。DSP芯片结合主电路传递来的电流、电压实际值与系统的预设值进行比较，发出PWM控制信号给数字逻辑单元和IGBT驱动电路，PWM信号通过处理和放大，最终用于控制全桥逆变器。本发明涉及的控制方法将变频控制策略与移相控制策略进行有效结合，并利用双闭环的控制结构对系统不同阶段的扰动进行分级控制，改善了系统的动态特性，对复杂工况有着较强的适应性，并缩窄了开关的频率变化，有效降低关断损耗、显著提高了系统的整体效率。

主权项

一种静电除尘高频高压电源系统的控制方法，静电除尘高频高压电源系统包括主电路(10)、控制电路(22)；所述主电路(10)包括三相电抗器(2)、三相整流桥(3)、滤波电容(4)、全桥逆变器(5)、LCC谐振变换器(6)、高频大功率变压器(7)、全桥整流器(8)、静电除尘器负载等效电路(9)；所述三相电抗器(2)的三个输出端分别与三相整流桥(3)的每个桥臂中点相连接，滤波电容(4)并联在三相整流桥(3)的两个输出端，全桥逆变器(5)的两个输入端与滤波电容(4)并联，LCC谐振变换器(6)的输入端与全桥逆变器(5)的输出端并联，LCC谐振变换器(6)的输出端与高频大功率变压器(7)一次侧相并联，高频大功率变压器(7)二次侧与全桥整流器(8)的输入端相并联，全桥整流器(8)的输出端与静电除尘器负载等效电路(9)并联；所述控制电路(22)包括电流采集电路(11)、电压采集电路(12)、调理电路(15)、AD转换电路(16)、DSP控制电路(19)、IGBT驱动电路(20)、数字逻辑单元(21)；主电路的LCC谐振电流和二次输出电压分别通过电流采集电路(11)和电压采集电路(12)采集并转化为电压信号后传递给调理电路(15)进行滤波、隔离和调理，调理后的电压模拟量通过AD转换电路(16)转化成数字量后传递给DSP控制电路(19)，DSP控制电路(19)发出PWM波信号通过数字逻辑单元(21)和IGBT驱动电路(20)的处理和放大，对全桥逆变器(5)进行控制；静电除尘高频高压电源系统的控制方法，采用双闭环、双控制策略的控制结构：内环使用LCC谐振电流i作为PID控制器(29)的输入信号，PID控制器(29)输出采用变频控制(31)策略，控制全桥逆变器(24)滞后桥臂上两个IGBT S3、S4开通和关断的频率，达到快速调节LCC谐振电流频率的目的；外环使用二次输出电压U作为模糊PID控制器(30)的输入信号，模糊PID控制器(30)输出采用移相控制(32)策略的特征，通过调节全桥逆变器(24)超前桥臂上两个IGBT S1、S2的占空比来改变系统的二次输出电压值U，使静电除尘器达到最佳火花率；所述内环控制采用PID控制器，由比例Kp、积分Ki、微分Kd环节和被控对象组成，控制器输入量为LCC谐振电流频率的实际值与预设值的偏差e1，输出量为开关频率u1，用于控制全桥逆变器(24)上S3、S4的开关频率；系统的PID控制方程为：u(t)=Kp[e(t)+1TI∫0te(t)dt+TDde(t)dt]]]>式中，Kp为比例参数，T1为积分时间常数，TD为微分时间常数，e为偏差值，u为控制器输出量；比例环节即为按比例反映除尘电源系统谐振电流频率实际值与预设值之间的差值；积分环节主要是为了消除经比例环节调节后还剩余的差量即静差，使得最终除尘电源系统谐振电流频率尽可能地接近预设值；微分环节是反应差值的变化率，通过该环节的调节可以使得调节时间加快，加速除尘电源系统稳定时间；PID控制器的参数为：比例参数Kp＝0.7；积分参数Ki＝0.33；微分参数Kd＝0.01；其特征在于，所述外环控制采用模糊PID控制器；模糊PID自整定是找出PID三个参数与误差e和误差变化ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能；控制器输入量为二次输出电压实际值与预设值的误差e2和误差变化ec2，输出量为占空比u2，用于调节全桥逆变器(24)上S1、S2的占空比；设计方法包括以下步骤：(1)输入量偏差e2、偏差变化ec2的模糊化；首先要对输入量进行模糊化处理，e2，ec2，Δkp,Δki,Δkd的语言值均为:{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB},隶属度函数采用灵敏性强的三角函数，为增强系统的鲁棒性，提高隶属度函数的分辨率，在0值附近的函数形状取得更陡；e2的基本论域为：[‑70000,70000]；ec2的基本论域为[‑250，250]；Δkp基本论域为[‑0.6,0.6]；Δki基本论域为[‑0.006,0.006]；Δkd基本论域为[‑0.002,0.002]；以上各变量的模糊量分别为：E2,EC2,ΔKi,ΔKd，其论域均为：[‑3，‑2‑1,0,1，2，3]；输出导通占空比u2的基本论域[0，0.5],论域为[0,1]；输入e2、ec2、u2的量化因子为：ke＝3/70000，kec＝3/250，ku＝2；(2)参数整定规则的确定及建立模糊控制规则表；所述参数整定规则的确定包括：成比例的反映控制系统的偏差信号e的比例环节；用于消除静差，提高系统的无差度，对误差进行积分和对系统控制有一定的滞后作用的积分环节；能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前加入一个修正信号，加快系统的响应速度，减少超调时间，增强系统稳定性的微分环节；其中参数整定规则是根据除尘电源系统典型输出响应曲线的四个阶段来制定的：1)A0A1阶段，E＞0,EC＜0，输出电压小于且趋向参考电压；2)A1A2阶段，E＜0,EC＜0,输出电压大于且偏离参考电压；3)A2A3阶段，E＜0.EC＞0,输出电压大于且趋向参考电压；4)A3A4阶段，E＞0,EC＞0,输出电压小于且偏离参考电压；分别制定4个阶段相应的模糊规则；1)A0A1阶段，当输出电压在A0点附近时，需要大的导通占空比对电容充电，从而增大输出电压；为提高系统响应速度，需增大导通占空比的PID比例控制系数Kp、积分控制系数Ki，减小微分控制系数Kd，即ΔKp＞0,ΔKi＞0,ΔKd＜0；当输出电压快趋近参考电压A1点时，需要考虑减小超调，所以需要减小Kp、Ki，增大Kd，即ΔKp＜0,ΔKi＜0,ΔKd＞0；所以在A0A1阶段，ΔKp、ΔKi呈减小的趋势,ΔKd呈现增大的趋势；2)A1A2阶段，整个阶段需要小的导通占空比对电容放电，以减小输出电压，为提高响应速度，需要增大Kp、Kd，减小Ki，即ΔKp＞0,ΔKi＜0,ΔKd＞0；3)A2A3阶段，当输出电压在A2点附近时，需要小的导通占空比对电容放电，从而减小输出电压；需要增大Kp,减小Ki和Kd，即ΔKp＞0,ΔKi＜0,ΔKd＜0,加快响应速度；当输出电压接近A3点时需要考虑减小超调，所以需要减小Kp，增大Ki和Kd，即ΔKp＜0,ΔKi＞0,ΔKd＞0；所以在A2A3阶段，ΔKp呈减小的趋势，ΔKi、ΔKd呈现增大的趋势；4)A3A4阶段，在整个阶段都需要大的导通占空比对电容充电，从而增大输出电压，为提高响应速度和减少超调，需要增大Kp、Ki和Kd，即ΔKp＞0,ΔKi＞0,ΔKd＞0；(3)模糊推理和去模糊化根据模糊规则，对输入偏差e和偏差变化ec经过推理可以得出相应的输出变量；首先求出输出变量的隶属度，对应ΔKp的第一条模糊规则的隶属度为：μ(ΔKp)＝μNB(e)∧μNB(ec)这里“∧”为取小符号，μ为隶属度函数；以此类推可以求得输出变量ΔKp在不同偏差和偏差变化下的所有模糊规则调整的隶属度；在某一采样时刻，根据偏差和偏差率的测量值可以求得此时ΔKp的值为：ΔKp=Σj=149μpj(ΔKp)*ΔKpjΣj=149μpj(ΔKp)]]>式中，μpj(ΔKp)其中(j＝1,2,…,49)是由当前e和ec的测量值经过量化后所对应的ΔKp的隶属度；ΔKi、ΔKd同理；所得到的模糊量乘以比例因子，得到PID参数整定的算式为：Kp＝Kp0+ΔKpKi＝Ki0+ΔKiKd＝Kd0+ΔKd式中，Kp0、Ki0、Kd0是Kp、Ki、Kd的初始值，ΔKp、ΔKi、ΔKd是模糊控制器的输出，即PID的参数修正量；在每个运行周期，外环模糊PID控制器以内环PID控制器输出的频率值为准，通过调节逆变全桥超前桥臂上两个IGBT S1、S2的占空比u2来改变系统输出电压值，使其达到最佳火花率。