一種新型的靜電除塵用脈沖高壓電源設(shè)計

雷盼靈，曾慶軍，陳 峰

（1.江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江天力變壓器有限公司 江蘇 鎮(zhèn)江 212400）

隨著社會的發(fā)展和人類的進步，人們對生態(tài)環(huán)境和空氣質(zhì)量也越來越關(guān)注。如今，我國現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展，空氣污染嚴重，除塵設(shè)備已成為了每個工廠的必備。目前，靜電除塵設(shè)備是國際公認的高效除塵裝置，其中高壓電源系統(tǒng)是該設(shè)備的主要電氣部分，其輸出電壓直接影響到靜電除塵器的工作效果，是能量傳遞的關(guān)鍵[1]。因此，對靜電除塵用高壓電源系統(tǒng)及其高壓脈沖電路的研究尤為重要。

一般，靜電除塵用高壓電源大致可分為3類：工頻電源、高頻電源、脈沖高壓電源。1）工頻電源，采用晶閘管-工頻變壓器-高壓工頻整流橋的模式，由于結(jié)構(gòu)和控制都非常簡單，存在體積大，重量大，除塵效率低，閃絡(luò)沖擊大差等問題[2]，因此目前國際范圍內(nèi)工頻電源的應(yīng)用已經(jīng)很少。2）高頻電源，是當今國際上應(yīng)用最廣泛的靜電除塵用高壓電源，由整流器、逆變器、高頻變壓器、高壓整流器構(gòu)成，此電源較工頻電源提高了除塵效率，但仍屬于恒流電源，易引起反電暈現(xiàn)象。3）脈沖高壓電源，供電屬于間歇供電，高壓脈沖和高壓直流經(jīng)過耦合后加載到靜電除塵器（ESP）兩端，此電源能有效抑制反電暈現(xiàn)象，提高除塵效率，減小ESP體積和重量。脈沖高壓電源技術(shù)是近兩年被提出的最新技術(shù)，在國外只有丹麥的史密斯公司和韓國的浦項公司已研發(fā)出脈沖高壓電源產(chǎn)品，正在投入應(yīng)用；我國目前還沒有脈沖高壓電源成品，正處于研發(fā)階段。

1 脈沖高壓電源總體設(shè)計與構(gòu)成

圖1 脈沖高壓電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Pulsed high-voltage power system structure diagram

1.1 電源控制系統(tǒng)設(shè)計

電源控制系統(tǒng)包括對電源主電路輸出電壓的閉環(huán)控制、火花處理、火花率控制、溫度過高處理、故障處理和降壓振打，其中閉環(huán)控制包括對高壓直流電壓幅值和高頻脈沖電壓的幅值、頻率、重復(fù)頻率的閉環(huán)控制，均可采用PID控制的方法。其中，檢測模塊主要由傳感器構(gòu)成；控制模塊由DSP控制器、數(shù)字電路、觸發(fā)電路、驅(qū)動電路構(gòu)成；供電模塊將三相交流電壓轉(zhuǎn)換成不同電壓等級的直流電壓輸對檢測模塊和控制模塊進行供電。

設(shè)計電源控制系統(tǒng)主程序流程如圖2所示，包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)采集處理、輸出電壓的閉環(huán)控制程序、火花判斷程序、火花率控制程序、溫度過高處理程序、故障處理程序和降壓振打、通信。其中，初始化部分是對DSP芯片內(nèi)部的各個寄存器數(shù)據(jù)進行初始化，確?？刂菩盘柕恼_發(fā)送，同時需要讀取通過鍵盤輸入預(yù)設(shè)的初始設(shè)置參數(shù)。系統(tǒng)自檢是為了確保IGBT器件正常工作，通過使用DSP內(nèi)部PWM生成器對IGBT觸發(fā)模塊和驅(qū)動模塊進行初始化。數(shù)據(jù)采集處理是檢測電路將檢測到的電壓電流信號、溫度信號輸入給DSP芯片，DSP芯片對之進行處理。

控制程序方法：通過觸發(fā)電路產(chǎn)生PWM波調(diào)整逆變模塊中IBGT觸發(fā)角，以調(diào)整高壓直流電路和直流電路的輸出電壓幅值；可采用與脈沖變壓器串聯(lián)可變電感，通過調(diào)節(jié)可變電感來以調(diào)整高頻脈沖電壓的頻率；通過對IGBT模塊中的IGBT開關(guān)頻率進行調(diào)節(jié)，調(diào)整高壓脈沖的重復(fù)頻率；發(fā)生火花時，關(guān)閉IGBT開關(guān)，電場介質(zhì)恢復(fù)后恢復(fù)供電。火花率控制是通過調(diào)節(jié)PWM波的頻率或者占空比的大小來控制火化率的大小，從而實現(xiàn)對最佳火化率的跟蹤控制。溫度過高或故障時，控制開關(guān)關(guān)閉三相交流電源，以終止整個電源系統(tǒng)的工作。

最后，降低振打部分實現(xiàn)振打功能，保證除塵器集塵極上的灰塵厚度不會太多。通信部分是將電源系統(tǒng)的運行狀態(tài)通過DSP芯片通信在上位機中顯示出來，可供操作人員監(jiān)測電源系統(tǒng)的工作，當發(fā)生故障或者溫度過高時，及時排查后重啟整個電源系統(tǒng)。

1.2 電源主電路設(shè)計

圖2 電源控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.2 The flow chart of main program of power control system

設(shè)計脈沖高壓電源主電路如圖3所示，其中，開關(guān)由斷路器和接觸器構(gòu)成，受控制模塊的控制。高壓直流電路包括整流模塊、逆變模塊與LCC諧振模塊、高頻變壓器、整流模塊，采用LCC串并聯(lián)諧振式軟開關(guān)技術(shù)，輸出幅值為-Udc的高壓直流。高壓脈沖電路包括直流電路和脈沖發(fā)生電路：直流電路與高壓直流電路構(gòu)成相同，直流電路的工作原理與高壓直流電路相同，由于最后整流模塊中二極管方向相反，得到幅值為+Ups的直流；脈沖發(fā)生電路由兩個電感濾波與IGBT模塊并聯(lián)支路和脈沖變壓器構(gòu)成，采用RLC串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)，在脈沖變壓器二次側(cè)產(chǎn)生高壓脈沖。耦合電路包括電感濾波和電容耦合，將高壓直流與高壓脈沖電耦合到一起，加載到ESP兩端。保護電路由保護線圈和斷路器、接地線構(gòu)成，對靜電除塵器起保護作用。

2 高壓脈沖電路建模與分析

脈沖高壓電源主電路中，高壓直流電路和高壓脈沖電路中的直流電路都采用高頻電源主電路，這里不作詳細介紹，本文研究的重點是高壓脈沖電路中的脈沖發(fā)生電路。

2.1 脈沖發(fā)生電路原理

如圖3所示，在脈沖發(fā)生電路中，脈沖變壓器一次側(cè)采用兩個相同的并聯(lián)支路可以更好的處理靜電除塵器火花現(xiàn)象，降低一次側(cè)電流。 其中，Dc/1、Cc/1、Rc/1和 Dc/2、Cc/2、Rc/2分別構(gòu)成的保護電路可以在發(fā)生火花時保護IGBT器件不受高壓損壞[4]。

圖3 脈沖高壓電源主電路Fig.3 The main circuit of pulsed high-voltage power

初始時，開關(guān)IGBT1和IGBT2斷開，直流+Ups經(jīng)過電感Lps1和電阻Rps1、電感 Lps2和電阻 Rps2分別給電容 Cs1、Cs2充電，高壓直流-Udc經(jīng)過電感Ldc給電容Cc充電。當開關(guān)IGBT1和IGBT2閉合時，分別與并聯(lián)的反向二極管D1和D2構(gòu)成閉合線路，閉合回路中電容Cs1和Cs2分別與脈沖變壓器漏感Ls1和 Ls2、脈沖變壓器電阻 Rs1和 Rs2、電容 Cc、ESP中的電容C0構(gòu)成兩個并聯(lián)的RLC串聯(lián)諧振回路，產(chǎn)生正弦波形電流，經(jīng)過脈沖變壓器的升壓用，在ESP兩端形成余弦波形的高壓電即負值脈沖高壓[5]；一個脈沖周期即諧振周期T0后將開關(guān)IGBT1和IGBT2斷開，諧振回路斷開，電路中電流為零，加載到ESP兩端的無脈沖電壓，只有高壓直流-Udc即基礎(chǔ)電壓；直到一個脈沖重復(fù)周期T后，再次將開關(guān)IGBT1和IGBT2閉合，重復(fù)以上過程。從而在ESP兩端形成高壓直流疊加高壓脈沖，通過兩個IGBT開關(guān)的電流和ESP兩端電壓如圖4所示[4]。

Leech認為在跨文化交際中，語用能力是指對說話者的目的和用意的理解能力。他把語用能力分為“語用語言能力”(pragmalinguistic competence)和“社交語用能力”(sociolinguistic competence)兩部分。其中語用語言能力以語法能力為基礎(chǔ)，涉及語言的使用規(guī)則，不僅包括正確使用語法規(guī)則遣詞造句的能力，而且還包括在一定的語境中正確使用語言形式以實施某一交際功能的能力。社交語用能力是指遵循語言使用的社會規(guī)則進行得體交際的能力，是更高層次的語用能力[2]。Kasper則把外語語用能力定義為外語學習者對外語語言行為的理解、產(chǎn)生和習得[3]。

圖4 理論高壓脈沖波形Fig.4 The theory high-voltage pulse waveform

為了便于分析脈沖發(fā)生電路RLC諧振原理，用一個等效支路代替脈沖變壓器一次側(cè)兩個并聯(lián)支路，ESP等效為電容和電阻的并聯(lián)電路，不考慮保護電路，可把脈沖發(fā)生電路等效為如圖 5所示的電路圖。其中，Lps=1/2Lps1=1/2Lps2；Rps=1/2Rps1=1/2Rps2；Cs=2Cs1=2Cs2；Rs=1/2Rs1=1/2Rs2；Ls=1/2Ls1=1/2Ls2。

2.2 脈沖變壓器一次側(cè)等效電路分析

圖5 脈沖發(fā)生電路等效電路Fig.5 Equivalent circuit of pulse generating circuit

進一步簡化脈沖發(fā)生電路，將脈沖變壓器等效為T型電路[6]，忽略脈沖變壓器的雜散電容，脈沖變壓器二次側(cè)電路等效到一次側(cè)，得到RLC串聯(lián)諧振回路如圖6所示。其中，電容Cs為一次側(cè)的儲能電容，電感Lu為脈沖變壓器勵磁電感，電阻Rs包含脈沖變壓器繞組和線路的雜散電阻，電感Ls為脈沖變壓器漏感，電容Cc1為二次側(cè)電容Cc折算到一次側(cè)的等效電容，電容C1和電阻R1串聯(lián)電路為二次側(cè)電容C0和電阻R0的并聯(lián)電路折算到一次側(cè)的等效電路。

圖6 等效RLC串聯(lián)諧振回路Fig.6 Equivalent RLC series resonance circuit

由于脈沖變壓器鐵心飽和時，勵磁電感數(shù)值很大，因此在計算過程中把勵磁電感Lu所在支路看作開路，等效圖6中所有電容和電阻，最后可簡化為如圖7所示的RLC串聯(lián)諧振回路。顯然

圖7 簡化RLC串聯(lián)諧振回路Fig.7 Simplified RLC series resonance circuit

諧振周期為：

一次側(cè)電流峰值可近似表示為：

于是，可求得簡化前圖6中電容C1兩端電壓，即近似ESP 兩端電壓：

可推導(dǎo)圖6中脈沖變壓器一次側(cè)電壓：

2.3 脈沖變壓器二次側(cè)電路分析

圖8 脈沖變壓器二次側(cè)電路Fig.8 Secondary side circuit of pulse transformer

圖5 中IGBT閉合時脈沖變壓器二次側(cè)部分電路如圖8所示，根據(jù)RLC諧振電路的原理，在IGBT閉合的一個振蕩周期T0內(nèi)，ESP兩端電壓為移位的余弦脈沖，可設(shè)ESP等效并聯(lián)電路兩端的電壓為：

則脈沖變壓器二次側(cè)電流為：

2.4 脈沖發(fā)生電路參數(shù)設(shè)計

本文研究的脈沖高壓電源系統(tǒng)主要針對的ESP等效電容為115 pF、電阻為80 kV左右，為了達到更好的除塵效果，脈沖高壓電源的目標是在高壓直流為60 kV的基礎(chǔ)上疊加幅值為80 kV左右的高壓脈沖，其脈寬為75 μs左右，脈沖重復(fù)頻率取200 Hz。

綜合以上對脈沖發(fā)生電路的分析，利用公式（8）、（9）可計算出部分脈沖變壓器的設(shè)計參數(shù)。結(jié)合脈沖變壓器求解結(jié)果和公式 （3）、（4）、（5）、（7）， 可計算得到圖 5 電路中 Cs、Cc、Ls、Rs，從而設(shè)計其他元件參數(shù)值。最后，可推斷出圖3電路中對應(yīng)參數(shù)值，如表1所示。其中，U2m是脈沖變壓器二次側(cè)電壓峰值，PT是脈沖變壓器二次側(cè)平均輸出功率，f0是脈沖頻率，f是脈沖重復(fù)頻率。

表1 脈沖發(fā)生電路參數(shù)設(shè)計Tab.1 Parameters design of pulse generating circuit

本文開展的脈沖變壓器理論設(shè)計已用于指導(dǎo)鎮(zhèn)江天力變壓器有限公司對脈沖變壓器新產(chǎn)品的研制工作，目前該企業(yè)已研制出靜電除塵用新型中頻脈沖變壓器并開始試用，其參數(shù)如表2所示，其中f根據(jù)需求設(shè)計，不影響脈沖變壓器其他部分的設(shè)計。與表1中本文設(shè)計的脈沖變壓器參數(shù)進行比對，可以看出實際產(chǎn)品參數(shù)與設(shè)計的理論參數(shù)相近。驗證了本文設(shè)計脈沖變壓器參數(shù)的有效性，也表明了高壓脈沖電路設(shè)計和推導(dǎo)公式的可行性，對脈沖高壓電源的研制有一定的指導(dǎo)作用。由于推導(dǎo)公式的精確度有限，導(dǎo)致實際產(chǎn)品和理論設(shè)計存在誤差，可以在實際生產(chǎn)中根據(jù)結(jié)果加以調(diào)整，可以達到預(yù)計的效果。

表2 脈沖變壓器實際產(chǎn)品參數(shù)Tab.2 Parameters of actual pulse transformer product

3 結(jié)論

文中提出了一種新型靜電除塵用脈沖高壓電源設(shè)計方法，設(shè)計了其電源控制系統(tǒng)方法，研究了高壓脈沖電路的建模與分析，并通過理論分析公式得到設(shè)計參數(shù)，最后通過與本文指導(dǎo)生產(chǎn)的脈沖變壓器實際產(chǎn)品的數(shù)據(jù)進行比對，表明了本文設(shè)計方法和公式推導(dǎo)的有效性與可行性。由于此電源系統(tǒng)的脈沖電壓幅度、頻率、重復(fù)頻率、基礎(chǔ)電壓均可獨立調(diào)節(jié)，除塵效果好，且其中脈沖變壓器[7]參數(shù)設(shè)計方法也簡便有效，對實際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

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