一種新型的靜電除塵用脈沖高壓電源設(shè)計(jì)

雷盼靈，曾慶軍，陳 峰

（1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)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(jìn)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(yán)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(rèn)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(dāng)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(xiàng)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(jì)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(jì)

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(jìn)行供電。

設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)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(yùn)行狀態(tài)通過DSP芯片通信在上位機(jī)中顯示出來，可供操作人員監(jiān)測電源系統(tǒng)的工作，當(dāng)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(jì)

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(jì)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(hù)電路由保護(hù)線圈和斷路器、接地線構(gòu)成，對靜電除塵器起保護(hù)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(xì)介紹，本文研究的重點(diǎn)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(hù)電路可以在發(fā)生火花時保護(hù)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(dāng)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(fù)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(rèn)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(shí)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(jìn)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(xué)習(xí)者對外語語言行為的理解、產(chǎn)生和習(xí)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(hù)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(jìn)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(jì)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(jì)

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(dá)到更好的除塵效果，脈沖高壓電源的目標(biāo)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(jì)算出部分脈沖變壓器的設(shè)計(jì)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(jì)算得到圖 5 電路中 Cs、Cc、Ls、Rs，從而設(shè)計(jì)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(jì)Tab.1 Parameters design of pulse generating circuit

本文開展的脈沖變壓器理論設(shè)計(jì)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(jì)，不影響脈沖變壓器其他部分的設(shè)計(jì)。與表1中本文設(shè)計(jì)的脈沖變壓器參數(shù)進(jìn)行比對，可以看出實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)與設(shè)計(jì)的理論參數(shù)相近。驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)際產(chǎn)品和理論設(shè)計(jì)存在誤差，可以在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)結(jié)果加以調(diào)整，可以達(dá)到預(yù)計(jì)的效果。

表2 脈沖變壓器實(shí)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(jì)方法，設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)，最后通過與本文指導(dǎo)生產(chǎn)的脈沖變壓器實(shí)際產(chǎn)品的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，表明了本文設(shè)計(jì)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(dú)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(jì)方法也簡便有效，對實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

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