電除塵器高壓脈沖電源控制系統(tǒng)設(shè)計要點分析

邱 銳

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

高壓脈沖直流電源是一種疊加電源，由脈沖源和直流高壓電源共同產(chǎn)生特定的高壓電場，從而使灰塵積累荷電，在電場力的作用下向特定方向運動。電源控制系統(tǒng)的設(shè)計水平直接決定了除塵效果、工作能耗以及設(shè)備運行的安全性，因此該文該系統(tǒng)的設(shè)計方法進行了研究。

1 電除塵器高壓脈沖電源技術(shù)原理及電路設(shè)計方案

1.1 電除塵器高壓脈沖電源技術(shù)原理

1.1.1 電壓疊加技術(shù)

電除塵器需要產(chǎn)生高壓脈沖電源，其核心技術(shù)是通過脈沖電源和直流高壓電源產(chǎn)生疊加的電壓，2種電源在除塵中的作用存在一定差異。1）直流高壓電源的作用。在電除塵器中，通常將高頻逆變電源或者工頻相控電源作為直流高壓電源，其作用是產(chǎn)生一個基礎(chǔ)性的高電壓，使除塵器的電場足以起暈，從而讓灰塵表面帶電，為進一步的收塵創(chuàng)造條件[1]。2）脈沖電源的作用。脈沖電源用于產(chǎn)生高壓脈沖，一個脈沖的時長僅能維持在微妙級（不超過100μs），其瞬時電壓等級為80kV。在疊加電壓的作用下，空氣達到電離狀態(tài)，電場中的灰塵顆粒產(chǎn)生充分的荷電積累。

1.1.2 除塵機理

煙塵顆粒受疊加電壓的激發(fā)，積累了足夠多的電荷。電除塵器工作時形成了電場，帶電的煙塵顆粒在電場作用下向集塵系統(tǒng)運動，從而達到除塵的目的。目前，經(jīng)過電除塵器的處理，煙塵顆粒的濃度可控制在10mg/m3～20mg/m3[2]。

1.1.3 性能優(yōu)勢

對于電除塵器，高壓脈沖電源具有一系列優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為節(jié)能、瞬時電壓高，能夠合理控制煙塵顆粒的電荷量，避免電荷過度積累。以節(jié)能為例，脈沖電壓通常僅維持幾十微妙，不會過度消耗電能。

1.2 高壓脈沖電源電路總體設(shè)計方案

1.2.1 脈沖電源設(shè)計

1.2.1.1 電路拓撲分析

脈沖電源的發(fā)生電路為對稱式疊加脈沖，對交流380V三相電壓進行升壓和整流處理，通過C1、C2這2個C型濾波器完成濾波操作。此時可產(chǎn)生V1、V2共2個直流母線電壓，通過2個電感將V1、V2分別連接至儲能電容Cr1、Cr2。在電路拓撲中設(shè)置2個對稱的主功率器件，記為Q1和Q2，Cr1、Q1和Cr2、Q2各自與變壓器構(gòu)成回路[3]。脈沖變壓器對電路電能進行變壓后，傳送至隔直電容，脈沖能量再通過高壓隔離電感到達電除塵器。

1.2.1.2 等效數(shù)學(xué)模型

脈沖源電路拓撲較復(fù)雜，簡化的等效模型如圖1所示。針對等效模型，可計算出輸出電壓，方法如下。引入2個參數(shù)α、β，如公式（1）所示。

圖1 脈沖源等效諧振電路圖

式中：Cs為等效儲能電容。

引入?yún)?shù)k，使其滿足關(guān)系式1/k=1/α+1/β+1。通過理論推導(dǎo)可求出等效諧振電容Cr的表達式，其計算方法為Cr=kn2Cp。將諧振周期、電路特征阻抗和諧振電路的角頻率分別記為Tr、Zr和ωr，根據(jù)電學(xué)原理可推導(dǎo)出這些參數(shù)的數(shù)學(xué)表達式，以Zr為例，其計算方法如公式（2）所示。

通過以上參數(shù)可推導(dǎo)出二次側(cè)脈沖電流、二次電壓以及諧振電流的表達式，將二次側(cè)電壓記為u2，則u2的計算方法如公式（3）所示。

式中：i2（t）表示二次側(cè)脈沖電流。

1.2.1.3 主回路參數(shù)取值

主回路元件的設(shè)計參數(shù)包括脈沖直流母線電壓值、脈沖峰值電壓和脈沖寬度等。該文設(shè)計中的脈沖源技術(shù)指標見表1。

表1 脈沖源主回路技術(shù)指標

1.2.2 直流高壓電源設(shè)計

1.2.2.1 電路拓撲分析

在直流高壓源設(shè)計中，拓撲結(jié)構(gòu)采用LCC諧振變換器，將其母線電壓記為Vin。在電路中設(shè)置4個主功率變換器，分別記為Qa、Qb、Qc、Qd，Qa和Qb對稱分布，Qc和Qd對稱設(shè)置，整體形成橋式逆變電路。電路中存在諧振電容、諧振電感，分別記為C's、L's，變壓器產(chǎn)生的漏感記為L'm[4]。

1.2.2.2 等效數(shù)學(xué)模型

直流高壓電源的等效拓撲電路如圖2所示。等效電流ir存在2種狀態(tài)，VE的取值與ir的狀態(tài)存在緊密聯(lián)系，計算方法如公式（4）所示。

圖2 直流高壓電源等效諧振電路示意圖

式中：u2表示二次輸出電；n為變壓器變比。

1.2.2.3 主回路參數(shù)取值

直流電壓源主電路的設(shè)計參數(shù)包括母線電壓、輸出電壓、輸出電流和轉(zhuǎn)換功率等，其設(shè)計指標見表2。

表2 直流高壓電源主回路設(shè)計參數(shù)

2 高壓脈沖電源控制系統(tǒng)設(shè)計要點及性能測試

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計要點

2.1.1 主控芯片的控制流程

2.1.1.1 主控芯片

高壓脈沖電源的工作模式較復(fù)雜，需要精確控制電壓、電流輸出，如限制脈沖電源的作用時長，因此需要通過芯片建立標準化的控制流程，保證電源的可靠性。該文在設(shè)計中采用TMS320F28335芯片。該芯片是一種性能成熟的數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP），負責執(zhí)行系統(tǒng)邏輯運算、電源運行模式切換、故障處理、啟?？刂埔约爸袛囗憫?yīng)等核心任務(wù)[5]。

2.1.1.2 主控芯片的控制流程

主控芯片的控制流程如下。第一，系統(tǒng)啟動后進行初始化。主要作用為設(shè)定各種初始狀態(tài)和參數(shù)，包括系統(tǒng)時鐘、端口功能、通信協(xié)議、帶電可擦可編程只讀存儲器基本參數(shù)以及程序執(zhí)行順序等。第二，由DMA進行數(shù)據(jù)采集和處理。直接內(nèi)存存?。―irect Memory Access，DMA）是DSP中的一個硬件模塊，負責采集設(shè)備運行參數(shù)，在電壓電流控制、故障診斷和閃絡(luò)控制中具有關(guān)鍵性的作用。第三，判斷系統(tǒng)參數(shù)是否正常。DMA采集和處理數(shù)據(jù)后進行參數(shù)判斷，如果參數(shù)異常，系統(tǒng)內(nèi)部會發(fā)出報警信息。如果報警信息經(jīng)確認是故障，則進入故障處理流程，否則進入下一個正常流程。第四，判斷電場是否閃絡(luò)。如果判斷結(jié)果為存在閃絡(luò)，則執(zhí)行電火花處理流程。反之則根據(jù)采集的數(shù)據(jù)調(diào)整系統(tǒng)的輸出。第五，更新串口輸入數(shù)據(jù)。

2.1.2 電壓控制方法設(shè)計

2.1.2.1 整體控制策略

高壓脈沖電源的電壓來自2個部分，在電壓控制中借助絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）進行分開控制。IGBT具有開關(guān)功能，在分開控制模式下，打開或關(guān)閉某種電壓裝置并不會影響另一種電壓。IGBT的驅(qū)動信號為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM），2種電壓源均設(shè)計有4路PWM信號。驅(qū)動信號的頻率區(qū)間和脈沖寬度見表3。

表3 2類電壓源的PWM控制信號設(shè)計參數(shù)

2.1.2.2 脈沖源電壓控制設(shè)計

脈沖源需要進行升壓，通過母線電壓影響二次電壓（輸出電壓），根據(jù)其運行特點，輸出電壓的高低與母線電壓的變化呈正相關(guān)，因此可通過控制母線電壓來決定輸出電壓的幅值。為了實現(xiàn)母線電壓可調(diào)，應(yīng)在其升壓變壓器前設(shè)置可控硅整流器，其作用是調(diào)節(jié)輸入電壓，進而影響升壓的幅度[6]。脈沖源的4路PWM信號與高壓直流電源的4路PWM信號不可同時導(dǎo)通，否則會引起瞬間過電流。針對該情況采取信號錯時發(fā)送策略，當高壓直流電源發(fā)送驅(qū)動信號時，先將脈沖源的PWM信號屏蔽50μs，從而錯開發(fā)送時間。

2.1.2.3 高壓直流電源電壓控制設(shè)計

高壓直流電源IGBT開關(guān)的驅(qū)動信號同樣為4路PWM信號。當LCC逆變器的驅(qū)動波形重合時會引起短路，其潛在原因是逆變器上、下橋臂驅(qū)動信號時序錯亂。應(yīng)對該問題的措施為改進驅(qū)動信號的發(fā)送時序，在其中插入“死亡時間”，該時段內(nèi)禁止發(fā)送PWM驅(qū)動信號。

2.1.3 閃絡(luò)控制策略

2.1.3.1 閃絡(luò)信號檢測

對于閃絡(luò)檢測問題，關(guān)鍵是要掌握其信號特征，具體表現(xiàn)如下：第一，發(fā)生閃絡(luò)時，二次電壓的波形會出現(xiàn)畸變，電流也會突然增大。第二，輸出電壓迅速下降，平均電壓緩慢下降。第三，一次電流在極短時間內(nèi)大幅增加，其幅值大約為正常電流的5倍。第四，一次電流和二次電流的積分值呈增大趨勢。第四，為了進行量化判斷，需要明確各參數(shù)的變化幅度，并設(shè)定閾值。

2.1.3.2 閃絡(luò)處置方法

根據(jù)閃絡(luò)發(fā)生的電壓源類型，其處置措施包括脈沖源的閃絡(luò)處理和直流高壓電源的閃絡(luò)處理。以脈沖源閃絡(luò)處理為例，實施步驟如下：第一，在閃絡(luò)后，控制系統(tǒng)立即暫停發(fā)送PWM信號，時間控制在30ms。在該過程中，電場的絕緣介質(zhì)可恢復(fù)至原有水平。第二，在暫停發(fā)波30ms后，PWM信號恢復(fù)，IGBT開關(guān)打開，恢復(fù)閃絡(luò)前的工作頻率。第三，閃絡(luò)后PWM恢復(fù)發(fā)波，發(fā)送10次PWM信號后，開啟可控硅整流器，調(diào)節(jié)母線電壓。第四，提升系統(tǒng)輸出電壓，并跟蹤電源運行狀態(tài)及各種運行參數(shù)。在電源輸出電壓上升過程中，如果不再出現(xiàn)閃絡(luò)，則高壓脈沖源電場供電恢復(fù)正常，否則重新進入閃絡(luò)檢測流程。

2.1.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣

2.1.4.1 數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)是高壓脈沖電源進行控制的主要依據(jù)。數(shù)據(jù)大體可分為3類，包括直流高壓電源相關(guān)數(shù)據(jù)、脈沖源相關(guān)數(shù)據(jù)以及電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型的細分結(jié)果見表4。

表4 系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)分類

2.1.4.2 數(shù)據(jù)采樣方法

通常情況下，主控芯片是數(shù)據(jù)采集的控制單元，但是在高壓脈沖電源控制系統(tǒng)中，DSP芯片承擔了絕大部分控制任務(wù)。為了降低主控芯片的負擔，在設(shè)計中引入拓展芯片——現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），先通過該芯片采集模擬量，經(jīng)過適當處理后將數(shù)據(jù)緩存至共享存儲器內(nèi)，再通過后者將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至DSP。

2.2 控制系統(tǒng)性能測試

電除塵器高壓脈沖電源的核心功能是提供可控的電壓輸出，該文針對設(shè)計的電源電路及控制系統(tǒng)進行升壓試驗。

2.2.1 脈沖源升壓測試

脈沖源升壓控制流程為母線電壓→改變可控硅整流器導(dǎo)通角→升壓變壓器→輸出電壓，輸出電壓的幅值與母線電壓幅值、導(dǎo)通角的大小呈正相關(guān)。母線電壓與輸出電壓的試驗數(shù)據(jù)見表5。從表5可知，隨著母線電壓的升高，輸出電壓不斷升高。當母線電壓為1150kV時，輸出電壓超過80kV（設(shè)計輸出值），控制系統(tǒng)滿足要求。

表5 母線電壓與輸出電壓試驗數(shù)據(jù)

2.2.2 直流高壓電源升壓測試

直流高壓電源的控制方式為調(diào)節(jié)LCC的工作頻率。實際的電壓調(diào)節(jié)效果與IGBT開關(guān)周期相關(guān)。從理論上講，最終的輸出電壓與開關(guān)周期呈反比。模擬數(shù)據(jù)見表6。從中可知，輸出電壓的變化趨勢與理論預(yù)期完全一致。當開關(guān)周期為100μs時，輸出電壓為設(shè)計值60kV以上。

表6 直流高壓電源升壓測試數(shù)據(jù)

2.2.3 溫升試驗

電除塵器高壓脈沖電源在工作過程中存在溫升現(xiàn)象，如果溫升幅度超過安全閾值，將會對設(shè)備造成一定損害。為保障設(shè)計方案的安全性，應(yīng)進場溫升試驗。試驗前，分別檢測環(huán)境溫度、變壓器油溫、高壓直流電源IGBT開關(guān)以及脈沖電源IGBT開關(guān)的實際溫度。使高壓脈沖電源在額定功率下工作10h，結(jié)束后立即檢測以上4個指標的溫度。高壓脈沖電源運行前、后的溫度數(shù)據(jù)見表7。從中可知，變壓器油溫在運行后的最高溫度為69℃，溫升值為29.6℃，變壓器上層油溫不應(yīng)超過95℃，溫升值不可超過55℃，試驗結(jié)果符合要求。2個IGBT開關(guān)的最高運行溫度為57℃，最大溫升值為22℃，要求最高運行溫度低于80℃，溫升值不可超過30℃，因此IGBT開關(guān)的溫升幅度也符合使用要求。

表7 溫升試驗前、后的溫度數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

該文整個研究內(nèi)容所得結(jié)論如下。第一，高壓脈沖電源由脈沖源和高壓直流電源的電壓、電場疊加而成。第二，該電源的控制系統(tǒng)通過主控DSP芯片實現(xiàn)大部分控制功能，具體包括電壓電流控制、閃絡(luò)控制和電源運行數(shù)據(jù)采集等核心功能。第三，直流高壓電源采用LCC逆變器控制體系，其控制方式為調(diào)節(jié)IGBT開關(guān)的周期。第四，脈沖源的電壓控制方式為調(diào)節(jié)母線電壓和可控硅整流器的導(dǎo)通角。