CN101620246A - 电除尘中火花精确检测方法 - Google Patents

Abstract

一种电除尘中火花精确检测方法，属于环保控制技术领域。其特征是检测负载电压变化量ΔU_L(t)＞M_u时，可判断电场发生火花击穿，此外电场火花击穿的前提是电场已经起晕；火花精确判断条件：U_L(K)－U_L(K+1)＞M_u，M_u＝－2πf_i·M_k·cos(2πf_s·(T_s－T_c))·T_c，M_k＝n×U_P×(Z_rate/(Z_Ls+Z_rate))，其中f_i为输入电压频率，f_s、T_s分别为整流输出电压频率与周期，Z_Ls为变压器等效电感的电抗，Z_rate为负载的额定电抗，n为整流变压器变比，U_P为变压器初级侧输入电压峰值，U_L(K)、U_L(K+1)分别代表第K、K+1个采样点电压，设负载电压的采样周期为T_c，利用两根4mm²铜丝分别代替放电极与收尘极，二者尖端相对，改变二者间距，在空气介质下，可获得不同的火花击穿电压U_spark，从而模拟不同负载。本发明的效果和益处是克服了常规火花检测中的不足，为实际应用提供了一种简单的用于精确检测电除尘中火花放电的方法。

Description

电除尘中火花精确检测方法

技术领域

本发明属于环保控制技术领域，涉及到电除尘中火花检测方法，特别涉及到一种电除尘中火花精确检测方法。

背景技术

目前，电除尘现场设备中对火花的检测通常需要二次电压和二次电流同时检测，才能进行判断，而且常规的火花检测电路通常是检测二次电流的高次谐波来判断负载有否发生火花，由于在小负载电流下，电源正常运行的二次电流波形就含有较多的高次谐波，当负载发生火花时，其火花的反馈信号掩盖在正常运行时的高次谐波里，很难准确检测出真正的火花信号；利用硬件电路实现电除尘中火花检测，检测精度不高，需要二次电压和二次电流同时取样处理判断的方式，同时需要增加同步信号，而且负载特性变化对火花检测也增加一定的难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了能够实现在电除尘中火花的精确检测，克服现有电除尘中硬件火花检测精度不高，需要二次电压和二次电流同时取样处理判断的方式，同时需要增加同步信号，以及负载特性对火花检测造成影响的不足，本发明的目的是提供电除尘中火花精确检测方法。该方法不用硬件实现火花检测，不需要增加同步信号，只需对连续两个采样点得到的二次电压在满足一定的关系下进行判断，就可以精确检测电除尘中火花，而且对阻性和容性负载的火花检测同样适用。

本发明的技术方案是：

(1)建立电除尘器整流变压器次级输出电源模型；

(2)电除尘装置输入电压U_i经可控硅调压，由整流变压器升压、整流变换后得到次级输出电压U₂；

(3)根据(1)建立的电源模型的等效电路求出负载两端电压U_L的数学表达式；

(4)导出U_L对时间的导数，从而得到负载两端电压U_L随时间的变化率；

(5)由 $\mathrm{\Δ}{U}_L\left(t\right)=-\frac{\∂U_L\left(t\right)}{\∂t}\·\mathrm{\Δt},$ 当电场未发生火花击穿时，在t＝T_s-Δt时刻，ΔU_L(t)将达到最大值M_L，其中T_s代表整流输出电压的周期，是变压器输入电压周期的一半；

(6)M_L将随负载电抗

而变化，当负载电阻R_L不断增加，其电抗

达到额定电抗Z_rate时，此时M_L将达到最大值M_u；

(7)在软件实现中，检测负载电压变化量ΔU_L(t)＞M_u时，可判断电场发生火花击穿，此外电场火花击穿的前提是电场已经起晕，即负载电流I_L大于0；

(8)火花判断条件为：U_L(K)-U_L(K+1)＞M_u，M_u＝-2πf_i·M_k·cos(2πf_s·(T_s-T_c))·T_c， $M_k=n\×U_P\×\frac{Z_{\mathrm{rate}}}{Z_{L_S}+Z_{\mathrm{rate}}},$ 其中f_i为输入电压频率(Hz)，f_s为整流输出电压频率(Hz)，为变压器等效电感的电抗，n为整流变压器变比，U_P为变压器初级侧输入电压峰值(V)，U_L(K)代表一个T_s内U_L的第K个采样点电压，U_L(K+1)代表第K+1个采样点电压，设负载电压的采样周期为T_c。

本发明的效果和益处是：能够实现电除尘中火花的精确检测，克服了常规火花检测中的不足，为实际应用提供了一种简单的用于精确检测电除尘中火花放电的方法。

附图说明

附图1是本发明整流变压器初级电压U₁波形图。

附图2是本发明整流变压器次级输出电源模型图。

附图3是本发明整流变压器次级输出电压波形图。

附图4是本发明仿真的负载电压变化量ΔU_L随时间t变化曲线图。

附图5是本发明仿真的最大ΔU_L随负载变化曲线图。

附图6是本发明仿真的最大ΔU_L AD值随负载变化曲线图。

附图7是本发明实施例的火花控制波形图。

图中：U₁整流变压器初级输入电压；SCR1和SCR2反并联可控硅；α可控硅触发导通角；U₂整流变压器次级输出的脉动负电压；R_s变压器绕线等效电阻；L_s代表变压器内部等效电感，其电抗通常为总电抗的35～40％；R_d阻尼电阻；C_L除尘器放电极与收尘极之间负载的等效电容；R_L负载等效电阻；U_L负载两端的电压，通常低于-15KV；I_L负载电流；a整流变压器次级整流输出电压U₂的理想波形；b  负载电压U_L波形；T_s整流变压器整流输出电压的周期，是变压器输入电压周期的一半；c

为Z_rate的35％时ΔU_L随时间t的变化曲线；d

为Z_rate的75％时ΔU_L随时间t的变化曲线；e

为Z_rate的100％时ΔU_L随时间t的变化曲线。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

在图1中，电除尘装置为除尘器放电极与收尘极之间提供高压电源，输入单相交流，经空气开关QF1后，由反并联可控硅SCR1和SCR2调压，再与整流变压器初级相连，经升压、整流变换后，次级输出脉动负高压，为除尘器放电极和收尘极供电，控制器根据电流电压反馈对可控硅进行触发控制，输入电压U_i可表示为

U_i＝U_P×sin(2πf_i·t)                 (1)

U_P为输入电压峰值，f_i为输入电压频率，t为时间。输入电压经可控硅调压后连接到整流变压器初级，在U_i正半波，触发SCR1，导通角为α，在U_i负半波触发SCR2。

在图2中，整流变压器升压、整流变换，次级得到脉动负高压，为除尘器供电，整流变压器次级输出可等效为电压源，将输出负载等效为电阻和电容并联。

在图3中，触发可控硅后，U₂瞬间由0上升到触发点电压值，然后按a所示正弦曲线变化；而负载电压U_L由于变压器分布参数及负载电容影响，当可控硅触发后，由0快速上升到触发点电压需要一个过程，然后按b所示正弦曲线变化。

根据图2，U_L可表示为：

$U_L=U_2\×\frac{Z_{C_{L:}//R_L}}{Z_{R_S}+Z_{L_S}+Z_{R_d}+Z_{C_L//R_L}}---\left(2\right)$

$Z_{C_L//R_L}=\frac{Z_{C_L}\·Z_{R_L}}{Z_{C_L}+Z_{R_L}}$

为变压器绕线电阻的电抗，

为变压器内部等效电感的电抗，

为阻尼电阻的电抗，代表负载等效电抗，为负载等效电容的电抗，

为负载等效电阻的电抗，

和

由除尘器烟气流量、粉尘性质、放电极与收尘极间距、收尘极面积等决定。

电除尘装置输入电压经可控硅调压，由整流变压器升压、整流变换后，得到次级输出电压，U₂可表示为：

$U_2=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\≤t\≤t_{\mathrm{\α}}\\ n\×U_P\×\sin (2\mathrm{\π}{f}_i\·t)& t_{\mathrm{\α}}\≤t\≤T_s\end{array}\right.---\left(3\right)$

$t_{\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}}\·T_s=\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}}\·\frac{1}{2\×f_i}$

n为整流变压器变比，T_s代表整流输出电压的周期，是变压器输入电压周期的一半，α为可控硅触发导通角，t_α为可控硅触发时刻。通常变压器绕线电阻R_s小于30Ω，阻尼电阻R_d为600～800Ω，其电抗

与变压器等效电感的电抗

及负载电抗

相比可以忽略。

对于阻性负载，通常C_L为0.1～1nF，负载电阻R_L为30～800KΩ，因此负载电容可以忽略，因此(2)式可简化为：

$U_L=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\≤t\≤t_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{LP}}\left(Z_{R_L}\right)\·\sin (2\mathrm{\π}{f}_i\·t)& t_{\mathrm{\α}}\≤t\≤T_s\end{array}\right.---\left(4\right)$

$U_{\mathrm{LP}}\left(Z_{R_L}\right)=n\×U_P\×\frac{Z_{R_L}}{Z_{L_S}+Z_{R_L}}---\left(5\right)$

代表负载电压的峰值，是负载电抗

的函数。

一个T_s内，设负载电压在Δt时间内的变化量为ΔU_L(t)，则火花击穿时ΔU_L(t)就为U_spark，设火花击穿时刻为t₁，则：

$\mathrm{\Δ}{U}_L\left(t_1\right)=U_{\mathrm{LP}}\left(Z_{R_L}\right)\·\sin (2\mathrm{\π}{f}_s\·t_1)---\left(6\right)$

当电场未发生火花击穿时，ΔU_L(t)则可表示为：

$\mathrm{\Δ}{U}_L\left(t\right)=U_{\mathrm{LP}}\left(Z_{R_L}\right)\·[\sin (2\mathrm{\π}{f}_i\·t)-\sin (2\mathrm{\π}{f}_i\·(t+\mathrm{\Δt}))]---\left(7\right)$

t_α≤t＜T_s

由(6)～(7)式可知，在一个T_s内，无论什么时刻电场发生火花击穿，火花击穿时U_L的变化量均大于火花未击穿时U_L的变化量，设M_L为火花未击穿时U_L变化量的最大值，则当ΔU_L(t)＞M_L时，则可判断出电场发生火花击穿。根据(4)式可得：

$\frac{{\∂U}_L\left(t\right)}{\∂t}=2\mathrm{\π}{f}_i\·U_{\mathrm{LP}}\left(Z_{R_L}\right)\·\cos (2\mathrm{\π}{f}_i\·t)---\left(8\right)$

$\mathrm{\&Delta;}{U}_L\left(t\right)=-\frac{\&PartialD;U_L\left(t\right)}{\&PartialD;t}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t},t_{\mathrm{\&alpha;}}\&le;t<T_s$

显然当电场未发生火花击穿时，在t＝T_s-Δt时刻，ΔU_L(t)将达到最大值M_L：

$M_L=-2\mathrm{\&pi;}{f}_i\&CenterDot;U_{\mathrm{LP}}\left(Z_{R_L}\right)\&CenterDot;\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_i\&CenterDot;(T_s-\mathrm{\&Delta;t}))\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}---\left(9\right)$

M_L将随

而变化，根据(5)式可知，当R_L不断增加，其电抗

达到额定电抗Z_rate时，

将达到最大值M_k，此时M_L也将达到最大值M_u，设负载电压的采样周期为T_c，则：

M_u＝-2πf_i·M_k·cos(2πf_s·(T_s-T_c))·T_c               (10)

$M_k=n\&times;U_P\&times;\frac{Z_{\mathrm{rate}}}{Z_{L_S}+Z_{\mathrm{rate}}}$

显然若负载电压变化量ΔU_L(t)＞M_u时，可判断电场发生火花击穿，此外电场火花击穿的前提是电场已经起晕，即负载电流I_L大于0，因此火花判断条件为：

U_L(K)-U_L(K+1)＞M_u

在图4中，实例变压器额定输出容量为1.0A/72KV，输入电压为380V，f_i＝50Hz，

设计为总电抗的35％，T_c＝400μs。可计算得到：n≈290，Z_rate≈7.2×10⁴Ω，T_s＝10ms。c、d、e分别代表

为Z_rate的35％、75％、100％时ΔU_L随时间t的变化曲线，可以看出，不同负载时，在t＝T_s-T_c时刻，ΔU_L均达到最大值M_L。

在图5中，当

达到Z_rate时，M_L达到最大值M_u＝12.6KV；当 $Z_{R_L}=Z_{\mathrm{rate}}$ 时，AD采样达到最大值M′_u＝143。仿真条件：U_L通过电阻分压方式线性转换为0～2V信号，进入10bit AD转换，AD转换的参考电压V_ref＝2.5V。

下表是本发明实施例的火花击穿数据表。

其中，d放电极与收尘极间距；U_spark电压表显示的火花击穿点电压；I_L电流表显示的火花击穿点电流；M′_L AD采样得到的M_L；N_a总的火花击穿实验次数；N_m漏检次数；N_e误检次数；E_r错误率。

在该表中，实例变压器额定输出容量为1.0A/72KV，输入电压为380V，f_i＝50Hz，

设计为总电抗的35％，T_c＝400μs。可计算得到：n≈290，Z_rate≈7.2×10⁴Ω，T_s＝10ms。利用两根4mm²铜丝分别代替放电极与收尘极，二者尖端相对，改变二者间距，在空气介质下，可获得不同的U_spark，从而模拟不同负载。以M′_u＝143为判据，可以看出，火花检测具有较高准确性。当间距为80mm时，发生2次漏检，是由于间距较小，即负载电抗较小，使得火花击穿时ΔU_L较小，当小于M′_u时将漏检；当间距为300mm时，发生1次误检，是由于间距较大，即负载电抗较大，使得M′_L较大，当超过M′_u将发生误检。实际应用时，可根据实际工况对M′_u进行适当调整。

Claims (1)

1、一种电除尘中火花精确检测方法，其特征是根据电除尘器整流变压器次级输出电源模型的等效电路推导出负载两端电压U_L的数学表达式，并求其导数

由负载电压变化量 $\mathrm{\&Delta;}{U}_L\left(t\right)=-\frac{\&PartialD;U_L\left(t\right)}{\&PartialD;t}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t},$ 当电场未发生火花击穿时，在t＝T_s-Δt时刻，ΔU_L(t)将达到最大值M_L，其中T_s代表整流输出电压的周期，是变压器输入电压周期的一半；M_L将随负载电抗

而变化，当负载电阻R_L不断增加，其电抗

达到额定电抗Z_rate时，此时M_L将达到最大值M_u；在软件实现中，检测负载电压变化量ΔU_L(t)＞M_u时，可判断电场发生火花击穿，此外电场火花击穿的前提是电场已经起晕，即负载电流I_L大于0；火花精确判断条件为：U_L(K)-U_L(K+1)＞M_u，M_u＝-2πf_i·M_k·cos(2πf_s·(T_s-T_c))·T_c， $M_k=n\&times;U_P\&times;\frac{Z_{\mathrm{rate}}}{Z_{L_S}+Z_{\mathrm{rate}}},$ 其中f_i为输入电压频率，f_s为整流输出电压频率，

为变压器等效电感的电抗，Z_rate为负载的额定电抗，n为整流变压器变比，U_P为变压器初级侧输入电压峰值，U_L(K)代表一个T_s内U_L的第K个采样点电压，U_L(K+1)代表第K+1个采样点电压，设负载电压的采样周期为T_c。

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