CN101816976B - 数字闭环高频高压电源 - Google Patents

Abstract

一种数字闭环高频高压电源，用于电捕焦、除尘器。高压电源柜控制与驱动系统与变压器初级连接，变压器多组次级绕组绕制在铁芯上，单个次级绕组与滤波电容、整流管连接后为绕组电源单元，将多个绕组电源单元串接组成的铁芯电源单元分组叠加串联后固定在变压器支架上；初级绕组从铁芯内的绝缘管内绕多匝组成一个变压器。整个高频波形产生和输出电压、输出电流调节以及开路、短路、过热保护、闪络控制等均由可编程控制器完成。本发明可有效提高除尘除焦效率，减少粉尘排放量；电源转换效率高，大大减少电网供电负荷空损率；功率因数高，电网污染小，电磁兼容性好；整体重量小，节省材料，节省空间和基建费用；采用网络化控制，自动化程度高。

Description

数字闭环高频高压电源

技术领域

本发明涉及电气自动控制技术领域，特别是电除焦、电除尘器用可自动控制的高压电源。 

背景技术

目前，我国煤焦化工业在生产过程中普遍使用电除焦、电除尘器滤除煤气中的煤焦油物质和粉尘杂质，电除焦、电除尘器是利用高压直流电源产生的负高压接入电晕极(阴极)，与沉淀极(阳极)之间产生电场，电场强度超过一定极限后在阴阳两极间产生电晕放电，流经电场区的气体发生电离，产生大量的离子和电子，通过电场的煤气中的焦油、粉尘、水雾等粒子与离子或电子结合而荷电，在电场力的作用下向两极运动，由于电子质量小，运动速度快，空间分布广，主要是荷负电的粒子向沉淀极运动，到达沉淀极板中和后，依靠残存的静电引力和分子间凝聚力首先吸附于沉淀极，而后靠自身重力顺沉淀极壁落入焦油槽达到净化煤气，减少污染排放的目的。 

在上述工作过程中，电除焦、电除尘器用高压直流电源普遍采用可控硅高压电源和电感电容与工频变压器串联的LC式高压整流电源。这两种电源存在以下缺陷：1、无法有效跟踪电晕强度，在闪络-电晕-关断中，电晕强度周而复始的发生变化，所用电源不能随被处理物、流量变化时而调整跟踪，有效工作效率低，仅为75％左右；2、升压变压器使用工频变压器，其转换效率在70％左右，自耗电大，自重在几百公斤，浪费大量有色金属；3、输出波纹大，提供的有效直流电压和电晕电流较小，工作频率低，除尘除焦效率较低；4、由于是两相电源供电，功率因数仅为70％，电网污染大，干扰大，三相不平衡，电磁兼容性差，电压脉动范围大于25％，线性度差，除尘除焦效果差。 

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种数字闭环高频高压电源，采用现代电力电子、控制论技术、计算机及网络技术、半导体技术、机电一体化等现代综合技术，以实现提高电除焦、电除尘器除尘除焦的自动化程度及效率、高压电流可调可控、减少粉尘排放的目的。 

为实现上述目的，本发明的塔体包括电晕极与沉淀极，塔体下部具有焦油煤气进入口，塔体上部具有无焦油煤气排出口，高压电源柜装在塔体的顶部，其高压阴极与电晕极相连，高压阳极与沉淀极连接，高压电源柜外接三相380V交流电源，高压电源柜的控制与驱动系统与变压器的初级连接，所述变压器的多组次级绕组绕制在环形铁芯上，每个次级绕组绕多匝，单个次级绕组与滤波电容、整流管连接后成为一个绕组电源单元，将一个铁芯上的多个绕组电源单元串接组成一个铁芯电源单元，将多个铁芯电源单元分组叠加串联后固定在变压器支架上；用超高压绝缘管穿入环形铁芯，贯穿环形铁芯中心，将初级绕组从超高压绝缘管内绕多匝组成一个变压器。 

所述控制与驱动系统的触摸屏、上下游联锁与可编程控制器连接，可编程控制器经控制电源、自动空气开关接入三相380V交流电源，DC电抗器依次经续流装置、电流变送器、三相整流器、交流输入电抗器、交流接触器、自动空气开关与三相380V交流电源串联，可编程控制器分别与交流接触器、电流变送器、续流装置、电压变送器、高压变送器、脉宽调制组件、电流变送器连接，电压变送器与电容滤波组件并联后接入三相整流器，续流装置与电容滤波组件连接，驱动桥的一端与DC电抗器连接，另一端经电流变送器与三相整流器连接，脉宽调制组件分别与三相整流器、驱动桥、电流变送器串接，驱动桥与变压器的初级连接，铁芯电源单元串联后的负极为高压阴极，高压阴极经高压变送器接入电晕极，铁芯电源单元串联后的正极为高压阳极，高压阳极经电流变送器接入沉淀极。 

操作时，通过触摸屏设置需要的参数，当电除焦、电除尘器内焦油含量高时，电流会降低，与变压器连接的电流变送器的传感器感应后反馈给可编程控制器，以自动提高输出电压，保持电晕的产生与强度，如果产生闪络系统会自动降低输出电压，消除闪络；同时，分别与IPM驱动桥、三相整流器连接的电流变送器的传感器、与三相整流器连接的电压变送器的传感器、与变压器连接的高压变送器、电流变送器的传感器将感应的IPM驱动桥峰值电流、三相整流器输出的总电流、三相整流器输出的总电压、变压器次级电压、电流的信号反馈到脉宽调制组件中，与来自可编程控制器设定值进行比较，通过脉宽调制达到闭环自动的控制。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点： 

1、同等工况条件下，其最高工作频率可达50kHz，可输出较大的电晕电流，自适应火花浮动电平跟踪控制，可有效提高除尘除焦效率，减少粉尘排放量30％-80％，以适应新的环保要求； 

2、电源实际转换效率可达95％，提高电源转换效率35％，大大减少电网供电的负荷空损率，有利于节约能源； 

3、由两相供电改为三相供电，功率因数可提高至90％以上，电网污染小，电磁兼容性好； 

4、变压器只需采取风冷既可达到冷却的效果，大大减轻了变压器的体积，电源整体重量为原电源的1/5，节省材料，运输安装十分方便； 

5、将变压器与控制柜集成为一体，节省空间和基建费用； 

6、采用了网络化控制，实现了现场无人值守，人机界面友好，自动化程度高。 

附图说明

图1是本发明的电气结构简图； 

图2是图1的铁芯电源单元18的电气结构简图； 

图3是本发明变压器的结构简图； 

图4是本发明的应用简图； 

图5是图4的电晕极21、沉淀极22、塔体30相互关系示意简图。 

具体实施方式

如图1所示，高压电源柜的触摸屏24、上下游联锁25与可编程控制器11连接，可编程控制器11经控制电源8、自动空气开关1接入三相380V交流电源23，DC电抗器7依次经续流装置6、电流变送器5、三相整流器4、交流输入电抗器3、交流接触器2、自动空气开关1与三相380V交流电源23串联，可编程控制器11分别与交流接触器2、电流变送器5、续流装置6、电压变送器9、高压变送器10、脉宽调制组件12、电流变送器16连接，电压变送器9与电容滤波组件13并联后接入三相整流器4，续流装置6与电容滤波组件13连接，IPM驱动桥14的一端与DC电抗器7连接，另一端经电流变送器15与三相整流器4连接，脉宽调制组件12分别与三相整流器4、IPM驱动桥14、电流变送器15串接，IPM驱动桥14与变压器的初级17连接，铁芯电源单元18串联后的负极为高压阴极33，高压阴极33经高压变送器10接入电晕极21，铁芯电源单元18串联后的正极为高压阳极34，高压阳极34经电流变送器16接入沉淀极22。图1中，20为短接线，19为超高压绝缘管。 

输入序号为23的三相380V/50Hz或60Hz交流电A、B、C，通过自动空气开关1供入系统中，自动空气开关1常闭；可编程控制器11通过编程软件使其按预先编辑的逻辑关系，关联各端口的功能，操作时，可按触摸屏电流、电压设定钮，弹出输入窗口，按要求输入电流0～400mA，电压0～60kV范围内数值，触摸屏24与可编程控制器11采用RS485通讯模式可编程控制器11得到新的设置后，其模拟量模块输出直流电压到脉宽调制组件12，通过其比较器 限定输出的最大值；为保证设备的正常安全运行，上下游连锁25主要包括煤气输入设备运行是否正常、捕焦器含氧量是否低于安全值以下(≤2％)、接收设备是否运行正常、检修时的系统禁止信息等；可编程控制器11经上下游联锁25检测到外部条件满足时，操作人员可通过与触摸屏24连接的控制电源8启动上电，交流接触器2吸合接通，为减少对电网的谐波干扰，利用交流输入电抗器3滤除杂波，经三相整流器4整流滤波成为530V直流电压，再经IPM驱动桥14的模块全桥高频软开关谐振逆变，高频升压整流成70kV直流电压供电给电捕焦器；通过续流装置6限流给电容滤波组件13充电，充满后，通过续流装置6短接，DC电抗器7用于提高功率因数及滤波；电流变送器5、电压变送器9分别用于检测经三相整流器4整流滤波后的总电流(＜200A)及总电压(＜550V)，电流变送器15用于IPM驱动桥14的峰值电流(＜150A)检测，高压变送器10用于检测变压器次级高压侧电压(＜60kV)，电流变送器16用于检测变压器次级高压侧电流(＜0.4A)，各变送器将上述模拟信号传送给可编程控制器11监测是否超过设定值上下限，触摸屏24实时显示上述参数并警告，查看电压、电流设值是否超限后运行设备；脉宽调制组件12输出驱动脉宽到驱动模组，由IPM驱动桥14驱动变压器初级，高压变送器10、电流变送器15、电流变送器16与可编程控制器11比较控制输出脉宽。整个高频波形的产生和输出电压、输出电流的调节以及开路、短路、过热保护、闪络控制等均由可编程控制器11完成。 

如图2、图3所示，将10组次级绕组27绕制在 

超微晶环形铁芯26上，每个次级绕组27绕45匝，单个次级绕组27与450V/220UF滤波电容28、整流管2KV/3A29连接后成为一个绕组电源单元，将一个铁芯上的多个绕组电源单元串接组成一个铁芯电源单元18，将10个铁芯电源单元18分组叠加串联后固定在变压器支架32上；用聚酰亚胺管做成的超高压绝缘管19穿入环形铁芯26，贯穿环形铁芯26中心Q，将初级绕组17从聚酰亚胺管19内绕5匝组成一个变压器。使变压器次级绕组和铁芯浮动在高电位，初级绕组浮动在低电位，采用超高压绝缘材料聚酰亚胺套筒，使初、次级得到可靠的绝缘，彻底解决了变压器整流器的绝缘耐压问题，初次级之间采用松耦合结构，增大了初级绕组的漏感采用这种结构高压电源省略谐振电感，可大大减小高压电源输入与输出的分布电容，采用输入三相380伏交流工频电源，整流后的直流电压约550伏左右，每个电源单元升压比约为1∶6乘以10个绕组，这样每个电源单元整流后串联得到约3000伏以上电压，十个这样的电源单元既可得到30KV左右的直流高压，将这样的组件采用初级并联，次级串联的方法便可方便的实现了模块化组合得到60KV或90KV几种规格的电源，以往的高压开关电源必须将高压部分放入油箱中，而 本发明的变压器只需采取风冷既可达到冷却的效果，大大减轻了变压器的体积。 

如图4、图5所示，塔体30采用隔热、防雨、防雷、防腐设计，无须地面安装场所，输入电源23由控制室通过电缆引入，触摸屏24放置在控制室便于操控位置，与高压电源柜31采用RS485通讯模式，上下游联锁25通过电缆与高压电源柜31连接，所需通讯缆线与塔体30的高压电源柜31本体相连最大线长控制在1200米以内，高压电源柜31负极(阴极)通过高压瓷瓶同电捕焦器内电晕极21连接，高压电源柜31的阳极与沉淀极22(外壳)连接，通过接地导线与塔体30外壳相连。 

Claims (2)

1.一种数字闭环高频高压电源，塔体(30)包括电晕极(21)与沉淀极(22)，塔体(30)下部具有焦油煤气进入口，塔体(30)上部具有无焦油煤气排出口，高压电源柜(31)装在塔体(30)的顶部，其高压阴极(33)与电晕极(21)相连，高压阳极(34)与沉淀极(22)连接，高压电源柜(31)外接三相380V交流电源(23)，其特征在于：高压电源柜(31)的控制与驱动系统(35)与变压器的初级(17)连接，所述变压器的多组次级绕组(27)绕制在环形铁芯(26)上，每个次级绕组(27)绕多匝，单个次级绕组(27)与滤波电容(28)、整流管(29)连接后成为一个绕组电源单元，将一个铁芯上的多个绕组电源单元串接组成一个铁芯电源单元(18)，将多个铁芯电源单元(18)分组叠加串联后固定在变压器支架(32)上；用超高压绝缘管(19)穿入环形铁芯(26)，贯穿环形铁芯(26)中心，将初级绕组(17)从超高压绝缘管(19)内绕多匝组成一个变压器。

2.根据权利要求1所述的数字闭环高频高压电源，所述控制与驱动系统(35)的触摸屏(24)、上下游联锁(25)与可编程控制器(11)连接，可编程控制器(11)经控制电源(8)、自动空气开关(1)接入三相380V交流电源(23)，DC电抗器(7)依次经续流装置(6)、电流变送器(5)、三相整流器(4)、交流输入电抗器(3)、交流接触器(2)、自动空气开关(1)与三相380V交流电源(23)串联，可编程控制器(11)分别与交流接触器(2)、电流变送器(5)、续流装置(6)、电压变送器(9)、高压变送器(10)、脉宽调制组件(12)、电流变送器(16)连接，电压变送器(9)与电容滤波组件(13)并联后接入三相整流器(4)，续流装置(6)与电容滤波组件(13)连接，驱动桥(14)的一端与DC电抗器(7)连接，另一端经电流变送器(15)与三相整流器(4)连接，脉宽调制组件(12)分别与三相整流器(4)、驱动桥(14)、电流变送器(15)串接，驱动桥(14)与变压器的初级(17)连接，铁芯电源单元(18)串联后的负极为高压阴极(33)，高压阴极(33)经高压变送器(10)接入电晕极(21)，铁芯电源单元(18)串联后的正极为高压阳极(34)，高压阳极(34)经电流变送器(16)接入沉淀极(22)。

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