CN103427681B - 高频高压静电除尘电源及其控制保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频高压静电除尘电源，包括电力变压器、三相整流滤波电路、高频逆变电路、LCC谐振电路、高频脉冲变压器、高压整流电路、控制电路和驱动电路；所述的电力变压器的三个二次绕组输出端分三路分别连接到相应的三相整流滤波电路的输入端；三相整流滤波电路依次与高频逆变电路、LCC谐振电路、高频脉冲变压器、高压整流电路相连；三路高压整流电路的输出端进行串联连接，三个高压整流电路的输出串联升压后给除尘器本体供电。本发明提高了电路的输出电压值，有效消除谐波对电网的污染，降低了电路损耗。

Description

高频高压静电除尘电源及其控制保护方法

技术领域

本发明涉及一种静电除尘电源，尤其涉及一种静电除尘用大功率、高功率因数、高频、高压静电除尘电源，属于电力电子设备技术领域。

背景技术

近些年来，随着我国的工业水平的发展和规模不断壮大，废气的排放量也逐渐增大。这些烟尘携带大量有害物质进入大气，严重影响生态环境和人类健康。目前用于除尘的电源以工频电压为主，这种电源转换效率较低，输入不平衡，电压波动较大，除尘效率低且需要耗费较多的电能。2011年，国家有关部门联合发布了新的火电厂大气污染物排放标准，要求烟气的排放浓度进一步降低，传统的工频除尘电源已经很难满足这一标准。

目前，国内对高频静电除尘电源的研究较为广泛，如专利号为CN202150807的专利文献公开了一种静电除尘用高频高压大功率电源，但此类除尘器电源仅有一路电压输出，导致其输出电压幅值受到限制，不能进一步提升电压等级；又如专利号为CN202410836的专利文献公开了一种静电除尘用新型高频高压电源，此类高频电源在实际运行时，并未充分考虑由于电源的开通和关断所产生的谐波对电网的污染，且对电路所产生的主要谐波也未采取任何措施。因此，一种既有较高电压等级又能抑制谐波对电网污染的高频、高压静电除尘电源值得进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频高压静电除尘电源，解决现有技术的静电除尘电源输出电压幅值受到限制，不能进一步提升电压等级，电源开通和关断所产生的谐波对电网的污染等技术问题。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种高频高压静电除尘电源，包括电力变压器2、三相整流滤波电路3、高频逆变电路4、LCC谐振电路5、高频脉冲变压器6、高压整流电路7、控制电路9和驱动电路10；所述电力变压器2是一次侧绕组为Y型连接，二次侧有三个二次绕组的三相变压器，三个二次绕组输出电压移相角分别为20°、0°、-20°；所述三相整流滤波电路3为三相不可控整流电路，所述的电力变压器2的三个二次绕组输出端分三路分别连接到相应的三相整流滤波电路3的输入端；三相整流滤波电路3的输出端与高频逆变电路4的输入端相连接，高频逆变电路4的输 出端连接到LCC谐振电路5的输入端，LCC谐振电路5的输出端连接到高频脉冲变压器6的一次侧输入端，高频脉冲变压器6的二次侧输出端连接到高压整流电路7的输入端；三路高压整流电路7的输出端进行串联连接，三个高压整流电路的输出串联升压后给除尘器本体8供电；所述控制电路9的信号输入端与高频高压静电除尘电源主电路相连，控制电路9的信号输出端与驱动电路10输入端相连，所述驱动电路10输出端与高频逆变电路4相连。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述一种高频高压静电除尘电源，其中高频逆变电路4包括绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、缓冲电容Cs1、缓冲电容Cs2、缓冲电容Cs3、缓冲电容Cs4、缓冲二极管Ds1、缓冲二极管Ds2、缓冲二极管Ds3、缓冲二极管Ds4、缓冲电阻Rs1、缓冲电阻Rs2、缓冲电阻Rs3、缓冲电阻Rs4，所述IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4按照全桥结构连接，IGBT1的集电极与直流电源Ud的正极相连，其发射极与IGBT2的集电极相连，IGBT2的发射极连接直流电源Ud的负极，IGBT3的集电极与直流电源Ud的正极相连，其发射极与IGBT4的集电极相连，IGBT4的发射极连接直流电源Ud的负极；所述二极管D1反向并联在IGBT1两端，二极管D2反向并联在IGBT2两端，二极管D3反向并联在IGBT3两端，二极管D4反向并联在IGBT4两端，所述缓冲电容Cs1一端接IGBT1的集电极，另一端与缓冲二极管Ds1的正极以及缓冲电阻Rs1的一端相连接，所述缓冲二极管Ds1的负极接IGBT1的发射极，缓冲电阻Rs1的另一端与IGBT2的发射极相连接；缓冲电容Cs2一端接IGBT2的发射极，另一端与缓冲二极管Ds2的负极以及缓冲电阻Rs2的一端相连接，缓冲二极管Ds2的正极接IGBT2的集电极，缓冲电阻Rs2的另一端与IGBT1的集电极相连接；缓冲电容Cs3一端接IGBT3的集电极，另一端与缓冲二极管Ds3的正极以及缓冲电阻Rs3的一端相连接，缓冲二极管Ds3的负极接IGBT3的发射极，缓冲电阻Rs3的另一端与IGBT4的发射极相连接；缓冲电容Cs4一端接IGBT4的发射极，另一侧与缓冲二极管Ds4的负极以及缓冲电阻Rs4的一端相连接，缓冲二极管Ds4的正极接IGBT4的集电极，缓冲电阻Rs4的另一端与IGBT3的集电极相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的高频高压静电除尘电源，对三路独立的高压直流电进行串联，在满足了电路输出电流的基础上，大幅度提高了电路的输出电压值。电力变压器采用二次有三绕组的移相变压器，能够有效的消除5、7、11和13次4个主要低次谐波对电网的污染。高频逆变电路采用RCD缓冲吸收电路抑制关断浪涌电压，在一定程度上降低了电路损耗。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的三相整流滤波电路原理图；

图3为本发明的高频逆变电路原理图；

图4为本发明的控制系统的硬件结构框图；

图5为本系统的系统保护控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，高频高压静电除尘电源，包括电力变压器2、三相整流滤波电路3、高频逆变电路4、LCC谐振电路5、高频脉冲变压器6、高压整流电路7、控制电路9和驱动电路10；所述电力变压器2是一次侧绕组为Y型连接，二次侧有三个二次绕组的三相变压器，三个二次绕组输出电压移相角分别为20°、0°、-20°；所述三相整流滤波电路3为三相不可控整流电路，所述的电力变压器2的三个二次绕组输出端分三路分别连接到相应的三相整流滤波电路3的输入端；三相整流滤波电路3的输出端与高频逆变电路4的输入端相连接，高频逆变电路4的输出端连接到LCC谐振电路5的输入端，LCC谐振电路5的输出端连接到高频脉冲变压器6的一次侧输入端，高频脉冲变压器6的二次侧输出端连接到高压整流电路7的输入端；三路高压整流电路7的输出端进行串联连接，三个高压整流电路的输出串联升压后给除尘器本体8供电；所述控制电路9的信号输入端与高频高压静电除尘电源主电路相连，控制电路9的信号输出端与驱动电路10输入端相连，所述驱动电路10输出端与高频逆变电路4相连。

输入的三相市电经过平波电抗器1滤波后，在电力变压器2作用下，转变为幅值相同，相位相差20°的交流电，后经过三相整流滤波电路3变成530V直流电，再经过由4个IGBT组成的高频逆变电路4转变为幅值为530V，频率为20KHz的交流电，所产生的交流电通过LCC谐振电路5、高频脉冲变压器6和高压整流电路7后变成120kV的高压直流电，最后将三路直流电进行串联直接供给除尘器本体8。

所述高频高压静电除尘电源其三相整流滤波电路3的具体结构如图2所示，电路采用三相不可控整流结构，简化了电路的控制。

高频逆变电路4的具体结构如图3所示，电路中功率逆变模块开关器件采用英飞凌公司型号为FZ900R12KE4的IGBT，高频逆变电路4包括四个绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、缓冲电容Cs1、缓冲电容Cs2、缓冲电容Cs3、缓冲电容Cs4、缓冲二极管Ds1、缓冲二极管Ds2、缓冲二极管Ds3、缓冲二极管Ds4、缓冲电阻Rs1、缓冲电阻Rs2、缓冲电阻Rs3、缓冲电阻Rs4，所述IGBT1、IGBT2、 IGBT3、IGBT4按照全桥结构连接，IGBT1的集电极与直流电源Ud的正极相连，其发射极与IGBT2的集电极相连，IGBT2的发射极连接直流电源Ud的负极，IGBT3的集电极与直流电源Ud的正极相连，其发射极与IGBT4的集电极相连，IGBT4的发射极连接直流电源Ud的负极；所述二极管D1反向并联在IGBT1两端，二极管D2反向并联在IGBT2两端，二极管D3反向并联在IGBT3两端，二极管D4反向并联在IGBT4两端，这种结构可以防止反向电压过大击穿IGBT，对电路起到一定的保护作用；缓冲电路则采用具有钳位功能的RCD缓冲吸收电路，其中，缓冲电容Cs1一端接IGBT1的集电极，另一端与缓冲二极管Ds1的正极以及缓冲电阻Rs1的一端相连接，所述缓冲二极管Ds1的负极接IGBT1的发射极，缓冲电阻Rs1的另一端与IGBT2的发射极相连接；缓冲电容Cs2一端接IGBT2的发射极，另一端与缓冲二极管Ds2的负极以及缓冲电阻Rs2的一端相连接，缓冲二极管Ds2的正极接IGBT2的集电极，缓冲电阻Rs2的另一端与IGBT1的集电极相连接；缓冲电容Cs3一端接IGBT3的集电极，另一端与缓冲二极管Ds3的正极以及缓冲电阻Rs3的一端相连接，缓冲二极管Ds3的负极接IGBT3的发射极，缓冲电阻Rs3的另一端与IGBT4的发射极相连接；缓冲电容Cs4一端接IGBT4的发射极，另一侧与缓冲二极管Ds4的负极以及缓冲电阻Rs4的一端相连接，缓冲二极管Ds4的正极接IGBT4的集电极，缓冲电阻Rs4的另一端与IGBT3的集电极相连接。这种结构可以很好的抑制关断浪涌电压，并在一定程度上降低了电路损耗；通过在IGBT1的发射极输出端a与IGBT3的发射极输出端b之间串接一个串联谐振电容以及脉冲变压器的内部漏电感和分布电容，组成LCC谐振电路5，在此基础上，通过一定的控制算法即可实现电路内开关器件的零电流开通和零电压零电流关断，降低了功率器件的开关损耗。

电源的控制电路如图4所示，系统以TMS320F28335为主控芯片，采用DSP+FPGA的结构，主要实现功能包括模拟信号的采集和处理，脉冲信号的产生和控制，与上位机之间的CAN总线通信，对主电路中继电器的控制，IGBT的驱动保护，故障检测保护等。

控制电路包括检测电路、DSP控制电路、CAN总线通信电路和保护电路。其中，检测电路又包括进线电流采集电路，直流母线电压采集电路，一次侧电流采集电路，IGBT温度采集电路，变压器油温采集电路，一次侧电流和二次侧电流积分电路，输出电压和电流采集电路，主要用于检测电路的母线电压、一次侧电压、二次侧电压、一次侧电流、二次侧电流、逆变模块的温度、变压器温度和偏励磁情况等。进线电流采集电路的输入接在平波电抗器1与电力变压器2之间，直流母线电压采集电路的输入连接到三相整流滤波电路3和高频逆变电路4之间，一次侧电流采集电路输入端连接高频脉冲变压器5一次侧，IGBT温度采集电路的输入端接高频逆变电路4，变压器油温采集电路的输入接高频脉冲变压器5，一次侧电流积分电 路的输入接高频脉冲变压器5的一次侧，二次侧电流积分电路的输入接高频脉冲变压器5的二次侧，输出电压和电流采集电路接在高压整流电路7与除尘器本体8之间。检测电路的所有输出都接到DSP控制电路的输入端。检测电路的输出端接保护电路的输入端，保护电路的输出端接DSP控制电路，用于将输入和输出级过压保护、过流保护、欠压保护、缺相保护、过热保护和短路保护等保护信号传递给DSP。DSP控制电路中一部分输出连接CAN总线通信电路输入端，CAN总线通信电路输出端连接上位机输入。

系统的控制保护流程如图5所示，当上位机发出开机命令后，程序进入自检和初始化流程，启动辅助电路对电路进行预充电，检测电路的母线电压，当电压大于设定之后，主电路开关闭合，电源系统开始工作；通过控制输出PWM的占空比，分段设置不同的PID参数，控制电场输出的功率，对电场进行合理的构建；对电源系统的电压、电流和温度等参数进行采集，判断系统是否处于正常工作状态，若工作状态不正常，则对其进行判断并采取相应的处理措施；若处于正常工作状态，则对火花现象进行判断，利用火花产生时电路电压和电流的变化特点，设定火花检测控制算法，通过调节，使火花闪络率维持在一个合理的范围；将实际运行中的电源系统的参数和故障情况通过CAN总线上传到上位机，并实现上位机对数据的存储和实时曲线的绘制。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高频高压静电除尘电源，包括电力变压器(2)、三相整流滤波电路(3)、高频逆变电路(4)、LCC谐振电路(5)、高频脉冲变压器(6)、高压整流电路(7)、控制电路(9)和驱动电路(10)；所述电力变压器(2)是一次侧绕组为Y型连接，二次侧有三个二次绕组的三相变压器，三个二次绕组输出电压移相角分别为20°、0°、-20°；所述三相整流滤波电路(3)为三相不可控整流电路，所述的电力变压器(2)的三个二次绕组输出端分三路分别连接到相应的三相整流滤波电路(3)的输入端；三相整流滤波电路(3)的输出端与高频逆变电路(4)的输入端相连接，高频逆变电路(4)的输出端连接到LCC谐振电路(5)的输入端，LCC谐振电路(5)的输出端连接到高频脉冲变压器(6)的一次侧输入端，高频脉冲变压器(6)的二次侧输出端连接到高压整流电路(7)的输入端；三路高压整流电路(7)的输出端进行串联连接，三个高压整流电路的输出串联升压后给除尘器本体(8)供电；所述控制电路(9)的信号输入端与高频高压静电除尘电源主电路相连，控制电路(9)的信号输出端与驱动电路(10)输入端相连，所述驱动电路(10)输出端与高频逆变电路(4)相连；

所述高频逆变电路(4)包括绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、缓冲电容Cs1、缓冲电容Cs2、缓冲电容Cs3、缓冲电容Cs4、缓冲二极管Ds1、缓冲二极管Ds2、缓冲二极管Ds3、缓冲二极管Ds4、缓冲电阻Rs1、缓冲电阻Rs2、缓冲电阻Rs3、缓冲电阻Rs4，所述IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4按照全桥结构连接，IGBT1的集电极与直流电源Ud的正极相连，其发射极与IGBT2的集电极相连，IGBT2的发射极连接直流电源Ud的负极，IGBT3的集电极与直流电源Ud的正极相连，其发射极与IGBT4的集电极相连，IGBT4的发射极连接直流电源Ud的负极；所述二极管D1反向并联在IGBT1两端，二极管D2反向并联在IGBT2两端，二极管D3反向并联在IGBT3两端，二极管D4反向并联在IGBT4两端；所述缓冲电容Cs1一端接IGBT1的集电极，另一端与缓冲二极管Ds1的正极以及缓冲电阻Rs1的一端相连接，所述缓冲二极管Ds1的负极接IGBT1的发射极，缓冲电阻Rs1的另一端与IGBT2的发射极相连接；缓冲电容Cs2一端接IGBT2的发射极，另一端与缓冲二极管Ds2的负极以及缓冲电阻Rs2的一端相连接，缓冲二极管Ds2的正极接IGBT2的集电极，缓冲电阻Rs2的另一端与IGBT1的集电极相连接；缓冲电容Cs3一端接IGBT3的集电极，另一端与缓冲二极管Ds3的正极以及缓冲电阻Rs3的一端相连接，缓冲二极管Ds3的负极接IGBT3的发射极，缓冲电阻Rs3的另一端与IGBT4的发射极相连接；缓冲电容Cs4一端接IGBT4的发射极，另一侧与缓冲二极管Ds4的负极以及缓冲电阻Rs4的一端相连接，缓冲二极管Ds4的正极接IGBT4的集电极，缓冲电阻Rs4的另一端与IGBT3的集电极相连接；

其特征在于，所述控制电路(9)以TMS320F28335为主控芯片，采用DSP+FPGA的结构，包括检测电路、DSP控制电路、CAN总线通信电路和保护电路；其中，检测电路又包括进线电流采集电路，直流母线电压采集电路，一次侧电流采集电路，IGBT温度采集电路，变压器油温采集电路，一次侧电流和二次侧电流积分电路，输出电压和电流采集电路，主要用于检测电路的母线电压、一次侧电压、二次侧电压、一次侧电流、二次侧电流、逆变模块的温度、变压器温度和偏励磁情况；进线电流采集电路的输入接在平波电抗器(1)与电力变压器(2)之间，直流母线电压采集电路的输入连接到三相整流滤波电路(3)和高频逆变电路(4)之间，一次侧电流采集电路输入端连接高频脉冲变压器(5)一次侧，IGBT温度采集电路的输入端接高频逆变电路(4)，变压器油温采集电路的输入接高频脉冲变压器(5)，一次侧电流积分电路的输入接高频脉冲变压器(5)的一次侧，二次侧电流积分电路的输入接高频脉冲变压器(5)的二次侧，输出电压和电流采集电路接在高压整流电路(7)与除尘器本体(8)之间，检测电路的所有输出都接到DSP控制电路的输入端，检测电路的输出端接保护电路的输入端，保护电路的输出端接DSP控制电路，用于将输入和输出级过压保护、过流保护、欠压保护、缺相保护、过热保护、短路保护信号传递给DSP，DSP控制电路中一部分输出连接CAN总线通信电路输入端，CAN总线通信电路输出端连接上位机输入。

2.一种如权利要求1所述高频高压静电除尘电源的控制电路的控制保护方法，其特征在于，该方法如下：

当上位机发出开机命令后，程序进入自检和初始化流程，启动辅助电路对电路进行预充电，检测电路的母线电压，当电压大于设定之后，主电路开关闭合，电源系统开始工作；通过控制输出PWM的占空比，分段设置不同的PID参数，控制电场输出的功率，对电场进行合理的构建；对电源系统的电压、电流和温度等参数进行采集，判断系统是否处于正常工作状态，若工作状态不正常，则对其进行判断并采取相应的处理措施；若处于正常工作状态，则对火花现象进行判断，利用火花产生时电路电压和电流的变化特点，设定火花检测控制算法，通过调节，使火花闪络率维持在合理范围；将实际运行中的电源系统的参数和故障情况通过CAN总线上传到上位机，并实现上位机对数据的存储和实时曲线的绘制。