CN104201930A - 静电除尘用脉冲高压电源系统及高压脉冲电路设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电除尘用脉冲高压电源系统及高压脉冲电路设计方法，电源主电路由开关、高压直流电路、高压脉冲电路、耦合电路、保护电路组成；电源控制系统由检测模块、控制模块、上位机、通信模块和供电模块组成；电源控制系统包括对电源主电路输出电压的闭环控制、火花处理、火花率控制、温度过高处理和故障处理。电源主电路中，三相电源通过开关加载到高压直流电路、高压脉冲电路，产生的高压直流和高压脉冲由耦合电路叠加后，经过保护电路加载到静电除尘器负载两端。本发明能有效抑制反电晕现象，可实现基压直流幅值、脉冲幅值和频率、脉冲重复频率均可控，大大提高了除尘效率，增大了适用范围。

Description

静电除尘用脉冲高压电源系统及高压脉冲电路设计方法

技术领域

本发明涉及一种静电除尘器，尤其涉及一种静电除尘器的脉冲高压电源系统及其设计方法，属于环保设备技术领域。

背景技术

随着社会的发展和人类的进步，人们对生态环境和空气质量也越来越关注。如今，我国现代工业飞速发展，空气污染严重，静电除尘设备已成为了每个工厂的必备，其中高压电源系统是影响静电除尘器工作效果的关键。由于传统的工频电源和高频电源均属于恒流电源，当比电阻过高时，沉积到集尘极上的粉尘不容易释放电荷，随着粉尘层的增厚，造成电荷累积，排斥后来的粒子沉积，造成电能的浪费，更大的危害在于引发反电晕和二次扬尘，损坏静电除尘器。

因此，国内外提出了几种脉冲电源系统，例如：GEESI设计的通用电气宽脉冲系统、FLAKT的多脉冲电源供电系统，但是这些脉冲电源系统都存在不能对脉冲电压、脉冲宽度、脉冲重复频率单次的独立调节，同时存在火花率不受控制的缺陷，这就缩小了其适用范围，影响了静电除尘器的除尘效果。因此，对输出电压可调节的静电除尘用脉冲高压电源的研究尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静电除尘用脉冲高压电源系统及高压脉冲电路设计方法，实现电源系统对静电除尘器间歇供电，并且脉冲电压幅度、频率、重复频率和直流电压均可单次独立调节。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种静电除尘用脉冲高压电源系统，包括电源主电路24和电源控制系统36，所述电源主电路24由开关2、高压直流电路8、高压脉冲电路19、耦合电路22、保护电路23组成，所述电源控制系统36由检测模块34、控制模块31、上位机25、通信模块26和供电模块35组成；

所述高压直流电路8包括第一整流电路3、第一逆变电路4、第一LCC谐振电路5、第一高频变压器6、第二整流电路7，采用LCC串并联谐振软开关技术；

所述高压脉冲电路19包括第三整流电路9、第二逆变电路10、第二LCC谐振电路11、第二高频变压器12、第四整流电路13、第一滤波电感14、第一绝缘栅双极型晶体管模块15、第二滤波电感16、第二绝缘栅双极型晶体管模块17、脉冲变压器18，采用LCC串并联谐振和RLC串联谐振软开关技术；

所述开关2包括断路器和接触器；

所述耦合电路22包括第三滤波电感20和耦合电容21，将高压直流与高压脉冲耦合到一起；

所述检测模块34包括电压及电流信号检测电路32和温度及故障检测电路33；

所述控制模块31包括DSP控制器30、数字电路29、第一驱动电路27、第二驱动电路28；

三相电源1经过断路器后送入接触器输入端，接触器输出端依次串联第一整流电路3、第一逆变电路4、第一LCC谐振电路5、第一高频变压器6、第二整流电路7、滤波电感20，接触器输出端同时依次串联第三整流电路9、第二逆变电路10、第二LCC谐振电路11、第二高频变压器12、第四整流电路13，所述第一滤波电感14和第一绝缘栅双极型晶体管模块15串联，所述第二滤波电感16和第二绝缘栅双极型晶体管模块17串联，两串联电路并联后并联电路的一端接第四整流电路13的输出端，并联电路的另一端再串联脉冲变压器18、耦合电容21，所述耦合电容21和滤波电感20的输出端同时接入保护电路23输入端，所述保护电路23输出端连接静电除尘器37；

所述电压及电流信号检测电路32的信号输入处连接第二整流电路7、第四整流电路13、脉冲变压器18、耦合电路22，温度及故障检测电路33的信号输入处连接第一逆变电路4、第二逆变电路10、第一绝缘栅双极型晶体管模块15、第二绝缘栅双极型晶体管模块17、脉冲变压器18，电压及电流信号检测电路32和温度及故障检测电路33的信号输出处连接DSP控制器30信号输入处，DSP控制器30与通信模块26双向连接，通信模块26与上位机25双向连接，DSP控制器30信号输出处连接数字电路29信号输入处，数字电路29信号输出处同时连接第一驱动电路27和第二驱动电路28的信号输入处，第一驱动电路27信号输出处连接第一逆变电路4和第二逆变电路10，第二驱动电路28信号输出处连接第一绝缘栅双极型晶体管模块15和第二绝缘栅双极型晶体管模块17。

本发明的目的还可以通过以下技术措施进一步予以实现：

前述静电除尘用脉冲高压电源系统，其中电源主电路24为三相电源1串联断路器QF1、接触器KM，然后分为并联的两条支路，一条支路的三相电源线分别连接电感L₁、电感L₂、电感L₃的一端，二极管D₁的阳极连接二极管D₄阴极，二极管D₂的阳极连接二极管D₅阴极，二极管D₃的阳极连接二极管D₆阴极，电感L₁的另一端连接在二极管D₁的阳极，电感L₂连接在二极管D₂的阳极，电感L₃连接在二极管D₃的阳极，二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃的阴极连接在一起后连接电容C₁的一端，二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆的阳极连接在一起后连接电容C₁的另一端，绝缘栅双极型晶体管T₁与二极管D₇反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₂与二极管D₉反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₃与二极管D₈反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₄与二极管D₁₀反向并联，二极管D₇、二极管D₉的阴极连接二极管D₃的阴极，二极管D₈的阴极连接二极管D₇的阳极，二极管D₁₀的阴极连接二极管D₉的阳极，二极管D₈、二极管D₁₀的阳极连接二极管D₆的阳极，电容C₂一端连接二极管D₇的阳极，另一端串联电感L₄后串联电容C₃，电容C₃另一端连接二极管D₉的阳极，电容C₃的两端再连接第一高频变压器6的一次侧，第一高频变压器6二次侧一端连接二极管D₁₁的阴极，另一端连接二极管D₁₂的阴极，二极管D₁₁的阴极连接二极管D₁₃的阳极，二极管D₁₂的阴极连接二极管D₁₄的阳极，二极管D₁₁、二极管D₁₂的阳极连接电容D₄的一端，二极管D₁₃、二极管D₁₄的阳极连接电容D₄的另一端，二极管D₁₂的阳极连接电感L_dc的一端，电感L_dc的另一端连接带电阻的保护线圈Coil的一端，保护线圈Coil的另一端串联断路器QF2后接地，同时保护线圈Coil的另一端连接静电除尘器37的阳极，二极管D₁₄的阴极连接静电除尘器37的阴极后接地；另一条支路的三相电源线分别连接电感L₅、电感L₆、电感L₇的一端，二极管D₁₅的阳极连接二极管D₁₈阴极，二极管D₁₆的阳极连接二极管D₁₉阴极，二极管D₁₇的阳极连接二极管D₂₀阴极，电感L₅的另一端连接在二极管D₁₅的阳极，电感L₆另一端连接在二极管D₁₆的阳极，电感L₇另一端连接在二极管D₁₇的阳极，二极管D₁₅、二极管D₁₆、二极管D₁₇的阴极连接在一起后连接电容C₅的一端，二极管D₁₈、二极管D₁₉、二极管D₂₀的阳极连接在一起后连接电容C₅的另一端，绝缘栅双极型晶体管T₅与二极管D₂₁反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₆与二极管D₂₂反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₇与二极管D₂₃反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₈与二极管D₂₄反向并联，二极管D₂₁、二极管D₂₂的阴极连接二极管D₁₇的阴极，二极管D₂₃的阴极连接二极管D₂₁的阳极，二极管D₂₄的阴极连接二极管D₂₂的阳极，二极管D₂₃、二极管D₂₄的阳极连接二极管D₂₀的阳极，电容C₆一端连接二极管D₂₁的阳极，另一端串联电感L₈后串联电容C₇，电容C₇另一端连接二极管D₂₂的阳极，电容C₇的两端再连接第二高频变压器12的一次侧，第二高频变压器12二次侧一端连接二极管D₂₅的阳极，另一端连接二极管D₂₆的阳极，二极管D₂₅的阳极连接二极管D₂₇的阴极，二极管D₂₆的阳极连接二极管D₂₈的阴极，二极管D₂₅、二极管D₂₆的阴极连接电容C₈的一端，二极管D₂₇、二极管D₂₈的阳极连接电容C₈的另一端，二极管D₂₆的阴极连接电感L_ps1的一端，电感L_ps1的另一端连接电阻R_ps1的一端，绝缘栅双极型晶体管T₉与二极管D₂₉反向并联，电阻R_ps1的另一端连接二极管D₂₉的阴极，二极管D₂₉的阳极连接二极管D₂₈的阳极，二极管D₃₁与电阻R₁并联，二极管D₃₁的阳极连接二极管D₂₉的阴极，二极管D₃₁的阴极串联电容C₉后连接二极管D₂₉的阳极，二极管D₃₁的阳极串联电容C_s1后连接脉冲变压器18第一原边的一端，脉冲变压器18第一原边的另一端连接二极管D₂₉的阳极；二极管D₂₆的阴极连接电感L_ps2的一端，电感L_ps2的另一端连接电阻R_ps2的一端，绝缘栅双极型晶体管T₁₀与二极管D₃₀反向并联，电阻R_ps2的另一端连接二极管D₃₀的阴极，二极管D₃₀的阳极连接二极管D₂₈的阳极，二极管D₃₂与电阻R₂并联，二极管D₃₂的阳极连接二极管D₃₀的阴极，二极管D₃₂的阴极串联电容C₁₀后连接二极管D₃₀的阳极，二极管D₃₂的阳极串联电容C_s2后连接脉冲变压器18第二原边的一端，脉冲变压器18第二原边的另一端连接二极管D₃₀的阳极，脉冲变压器18副边一端串联电容C_c后连接在电感L_dc与保护线圈Coil之间，另一端连接静电除尘器37的阴极。

前述静电除尘用脉冲高压电源系统的高压脉冲电路设计方法，包括以下步骤：

1.由于针对的静电除尘器39负载电容C₀已知，求C_c的值：C_C＝10C₀；

2.根据对需要加到静电除尘器39的高压脉冲要求：直流基压幅值-U_dc、脉冲峰值脉冲周期T₀为已知，并且R₀为静电除尘器负载电阻已知，计算ω的值：再利用公式 $I_{\mathrm{ESP}}=\sqrt{2}U\sqrt{{\left({\mathrm{\ωC}}_0\right)}^2+\frac{1}{{R_0}^2}}\frac{\sqrt{2}U}{R_0}+\frac{U_{\mathrm{dc}}}{R_0}$ 计算出静电除尘器电流的峰值I_mESP；

3.根据第四整流模块17输出直流幅值+U_ps已知，设变比n为一个具体值，利用公式和计算L_s、C的值，再利用公式L_s1＝L_s2＝2L_s和 $C_{s1}=C_{s2}=\frac{n^2{\mathrm{CC}}_C(1+{\mathrm{\ω}}^2{C_0}^2{R_0}^2)}{2[n^2{C}_C+C+{\mathrm{\ω}}^2{C}_0{R_0}^2(n^2{C}_C{C}_0+{\mathrm{CC}}_0+C_{C}C)]}$ 求解L_s1、L_s2和C_s1、C_s2的值；

4.根据谐振条件求得R的取值范围，然后再利用公式求得R_s1、R_s2的取值范围，R_s1、R_s2取范围内一较小值；

5.利用公式和 $\begin{array}{c}{U}_2=\sqrt{U^2+{\left(\frac{C_{0}U}{C_c}\right)}^2+\frac{{2C_{0}U}^2}{C_c}+{\left(\frac{U}{{\mathrm{\ωC}}_c{R}_0}\right)}^2+{2U}^2{\left(\frac{C_0+C_c}{C_c}\right)}^2+\frac{2\sqrt{2}{U}_0(\sqrt{2}{U}_0+U_{\mathrm{dc}})}{w^2{C}_c{C}_0{R_0}^2}}\\ +\sqrt{2}U\frac{(C_0+C_c)(U_{\mathrm{dc}}-\sqrt{2}U)T_0}{{C_c}^2{R}_0}+\frac{1}{3}{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}-\sqrt{2}U}{C_c{R}_0}\right)}^2{T_0}^2\end{array}$ 计算脉冲变压器一次侧电压有效值U₁和二次侧有效值U₂，然后用公式求变比n；

6.若第5步与第3步设定的变比n值不相同，则改变变比n的值，重复回到第3步，直到与第5步求的变比n值相同为止，此时所求的参数值符合条件。

前述静电除尘用脉冲高压电源系统高压脉冲电路设计方法的验证方法，包括以下步骤：

使用Matlab软件仿真验证，根据仿真结果调节L_ps1、L_ps2、L_dc、R_ps1、R_ps2的值，设置电路中绝缘栅双极型晶体管T₉、绝缘栅双极型晶体管T₁₀的开关频率等于需要的脉冲重复频率，使得加载到静电除尘器两端的高压脉冲峰值、脉冲周期和重复频率都达到期望要求，否则重新进行设计。

前述静电除尘用脉冲高压电源系统高压脉冲电路设计方法的验证方法，其中L_ps1、L_ps2、L_dc设置为uH级，R_ps1、R_ps2设置为Ω级，具体取值在0-10之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：此电源系统属于间歇供电，能有效抑制反电晕现象和二次扬尘，提高除尘效率，节能效果明显；并且其中脉冲电压幅度、频率、重复频率和直流电压幅值均可独立调节，增大了适用范围。

附图说明

图1是本发明的电源系统框图；

图2是本发明的电源系统结构图；

图3是本发明的电源主电路图；

图4是本发明的绝缘栅双极型晶体管模块的绝缘栅双极型晶体管驱动信号波形图；

图5(A)是本发明的单个RLC谐振周期内脉冲变压器一次侧电压电流波形；

图5(B)是本发明的单个RLC谐振周期内脉冲变压器二次侧电压电流波形；

图6是本发明的单个RLC谐振周期内静电除尘器电压电流波形。

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，静电除尘用脉冲高压电源系统，包括电源主电路24和电源控制系统36两大部分，电源主电路24由开关2、高压直流电路8、高压脉冲电路19、耦合电路22、保护电路23组成，电源控制系统36由检测模块34、控制模块31、上位机25、通信模块26和供电模块35组成。三相电源1通过开关2给高压直流电路8和高压脉冲电路19供电，产生的高压直流和高压脉冲通过耦合电路22的耦合，经过保护电路23后加载到静电除尘器37两端；控制模块31一端连接检测模块34，一端通过通信模块26连接上位机25，另一端连接电源主电路，而供电模块35对控制模块31和检测模块34供电。

如图2所示，所述开关2由断路器和接触器构成，受控制模块31的控制；所述高压直流电路8由第一整流电路3、第一逆变电路4、第一LCC谐振电路5、第一高频变压器6、第二整流电路7依次串联构成，采用LCC串并联谐振软开关技术；所述的高压脉冲电路19由第三整流电路9、第二逆变电路10、第二LCC谐振电路11、第二高频变压器12、第四整流电路13依次串联后，与由第一滤波电感14与第一绝缘栅双极型晶体管模块15的串联电路和第二滤波电感16与第二绝缘栅双极型晶体管模块17的串联电路构成的并联电路、脉冲变压器18依次串联构成，采用LCC串并联谐振和RLC串联谐振软开关技术；所述耦合电路22包括第三滤波电感21和耦合电容22，将高压直流与高压脉冲耦合到一起；所述保护电路23由保护线圈和断路器、接地线构成，当发生火花时保证静电除尘器37不会发生过电压。

高压直流电路8中，三相电源1经过第一整流电路3整流成单相直流，经过第一逆变电路4与第一LCC谐振电路5在第一高频变压器6一次侧产生单相高频交流，经过第一高频变压器6的升压作用，在第一高频变压器6二次测产生单相高频高压交流，最后经过第二整流电路7得到负值高压直流。高压脉冲电路19中，采用与高压直流电路8相同的原理，经过第四整流电路13后得到正值高压直流，再经过第一滤波电感14与第一绝缘栅双极型晶体管模块15的串联电路和第二滤波电感16与第二绝缘栅双极型晶体管模块17的串联电路构成的并联电路在脉冲变压器18一次侧产生低压脉冲，经过脉冲变压器18的升压作用，在脉冲变压器18二次侧产生高压脉冲。最后，高压直流电路8产生的高压直流经过第三滤波电感21后与高压脉冲电路19产生的高压脉冲经过耦合电容22耦合后合并在一起，经过保护电路23加载到静电除尘器37两端。

所述检测模块34包括电压及电流信号检测电路32和温度及故障检测电路33，所述控制模块31包括DSP控制器30、数字电路29、第一驱动电路27、第二驱动电路28。电压及电流信号检测电路32检测第二整流电路7和第四整流电路13的输出电压电流、脉冲变压器18一二次侧电压电流、耦合电路22输出电压电流，温度及故障检测电路33检测第一逆变电路4、第二逆变电路10、第一绝缘栅双极型晶体管模块15、第二绝缘栅双极型晶体管模块17中IBGT的触发信号和温度信号、以及脉冲变压器18输出电压电流信号；将检测到的信号输入给DSP控制器30，经过运算处理后通过给数字电路29转换为模拟信号输入给开关2、第一驱动电路27和第二驱动电路28，以实现对电源系统的开关以及对第一逆变电路4、第二逆变电路10、第一绝缘栅双极型晶体管模块15、第二绝缘栅双极型晶体管模块17中IBGT开关的控制；同时，DSP控制器30通过通信模块26将电源系统实时情况传递给上位机25，反过来可以通过在上位机25的操作控制DSP控制器30的工作。

所述电源控制系统36包括对电源主电路24输出电压的闭环控制、火花处理、火花率控制、温度过高处理和故障处理，其中对电源主电路24输出电压的闭环控制包括对高压直流的幅值和高压脉冲电压的幅值、频率、重复频率的闭环控制均采用PID控制的方法。针对不同的静电除尘器37，可在DSP控制器30输入对高压直流幅值和高压脉冲的幅值、频率、重复频率的要求，以及火花率的要求。高压直流的幅值通过改变第一逆变电路4中IBGT触发角加以调整，高压脉冲电压的幅值通过改变第二逆变电路10中IBGT触发角加以调整，高压脉冲电压的频率通过改变第一绝缘栅双极型晶体管模块15和第二绝缘栅双极型晶体管模块17中电容值加以调整，脉冲重复频率和火花率通过调节第一绝缘栅双极型晶体管模块15和第二绝缘栅双极型晶体管模块17中的绝缘栅双极型晶体管开关频率加以调节，火花处理、温度过高处理和故障处理都是通过开关2关闭三相电源1，及时排查后重启整个电源系统。

如图3所示，静电除尘用脉冲高压电源系统电源主电路24的具体实施例为三相电源1串联断路器QF1、接触器KM，然后分为并联的两条支路，一条支路的三相电源线分别连接电感L₁、电感L₂、电感L₃的一端，二极管D₁的阳极连接二极管D₄阴极，二极管D₂的阳极连接二极管D₅阴极，二极管D₃的阳极连接二极管D₆阴极，电感L₁的另一端连接在二极管D₁的阳极，电感L₂连接在二极管D₂的阳极，电感L₃连接在二极管D₃的阳极，二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃的阴极连接在一起后连接电容C₁的一端，二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆的阳极连接在一起后连接电容C₁的另一端，绝缘栅双极型晶体管T₁与二极管D₇反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₂与二极管D₉反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₃与二极管D₈反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₄与二极管D₁₀反向并联，二极管D₇、二极管D₉的阴极连接二极管D₃的阴极，二极管D₈的阴极连接二极管D₇的阳极，二极管D₁₀的阴极连接二极管D₉的阳极，二极管D₈、二极管D₁₀的阳极连接二极管D₆的阳极，电容C₂一端连接二极管D₇的阳极，另一端串联电感L₄后串联电容C₃，电容C₃另一端连接二极管D₉的阳极，电容C₃的两端再连接第一高频变压器6的一次侧，第一高频变压器6二次侧一端连接二极管D₁₁的阴极，另一端连接二极管D₁₂的阴极，二极管D₁₁的阴极连接二极管D₁₃的阳极，二极管D₁₂的阴极连接二极管D₁₄的阳极，二极管D₁₁、二极管D₁₂的阳极连接电容C₄的一端，二极管D₁₃、二极管D₁₄的阳极连接电容C₄的另一端，二极管D₁₂的阳极连接电感L_dc的一端，电感L_dc的另一端连接带电阻的保护线圈Coil的一端，保护线圈Coil的另一端串联断路器QF2后接地，同时保护线圈Coil的另一端连接静电除尘器37的阳极，二极管D₁₄的阴极连接静电除尘器37的阴极后接地；另一条支路的三相电源线分别连接电感L₅、电感L₆、电感L₇的一端，二极管D₁₅的阳极连接二极管D₁₈阴极，二极管D₁₆的阳极连接二极管D₁₉阴极，二极管D₁₇的阳极连接二极管D₂₀阴极，电感L₅的另一端连接在二极管D₁₅的阳极，电感L₆另一端连接在二极管D₁₆的阳极，电感L₇另一端连接在二极管D₁₇的阳极，二极管D₁₅、二极管D₁₆、二极管D₁₇的阴极连接在一起后连接电容C₅的一端，二极管D₁₈、二极管D₁₉、二极管D₂₀的阳极连接在一起后连接电容C₅的另一端，绝缘栅双极型晶体管T₅与二极管D₂₁反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₆与二极管D₂₂反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₇与二极管D₂₃反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₈与二极管D₂₄反向并联，二极管D₂₁、二极管D₂₂的阴极连接二极管D₁₇的阴极，二极管D₂₃的阴极连接二极管D₂₁的阳极，二极管D₂₄的阴极连接二极管D₂₂的阳极，二极管D₂₃、二极管D₂₄的阳极连接二极管D₂₀的阳极，电容C₆一端连接二极管D₂₁的阳极，另一端串联电感L₈后串联电容C₇，电容C₇另一端连接二极管D₂₂的阳极，电容C₇的两端再连接第二高频变压器12的一次侧，第二高频变压器12二次侧一端连接二极管D₂₅的阳极，另一端连接二极管D₂₆的阳极，二极管D₂₅的阳极连接二极管D₂₇的阴极，二极管D₂₆的阳极连接二极管D₂₈的阴极，二极管D₂₅、二极管D₂₆的阴极连接电容C₈的一端，二极管D₂₇、二极管D₂₈的阳极连接电容C₈的另一端，二极管D₂₆的阴极连接电感L_ps1的一端，电感L_ps1的另一端连接电阻R_ps1的一端，绝缘栅双极型晶体管T₉与二极管D₂₉反向并联，电阻R_ps1的另一端连接二极管D₂₉的阴极，二极管D₂₉的阳极连接二极管D₂₈的阳极，二极管D₃₁与电阻R₁并联，二极管D₃₁的阳极连接二极管D₂₉的阴极，二极管D₃₁的阴极串联电容C₉后连接二极管D₂₉的阳极，二极管D₃₁的阳极串联电容C_s1后连接脉冲变压器18第一原边的一端，脉冲变压器18第一原边的另一端连接二极管D₂₉的阳极；二极管D₂₆的阴极连接电感L_ps2的一端，电感L_ps2的另一端连接电阻R_ps2的一端，绝缘栅双极型晶体管T₁₀与二极管D₃₀反向并联，电阻R_ps2的另一端连接二极管D₃₀的阴极，二极管D₃₀的阳极连接二极管D₂₈的阳极，二极管D₃₂与电阻R₂并联，二极管D₃₂的阳极连接二极管D₃₀的阴极，二极管D₃₂的阴极串联电容C₁₀后连接二极管D₃₀的阳极，二极管D₃₂的阳极串联电容C_s2后连接脉冲变压器18第二原边的一端，脉冲变压器18第二原边的另一端连接二极管D₃₀的阳极，脉冲变压器18副边一端串联电容C_c后连接在电感L_dc与保护线圈Coil之间，另一端连接静电除尘器37的阴极。

所述高压脉冲电路19中RLC谐振回路由第一绝缘栅双极型晶体管模块15中电容C_s1、第二绝缘栅双极型晶体管模块17中电容C_s2、脉冲变压器18漏感L_s1和L_s2与电阻R_s1和R_s2、耦合电路22中耦合电容C_c和静电除尘器37等效电容C₀和电阻R₀的并联电路构成。当第一绝缘栅双极型晶体管模块15和第二绝缘栅双极型晶体管模块17中绝缘栅双极型晶体管T₉和T₁₀闭合时，与并联的反向二极管D₂₉和D₃₀形成闭合回路，在条件下发生振荡，产生高压脉冲。设第二整流模块7输出高压直流幅值为-U_dc，第四整流模块13输出直流幅值为+U_ps。初始时，直流+U_ps通过电感L_ps1、R_ps1和L_ps2、R_ps2分别给电容C_s1和C_s2充电，当T₉和T₁₀闭合时，与并联的反向二极管D₂₉和D₃₀形成闭合回路，闭合回路中电容C_s1和C_s2、脉冲变压器18漏感L_s1和L_s2、脉冲变压器18电阻R_s1和R_s2、耦合电容C_c、静电除尘器等效电容C₀构成的RLC串联谐振电路发生阻尼振荡，产生正弦波形电流，经过脉冲变压器18的升压用，在静电除尘器两端形成余弦波高压电即高压脉冲，叠加高压直流-U_dc形成所需脉冲高压电源；一个周期后断开T₉和T₁₀，谐振回路断开，加载到静电除尘器两端的无高压脉冲，只有高压直流即基础电压，直到一个脉冲重复周期后再次闭合T₉和T₁₀。

将脉冲变压器18一次侧的两个并联绝缘栅双极型晶体管模块等效为一个绝缘栅双极型晶体管模块，先对高压脉冲电路19中脉冲变压器18一次侧建模。将脉冲变压器18二次侧部分等效到一次侧，简化为最简RLC回路，设脉冲变压器18变比为：

$n=\frac{U_2}{U_1}=\frac{I_1}{I_2}---\left(1\right)$

其中，U₁、U₂分别为脉冲变压器18一二次侧电压有效值，I₁、I₂分别为脉冲变压器18一二次侧电流有效值。

RLC回路中总的电感、电阻、电容分别为：

$L_s=\frac{1}{2}{L}_{s1}---\left(2\right)$

$R=\frac{1}{2}{R}_{s1}+\frac{1}{n^2}\frac{R_0}{1+{\left({\mathrm{\ωC}}_0{R}_0\right)}^2}---\left(3\right)$

$\frac{1}{C}=\frac{1}{{2C}_{s1}}+\frac{1}{n^2{C}_C}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{C}_0{R_0}^2}{n^2(1+{\left({\mathrm{\ωC}}_0{R}_0\right)}^2)}---\left(4\right)$

其中，L_s1＝L_s2，R_s1＝R_s2，C_s1＝C_s2，耦合电容C_C为经验值：

C_C＝10C₀   (5)

RLC皆振周期为：

$T_0=2\mathrm{\π}\sqrt{L_{s}C}---\left(6\right)$

根据RLC皆振原理，求得在一个振荡周期T₀内的回路电流，其负值即为脉冲变压器(18)一次侧电流：

$i_1=-\frac{U_{\mathrm{ps}}}{{\mathrm{\ωL}}_s}{e}^{-\mathrm{\αt}}\sin \mathrm{\ωt}---\left(7\right)$

其中， $\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{1}{L_{s}C}{\left(\frac{R}{{2L}_s}\right)}^2},$ $\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{R}{{2L}_s}}.$

可得脉冲变压器(18)一次侧电流峰值：

$I_{1m}=U_{\mathrm{ps}}\sqrt{\frac{C}{L_s}}=I_{\mathrm{mESP}}\·n---\left(8\right)$

其中，I_mESP为静电除尘器电流的峰值。

从而求得回路中各电容电压，而脉冲变压器18一次侧电压即为电容C_s1和C_s2等效电容的电压负值：

$u_1=-U_{\mathrm{ps}}[1+\frac{C}{C_s}(e^{-\mathrm{\αt}}\cos \mathrm{\ωt}-1)]--\left(9\right)$

然后，再对脉冲变压器18二次侧建模，根据需要得到的脉冲高压设静电除尘器两端电压表达式：

$u_{\mathrm{ESP}}=\sqrt{2}U(\cos \mathrm{\ωt}-1)-U_{\mathrm{dc}}---\left(10\right)$

根据静电除尘器的等效电路电抗，计算静电除尘器电流为：

$i_{\mathrm{ESP}}=-\sqrt{2}U\sqrt{{\left({\mathrm{\ωC}}_0\right)}^2+\frac{1}{{R_0}^2}}\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})-\frac{\sqrt{2}U}{R_0}-\frac{U_{\mathrm{dc}}}{R_0}---\left(11\right)$

其中， $\mathrm{\φ}=\arctan \frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_0{R}_0}.$

可得脉冲变压器18二次侧电压电流为静电除尘器电流负值：

$i_2=\sqrt{2}U\sqrt{{\left({\mathrm{\ωC}}_0\right)}^2+\frac{1}{{R_0}^2}}\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})+\frac{\sqrt{2}U}{R_0}+\frac{U_{\mathrm{dc}}}{R_0}---\left(12\right)$

可以计算二次侧电容C_c两端电压，与静电除尘器等效电路电压叠加可得到脉冲变压器18二次侧电压电流为：

$u_2=\frac{\sqrt{2}U{C}_0}{C_c}(\cos \mathrm{\ωt}-1)+\frac{\sqrt{2}U}{{\mathrm{\ωC}}_c{R}_0}\sin \mathrm{\ωt}-\frac{\sqrt{2}U+U_{\mathrm{dc}}}{C_c{R}_0}\·t+\sqrt{2}U(\cos \mathrm{\ωt}-1)---\left(13\right)$

可计算得到脉冲变压器18平均功率和分别为：

$P_2=\frac{3U^2}{R_0}+\frac{2\sqrt{2}U{U}_{\mathrm{dc}}}{R_0}+\frac{{U_{\mathrm{dc}}}^2}{R_0}---\left(14\right)$

针对具体的静电除尘器等效电容C₀＝1.15×10^-7F、电阻R₀＝8×10⁴Ω，利用公式(5)可求得C_c＝1.15×10^-6F；结合公式(10)根据对需要加到静电除尘器的高压脉冲要求：直流基压幅值为U_dc＝60kV，脉冲峰值左右，利用公式(11)计算出静电除尘器电流的峰值I_mESP＝387A；根据需要的脉冲周期T₀＝75μs，然后将公式(6)和(8)组成方程组，设定n＝26，求解得L_s＝3×10^-6H、C＝4.8×10^-5F的值，利用公式(2)和(4)进一步求得L_s1＝L_s2＝6×10^-6H和C_s1＝C_s2＝7.5×10^-5F的值；根据谐振条件求得R＜0.72Ω，利用公式(3)求得R_s1＝R_s2＜1.44Ω；将以上求得的参数带入公式(9)和(13)求得U₁＝2.1kV、U₂＝54kV，利用公式(1)求得n＝25.7≈26；对比求得的n值与原来设定的值基本一致。最后可根据以上求得的参数，利用公式(7)、(9)、(12)、(13)、(14)求得脉冲变压器(18)设计参数：i₁＝-5018sinωt A、u₁＝-[450[cos(ωt+β)-1]+2500]V、i₂＝387sinωt A、u₂＝44[cos(ωt+β)-1]kV、P₂＝135kW。

最后，利用Matlab仿真，设定U_ps和U_dc为已知，将设计的参数代入，设置L_ps1、L_ps2、L_dc为uH级，R_ps1、R_ps2为Ω级，具体取值在0-10之间，进行仿真实验。根据仿真得到的u_ESP波形，微调C_s1、C_s2大小和L_s1、L_s2大小，设置第一绝缘栅双极型晶体管模块15和第二绝缘栅双极型晶体管模块17中绝缘栅双极型晶体管驱动信号波形如图4所示。得到仿真结果：一个RLC谐振周期内脉冲变压器18一侧电压u₁、电流i₁的波形图如图5(A)所示，二次侧电压u₂、电流i₂的波形图如图5(B)所示，以及静电除尘器两端电压u_ESP、电流i_ESP的波形图如图6所示。可以看出，加载到静电除尘器两端的电压峰值达到-145kV，即在高压直流60kV的基础上叠加了85kV的高压脉冲，脉冲宽度为75us，则达到了预期要求。否则重新验算高压脉冲电路19中参数值。

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 (5)

1.一种静电除尘用脉冲高压电源系统，包括电源主电路(24)和电源控制系统(36)，其特征在于，所述电源主电路(24)由开关(2)、高压直流电路(8)、高压脉冲电路(19)、耦合电路(22)、保护电路(23)组成，所述电源控制系统(36)由检测模块(34)、控制模块(31)、上位机(25)、通信模块(26)和供电模块(35)组成；

所述高压直流电路(8)包括第一整流电路(3)、第一逆变电路(4)、第一LCC谐振电路(5)、第一高频变压器(6)、第二整流电路(7)，采用LCC串并联谐振软开关技术；

所述高压脉冲电路(19)包括第三整流电路(9)、第二逆变电路(10)、第二LCC谐振电路(11)、第二高频变压器(12)、第四整流电路(13)、第一滤波电感(14)、第一绝缘栅双极型晶体管模块(15)、第二滤波电感(16)、第二绝缘栅双极型晶体管模块(17)、脉冲变压器(18)，采用LCC串并联谐振和RLC串联谐振软开关技术；

所述开关(2)包括断路器和接触器；

所述耦合电路(22)包括第三滤波电感(20)和耦合电容(21)，将高压直流与高压脉冲耦合到一起；

所述检测模块(34)包括电压及电流信号检测电路(32)和温度及故障检测电路(33)；

所述控制模块(31)包括DSP控制器(30)、数字电路(29)、第一驱动电路(27)、第二驱动电路(28)；

三相电源(1)经过断路器后送入接触器输入端，接触器输出端依次串联第一整流电路(3)、第一逆变电路(4)、第一LCC谐振电路(5)、第一高频变压器(6)、第二整流电路(7)、滤波电感(20)，接触器输出端同时依次串联第三整流电路(9)、第二逆变电路(10)、第二LCC谐振电路(11)、第二高频变压器(12)、第四整流电路(13)，所述第一滤波电感(14)和第一绝缘栅双极型晶体管模块(15)串联，所述第二滤波电感(16)和第二绝缘栅双极型晶体管模块(17)串联，两串联电路并联后并联电路的一端接第四整流电路(13)的输出端，并联电路的另一端再串联脉冲变压器(18)、耦合电容(21)，所述耦合电容(21)和滤波电感(20)的输出端同时接入保护电路(23)输入端，所述保护电路(23)输出端连接静电除尘器(37)；

所述电压及电流信号检测电路(32)的信号输入处连接第二整流电路(7)、第四整流电路(13)、脉冲变压器(18)、耦合电路(22)，温度及故障检测电路(33)的信号输入处连接第一逆变电路(4)、第二逆变电路(10)、第一绝缘栅双极型晶体管模块(15)、第二绝缘栅双极型晶体管模块(17)、脉冲变压器(18)，电压及电流信号检测电路(32)和温度及故障检测电路(33)的信号输出处连接DSP控制器(30)信号输入处，DSP控制器(30)与通信模块(26)双向连接，通信模块(26)与上位机(25)双向连接，DSP控制器(30)信号输出处连接数字电路(29)信号输入处，数字电路(29)信号输出处同时连接第一驱动电路(27)和第二驱动电路(28)的信号输入处，第一驱动电路(27)信号输出处连接第一逆变电路(4)和第二逆变电路(10)，第二驱动电路(28)信号输出处连接第一绝缘栅双极型晶体管模块(15)和第二绝缘栅双极型晶体管模块(17)。

2.根据权利要求1所述静电除尘用脉冲高压电源系统，其特征在于，电源主电路(24)为三相电源(1)串联断路器QF1、接触器KM，然后分为并联的两条支路，一条支路的三相电源线分别连接电感L₁、电感L₂、电感l₃的一端，二极管D₁的阳极连接二极管D₄阴极，二极管D₂的阳极连接二极管D₅阴极，二极管D₃的阳极连接二极管D₆阴极，电感L₁的另一端连接在二极管D₁的阳极，电感L₂连接在二极管D₂的阳极，电感L₃连接在二极管D₃的阳极，二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃的阴极连接在一起后连接电容C₁的一端，二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆的阳极连接在一起后连接电容C₁的另一端，绝缘栅双极型晶体管T₁与二极管D₇反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₂与二极管D₉反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₃与二极管D₈反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₄与二极管D₁₀反向并联，二极管D₇、二极管D₉的阴极连接二极管D₃的阴极，二极管D₈的阴极连接二极管D₇的阳极，二极管D₁₀的阴极连接二极管D₉的阳极，二极管D₈、二极管D₁₀的阳极连接二极管D₆的阳极，电容C₂一端连接二极管D₇的阳极，另一端串联电感L₄后串联电容C₃，电容C₃另一端连接二极管D₉的阳极，电容C₃的两端再连接第一高频变压器(6)的一次侧，第一高频变压器(6)二次侧一端连接二极管D₁₁的阴极，另一端连接二极管D₁₂的阴极，二极管D₁₁的阴极连接二极管D₁₃的阳极，二极管D₁₂的阴极连接二极管D₁₄的阳极，二极管D₁₁、二极管D₁₂的阳极连接电容C₄的一端，二极管D₁₃、二极管D₁₄的阳极连接电容C₄的另一端，二极管D₁₂的阳极连接电感L_dc的一端，电感L_dc的另一端连接带电阻的保护线圈Coil的一端，保护线圈Coil的另一端串联断路器QF2后接地，同时保护线圈Coil的另一端连接静电除尘器(37)的阳极，二极管D₁₄的阴极连接静电除尘器(37)的阴极后接地；另一条支路的三相电源线分别连接电感L₅、电感L₆、电感L₇的一端，二极管D₁₅的阳极连接二极管D₁₈阴极，二极管D₁₆的阳极连接二极管D₁₉阴极，二极管D₁₇的阳极连接二极管D₂₀阴极，电感L₅的另一端连接在二极管D₁₅的阳极，电感L₆另一端连接在二极管D₁₆的阳极，电感L₇另一端连接在二极管D₁₇的阳极，二极管D₁₅、二极管D₁₆、二极管D₁₇的阴极连接在一起后连接电容C₅的一端，二极管D₁₈、二极管D₁₉、二极管D₂₀的阳极连接在一起后连接电容C₅的另一端，绝缘栅双极型晶体管T₅与二极管D₂₁反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₆与二极管D₂₂反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₇与二极管D₂₃反向并联，绝缘栅双极型晶体管T₈与二极管D₂₄反向并联，二极管D₂₁、二极管D₂₂的阴极连接二极管D₁₇的阴极，二极管D₂₃的阴极连接二极管D₂₁的阳极，二极管D₂₄的阴极连接二极管D₂₂的阳极，二极管D₂₃、二极管D₂₄的阳极连接二极管D₂₀的阳极，电容C₆一端连接二极管D₂₁的阳极，另一端串联电感L₈后串联电容C₇，电容C₇另一端连接二极管D₂₂的阳极，电容C₇的两端再连接第二高频变压器(12)的一次侧，第二高频变压器(12)二次侧一端连接二极管D₂₅的阳极，另一端连接二极管D₂₆的阳极，二极管D₂₅的阳极连接二极管D₂₇的阴极，二极管D₂₆的阳极连接二极管D₂₈的阴极，二极管D₂₅、二极管D₂₆的阴极连接电容C₈的一端，二极管D₂₇、二极管D₂₈的阳极连接电容C₈的另一端，二极管D₂₆的阴极连接电感L_ps1的一端，电感L_ps1的另一端连接电阻R_ps1的一端，绝缘栅双极型晶体管T₉与二极管D₂₉反向并联，电阻R_ps1的另一端连接二极管D₂₉的阴极，二极管D₂₉的阳极连接二极管D₂₈的阳极，二极管D₃₁与电阻R₁并联，二极管D₃₁的阳极连接二极管D₂₉的阴极，二极管D₃₁的阴极串联电容C₉后连接二极管D₂₉的阳极，二极管D₃₁的阳极串联电容C_s1后连接脉冲变压器(18)第一原边的一端，脉冲变压器(18)第一原边的另一端连接二极管D₂₉的阳极；二极管D₂₉的阴极连接电感L_ps2的一端，电感L_ps2的另一端连接电阻R_ps2的一端，绝缘栅双极型晶体管T₁₀与二极管D₃₀反向并联，电阻R_ps2的另一端连接二极管D₃₀的阴极，二极管D₃₀的阳极连接二极管D₂₈的阳极，二极管D₃₂与电阻R₂并联，二极管D₃₂的阳极连接二极管D₃₀的阴极，二极管D₃₂的阴极串联电容C₁₀后连接二极管D₃₀的阳极，二极管D₃₂的阳极串联电容C_s2后连接脉冲变压器(18)第二原边的一端，脉冲变压器(18)第二原边的另一端连接二极管D₃₀的阳极，脉冲变压器(18)副边一端串联电容C_c后连接在电感L_dc与保护线圈Coil之间，另一端连接静电除尘器(37)的阴极。

3.一种根据权利要求2所述静电除尘用脉冲高压电源系统的高压脉冲电路设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)由于针对的静电除尘器负载电容C₀已知，求C_c的值：C_C＝10C₀；

2)根据对需要加到静电除尘器的高压脉冲要求：直流基压幅值-U_dc、脉冲峰值脉冲周期T₀为已知，并且R₀为静电除尘器负载电阻已知，计算ω的值：再利用公式 $I_{\mathrm{ESP}}=\sqrt{2}U\sqrt{{\left({\mathrm{\ωC}}_0\right)}^2+\frac{1}{{R_0}^2}}\frac{\sqrt{2}U}{R_0}+\frac{U_{\mathrm{dc}}}{R_0}$ 计算出静电除尘器电流的峰值I_mESP；

3)根据第四整流模块输出直流幅值+U_ps已知，设变比n为一个具体值，利用公式和计算L_s、C的值，再利用公式L_s1＝L_s2＝2L_s和 $C_{s1}=C_{s2}=\frac{n^2{\mathrm{CC}}_C(1+{\mathrm{\ω}}^2{C_0}^2{R_0}^2)}{2[n^2{C}_C+C+{\mathrm{\ω}}^2{C}_0{R_0}^2(n^2{C}_C{C}_0+{\mathrm{CC}}_0+C_{C}C)]}$ 求解L_s1、L_s2和C_s1、C_s2的值；

4)根据谐振条件求得R的取值范围，然后再利用公式求得R_s1、R_s2的取值范围，R_s1、R_s2取范围内一较小值；

5)利用公式和 $\begin{array}{c}{U}_2=\sqrt{U^2+{\left(\frac{C_{0}U}{C_c}\right)}^2+\frac{{2C_{0}U}^2}{C_c}+{\left(\frac{U}{{\mathrm{\ωC}}_c{R}_0}\right)}^2+{2U}^2{\left(\frac{C_0+C_c}{C_c}\right)}^2+\frac{2\sqrt{2}{U}_0(\sqrt{2}{U}_0+U_{\mathrm{dc}})}{w^2{C}_c{C}_0{R_0}^2}}\\ +\sqrt{2}U\frac{(C_0+C_c)(U_{\mathrm{dc}}-\sqrt{2}U)T_0}{{C_c}^2{R}_0}+\frac{1}{3}{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}-\sqrt{2}U}{C_c{R}_0}\right)}^2{T_0}^2\end{array}$ 计算脉冲变压器一次侧电压有效值U₁和二次侧有效值U₂，然后用公式求变比n；

6)若第5步与第3步设定的变比n值不相同，则改变变比n的值，重复回到第3步，直到与第5步求的变比n值相同为止，此时所求的参数值符合条件。

4.根据权利要求3所述静电除尘用脉冲高压电源系统高压脉冲电路设计方法的验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用Matlab软件仿真验证，根据仿真结果调节L_ps1、L_ps2、L_dc、R_ps1、R_ps2的值，设置电路中绝缘栅双极型晶体管T₉、绝缘栅双极型晶体管T₁₀的开关频率等于需要的脉冲重复频率，使得加载到静电除尘器两端的高压脉冲峰值、脉冲周期和重复频率都达到期望要求，否则重新进行设计。

5.根据权利要求4所述静电除尘用脉冲高压电源系统高压脉冲电路设计方法的验证方法，其特征在于，所述L_ps1、L_ps2、L_dc设置为uH级，R_ps1、R_ps2设置为Ω级，具体取值在0-10之间。