CN105024584A - 一种用于细颗粒强荷电的高压脉冲发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于细颗粒强荷电的高压脉冲发生装置，包括高压主回路和高压隔离触发电路；主回路置于变压器副边，包括限流电感、储能电容和多级半导体开关组件和续流二极管组件；高压隔离触发电路包括光电隔离单元、放大单元和高压隔离单元。与传统直流高压相比，高压脉冲产生的电晕电流远大于直流高压，因此使用本发明高压脉冲发生装置可以大大提高细颗粒物的荷电效率，进而提高其收集效率；同时与在变压器原边利用半导体开关产生低压脉冲，再通过脉冲变压器升压后产生高压脉冲这种方法相比，本发明装置只需常规交流变压器，成本低。

Description

一种用于细颗粒强荷电的高压脉冲发生装置

技术领域

本发明属于脉冲发生技术领域，具体涉及一种用于细颗粒强荷电的高压脉冲发生装置。

背景技术

电除尘是目前广泛使用的燃煤飞灰捕集技术，其原理是荷电颗粒在电场作用下定向迁移达到收尘集板。颗粒物荷电根据其粒径大小可分为场致荷电和扩散荷电两种；细颗粒(PM2.5)以扩散荷电为主，荷电效率低，无法达到饱和荷电，因此在电场中收集困难，实验证实提高电晕电流密度可以增加细颗粒物的荷电。

目前，电除尘所采用的高压源以直流高压(50-100kV)为主，主要包括单相电源、三相电源和高频电源。由于除尘器为容性负载，高压脉冲产生的电晕电流远大于直流高压，因此使用高压脉冲源可以大大提高细颗粒物的荷电效率，进而提高其收集效率。

用于细颗粒荷电的高压脉冲形成主要有两种方法。方法一是在变压器原边利用半导体开关产生低压脉冲，再通过脉冲变压器升压后产生高压脉冲，如图1(a)所示；此方法缺点是由于脉冲的单极性，高功率、高电压的脉冲变压器需要绝缘性好，导磁率高，磁通量大的磁芯，因此不仅成本昂贵、制作难度大，而且脉冲变压器容易使脉冲波形发生畸变。方法二是在变压器副边利用储能电容和多级半导体开关组件构成脉冲形成单元，如图1(b)所示；此方法的优点是变压器为常规变压器，副边高压交流经硅堆整流后对储能电容进行充电。由于多级半导体开关组件为数十个开关串联(以可控硅为例，形成90kV脉冲高压输出需要20只以上的耐压4500V可控硅串联)，因此其技术难度主要为所有开关的同步触发及高压隔离方法。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于细颗粒强荷电的高压脉冲发生装置，其产生的电晕电流远大于直流高压，因此使用高压脉冲源可以大大提高细颗粒物的荷电效率，进而提高其收集效率。

一种用于细颗粒强荷电的高压脉冲发生装置，包括高压主回路和高压隔离触发电路；所述的高压主回路置于变压器的副边，其利用变压器输出的直流高压对内部储能电容进行充电；充电完成后，由高压隔离触发电路产生多个同步的触发脉冲分别触发高压主回路中多个串联的半导体开关；当所有半导体开关导通时，储能电容对外部负载进行脉冲放电。

所述的高压主回路包括限流电感、储能电容、由多个半导体开关串联组成的半导体开关组件、由多个续流二极管串联组成的续流二极管组件以及高压同轴电缆组成；其中，限流电感的一端外接变压器输出的直流高压，限流电感另一端与储能电容的一端、半导体开关组件的一端以及续流二极管组件的一端相连，半导体开关组件的另一端与续流二极管组件的另一端以及高压同轴电缆一端的中心导体相连，储能电容的另一端与高压同轴电缆一端的外层导体共同接地，高压同轴电缆的另一端接负载。

所述的高压隔离触发电路包括多个高压隔离触发单元，所述的高压隔离触发单元包括光电隔离模块、驱动放大模块和高压隔离模块；其中，驱动放大模块通过光电隔离模块接收外部时序脉冲发生器提供的触发脉冲信号对其进行功率放大后，再经高压隔离模块触发半导体开关。

所述的高压隔离模块可为单级隔离，也可为多级隔离；优选地，高压隔离模块采用两级隔离脉冲变压器。

当所述的高压脉冲发生装置为正极性高压输出时，限流电感另一端与半导体开关组件的阳极以及续流二极管组件的阴极相连，半导体开关组件的阴极与续流二极管组件的阳极以及高压同轴电缆一端的中心导体相连；当所述的高压脉冲发生装置为负极性高压输出时，限流电感另一端与半导体开关组件的阴极以及续流二极管组件的阳极相连，半导体开关组件的阳极与续流二极管组件的阴极以及高压同轴电缆一端的中心导体相连。

所述的续流二极管个数可与半导体开关个数相等或不等。

优选地，所述的半导体开关采用SCR或IGBT。

优选地，所述的限流电感采用耐高压线绕制的空心电感。

优选地，所述的储能电容采用耐高压的低感电容。

优选地，所述的续流二极管采用雪崩式二极管。

本发明高压脉冲发生装置的工作过程如下：外部变压器输出的直流高压通过限流电感对储能电容进行充电，当充电完成后，高压隔离触发电路由一个触发脉冲信号经光电隔离模块和驱动放大模块放大后，再经高压隔离模块产生多个同步的触发脉冲触发半导体开关组件，当所有半导体开关导通时，储能电容对除尘器负载进行脉冲放电。

与传统直流高压相比，高压脉冲产生的电晕电流远大于直流高压，因此使用本发明高压脉冲发生装置可以大大提高细颗粒物的荷电效率，进而提高其收集效率；同时与在变压器原边利用半导体开关产生低压脉冲，再通过脉冲变压器升压后产生高压脉冲的发生方法相比，本发明装置只需常规交流变压器，成本低。

附图说明

图1(a)为现有基于变压器原边形成的高压脉冲发生装置结构示意图。

图1(b)为现有基于变压器副边形成的高压脉冲发生装置结构示意图。

图2(a)为本发明负极性输出的高压脉冲发生装置结构示意图。

图2(b)为本发明正极性输出的高压脉冲发生装置结构示意图。

图3为高压隔离触发电路的结构示意图。

图4为高压隔离触发电路产生10路触发脉冲电压的实测波形示意图。

图5(a)为高压主回路以2kΩ水电阻为负载的电容电压及负载电压波形示意图。

图5(b)为高压主回路以2kΩ水电阻为负载的负载电流波形示意图。

图6(a)为高压主回路以20kΩ水电阻为负载的电容电压及负载电压波形示意图。

图6(b)为高压主回路以20kΩ水电阻为负载的负载电流波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2和图3所示，本发明高压脉冲发生装置包括高压主回路和高压隔离触发电路；高压主回路包括限流电感(1)、储能电容(2)、多级半导体开关组件(3)和续流二极管组件(4)；高压隔离触发电路包括光电隔离单元(5)、放大单元(6)和高压隔离单元(7)；其中：

直流高压通过限流电感(1)向储能电容(2)充电。当充电完成后，高压隔离触发电路产生多个同步的触发脉冲触发半导体开关组件(3)。高压隔离触发电路由一个触发脉冲信号经光电隔离单元(5)和放大单元(6)放大后，再经两级的高压隔离单元(7)输入到半导体开关组件(3)。当所有半导体开关导通时，储能电容(2)对除尘器负载进行脉冲放电，续流二极管组件(4)的作用是当主回路欠阻尼条件下导通反向电流。

负极性高压输出时，如图2(a)所示，半导体开关组件(3)的阴极及续流二极管组件(4)的阳极与储能电容(2)的高压端相连；半导体开关组件(3)的阳极及续流二极管组件(4)的阴极与高压同轴电缆的中心导体相连，高压同轴电缆的外导体与储能电容(2)的低压极相连并接地。

正极性高压输出时，如图2(b)所示，半导体开关组件(3)的阳极及续流二极管组件(4)的阴极与储能电容(2)的高压端相连；半导体开关组件(3)的阴极及续流二极管组件(4)的阳极与高压同轴电缆的中心导体相连，高压同轴电缆的外导体与储能电容(2)的低压极相连并接地。

本实施方式中，主回路中限流电感(1)采用耐高压线绕制的空心电感，电感量为50μH；储能电容(2)采用耐压80kV，1μF电容；半导体开关组件(3)采用10只2英寸SCR开关串联构成；续流二极管组件(4)采用10只2英寸雪崩式二极管串联构成。采用负极性高压输出，半导体开关组件(3)的阴极及续流二极管组件(4)的阳极与储能电容(2)的高压端相连；半导体开关组件(3)的阳极及续流二极管组件(4)的阴极与高压同轴电缆的中心导体相连，高压同轴电缆的外导体与储能电容(2)的低压极相连并接地。

如图3所示，高压隔离触发电路共有10路输出，每一路的光电隔离单元(5)由P521光耦和限流电阻构成，光耦输入端阳极通过限流电阻接5V稳压源，阴极接时序脉冲发生器的输出端；放大单元(6)由BC639三极管、限流电阻等构成；高压隔离单元(7)采用两级隔离脉冲变压器，第一级隔离变压器耐压10kV，变比1:1，第二级隔离变压器耐压90kV，变比为2:1。

高压隔离触发电路的实测结果如图4所示，10路触发脉冲具有非常好的前沿同步，触发脉冲宽度和幅值的差异主要是由放大单元(6)的BC639三极管开通特性决定，对SCR开关的触发影响不大。主回路以两种水电阻为负载(2kΩ和20kΩ)，负载电压、电容电压和负载电流的波形如图5和图6所示。以2kΩ负载为例，充电电压为-10kV，输出脉冲电压峰值为-10kV，输出脉冲电流峰值为4A，脉冲宽度(半峰宽)在0.15ms，远小于电压脉冲宽度(半峰宽)2.5ms，且负载越大，脉冲越宽。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于细颗粒强荷电的高压脉冲发生装置，包括高压主回路和高压隔离触发电路；其特征在于：所述的高压主回路置于变压器的副边，其利用变压器输出的直流高压对内部储能电容进行充电；充电完成后，由高压隔离触发电路产生多个同步的触发脉冲分别触发高压主回路中多个串联的半导体开关；当所有半导体开关导通时，储能电容对外部负载进行脉冲放电。

2.根据权利要求1所述的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述的高压主回路包括限流电感、储能电容、由多个半导体开关串联组成的半导体开关组件、由多个续流二极管串联组成的续流二极管组件以及高压同轴电缆组成；其中，限流电感的一端外接变压器输出的直流高压，限流电感另一端与储能电容的一端、半导体开关组件的一端以及续流二极管组件的一端相连，半导体开关组件的另一端与续流二极管组件的另一端以及高压同轴电缆一端的中心导体相连，储能电容的另一端与高压同轴电缆一端的外层导体共同接地，高压同轴电缆的另一端接负载。

3.根据权利要求1所述的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述的高压隔离触发电路包括多个高压隔离触发单元，所述的高压隔离触发单元包括光电隔离模块、驱动放大模块和高压隔离模块；其中，驱动放大模块通过光电隔离模块接收外部时序脉冲发生器提供的触发脉冲信号对其进行功率放大后，再经高压隔离模块触发半导体开关。

4.根据权利要求3所述的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述的高压隔离模块采用两级隔离脉冲变压器。

5.根据权利要求2所述的高压脉冲发生装置，其特征在于：当所述的高压脉冲发生装置为正极性高压输出时，限流电感另一端与半导体开关组件的阳极以及续流二极管组件的阴极相连，半导体开关组件的阴极与续流二极管组件的阳极以及高压同轴电缆一端的中心导体相连；当所述的高压脉冲发生装置为负极性高压输出时，限流电感另一端与半导体开关组件的阴极以及续流二极管组件的阳极相连，半导体开关组件的阳极与续流二极管组件的阴极以及高压同轴电缆一端的中心导体相连。

6.根据权利要求1或2所述的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述的半导体开关采用SCR或IGBT。

7.根据权利要求2所述的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述的限流电感采用耐高压线绕制的空心电感。

8.根据权利要求1或2所述的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述的储能电容采用耐高压的低感电容。

9.根据权利要求2所述的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述的续流二极管采用雪崩式二极管。