CN105048857B - 一种脉冲产生电路的软启动及闭环控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲产生电路的软启动及闭环控制方法，其特征在于，所述脉冲产生电路在一个静电除尘电源中为一个受信号控制单元控制的脉冲产生单元，由三相桥式全控整流模块、DC‑DC升压电路、脉冲升压模块构成，信号控制单元的输出分三路，分别连接三相桥式全控整流模块、DC‑DC升压电路、脉冲升压模块；当启动三相桥式全控整流模块和DC‑DC升压电路时，信号控制单元均提供一路软启动信号，一路PI调节信号，比较后取较小值作为控制信号，从而实现相应模块的软启动；当该模块输出电压逐渐上升至一定值时，PI输出值减小，只要设定软启动信号的终值大于预期的PI输出值，PI输出为相应模块提供控制，从而实现闭环控制。
Description
技术领域
本发明涉及电源控制技术，特别涉及一种静电除尘电源用的高压脉冲控制方法。
背景技术
静电除尘是现代工业系统中常用的一种除尘方式，也是治理大气污染的一种重要手段。目前，大多数企业采用的静电除尘方法是采用高压直流作为除尘器的供电电源。在这种供电方式下，由于粉尘层等效电容效应会造成反电晕现象，导致除尘效率下降，而且对于粒径小于0.1μm的粉尘颗粒，除尘效率很低。随着国家环保要求的不断提高，对企业的废气排放要求也随之提高，传统的静电除尘装置已经逐渐无法满足要求，急需更换或者改造。相比于直流供电，采用脉冲供电方式时，除尘器粉尘层的等效电容在脉冲施加期间只能充上很少的电荷，在脉冲消失期间所充电荷基本放完，所以粉尘层上不会因为积累电荷形成高压而使粉尘造成反电晕；另外，脉冲高压电源对粉尘的荷电是脉冲荷电，因而具有很好的节能效果；采用脉冲高压供电也能提高对超细颗粒物的捕集效率。因此与常规的静电除尘方式相比，直流叠加脉冲供电的除尘方式除尘效果更好。
针对上述情况，北京博电兴源节能科技有限公司提出了一种直流叠加脉冲电除尘方法，该方法涉及的电源结构如图1所示。该方法实现了高压直流与高压脉冲的叠加，具有克服反电晕现象、提高粉尘的收集效率、减少除尘器收尘面积等优点，但是同时也存在着以下不足：(1)该方法涉及的电源结构过于抽象，没有具体电源结构，实施难度大，例如高压脉冲的幅值可调范围为1kV至1000kV，脉冲频率可调范围为1Hz至1000kHz等，参数设置太宽泛；而目前电除尘电源所需的高压直流电压只需几十千伏，高压脉冲的频率也只需几百赫兹，不具有实用性。(2)参数设置过于理想化，例如1kV和1000kV属于完全不同的电压等级，相应的绝缘等级也不同，制作从1kV至1000kV可调的高压直流源实现困难，无法对现有除尘器的高压直流电源进行低成本改造。因此，基于上述不足限制了该方法的具体应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合于对现有高压直流电源的改造、实用且易实施的静电除尘电源用的高压脉冲控制方法。可使电源运行稳定、抗干扰能力好、设计及维护成本低、控制系统的复杂度小。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种脉冲产生电路的软启动及闭环控制方法，其特征在于，所述脉冲产生电路在一个静电除尘电源中为一个受信号控制单元控制的脉冲产生单元，该脉冲产生单元与一个直流产生单元的输出通过一个直流与脉冲叠加单元连接至除尘器极板，该脉冲产生单元依次由三相桥式全控整流模块、DC-DC升压电路、脉冲升压模块串联构成，所述信号控制单元包括信号控制与处理模块，该模块的输出分三路，分别是：通过移相触发器连接三相桥式全控整流模块；通过IGBT1触发板连接DC-DC升压电路；通过IGBT2触发板连接脉冲升压模块，信号控制与处理模块通过第一电压传感器采集三相桥式全控整流模块输出的电压信号；并通过第二电压传感器采集DC-DC升压电路输出的电压信号；
当启动三相桥式全控整流模块时，信号控制与处理模块提供一路软启动信号，同时对三相桥式全控整流模块输出信号经调理后进行PI调节，PI的输出值与软启动信号比较后取较小值作为移相触发器的控制信号Vc1，从而实现三相桥式全控整流模块的软启动；当该模块输出电压逐渐上升至一定值时，PI输出值减小，只要设定软启动信号的终值大于预期的PI输出值，则当PI输出值小于软启动信号时，PI输出为移相触发器提供控制电压，从而实现三相桥式全控整流模块的闭环控制；
DC-DC升压电路对三相桥式全控整流模块的输出电压做进一步的升压处理，三相桥式全控整流模块稳定后，启动DC-DC升压电路，信号控制与处理模块同样提供一路软启动信号，同时对DC-DC升压电路输出的电压调理后进行PI调节，PI的输出值与软启动信号比较后取较小值作为PWM调制器的控制信号Vc2，PWM调制器输出对应占空比的PWM波，启动后一段时间内PWM调制器的控制电压由软启动信号提供，从而实现DC-DC升压电路的软启动；当DC-DC升压电路输出电压逐渐上升至一定值时，PI输出值减小，只要设定软启动信号的终值大于预期的PI输出值，则当PI输出值小于软启动信号时，PI输出为PWM调制器提供控制电压，从而实现DC-DC升压电路的闭环控制。
上述方案中，所述三相桥式全控整流模块启动后，输出电压通过改变比较电压Vref1的值，由0V逐渐上升至200～600V并稳定在该值。
所述DC-DC升压电路启动后，输出电压通过改变比较电压Vref2的值，由200～600V逐渐上升至500～1500V并稳定在该值。
所述脉冲升压模块由开关器件IGBT2和脉冲变压器组成，在前一级DC-DC升压电路提供的直流电压的基础上，由信号控制与处理模块输出频率为100～500Hz、脉宽不大于100μs的PWM波，控制开关器件的通断从而产生对应频率和脉宽、幅值为500～1500V的低压脉冲，该低压脉冲施加于脉冲变压器，经升压后得到对应频率和脉宽、幅值不超过60kV的高压脉冲。
本发明的优点是：
1、对高压脉冲产生电路的前级整流及DC-DC升压部分进行软启动及闭环控制，增加了系统运行的稳定性与抗干扰能力，有效避免了高压启动瞬间对系统造成的冲击。
2、高压直流电源部分可根据除尘环境的不同设置为一个电压值固定的高压直流源，或在一个可实现的常用高压值范围内可调，适合于现有电除尘器上高压直流电源的改造；
3、高压脉冲的产生，是先得到较低电压的直流，在该直流电压的基础上形成低压脉冲，再经过脉冲变压器升压后得到高压脉冲。高压脉冲的频率、脉宽和幅值均是在一定的实用范围内可调，尤其可根据除尘的现场环境设置相应的调节范围。
附图说明
图1为现有直流叠加脉冲电除尘方法原理框图。图中，Ⅳ为除尘器极板。
图2为本发明用于静电除尘装置的直流脉冲供电方案的电源结构框图。
图3为图2的一个具体实施例。其中，A为⑥中IGBT的吸收回路；B为⑦中IGBT的吸收回路。
图4为图2、图3中的三相桥式全控整流单元的软启动及闭环控制结构框图。
图5为图2、图3中的DC-DC升压电路单元的软启动及闭环控制结构框图。
具体实施方式
如图2所示，一种用于静电除尘装置的直流脉冲供电方案，所设计的电源包括一个连接三相交流电源①的主电路开关②、连接主电路开关的一个直流产生单元③和一个脉冲产生单元⑧，脉冲产生单元与一个信号控制单元⑨相连，直流产生单元和脉冲产生单元的输出通过一个直流与脉冲叠加单元⑩连接至除尘器极板④。其中，直流产生单元由工频变压器升压模块和三相桥式不控整流模块串联构成；脉冲产生单元依次由三相桥式全控整流模块⑤、DC-DC升压电路⑥、脉冲升压模块⑦构成。三相交流电源经主电路开关后，一路经直流产生单元升压及整流后得到电压值为40kV的高压直流；另一路在信号控制单元的作用下，经三相桥式全控整流模块，输出电压由0V逐渐上升至并稳定在500V，再经DC-DC升压电路，输出电压由500V逐渐上升并稳定在1000V，在脉冲升压模块中开关器件动作下产生幅值为1000V、频率250Hz、脉宽10μs的脉冲，经脉冲变压器升压得到幅值为40kV的高压脉冲；最后直流与脉冲叠加单元⑩将直流产生单元输出的直流高压与脉冲产生单元输出的高压脉冲叠加后施加给静电除尘器极板上。
如图3所示，直流产生单元③由工频变压器升压模块和三相桥式不控整流模块(高压硅堆整流桥)组成，三相交流电源经工频变压器升压以及高压硅堆整流后再经阻容滤波得到40kV的高压直流，该高压直流经直流与脉冲叠加单元与高压脉冲叠加后施加给除尘器极板，通过直流与脉冲叠加电路，可避免高压直流启动时对系统产生冲击。本实施例中，直流产生单元输出的直流高压为40kV，也可以通过在前端增加三相交流调压器，使输出直流电压值在0V至40kV之间可调。
信号控制单元⑨包括信号控制与处理模块、为该模块提供电能的控制系统供电电源模块，其中，控制系统供电电源模块为一小功率变压器和多个开关电源组成，信号控制与处理模块可以是DSP，可以是模拟电路板，也可以是两者的结合。信号控制与处理模块的控制输出分三路，分别是：通过移相触发器连接三相桥式全控整流模块⑤、通过IGBT1触发板连接DC-DC升压电路⑥、通过IGBT2触发板连接脉冲升压模块⑦。信号控制与处理模块的通过第一电压传感器采集三相桥式全控整流模块输出的电压信号；并通过第二电压传感器采集DC-DC升压电路输出的电压信号。
三相桥式全控整流模块⑤由三相隔离变压器与可控硅整流桥组成，通过信号控制单元设置该模块软启动并对该模块进行闭环控制，其控制原理如图4所示：三相桥式全控整流模块启动时，信号控制与处理模块提供一路软启动信号，同时对三相桥式全控整流模块输出信号(经第一电压传感器)经调理后进行PI调节，PI的输出值与软启动信号比较后取较小值作为移相触发器的控制信号。由于启动时整流输出很小，PI调节后输出值很大，大于软启动信号，因而启动后一段时间内移相触发器的控制电压由软启动信号提供，从而实现三相桥式全控整流模块的软启动。而当该模块输出电压逐渐上升至一定值时，PI输出值减小，只要设定软启动信号的终值大于预期的PI输出值，则当PI输出值小于软启动信号时，PI输出为移相触发器提供控制电压Vc1，控制电压Vc经过移相触发器后得到触发角α，触发角施加于整流桥得到新的整流输出电压，从而实现三相桥式全控整流模块的闭环控制。三相桥式全控整流模块启动后，输出电压由0V逐渐上升至并稳定在500V。三相桥式全控整流模块输出电压与控制参数有关，考虑到实际需要，通过改变控制参数Vref1(比较电压)，可以将整流输出电压稳定在200V至600V之间的任意值。
DC-DC升压电路⑥由电感、开关器件IGBT1和二极管组成的典型的Boost升压电路，其对前一级三相桥式全控整流模块输出电压做升压变换，同时为后一级脉冲升压模块提供基础电压，通过信号控制与处理模块设置DC-DC升压电路软启动并对该电路进行闭环控制，其控制原理如图5所示：
DC-DC升压电路对三相桥式全控整流模块的输出电压做进一步的升压处理，三相桥式全控整流模块稳定后，启动DC-DC升压电路，信号控制与处理模块同样提供一路软启动信号，同时对DC-DC升压电路输出的电压(经第二电压传感器)调理后进行PI调节，PI的输出值与软启动信号比较后取较小值作为PWM调制器的控制信号Vc2，PWM调制器输出对应占空比的PWM波。DC-DC升压电路软启动及闭环控制原理与三相全控整流部分相似，即启动时升压后输出很小，经调节后PI的输出值很大，大于软启动信号，因而启动后一段时间内PWM调制器的控制电压由软启动信号提供，从而实现升压电路的软启动，而当升压电路输出电压逐渐上升至一定值时，PI输出值减小，只要设定软启动信号的终值大于预期的PI输出值，则当PI输出值小于软启动信号时，PI输出为PWM调制器提供控制电压，从而实现升压电路的闭环控制。DC-DC升压电路启动后，输出电压由500V逐渐上升至并稳定在1000V。
DC-DC升压电路输出电压与控制参数Vref2(比较电压)及三相桥式全控整流模块输出电压有关，考虑到实际需要，通过改变控制参数Vref2和三相桥式全控整流模块的输出电压值，可将DC-DC升压电路输出电压稳定在200V至1500之间。
脉冲升压模块⑦由开关器件IGBT2和脉冲变压器组成。在前一级DC-DC升压电路提供的1000V直流电压的基础上，由信号控制与处理模块输出一定的控制信号(频率为250Hz、脉宽为10μs的PWM波)，控制开关器件的通断从而产生对应频率和脉宽、幅值为1000V的低压脉冲，该脉冲施加于脉冲变压器，经脉冲变压器升压后得到对应频率和脉宽、幅值为40kV的高压脉冲。该脉冲升压模块产生的脉冲频率和脉宽均可调，脉冲频率在100Hz～500Hz之间可调，受脉冲变压器工作频率限制，最佳工作频率300Hz，脉宽根据需要在1μs～100μs之间可调，最佳工作脉宽为10μs，脉冲幅值受DC-DC升压电路输出电压影响，可调节范围为8kV～60kV。
Claims (2)
1.一种脉冲产生电路的软启动及闭环控制方法，其特征在于，所述脉冲产生电路在一个静电除尘电源中为一个受信号控制单元控制的脉冲产生单元，该脉冲产生单元与一个直流产生单元的输出通过一个直流与脉冲叠加单元连接至除尘器极板，该脉冲产生单元依次由三相桥式全控整流模块、DC-DC升压电路、脉冲升压模块串联构成，所述信号控制单元包括信号控制与处理模块，该模块的输出分三路，分别是：通过移相触发器连接三相桥式全控整流模块；通过IGBT1触发板连接DC-DC升压电路；通过IGBT2触发板连接脉冲升压模块，信号控制与处理模块通过第一电压传感器采集三相桥式全控整流模块输出的电压信号；并通过第二电压传感器采集DC-DC升压电路输出的电压信号；
当启动三相桥式全控整流模块时，信号控制与处理模块提供一路软启动信号，同时对三相桥式全控整流模块输出信号经调理后进行PI调节，PI的输出值与软启动信号比较后取较小值作为移相触发器的控制信号Vc1，从而实现三相桥式全控整流模块的软启动；当该模块输出电压逐渐上升至一定值时，PI输出值减小，只要设定软启动信号的终值大于预期的PI输出值，则当PI输出值小于软启动信号时，PI输出为移相触发器提供控制电压从而实现三相桥式全控整流模块的闭环控制；
DC-DC升压电路对三相桥式全控整流模块的输出电压做进一步的升压处理，三相桥式全控整流模块稳定后，启动DC-DC升压电路，信号控制与处理模块同样提供一路软启动信号，同时对DC-DC升压电路输出的电压调理后进行PI调节，PI的输出值与软启动信号比较后取较小值作为PWM调制器的控制信号Vc2，PWM调制器输出对应占空比的PWM波，启动后一段时间内PWM调制器的控制电压由软启动信号提供，从而实现DC-DC升压电路的软启动；当DC-DC升压电路输出电压逐渐上升至一定值时，PI输出值减小，只要设定软启动信号的终值大于预期的PI输出值，则当PI输出值小于软启动信号时，PI输出为PWM调制器提供控制电压，从而实现DC-DC升压电路的闭环控制；
所述三相桥式全控整流模块启动后，输出电压通过改变比较电压Vref1的值，由0V逐渐上升至200～600V并稳定在该值；所述DC-DC升压电路启动后，输出电压通过改变比较电压Vref2的值，由200～600V逐渐上升至500～1500V并稳定在该值；所述的脉冲升压模块产生的脉冲频率和脉宽均可调，脉冲频率在100Hz～500Hz之间可调，脉宽在1μs～100μs之间可调。
2.如权利要求1所述的脉冲产生电路的软启动及闭环控制方法，其特征在于，所述脉冲升压模块由开关器件IGBT2和脉冲变压器组成，在前一级DC-DC升压电路提供的直流电压的基础上，由信号控制与处理模块输出频率为100～500Hz、脉宽不大于100μs的PWM波，控制开关器件的通断从而产生对应频率和脉宽、幅值为500～1500V的低压脉冲，该低压脉冲施加于脉冲变压器，经升压后得到对应频率和脉宽、幅值不超过60kV的高压脉冲。
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