CN109382211B - 静电除尘脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
一种静电除尘脉冲电源，包括直流部分，用于将第一三相交流电调压控制后，再升压和整流后，形成第一高压直流电，加载至除尘器本体上；以及脉冲部分，用于将第二三相交流电调压控制后，升压和整流，形成第二高压直流电；所述脉冲部分包括储能电容和谐振电感，储能电容和谐振电感以及与所述除尘器本体组成谐振回路，谐振产生的高压脉冲也施加到除尘器本体上。与现有脉冲电源相比，本发明公开的技术采用在高压侧产生脉冲，不需要经过脉冲变压器而直接获得高压脉冲，大大提高了系统的可靠性和冗余度。
Description
技术领域
本发明涉及电源领域，进一步涉及一种静电除尘用直流叠加脉冲的高压复合电源。
背景技术
静电除尘是工业环保领域里常用的一种除尘方式，是大气污染环境治理的重要手段。静电除尘系统包括除尘器本体和供电电源。目前电除尘器本体装置系统大多采用高压直流电源供电。传统的高压直流供电电源及其控制方式，对于高比电阻粉尘由于粉尘层电荷积累效应，会造成反电晕现象，导致除尘效率下降，且电耗大幅上升。另一方面对于PM2.5粒径范围的微细粉尘，由于粉尘粒径小、表面积小，除尘器空间电荷密度低，微细粉尘难以荷电或荷电不足，因而这些微细粉尘颗粒难以被捕集，除尘器除尘效率难以提高，难以达到国家新的排放标准。
面对国内电除尘器存在的问题，高压脉冲电源应运而生，它独特的工作原理、高效的性能，较好地解决了以上难题。
现有技术的高压脉冲电源较好的是储能式直流叠加脉冲电源，其有两种技术途径：一种是脉冲形成后通过脉冲变压器对电压进行抬升，此类电源的脉冲形成开关的工作电压较低；另一种是直接通过高压开关形成脉冲，无脉冲变压器升压，脉冲形成开关的工作电压较高。前者由于工作电压较低，一般为三相整流后直接获得的500多伏母线电压，或者经过变压器升压整流使母线电压达到约2500伏的量级，提供给除尘器所需要的脉冲能量一般要达到十兆瓦量级，所需要的IGBT等开关管工作时电流需要达数千安培，需多个开关管并联扩流使用并被同步驱动。而由于大容量的IGBT开关管，其结电容等电参数的分散性大，因而开关管的同步驱动性能较差，多个大功率开关管的电流载荷分配不均，容易造成开关管快速老化和损毁；并且损毁后开关管一般呈短路直通状态，造成电源正负母线短路，电源无法继续工作。若损毁后开关管呈现开路，则相当于该功率管退出运行，其他开关管势必承担更大电流，继而进一步造成其他开关管渐次损坏，电源同样无法正常工作。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种静电除尘脉冲电源，以解决以上所述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明提供一种静电除尘脉冲电源，包括：直流部分，用于将第一三相交流电调压控制后，再升压和整流后，形成第一高压直流电，加载至除尘本体上；以及脉冲部分，用于将第二三相交流电调压控制后，升压和整流，形成第二高压直流电；所述脉冲部分包括储能电容和谐振电感，储能电容和谐振电感以及与所述除尘器本体(等效电容Cep和等效电阻Rep的并联)组成谐振回路，谐振产生的高压脉冲也施加到除尘器本体上。
进一步的，所述脉冲部分还包括IGBT开关模块，以控制所述谐振回路的开关。
进一步的，所述直流部分包括第一可控硅调节模块、第一升压变压器和第一整流电路，其中，第一可控硅调节模块，用于将第一三相交流电进行调压控制；第一升压变压器，连接于第一可控硅调节模块后端，用于对调压控制后的交流电升压；第一整流电路，连接于第一升压变压器后端，用于对升压后的交流电进行整流，形成第一高压直流电。
进一步的，所述直流部分还包括耦合电抗器，连接于第一整流电路后端，用于对第一高压直流电进行平波。
进一步的，所述直流部分还包括阻尼器，经平波的第一高压直流电经所述阻尼器加载至除尘器本体上。
进一步的，所述脉冲部分还包括：第二可控硅调节模块，用于将第二三相交流电进行调压控制；第二升压变压器，连接于第二可控硅调节模块后端，用于对调压控制后的交流电升压；第二整流电路，连接于第二升压变压器后端，用于对升压后的交流电进行整流，形成第二高压直流电。
进一步的，所述第一可控硅调节模块或第二可控硅调节模块，通过接收外部的控制信号，进行可控硅三相移相触发控制，所述控制信号为1-10V的电压信号或者4-20mA的电流信号。
进一步的，还包括相连接的隔离驱动模块，其与所述IGBT开关模块电性连接。
进一步的，还包括保护电路模块，其与所述IGBT开关模块电性连接。
进一步的，还包括采样电路模块，其与所述的电路根据所要采集的电压、电流信号，进行相应的电性连接。
(三)有益效果
通过对电源设置直流部分和电源部分，即通过收尘场强和电晕场强用两个电源实现，既提高了除尘效率又节约大量电能；
脉冲部分的脉冲电流可达到上百安培，并且可以通过回充实现能量回收，微细粉尘荷电充分，同步实现提效和节能。
附图说明
图1是本发明实施例的静电除尘脉冲电源的原理框图；
图2是本发明实施例的静电除尘脉冲电源的电气原理示意图；
图3是以DSP和FPGA为核心的主控制板控制单元示意图；
图4是本发明实施例的静电除尘脉冲电源施加在电除尘器本体上的电压电流波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明的基本构思，提供一种静电除尘脉冲电源，包括：直流部分，用于将第一三相交流电调压控制后，再升压和整流后，形成第一高压直流电，加载至除尘器本体上；以及脉冲部分，用于将第二三相交流电调压控制后，升压和整流，形成第二高压直流电；所述脉冲部分包括储能电容和谐振电感，储能电容和谐振电感以及与所述除尘器本体组成谐振回路，谐振产生的高压脉冲也施加到除尘器本体上。
对于上述两部分的电源设置，能够提高效率降低电能消耗。具体的来说，电除尘器除尘效率公式为著名的多依奇公式：
式中η为电除尘效率，单位％；ω为浮尘驱进速度，单位为m/s；A为电除尘器极板总面积，单位m2；Q为处理烟气量，单位m3/s。
其中驱进速度ω有如下关系
ω∝a*ED*Ep
式中a为常数，Ed为收尘场强，Ep为电晕场强。收尘场强Ed比于收尘电压Vd，电晕场强Ep为正比于电晕电压Vp。电晕场强和收尘场强愈大，粉尘驱进速度ω就愈大，收尘效率就愈高。但是电晕场强太大时容易产生火花放电，烧毁电极并且消耗大量电能；而收尘场强大到一定程度时，收尘效果也会达到饱和，再提高场强，只会浪费能量，而且也会带来火花放电甚至电弧放电。
本发明公开的技术方案能将产生电晕场强和收尘场强的两个高压电源分开，收尘场强由直流电源提供，收尘电压Vd电平达到收尘效果即可；电晕场强则由脉冲电源提供，脉冲宽度很窄，电晕电压Vp幅度却很高，重复频率很低。这样既能实现高的除尘效率，又能大幅节能，还可实现低的火花率，同时还由于直流电源提供的收尘电压Vd通常仅维持低的电晕，通过调整脉冲电压Vp的参数，可防止高比电阻粉尘可能出现的反电晕现象。
以下将结合图1-图3具体说明本发明实施例的静电除尘脉冲电源的电器原理和各个元件。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的元件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
如图1和图2所示，本发明实施例的静电除尘脉冲电源主要包括直流部分和脉冲部分：
(1)直流部分
三相交流电源产生的第一三相交流电通过第一可控硅调节模块8进行调压控制后，受控的第一三相交流电输入到直流基压第一三相升压变压器9的初级线圈，升压后通过第一整流桥10将高压交流电整流成高压直流电，整流后的电压通过耦合电抗器11和阻尼器12加到电除尘器本体13上。
其中第一可控硅调节模块8接收来自主控板上的DSP的控制信号，进行可控硅三相移相触发控制。具体地，来自DSP的控制信号既可以是1-10V电压信号，也可以是4-20mA电流信号。其作用是通过调节可控硅控制板的触发相位角，来控制三相可控硅的导通角，进而达到控制三相交流电源的输出值在0～380V范围内任意调节，从而使变压器整流后的直流母线电压可在0～60kV之间任意调节。
受控的三相交流电经过第二整流桥10后，含有较多的脉动成分，可以经过耦合电抗器11平波后，得到脉动较小的直流输出，还可再经过阻尼器12加到电除尘器本体13上。阻尼器12是由一个带副线圈和阻尼电阻的电感线圈组成，对电路起到一定的阻尼和保护作用。
(2)脉冲部分
三相交流电源通过第二可控硅调节模块1进行调压控制后，受控的三相交流电输入到脉冲供电第二三相升压变压器2的初级线圈，升压后通过第二整流桥3将高压交流电整流成高压直流电，整流后的电压通过平波电抗器4后，给储能电容7充电。除尘器本体13的等效电容Cep、储能电容7与谐振电感5共同组成LCC串联谐振回路，谐振回路由IGBT开关模块6进行开关控制，谐振产生的高压脉冲施加到除尘器本体上。
其中第二可控硅调节模块1接收来自主控板上DSP的控制信号，进行可控硅三相移相触发控制。来自DSP的控制信号既可以是1-10V电压信号，也可以是4-20mA电流信号。其作用是通过调节可控硅控制板的触发相位角，来控制三相可控硅的导通角，进而达到控制三相交流电源的输出值在0～380V范围内任意调节，最终使变压器整流后的母线电压可在0～80kV之间连续调节。该母线电压决定所产生脉冲的电压幅度。
当IGBT开关打开时，高压脉冲发生电路工作，所产生的高压脉冲施加在除尘器本体上。此时，高压直流电源和高压脉冲电源的关系为串联关系，相当于两个串联的电源共同施加在电除尘器负载上，使获得的总电压为直流电压叠加脉冲电压，总电流为直流电流叠加脉冲谐振电流。通过将IGBT开关管置于高压侧，即三相交流电经过升压变压器升压、整流后得到的母线电压达到80kV甚至更高，将多个开关管串联后直接跨接于高压母线上，通过同步驱动开关管获得脉冲，无需脉冲变压器。由于母线电压较前一种方式提高了上百倍，要获得同样的脉冲输出功率，IGBT开关管的电流仅仅需要上百安培。这种规格的IGBT开关管体积很小，其结电容等电气参数的一致性好，开关同步驱动的分散性很小，因而开关管串联工作时，开关同步性好，管压降均匀性好，开关管寿命比较均衡、一致。即使由于个别管子老化特性差、寿命短而提前损坏，由于损坏后的IGBT开关管呈现短路状态，该开关管损坏后等效为一段短路线，因而电路仅仅相当于减少了承担电压的一个开关管，并不影响整个脉冲单元和系统的工作。理论计算和实践均证明：即使开关管损坏率达到40％，整个电源系统仍可以正常工作。可见本发明实施例技术大大提高了脉冲电源的可靠性。
(3)辅助电路
在一些实施例中，还可以包括隔离驱动模块，其与所述IGBT开关模块电性连接。
在一些实施例中，还可以包括保护电路模块，其与所述IGBT开关模块电性连接。
在一些实施例中，还包括采样电路模块，其与所述电路根据所要采集的电压、电流信号，进行相应的电性连接。
图3是以DSP和FPGA为核心的主控制板控制单元示意图。如图3所示，可以通过双处理器模式对脉冲电源进行控制，其中，通过DSP连接两个可控硅调压模块，对可控硅调压模块进行控制，进而控制脉冲电源的直流和交流端电压。
上述电源的原理在于：静电除尘器是相当于电阻电容并联的容性负载，对于大的电除尘器来说，除尘器等效电容Cep可达100nF量级。电容Cep以LC串联谐振方式充电，脉冲电流是正弦波。假定电流谐振周期为100μs，则应当在50μs内将Cep充电到80kV，根据公式i＝C(dv/dt)＝0.1μf*80kV/50μs，计算得到充电电流达到160安培。电容Cep的电压上升率dv/dt为1.6kV/μs以上，脉冲功率为12.8MVA。
工频可控整流电源因为工作频率低，电除尘器电容电压上升率很低，仅有几kV/ms。高频电源虽然工作频率高，但由于充电电流小，电压上升率虽然有了一定提高，但上升到电晕电压仍然是ms级。脉冲电源的充电电流为工频电源和高频电源的几十甚至几百倍，电除尘器电压上升率达几kv/μs，脉冲电源的脉冲功率达到十兆瓦量级，这就是电除尘器三种供电电源的本质区别，脉冲电源电压电流波形如图4所示。正是这种超高的脉冲瞬时功率，是的除尘器极板间瞬时电子浓度达到传统电源的上百倍，使难以荷电的微细粉尘充分荷电并被捕集，大大提升了电除尘器的除尘效率。同时由于存在能量回充机制，馈入除尘器的电能未被消耗的部分(事实上随荷电粉尘运动到极板而被消耗的电能仅仅占馈入除尘器的脉冲能量的很小一部分)，又得到反复利用，大大降低了电耗。
具体的：如图2所示，变压器TR1升压后的交流电经过整流后，经过平波电感Lcp给储能电容Cp充电，充电电压最高可以达到80kV。当高压开关IGBT上有触发信号时，储能电容Cp、谐振电感Lp以及除尘器本体的等效电容Cep，共同组成LCC谐振电路。
谐振的前半个周期，储能电容给谐振电感Lp充电，谐振电流方向在图中自上而下流经Lp、IGBT开关，经过除尘器Cep//Rep和阻尼器，流回Cp负极。
谐振的后半个周期，谐振电感Lp给储能电容Cp充电，谐振电流方向在图中自下而上流经Lp、Cp、经过除尘器Cep//Rep和阻尼器，继而流过与IGBT开关并联的二极管Dp，流回Lp。因此谐振电流在谐振期间，电流换向，输出到除尘器等效电容中的能量，未被消耗的部分又回充到储能电容Cp当中，从而节约了大量电能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种静电除尘脉冲电源，其特征在于包括：
直流部分，用于将第一三相交流电调压控制后，再升压和整流后，形成第一高压直流电，加载至除尘器本体上；所述直流部分包括第一可控硅调节模块、第一升压变压器和第一整流电路，其中，第一可控硅调节模块，用于将第一三相交流电进行调压控制；第一升压变压器，连接于第一可控硅调节模块后端，用于对调压控制后的交流电升压；第一整流电路，连接于第一升压变压器后端，用于对升压后的交流电进行整流，形成第一高压直流电；
所述直流部分还包括耦合电抗器，连接于第一整流电路后端，用于对第一高压直流电进行平波；所述直流部分还包括阻尼器，经平波的第一高压直流电经所述阻尼器加载至除尘本体上；
脉冲部分，用于将第二三相交流电调压控制后，升压和整流，形成第二高压直流电；所述脉冲部分包括储能电容和谐振电感，储能电容和谐振电感以及与所述除尘器本体组成谐振回路，谐振产生的高压脉冲也施加到除尘器本体上；所述脉冲部分包括第二可控硅调节模块、第二升压变压器及第二整流电路，其中，所述第二可控硅调节模块用于将第二三相交流电进行调压控制；第二升压变压器，连接于第二可控硅调节模块后端，用于对调压控制后的交流电升压；第二整流电路，连接于第二升压变压器后端，用于对升压后的交流电进行整流，形成第二高压直流电；
所述脉冲部分还包括IGBT开关模块，以控制所述谐振回路的开关。
2.根据权利要求1所述的静电除尘脉冲电源，其特征在于，所述第一可控硅调节模块或第二可控硅调节模块，通过接收外部的控制信号，进行可控硅三相移相触发控制，所述控制信号为1-10V的电压信号或者4-20mA的电流信号。
3.根据权利要求1所述的静电除尘脉冲电源，其特征在于，还包括
相连接的隔离驱动模块，其与所述IGBT开关模块电性连接。
4.根据权利要求1所述的静电除尘脉冲电源，其特征在于，还包括保护电路模块，其与所述IGBT开关模块电性连接。
5.根据权利要求1所述的静电除尘脉冲电源，其特征在于，还包括采样电路模块，其与所述的电路根据所要采集的电压、电流信号，进行相应的电性连接。
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