CN109962633A - 一种环保恒高频高压大功率除尘电源 - Google Patents

一种环保恒高频高压大功率除尘电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环保恒高频高压大功率除尘电源，包括开关单元、滤波单元、PWM高频整流单元、高频逆变单元、高频整流变压器、IGBT驱动单元、检测单元、控制单元和触摸屏，所述的环保恒高频高压大功率除尘电源包括开关单元、滤波单元、PWM高频整流单元、高频逆变单元、高频整流变压器、IGBT驱动单元、检测单元、控制单元和触摸屏。本发明可使高频高压大功率除尘电源逆变频率恒定，工况适应性好，功率因数大于0.99，降低电网侧谐波含量，同时火花放电关断速度快。

Description

一种环保恒高频高压大功率除尘电源
技术领域
本发明涉及除尘电源相关技术领域，具体为一种环保恒高频高压大功率除尘电源。
背景技术
随着国家对工业生产节能减排的重视，工业大气颗粒物排放标准更加严格，静电除尘电源的大规模应用，对环保治理设备本身效能的提升需求迫切。除尘电源作为静电除尘器的核心部件，在治理环境污染的同时，不能对电网电能质量产生影响，影响到其他电气设备的正常运行。其中高频除尘电源由于其体积小，除尘效果好而得到大规模应用，现有大功率高频除尘电源采用调频方式对输出电压进行调节，其电路拓扑如图1所示，包括滤波电感L1、二极管不控整流电路1、高频逆变电路2和3、高频整流变压器4和5。该二极管不控整流电路1通过滤波电感L1与三相电网相连，经过滤波电容C2滤波后输出一次直流母线电压。该高频逆变电路2将一次直流电压逆变为高频交流电压，经过谐振电容C3加在高频整流变压器4两端，利用变压器漏感L2和寄生电容组成LCC谐振电路，使IGBT工作在软开关状态，降低高频开关损耗。上述逆变电压经过改高频整流变压器4升压并整流，在电除尘本体负载上得到一个低纹波的二次直流电压波形。由于母线电压低，大功率高频电源的变压器原边电流大且为高频，变压器变比大，IGBT器件选型和变压器生产工艺复杂，往往需要两组电路并联使用，如图1的高频逆变电路3和高频整流变压器5。
电网侧采用二极管不控整流方式，一次直流电压不可控，以调频方式对输出电压进行调节，存在如下不足：1、对电网电压进行二极管不控整流，电网电流谐波含量大，易造成电网谐振；2、功率因数低，随着设备容量增大，需要额外配备无功补偿设备；3、母线电压低，只有530V，大功率高频电源的变压器原边电流大且为高频，往往需要两组高频逆变电路，限制了高频除尘电源功率的提高；4、以调节逆变频率的方式来对二次输出直流电压进行调节，对于频繁放电的恶劣工况，高频变压器工作频率远低于设计频率，电流冲击变大，同时变压器损耗增加。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，研制了一种恒高频高压大功率除尘电源，在保证电网基波功率因数大于0.99的前提下，以调节一次直流电压的方式来调节输出电压，逆变频率恒定，保证系统稳定运行在恒高频状态，降低高频变压器的功耗和生产难度，不同工况适应性好，同时降低电网侧输入电流谐波，避免对电网中其他电气设备的影响。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案一种环保恒高频高压大功率除尘电源，包括开关单元、滤波单元、PWM高频整流单元、高频逆变单元、高频整流变压器、IGBT驱动单元、检测单元、控制单元和触摸屏，所述的环保恒高频高压大功率除尘电源包括开关单元、滤波单元、高频整流单元、高频逆变单元、高频整流变压器、IGBT驱动单元、检测单元、控制单元和触摸屏。
优选的，所述开关单元由断路器和接触器串联组成，三相交流电经过开关单元给滤波单元供电。
优选的，所述滤波单元由外电感、滤波电容、内电感构成。
优选的，所述PWM高频整流单元由三相全控桥式整流电路和支撑电容构成，对电网三相交流电压进行高频整流、升压。
优选的，所述高频整流单元由单相桥式逆变电路和谐振电容组成，逆变频率恒定不变，优选20kHz，与高频整流变压器的漏感与分布电容构成LCC谐振电路，IGBT工作在软开关状态。
优选的，所述检测单元包括：三相交流电压/交流电流检测电路，一次直流电压/一次交流电流检测电路，二次直流电压/直流电流检测电路，IGBT温度/变压器油温/环境温度检测电路，其中三相交流电压/交流电流、一次直流电压/一次交流电流的检测均基于霍尔效应实现隔离采样。
优选的，所述控制单元包括AD采样、PWM信号输出、通信接口、存储单元、故障硬件保护电路。
优选的，所述控制单元以双核DSP芯片TMS320F28374D为核心，一号CPU对高频整流单元进行闭环控制，使高频整流单元输出一个稳定可调的直流电压；二号CPU对高频逆变单元进行闭环控制，逆变频率恒定，通过高速AD采样读取检测单元的值，快速判断本体是否发生火花放电，当检测到火花发生时迅速封锁PWM脉冲输出，实现火花的快速关断。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该环保恒高频高压大功率除尘电源提高了电网输入功率因数，降低了电网输入电流谐波含量；大幅提高了高频整流变压器的原边输入电压，降低变压器的匝比，同等输出容量下降低了原边输入电流，降低了高频低压绕组的生产难度，同时也提高了变压器的传输效率。通过调节一次电压而非逆变频率来调节输出电压，变压器工作频率恒定，电源工况适应性好。
附图说明
图1是调频型高频大功率除尘电源的原理框图；
图2是环保恒高频高压大功率除尘电源的原理框图；
图3是环保恒高频高压大功率除尘电源电气原理图；
图4是环保恒高频高压大功率除尘电源控制单元结构框图；
图5是环保恒高频高压大功率除尘电源输出电流调节对比图；
图中：1、开关单元，2、滤波单元，3、PWM高频整流单元，4、高频逆变单元，5、高频整流变压器， 7、IGBT驱动单元，8、检测单元，9、控制单元，10、触摸屏。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种环保恒高频高压大功率除尘电源，包括开关单元1、滤波单元2、高频整流单元3、高频逆变单元4、高频整流变压器5、IGBT驱动单元7、检测单元8、控制单元9和触摸屏10，环保恒高频高压大功率除尘电源包括开关单元1、滤波单元2、PWM高频整流单元3、高频逆变单元4、高频整流变压器5、IGBT驱动单元7、检测单元8、控制单元9和触摸屏10，开关单元1由断路器和接触器串联组成，三相交流电经过开关单元给滤波单元2供电，滤波单元2由外电感、滤波电容、内电感构成，对PWM高频整流单元3产生的高频开关纹波进行滤除，PWM高频整流单元3由三相全控桥式整流电路和支撑电容构成，对电网三相交流电压进行高频整流、升压，控制单元9通过IGBT驱动单元7对PWM高频整流单元6只IGBT的开关时刻与开通占空比进行控制，将电网交流电压整定为直流并升压，同时实现电网输入功率因数的调节，PWM高频整流单元3由单相桥式逆变电路和谐振电容组成，逆变频率恒定不变，优选20kHz，与高频整流变压器的漏感与分布电容构成LCC谐振电路，IGBT工作在软开关状态，单相桥式逆变电路将PWM高频整流单元3得到的直流电压逆变为恒定频率的矩形波交流电压，矩形波交流电压加在谐振电容C3、变压器等效漏感L3和变压器等效寄生电容C4上，产生谐振电流，谐振电流过零时关断IGBT，另外，高频整流变压器由高频变压器和整流硅堆组成，原边电压经过高频整流变压器升压并整流后，得到除尘本体所需的高压直流电压，检测单元8包括：三相交流电压/交流电流检测电路，一次直流电压/一次交流电流检测电路，二次直流电压/直流电流检测电路，IGBT温度/变压器油温/环境温度检测电路，其中三相交流电压/交流电流、一次直流电压/一次交流电流的检测均基于霍尔效应实现隔离采样，控制单元9包括AD采样、PWM信号输出、通信接口、存储单元、故障硬件保护电路，控制单元9以双核DSP芯片TMS320F28374D为核心，一号CPU对PWM高频整流单元3进行闭环控制，使PWM高频整流单元3输出一个稳定可调的直流电压；二号CPU对高频逆变单元4进行闭环控制，逆变频率恒定，通过高速AD采样读取检测单元的值，快速判断本体是否发生火花放电，当检测到火花发生时迅速封锁PWM脉冲输出，实现火花的快速关断，控制单元9的工作过程如下：控制单元9以TMS320F28374D双核DSP为主控器件，包括AD采样、通信接口、PWM信号输出、故障检测与硬件保护等部分，1号CPU控制PWM高频整流单元3的6路PWM信号输出，判断此时除尘器本体6所需的电压值，通过调节这6路PWM信号的开通时刻与占空比来调节PWM高频整流单元3输出的一次直流电压，进而实现对二次直流电压的调节，同时控制电网电流与电网电压的相位角，使系统工作在纯有功状态，2号CPU控制高频逆变单元4的4路PWM信号输出，通过驱动单元7控制4个IGBT模块的开关，将一次直流电压进行高频逆变，逆变频率恒定不变，优选20kHz，逆变电压经过谐振电容C2、高频变压器等效漏感L2、高频变压器等效寄生电压C3接在高频整流变压器原边，产生谐振电流，控制IGBT的关断时刻，使IGBT工作在软开关状态，2号CPU高速读取AD采样信号，快速检测二次电压和二次电流信号，发生火花放电时立即封锁高频逆变单元4驱动脉冲，实现火花放电快速保护，控制单元9对三相交流电压、一次直流电压、二次直流电压、三相交流电流、一次谐振电流、二次电流、IGBT温度、变压器油温等进行检测，经AD转换送入DSP，参与闭环控制。
工作原理：开关单元1由断路器和接触器组成，开关闭合后，将电网三相交流电压送至滤波单元2，PWM高频整流单元3与滤波单元2及高频逆变单元4相连，高频整流变压器5与高频逆变单元4及电除尘器本体6相连，高频整流变压器包括高频变压器、整流硅堆、分流器R1，分压电阻R2和R3，接通电网后，将主开关单元1的接触器接通主回路，DSP通过控制三相桥式全控整流电路的6只IGBT的开通时刻与开通占空比，对电网交流电压进行整流并升压，并对电网输入电流与电网电压的相位进行控制，使设备工作在纯有功状态，DSP通过控制单相桥式逆变电路中4只IGBT模块的恒定频率的开通，将PWM高频整流单元3得到的直流电压恒频逆变为高频交流电压，高频交流电压加在谐振电容C3，变压器等效漏感L3和集成电容C4上，使逆变电流出现谐振，当逆变电路回到零时，DSP控制IGBT的关断，实现IGBT的软开关，交流电压经过高频整流变压器5升压整流后得到直流高压，给静电除尘本体供电；控制单元9的控制过程概述：控制单元9以双核DSP芯片TMS320F28374D为主控单元，包括AD采样、通信接口、PWM信号输出、故障检测与硬件保护等部分，1号CPU对PWM高频整流单元3的6路PWM进行闭环控制，通过AD采样，确定设备目前工况，使PWM高频整流单元3输出一个稳定的一次直流电压，通过调节一次直流电压的幅值，高频整流变压器5输出的二次电流频率不变，实现对二次输出的调节，2号CPU对高频逆变单元的4路PWM进行控制，高速采样二次电压和二次电流，快速进行闪络判断。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环保恒高频高压大功率除尘电源，包括开关单元（1）、滤波单元（2）、PWM高频整流单元（3）、高频逆变单元（4）、高频整流变压器（5）、IGBT驱动单元（7）、检测单元（8）、控制单元（9）和触摸屏（10），其特征在于：所述的环保恒高频高压大功率除尘电源包括开关单元（1）、滤波单元（2）、PWM高频整流单元（3）、高频逆变单元（4）、高频整流变压器（5）、IGBT驱动单元（7）、检测单元（8）、控制单元（9）和触摸屏（10）。
2.根据权利要求1所述的一种环保恒高频高压大功率除尘电源，其特征在于：所述开关单元（1）由断路器和接触器串联组成，三相交流电经过开关单元给滤波单元（2）供电。
3.根据权利要求1所述的一种环保恒高频高压大功率除尘电源，其特征在于：所述滤波单元（2）由外电感、滤波电容、内电感构成。
4.根据权利要求1所述的一种环保恒高频高压大功率除尘电源，其特征在于：所述PWM高频整流单元（3）由三相全控桥式整流电路和支撑电容构成，对电网三相交流电压进行PWM高频整流、升压。
5.根据权利要求1所述的一种环保恒高频高压大功率除尘电源，其特征在于：所述高频逆变单元（4）由单相桥式逆变电路和谐振电容组成，逆变频率恒定不变，优选20kHz，与高频整流变压器的漏感与分布电容构成LCC谐振电路，IGBT工作在软开关状态。
6.根据权利要求1所述的一种环保恒高频高压大功率除尘电源，其特征在于：所述检测单元（8）包括：三相交流电压/交流电流检测电路，一次直流电压/一次交流电流检测电路，二次直流电压/直流电流检测电路，IGBT温度/变压器油温/环境温度检测电路，其中三相交流电压/交流电流、一次直流电压/一次交流电流的检测均基于霍尔效应实现隔离采样。
7.根据权利要求1所述的一种环保恒高频高压大功率除尘电源，其特征在于：所述控制单元（9）包括AD采样、PWM信号输出、通信接口、存储单元、故障硬件保护电路。
8.根据权利要求1所述的一种环保恒高频高压大功率除尘电源，其特征在于：所述控制单元（9）以双核DSP芯片TMS320F28374D为核心，一号CPU对PWM高频整流单元进行闭环控制，使PWM高频整流单元输出一个稳定可调的直流电压；二号CPU对高频逆变单元进行闭环控制，逆变频率恒定，通过高速AD采样读取检测单元的值，快速判断本体是否发生火花放电，当检测到火花发生时迅速封锁PWM脉冲输出，实现火花的快速关断。
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