CN113067486A - 一种节能型电除尘高压电源及其控制方法 - Google Patents

一种节能型电除尘高压电源及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的名称为一种节能型电除尘高压电源及其控制方法。属于电除尘高压电源技术领域。它主要是解决现有电除尘复合脉冲高压电源因需要两套电源系统而存在系统复杂，故障率高和容错性差的问题。它的主要特征是：包含依次电连接的限流电抗器、整流单元、高频逆变单元、高频变压器、直流电压叠加单元和脉冲电压叠加单元；高频变压器为原边单绕组、副边多绕组结构的高频单相变压器；直流电压叠加单元包括多个依次连接的直流电压电路，脉冲电压叠加单元包括多个依次连接的脉冲电压电路。本发明具有体积小、脉冲宽度和幅值均可调节、多种输出特性和除尘本体能量存储的特点，提高电除尘系统的除尘效率并减少电能消耗，主要用于电除尘系统中的高压电源。

Description

一种节能型电除尘高压电源及其控制方法
技术领域
本发明属于电除尘高压电源技术领域，特别涉及一种节能型电除尘高压电源及其控制方法。
背景技术
在电除尘系统中，通过提高高压电源的输出电压可以激发更多的高能电子，可以提高收尘效率，特别是对PM2.5这种微细颗粒物有较好的滤除效果，但提高场强容易发生闪络放电，频繁闪络时除尘系统无法正常运行。根据电除尘理论，粉尘的趋进速度越大电除尘的除尘效率越高，而趋进速度与电晕场强成正比，通过脉冲供电方式，可以解决提供场强过高和气体击穿之间的矛盾。电除尘复合脉冲电源由两台电源系统耦合而成，基础部分提供直流电压，脉冲部分提供脉冲电压，通过耦合电路将两个电压叠加后提供给除尘本体。由于烟气工况差别大且会变化，特别是中小业主的电除尘项目，对高压电源供电特性的工况适应性提出更高要求，高压电源应能输出：平滑直流电压、直流电压叠加脉冲电压、低电压大电流、高电压小电流等。
目前的电除尘复合脉冲电源方案，原理图如图1所示，它包括开关单元、滤波电感、第一三相整流桥、逆变单元、隔离变压器、第二三相整流桥、脉冲谐振电路、脉冲变压器、高压耦合电容、隔离电感、基础电源系统。三相电网电压通过开关单元后送至滤波电抗器，通过第一三相整流桥后转换为直流电压，通过三相逆变电路将直流电压逆变为幅值可调的交流电压，通过隔离变压器升压并与电网实现隔离，通过第二三相整流桥整流为幅值可调的直流电压，经脉冲发生电路产出谐振电流，经脉冲高压变压器耦合到高压侧的谐振电流，通过高压耦合电容在基础电压上面形成脉冲电压，给除尘本体供电，提高电除尘系统对粉尘颗粒物的荷电能力。其中所需的基础电压，可有工频或高频高压直流电源产生。
主要存在不足：1、电气柜中存在基础电源和脉冲电源两套系统，系统复杂，故障率高，容错性差；2、电气柜中存在滤波电感、逆变电路、隔离变压器等，功耗大，散热困难；3、脉冲形成电路中IGBT工作在脉冲电流状态，瞬时电流在3000A以上，对周围电气设备造成电磁干扰，影响其他设备的正常运行；4、脉冲发生电路所产生的谐振电流的频率和幅值与脉冲高压变压器的寄生参数关系很大，对脉冲变压器的工艺一致性和集成参数的长期稳定性要求严格；5、通过脉冲高压变压器的电流为脉冲大电流，为保证磁芯不饱和，需要大量磁性材料，但利用率很低，同时脉冲变压器的存在限制了脉冲电源的输出瞬时功率进一步提高；6、脉冲高压变压器输出的电流在本体上形成的脉冲电压与本体的负载特性有很大关系，工况适应性差。
发明内容
本发明的目的就是针对上述不足之处而提出一种仅采用一套电源系统即可实现脉冲宽度和幅值均可调节、多种输出特性和除尘本体能量存储的节能型电除尘高压电源及其控制方法。
本发明电除尘高压电源的技术解决方案是：一种节能型电除尘高压电源，其特征在于：包含依次电连接的限流电抗器、整流单元、高频逆变单元、高频变压器、直流电压叠加单元和脉冲电压叠加单元；所述高频变压器为原边单绕组、副边多绕组结构的高频变压器；所述直流电压叠加单元包括与部分副边多绕组对应的多个直流电压电路，该多个直流电压电路输入端分别与该部分副边多绕组的输出端连接，输出端依次连接；所述脉冲电压叠加单元包括与另一部分副边多绕组对应的多个脉冲电压电路，该多个脉冲电压电路输入端分别与该另一部分副边多绕组的输出端连接，输出端依次连接。
本发明电除尘高压电源的技术解决方案中所述的直流电压电路的正极输出端，与相邻的直流电压电路的负极输出端连接；所述的脉冲电压电路逆变输出端，与相邻脉冲电压电路的正极连接。
本发明电除尘高压电源的技术解决方案中所述的高频变压器为单相变压器，其副边多绕组为n1+n2组；所述多个直流电压电路为n1个；所述多个脉冲电压电路为n2个；其中n1和n2的数量根据高压电源的额定参数进行配置。
本发明电除尘高压电源的技术解决方案中所述的直流电压电路由整流电路和滤波电路组成；所述脉冲电压电路由整流电路、滤波电路和半桥逆变电路组成。
本发明电除尘高压电源的技术解决方案中所述的整流电路由二极管组成的整流桥电路；所述滤波电路由储能电容构成；所述半桥逆变电路由两个串联的IGBT构成，两个IGBT分别构成逆变半桥上桥臂和逆变半桥下桥臂。通过控制半桥逆变电路上下桥臂的开通和关断，实现输出多种电压形式的叠加组合。
本发明电除尘高压电源的技术解决方案中所述的限流电抗器包括连接在三相电网与整流单元之间的三相限流电抗器。
本发明电除尘高压电源的技术解决方案中所述的整流单元包括整流桥和滤波电容。
本发明电除尘高压电源的技术解决方案中所述的高频逆变单元由单相IGBT逆变桥和谐振电容组成。
本发明控制方法的技术解决方案是：一种节能型电除尘高压电源的控制方法，其特征在于：通过选择n2个脉冲电压电路中半桥逆变电路的上下桥臂的开通、关断组合，实现高频变压器的等效高变比直流电压输出、等效低变比直流电压输出和直流电压叠加脉冲电压输出，可使得一套电源系统实现直流电压叠加脉冲电压的输出能力。
本发明控制方法的技术解决方案中，通过控制n2个脉冲电压电路中的逆变半桥上桥臂关断、下桥臂部分或者全部开通并保持开通状态，实现改变高频变压器的等效变比，使高压电源输出不同电压等级的直流电压；通过n1个直流电压电路提供基础电压，通过控制n2个脉冲电压电路中的逆变半桥上桥臂关断、下桥臂部分或者全部开通，保持一段时间后关断，给负载提供直流电压叠加脉冲电压；下桥臂保持关断，通过控制部分逆变半桥上桥臂的开通，将脉冲电压形成后负载寄生电容上的电荷回流至所述的直流电压叠加单元和脉冲电压叠加单元的滤波电容里。
本发明由于采用由依次电连接的限流电抗器、整流单元、高频逆变单元、高频变压器、直流电压叠加单元和脉冲电压叠加单元构成的节能型电除尘高压电源，其中，高频变压器为原边单绕组、副边多绕组结构的高频单相变压器，直流电压叠加单元包括与部分副边多绕组对应的多个直流电压电路，该多个直流电压电路输入端分别与该部分副边多绕组的输出端连接，输出端依次连接，脉冲电压叠加单元包括与另一部分副边多绕组对应的多个脉冲电压电路，该多个脉冲电压电路输入端分别与该另一部分副边多绕组的输出端连接，输出端依次连接，因而可通过控制脉冲电压叠加单元中的半桥逆变电路上下桥臂的开通关断组合，实现高压电源的高基础直流电压、低基础直流电压、直流电压叠加脉冲电压等不同输出特性。
本发明具有体积小、脉冲宽度和幅值均可调节、多种输出特性和除尘本体能量存储的特点，提高电除尘系统的除尘效率，同时减少电能消耗。本发明主要用于电除尘系统中的高压电源，将三相交流电压转换为静电除尘器所需的高压电压。
附图说明
图1是现有技术的电除尘复合脉冲电源电路图。
图2是本发明的电除尘高压电源电路拓扑图。
图3为本发明基础电源叠加脉冲电源后输出波形图。
图中：1. 限流电抗器；2. 整流单元；3. 高频逆变单元；4. 高频变压器；5. 基础电压叠加单元；6. 脉冲电压叠加单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图2所示，本发明一种节能型电除尘高压电源的一个实施例，包含依次电连接的限流电抗器1、整流单元2、高频逆变单元3、高频变压器4、基础电压叠加单元5和脉冲电压叠加单元6，高频变压器4为原边单绕组、副边多绕组结构的高频单相变压器。
其中，直流电压叠加单元5包括与部分副边多绕组对应的n1个直流电压电路，直流电压电路由整流电流和滤波电路组成，该n1个直流电压电路输入端分别与该部分副边多绕组的输出端连接，正极输出端与相邻直流电压电路的负极输出端连接，给负载提供直流基础电压。脉冲电压叠加单元6包括与另一部分副边多绕组对应的n2个脉冲电压电路，脉冲电压电路由整流电路、滤波电压和逆变半桥电路组成，该n2个脉冲电压电路输入端分别与该另一部分副边多绕组的输出端连接，逆变输出端与相邻脉冲电压电路的正极输出端连接，给负载提供脉冲电压。其中，整流电路由二极管组成的整流桥电路，滤波电路由储能电容构成，半桥逆变电路由两个串联的IGBT构成，两个IGBT分别构成逆变半桥上桥臂和逆变半桥下桥臂，通过控制脉冲电压叠加单元上下桥臂的开通和关断，实现多种电压形式的叠加组合输出，进而实现与除尘本体直接的能量交换。
限流电抗器1包括1个三相限流电抗器，连接在三相电网与整流单元2之间，将交流电压转换为直流电压。
整流单元2包括整流桥和滤波电容。
高频逆变单元3由单相IGBT逆变桥和谐振电容组成。高频逆变单元3将直流电压逆变为高频交流电压，将谐振电容和谐振电感后送至高频变压器4。
高频变压器4副边多绕组为n1+n2组，其中n1组分别对应n1个直流电压电路，n2组分别对应n2个脉冲电压电路，n1与n2的数量根据应用场合进行配置，可为任意值。
本发明一种节能型电除尘高压电源的控制方法，通过选择n2个脉冲电压电路中半桥逆变电路的上下桥臂的开通、关断组合，实现高频变压器4的等效高变比直流电压输出、等效低变比直流电源输出和直流电压叠加脉冲电压输出；通过控制n2个脉冲电压电路中的逆变半桥上桥臂关断、下桥臂部分或者全部开通并保持开通状态，实现改变高频变压器4的等效变比，使高压电源输出不同电压等级的直流电压；通过n1个直流电压电路提供基础电压，通过控制n2个脉冲电压电路中的逆变半桥上桥臂关断、下桥臂部分或者全部开通，保持一段时间后关断，给负载提供直流电压叠加脉冲电压；下桥臂保持关断，通过控制部分逆变半桥上桥臂的开通，将脉冲电压形成后负载寄生电容上的电荷回流至所述的直流电压叠加单元和脉冲电压叠加单元的滤波电容里，进行回收，降低脉冲宽度的同时节约电能。
本发明控制方法的实施例1：
以60kV/1000mA直流电压+60kV脉冲电源的设备为例，当除尘本体工况需要输出80kV直流电压，而不需要直流电压叠加脉冲电压时，可将三分之一的脉冲电压叠加单元的半桥逆变电路上桥臂保持关断，下桥臂保持开通，另外三分之二的脉冲电压叠加单元的半桥逆变电路上下桥臂均保持关断，此时该设备就可以作为一个额定规格为80kV/1000mA高压直流电源使用，通过调节变压器原边的逆变桥的逆变频率，对设备的输出电流进行调节。
本发明控制方法的实施例2：
针对需要基础电压叠加脉冲电压的烟气工况，例如需要60kV基础直流电压叠加60kV脉冲电压的电源规格，n1个直流电压叠加单元提供基础电压先给除尘本体供电，建立本体内部空间电场。将n2个脉冲电压叠加单元作为提供脉冲电压的载体，关断半桥逆变电路的上桥臂，开通半桥逆变电路的下桥臂并保持一段时间后再关断，脉冲电压单元向负载提供脉冲能量。
由于电除尘体的寄生等效电容存在，造成脉冲电压的拖尾较长，造成脉冲宽度过大而使得空气击穿，可以逐个开通脉冲电压叠加单元的上桥臂，将电除尘体寄生等效电容的电荷回收到脉冲电压叠加单元内的滤波电容里，既减少了脉冲宽度，又节约了电能。基础电源叠加脉冲电源后输出波形图如图3所示。

Claims (10)

1.一种节能型电除尘高压电源，其特征在于：包含依次电连接的限流电抗器（1）、整流单元（2）、高频逆变单元（3）、高频变压器（4）、直流电压叠加单元（5）和脉冲电压叠加单元（6）；所述高频变压器（4）为原边单绕组、副边多绕组结构的高频变压器；所述直流电压叠加单元（5）包括与部分副边多绕组对应的多个直流电压电路，该多个直流电压电路输入端分别与该部分副边多绕组的输出端连接，输出端依次连接；所述脉冲电压叠加单元（6）包括与另一部分副边多绕组对应的多个脉冲电压电路，该多个脉冲电压电路输入端分别与该另一部分副边多绕组的输出端连接，输出端依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种节能型电除尘高压电源，其特征在于：所述的直流电压电路的正极输出端，与相邻的直流电压电路的负极输出端连接；所述的脉冲电压电路逆变输出端，与相邻脉冲电压电路的正极连接。
3.根据权利要求2所述的一种节能型电除尘高压电源，其特征在于：所述的高频变压器（4）为单相变压器，其副边多绕组为n1+n2组；所述多个直流电压电路为n1个；所述多个脉冲电压电路为n2个。
4.根据权利要求3所述的一种节能型电除尘高压电源，其特征在于：所述的直流电压电路由整流电路和滤波电路组成；所述脉冲电压电路由整流电路、滤波电路和半桥逆变电路组成。
5.根据权利要求4所述的一种节能型电除尘高压电源，其特征在于：所述的整流电路由二极管组成的整流桥电路；所述滤波电路由储能电容构成；所述半桥逆变电路由两个串联的IGBT构成，两个IGBT分别构成逆变半桥上桥臂和逆变半桥下桥臂。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种节能型电除尘高压电源，其特征在于：所述的整流单元（2）包括整流桥和滤波电容。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种节能型电除尘高压电源，其特征在于：所述的高频逆变单元（3）由单相IGBT逆变桥和谐振电容组成。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的一种节能型电除尘高压电源，其特征在于：所述的高频逆变单元（3）由单相IGBT逆变桥和谐振电容组成。
9.一种根据权利要求5所述节能型电除尘高压电源的控制方法，其特征在于：通过选择n2个脉冲电压电路中半桥逆变电路的上下桥臂的开通、关断组合，实现高频变压器（4）的等效高变比直流电压输出、等效低变比直流电源输出和直流电压叠加脉冲电压输出。
10.根据权利要求9所述的节能型电除尘高压电源的控制方法，其特征在于：通过控制n2个脉冲电压电路中的逆变半桥上桥臂关断、下桥臂部分或者全部开通并保持开通状态，实现改变高频变压器（4）的等效变比，使高压电源输出不同电压等级的直流电压；通过n1个直流电压电路提供基础电压，通过控制n2个脉冲电压电路中的逆变半桥上桥臂关断、下桥臂部分或者全部开通，保持一段时间后关断，给负载提供直流电压叠加脉冲电压；下桥臂保持关断，通过控制部分逆变半桥上桥臂的开通，将脉冲电压形成后负载寄生电容上的电荷回流至所述的直流电压叠加单元和脉冲电压叠加单元的滤波电容里。
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