CN117750722A - 一种直流系统主动式降尘装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流系统主动式降尘装置及方法，涉及直流系统除尘技术领域，包括自动控制模块和除尘电源模块，所述自动控制模块与静电吸附模块连接，所述静电吸附模块设有极性为正的电晕线和极性为负的钢板，所述自动控制模块与灰尘回收模块连接，所述灰尘回收模块与所述静电吸附模块连接，所述自动控制模块与屏柜散热模块连接；采用静电吸附原理，通过除尘装置自动对直流系统进行除尘，解决了人工除尘危险性高的问题。

Description

一种直流系统主动式降尘装置及方法

技术领域

本发明涉及直流系统除尘技术领域，具体涉及一种直流系统主动式降尘装置及方法。

背景技术

目前直流系统的异常告警信号较多，模块故障、蓄电池故障、通讯故障频发，经运维人员现场发现，直流充电模块异常告警较为常见，且充电模块告警显示模块过热，通过红外测温可以发现，充电模块散热处的温度高达50℃，充电模块的散热风扇、后柜门处积灰严重，造成直流系统无法及时散热，导致各类异常告警信号频发。目前，对直流系统进行灰尘清理多采用人工清理的方式进行。

如中国专利CN215071720U，公开日2021年12月07日，本实用新型公开了一种除尘散热直流屏，包括电池柜外壳以及控制柜外壳，所述电池柜外壳固定在控制柜外壳左侧，所述电池柜外壳和控制柜外壳之间相连通，所述电池柜外壳和控制柜外壳上端均固定有固定座，所述固定座上端活动连接有密封盖，所述固定座内部焊接固定有十字固定架，所述十字固定架侧面与固定座侧面固定有风扇。本实用新型通过在透气孔外侧设置的U型架、安装架以及两组滤网，方便对空气内的灰尘以及异物等过滤，避免进入到设备内部，造成损坏，且通过卡槽以及卡条的的配合，方便对安装架进行快速拆卸，进而方便对滤网进行拆卸，方便进行更换和清洗。然而，通过人工方式进行清理，安全措施布置难度较大，作业安全风险较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有直流系统通过人工进行除尘作业风险较高的技术问题。提出了种直流系统主动式降尘装置及方法，通过除尘装置自动进行除尘，无需人工进行操作。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种直流系统主动式降尘装置，包括自动控制模块和除尘电源模块，所述自动控制模块与静电吸附模块连接，所述静电吸附模块设有极性为正的电晕线和极性为负的钢板，所述自动控制模块与灰尘回收模块连接，所述灰尘回收模块与所述静电吸附模块连接，所述自动控制模块与屏柜散热模块连接。

一种直流系统主动式降尘装置，除尘装置中的自动控制模块可以感应直流屏上的灰尘含量和温度，当灰尘含量过高时，自动控制模块控制静电吸附模块和灰尘回收模块进行工作，将灰尘进行回收，若检测到温度过高，自动控制模块控制控制屏柜散热模块对直流屏进行降温，使直流屏的温度维持在合适的温度，除尘电源模块为除尘装置中的其他模块进行供电。

作为优选，所述自动控制模块控制主板，所述控制主板设有控制芯片，所述控制芯片与PM2.5传感器连接，所述控制芯片与温湿度传感器连接。PM2.5传感器和PM10传感器对直流屏上的灰尘浓度进行感应并将灰尘数据传输给控制芯片，温湿度传感器负责感应直流屏的温度，并将数据传输给控制芯片。

作为优选，所述屏柜散热模块设有直流驱动模块，所述直流驱动模块与直流散热风扇连接。直流驱动模块可以驱动直流散热风扇进行工作。

一种直流系统主动式降尘方法，包括以下步骤：

S1：自动控制模块检测屏柜内的灰尘含量数据和温湿度数据；

S2：控制主板对灰尘含量数据和温湿度数据进行分析，判断是否达到阈值；

S3：屏柜内灰尘含量或温湿度达到阈值时，自动控制模块控制降尘设备进行除尘或降温。

一种直流系统主动式降尘方法，自动控制模块将检测到的灰尘含量数据和温湿度数据传输给控制主板，控制主板将灰尘含量数据和温湿度数据与阈值做对比，当灰尘含量数据高于阈值时，控制主板控制静电吸附模块和灰尘回收模块启动，对直流屏上的灰尘进行清理，当温湿度数据超过阈值时，控制主板控制屏柜散热模块启动对直流屏进行降温。

作为优选，所述静电吸附模块采用静电吸附原理进行降尘，电场强度的表达公式如下所示：

其中：V为电源的供电电压，r为电晕线和集尘板之间任意一点与电晕线的中心点的距离，b为静电除尘器本体的半径，a为电晕线总长度的一半。忽略极间非均匀分布的电场的影响后，电场轻度可以近似表达为上述公式。

作为优选，所述静电吸附模块启动时灰尘的移动速度如下所示：

其中：ω_qc为电场荷电方式下的粉尘粒子驱进速度，ω_qd为扩散荷电下的粉尘粒子驱进速度；ε_o为真空介电常数；ε_s为相对介电常数；μ为磁导率；E为电场强度；C_m表示共模电压；K为电量；T为电势；e表示元电荷；d_p为灰尘沿场强的距离。从式中可以看出两种荷电方式下粉尘的驱进速度都与电场强度成正比，而粉尘的驱进速度则会影响除尘器的除尘效率。

作为优选，所述自动控制模块采用滑膜变结构控制技术，具体控制方法如下所示：选择合适的滑模面；确定控制函数；通过PWM调制的方法孔子开关变换器的开关频率。相比于其他的非线性控制方法，滑模控制更易于实现，并且使用滑模变结构控制的系统鲁棒性和稳定性也更强。

作为优选，所述滑模面的表达公式如下所示：

S(x)＝k^T(f(x)+g(x)u)＝0

其中：S(x)为滑模面；f(x)、g(x)为光滑函数；x∈R、u∈R^m，R为实数域，m表示输入变量的维数；k^T为常数。滑模变结构控制应用于除尘电源系统，需要寻求一个合适的切换函数，也就是滑模面。

作为优选，将除尘电源模块看成是一个单输入的模块，微分方程如下所示：

x′＝f(x)+g(x)u

控制函数如下所示：

u＝-[k^Tg(x)]^-1k^Tf(x)

其中：f(x)、g(x)为光滑函数；x∈R、u∈R^m，R为实数域，m表示输入变量的维数；k^T为常数。系统在定频率滑模控制下，一旦进入滑动模态，最终当系统进入稳态后，其误差就是无限接近零的，即系统的输出电压在经过滑模控制后最终会稳定在期望的输出电压。

作为优选，在屏柜中的各个屏幕的上中下分别设置PM2.5传感器和温湿度传感器，PM2.5传感器和温湿度传感器的线路走向与直流系统的线路异槽分布。在直流充电屏、直流馈电屏、蓄电池屏上中下分别布置传感器，同时对布置传感器的二次线走向进行核实，避免与直流系统接线同槽。

本发明的实质性效果是：本发明设计了一种直流系统主动式降尘装置及方法，通过采用静电吸附原理，增加灰尘吸附能力，使其原本被设备吸附的灰尘转向静电吸附模块，进而达到有效降尘目的；采用滑模控制除尘电源模块，有效提高其动态响应速度和稳定性；通过直流散热风扇根据屏柜内温度实时调整风扇转速，实现自动变速，对屏柜内的有效降温。

附图说明

图1为实施例一的除尘装置的结构示意图；

图2为实施例一的自动控制模块的运行示意图；

图3为实施例一的流程图；

图4为实施例一的基于PWM调制的滑模控制结构示意图。

其中：1、除尘电源模块，2、静电吸附模块，3、灰尘回收模块，4、自动控制模块，5、屏柜散热模块，6、控制主板，7、温湿度传感器，8、控制芯片，9、PM2.5传感器，10、除尘模块。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种直流系统主动式降尘装置及方法，如图1所示，通用型直流系统主动式降尘装置主要由静电吸附模块2、灰尘回收模块3、自动控制模块4、屏柜散热模块5四大部分组成，这四个部分都由除尘电源模块1进行供电。同时，通用型直流系统主动式降尘装置采用柜顶安装模式，减少对现有屏柜的影响，可实现不停电安装，能够切实减少运维人员工作量，确保充电模块的使用寿命，提升变电站设备供电可靠性。

如图2和图3所示，通用型直流系统主动式降尘装置的各个模块主要由自动控制模块4进行控制。自动控制模块4中主要包括控制主板6、温湿度传感器7和PM2.5传感器9组成。控制主板6中设有控制芯片8，控制芯片8收集温湿度传感器7和PM2.5传感器9采集到的灰尘含量数据和温度数据，并判断这两种数据是否超过了阈值。如果超过了阈值，控制芯片8就会控制除尘模块10进行除尘，控制屏柜散热模块5进行降温，其中除尘模块10包括静电吸附模块2和灰尘回收模块3。

通用型直流系统主动式降尘装置中的自动控制模块4负责对直流屏上的灰尘和温度进行检测。自动控制模块4会将检测到的灰尘数据和温度数据与其芯片中存储的灰尘阈值和温度阈值进行比较，当检测到的灰尘浓度高于阈值时，自动控制模块4会控制静电吸附模块2和灰尘回收模块3启动，静电吸附模块2会通电，通过静电将直流屏上的灰尘吸附，并通过灰尘回收模块3将静电吸附模块2吸附得到的灰尘进行回收。灰尘回收模块3回收得到的灰尘会由小型除尘机在灰尘回收模块3断电的情况下进行清理，从而不会影响直流系统的运作。当自动控制模块4检测到温度数据超过阈值时，自动控制模块4会控制屏柜散热模块5启动，屏柜散热模块5会启动直流风扇对直流系统进行降温，确保直流系统的温度保持在合适的温度范围内，保证直流系统的稳定运行。

静电吸附模块2本体主要由极性互异的两电极构成，一个是极性为负的电极，为带有垂直芒刺的电晕线，另一个是极性为正的电极，为光滑的钢板，又称为集尘板。当电晕线和集尘板通电后，在两者之间会产生强烈的电场，导致电晕线发生电晕放电，电晕区内的空气将发生电离出现众多正离子和负离子包括自由电子。在电场力的作用下，负离子将会向着带正电极的集尘板运动，期间负离子将会和气溶胶灰尘相撞附着在上面，使其变为负极性，并且由于电场力的作用大于灰尘粒子自身的重力，带负电荷的灰尘将会在电场力的作用下向着极性为正的集尘板运动，随后将释放电荷并沉积在集尘板上，当集尘板上灰尘累积到一定程度后将停电处理其上的灰尘。当集尘板上粉尘累积到一定成程度时，将有可能发生粉尘重扬这一现象，并且由于粉尘的堆积，集尘板与电晕线之间的极间距离缩短，极有可能发生火花放电，通过设计适用于直流系统的小型除尘机，通过除尘机将静电吸附模块2周围的灰尘进行有效回收，避免静电吸附模块2灰尘堆积，确保适用效果，同时达到除尘的效果。

静电吸附模块2启动时灰尘的移动速度如下所示：

其中：ω_qc为电场荷电方式下的粉尘粒子驱进速度，ω_qd为扩散荷电下的粉尘粒子驱进速度；ε_o为真空介电常数；ε_s为相对介电常数；μ为磁导率；E为电场强度；C_m表示共模电压；K为电量；T为电势；e表示元电荷；d_p为灰尘沿场强的距离。从式中可以看出两种荷电方式下粉尘的驱进速度都与电场强度成正比，而粉尘的驱进速度则会影响除尘器的除尘效率。

若忽略极间非均匀分布的电场的影响后近似表达为：

其中：V为电源的供电电压，r为电晕线和集尘板之间任意一点与电晕线的中心点的距离，b为静电除尘器本体的半径，a为电晕线总长度的一半。

灰尘回收模块3主要由直流除尘机组成，采用直流电场回路，形成了一种基于直流电场回路的电除尘机，通过内部电场的作用下，静电吸附模块2周围的气体发生电离，产生电子与正离子，分别向正负两极移动，当静电吸附模块2吸附的灰尘经过电场时，遇上电场内的电荷，通过电荷引导灰尘向沉降区移动，进而实现沉降回收。灰尘回收模块3可以有效对静电吸附模块2收集到的灰尘进行清理。

自动控制模块4由主动式降尘自动控制回路组成，主动式降尘自动控制回路主要由高精度传感器、STM32芯片、自动控制主板6三部分组成，根据STM32芯片引脚设计相应的自动控制回路。自动控制回路通过高精度PM2.5传感器9、PM10传感器、温湿度传感器7采集屏柜内的灰尘含量数据和温湿度数据，并将屏柜内的灰尘含量数据、温湿度数据回传至控制主板6。控制主板6将采集到的模拟量转化为数字量，并对数字量进行分析判断，当达到阈值时，STM32芯片将控制主板6将动作信号传递至装置的各设备，实现各设备的自动控制功能。

根据屏柜尺寸，在直流充电屏、直流馈电屏、蓄电池屏上中下分别布置传感器、同时对二次线走向进行核实，避免与直流系统接线同槽，同时对传感器数据进行验证，确保数据准确性。

屏柜散热模块5由直流散热风扇组成，主要由直流电机、直流驱动模块两部分组成，根据直流电机、直流驱动模块设计具体的散热风扇驱动回路，同时将散热风扇驱动回路与自动控制主板6连接，通过控制主板6接收的温湿度数据，将数据发送至直流驱动模块，直流驱动模块根据数据，自动调节直流电机，进而控制散热风扇转速，从而使直流系统的温度时刻处于合适的范围内。

根据屏柜柜顶面积，适应性调整散热风扇尺寸，根据送风量、转速，选择散热风扇的尺寸和材质；同时利用直流系统内端子，为装置与直流电机提供电源，实现控制电源与电机电源双回路。

目前对于开关变换器的控制大部分都采用线性的控制方法，传统的PID控制技术对系统参数的变化十分敏感，又因为除尘器本体的等效RC负载本身就是一个时变的负载，这使得PID控制应用在除尘电源系统这种负载变化较大的系统上时会出现动态响应慢，输出特性不理想等缺点。针对这一问题，本发明专利提出滑模变结构控制技术(Sliding ModeControl，SMC)。相比于其他的非线性控制方法，滑模控制更易于实现，并且使用滑模变结构控制的系统鲁棒性和稳定性也更强。因此对于除尘电源这一强非线性系统而言，滑模控制具有天然的适用性。

因为除尘电源系统是一个时变及非线性的动态系统，所以采用传统的PID控制会使得系统动态响应较慢进而导致系统稳定性不高。在了解滑模控制原理后，理解其对这类非线性系统具有天然的适用性，滑模控制可以提高除尘电源系统动态响应速度与稳定性。

滑模变结构控制应用于除尘电源系统，需要寻求一个合适的切换函数，也就是滑模面，对于除尘电源而言，在选择好一个合适的滑模面S(x)后，确定一种控制函数也是至关重要的，将除尘电源系统看成是一个单输入的系统，其微分方程可用下式来表示：

x′＝f(x)+g(x)u

s(x)＝k^T(f(x)+g(x)u)＝0

得出控制函数为

u＝-[k^T _g(x)]^-1k^Tf(x)

由于开关变换器的特点，u只能是1和0，将以下公式作为高压直流静电除尘电源系统的控制函数：

其中：S(x)为滑模面；f(x)、g(x)为光滑函数；x∈R、u∈R^m，R为实数域，m表示输入变量的维数；k^T为常数。

如图4所示，在理想的滑模控制中，开关变换器的开关频率是无限高的，但是这与实际是不符的，所以如何控制开关频率也是需要解决的问题，本发明专利是用基于PWM调制的滑模控制的方法来控制。系统在定频率滑模控制下，一旦进入滑动模态，最终当系统进入稳态后，其误差就是无限接近零的，即系统的输出电压在经过滑模控制后最终会稳定在期望的输出电压。

因为除尘电源系统往往运行在较为复杂的工作环境中，所以除尘器本体的等效负载会随着工况而发生改变，如果让静电除尘电源运行在开环的模式下，除尘器本体的等效负载若发生变化，输出的电压也会跟随变化，如果要使得输出电压不因负载的改变而降低至正常工作电压以下从而影响除尘效率，就需要保证除尘电源的输出电压本身就比正常工作电压高。

针对这种情况，在除尘电源运行于开环的方式下的时候，开关变换器在输出正常工作电压时对应的占空比应该较小，这样才能够保证占空比大时输出电压比除尘器本体所需的运行电压大，即使除尘器本体的等效负载发生变化，除尘电源也能够及时应对。

本发明设计了一种直流系统主动式降尘装置及方法，通过静电吸附模块2、灰尘回收模块3、自动控制模块4、屏柜散热模块5四大部分组成的通用型直流系统主动式降尘装置实现直流系统的自动除尘，避免了人工除尘的危险操作，并且还避免由于人工除尘需要的断电行为造成的经济损失；静电吸附模块2和灰尘回收模块3采用静电吸附的方法进行除尘，有效提高除尘的效率和强度；自动控制模块4自动检测屏柜的灰尘浓度和温度，实现自动化控制，降低人力成本；设置了屏柜散热模块5，可以有效控制屏柜内的温度，提高直流系统的稳定性；除尘电源模块1采用滑模变结构控制技术进行控制，有效提高除尘电源模块1的动态响应速度与稳定性。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种直流系统主动式降尘装置，其特征在于，包括自动控制模块和除尘电源模块，所述自动控制模块与静电吸附模块连接，所述静电吸附模块设有极性为正的电晕线和极性为负的钢板，所述自动控制模块与灰尘回收模块连接，所述灰尘回收模块与所述静电吸附模块连接，所述自动控制模块与屏柜散热模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种直流系统主动式降尘装置，其特征在于，所述自动控制模块控制主板，所述控制主板设有控制芯片，所述控制芯片与PM2.5传感器连接，所述控制芯片与温湿度传感器连接。

3.根据权利要求2所述的一种直流系统主动式降尘装置，其特征在于，所述屏柜散热模块设有直流驱动模块，所述直流驱动模块与直流散热风扇连接。

4.一种直流系统主动式降尘方法，适用于如权利要求1-3所述任意一种直流系统主动式降尘装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1：自动控制模块检测屏柜内的灰尘含量数据和温湿度数据；

S2：控制主板对灰尘含量数据和温湿度数据进行分析，判断是否达到阈值；

S3：屏柜内灰尘含量或温湿度达到阈值时，自动控制模块控制降尘设备进行除尘或降温。

5.据权利要求4所述的一种直流系统主动式降尘方法，其特征在于，所述静电吸附模块采用静电吸附原理进行降尘，电场强度的表达公式如下所示：

其中：V为电源的供电电压；r为电晕线和集尘板之间任意一点与电晕线的中心点的距离；b为静电除尘器本体的半径；a为电晕线总长度的一半。

6.根据权利要求4或5所述的一种直流系统主动式降尘方法，其特征在于，所述静电吸附模块启动时灰尘的移动速度如下所示：

其中：ω_qc为电场荷电方式下的粉尘粒子驱进速度，ω_qd为扩散荷电下的粉尘粒子驱进速度；ε_o为真空介电常数；ε_s为相对介电常数；μ为磁导率；E为电场强度；C_m表示共模电压；K为电量；T为电势；e表示元电荷；d_p为灰尘沿场强的距离。

7.根据权利要求4所述的一种直流系统主动式降尘方法，其特征在于，所述自动控制模块采用滑膜变结构控制技术，具体控制方法如下所示：选择合适的滑模面；确定控制函数；通过PWM调制的方法孔子开关变换器的开关频率。

8.根据权利要求7所述的一种直流系统主动式降尘方法，其特征在于，所述滑模面的表达公式如下所示：

s(x)＝k^T(f(x)+g(x)u)＝0

其中：s(x)为滑模面；f(x)、g(x)为光滑函数；x∈R、u∈R^m，R为实数域，m表示输入变量的维数；k^T为常数。

9.根据权利要求8所述的一种直流系统主动式降尘方法，其特征在于，将除尘电源模块看成是一个单输入的模块，微分方程如下所示：

x′＝f(x)+g(x)u

控制函数如下所示：

u＝-[k^Tg(x)]^-1k^Tf(x)

其中：f(x)、g(x)为光滑函数；x∈R、u∈R^m，R为实数域，m表示输入变量的维数；k^T为常数。

10.根据权利要求4所述的一种直流系统主动式降尘方法，其特征在于，在屏柜中的各个屏幕的上中下分别设置PM2.5传感器和温湿度传感器，PM2.5传感器和温湿度传感器的线路走向与直流系统的线路异槽分布。