CN201504183U - Esp用三相三电平中频直流高压电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种ESP用三相三电平中频直流高压电源，包括变流主电路、电源智能控制电路，变流主电路由三相电源输入控制电路、三相全波整流电路、滤波电路、三相三电平逆变电路、三相高次谐波滤波电路、三相中频12脉波整流变压器依次连接构成。三相电源输入控制电路引入三相工频交流电源，经三相全波整流电路和滤波电路得到直流电压，送至三相三电平逆变电路，得到基波为中频交流电压，经三相高次谐波滤波电路，再经三相中频12脉波整流变压器升压、整流得到直流电压，接入负载。本实用新型采用交流→直流→交流→直流的变流工作方式，电源转换效率高、三相供电平衡且功率因数高、对电网的谐波干扰小，操作方便，可实现无人、少人值守。

Description

ESP用三相三电平中频直流高压电源

技术领域

本实用新型涉及一种电源，尤其是指一种ESP用三相三电平中频直流高压电源。

背景技术

静电除尘器(简称ESP)是环保领域中的重要设备，主要应用于等离子体放电、除尘、除雾、脱水、空气净化，高效除尘脱硫、杂质分离和多种原料回收等。

ESP的高压电场等效为R、C并联负载，其中C为高压电场的等效电容，一般为几千～几万PF，R为可变电阻，随ESP工况随时变化。可见，ESP为变动负载，在发生闪络或短路时对其直流高压电源的冲击很大，为此必须采取相应措施保证电源可靠、稳定运行。现有的ESP用电源主要有以下几种：

1、单相SCR电源(目前主流产品)：

(1)工作于工频50Hz，使得变压器体积大、重量大、消耗大量铜、铁及变压器油，随着材料价格的上涨，低成本的优势在消失；

(2)交流移相控制，使得电网侧谐波严重，采用两相供电，对电网来说是不均衡负载；

(3)采用交流移相调压，使得输出高压纹波较大，输出给ESP的平均电压较低。

2、高频电源：

由于高频电源的固有特点，可以明显提高对ESP的供电性能，进而改善ESP的收尘效率，高频电源的开发成为一个技术热点。

但在目前，随着ESP面积的不断增大，高频电源的容量不能满足用户的需要，特别在电力系统需要80KV/1A以上的容量，大功率高频电源开发受限于高频损耗，难以有大的突破，目前商用最大容量高频电源为70KV/1A，另外，由于控制柜与变压器不可分离，控制柜在室外运行，使用寿命较短。

3、二电平中频电源：

中频电源兼有SCR电源低开关损耗、大功率，高频电源小体积、高供电性能的特点，且技术条件成熟，能在短期内形成大容量产品，替代大容量SCR电源，可以尽快大容量化，规模生产，占领市场先机，而且具有成本优势。

中频电源的变压器较SCR电源变压器体积小(较SCR电源变压器减少1/(2～3))；供电性能与高频电源相当，易于大容量；采用较低的逆变频率，IGBT相对损耗较小，变压器采用400Hz中频，损耗较高频电源小；控制柜可与变压器分离，控制柜可放置室内，运行条件较好，可靠性较高，寿命较长，便于维护与维修；中频电源较高频电源技术延续性好，80KV/2A与80KV/1A技术方案可以不变，便于缩短开发周期，迅速形成规模。

缺点是：同等容量中频变压器体积较高频电源大，但铁芯材料及线包要求比高频电源低；输出中频电压谐波大，电压变化率

大；输出中频需要滤波器；IGBT损耗是个问题。

4、三电平中频电源：

三电平中频电源具有二电平中频电源的优点，克服了其缺点，且技术条件成熟，能在短期内形成大容量产品，替代大容量SCR电源。

优点(相对二电平中频电源)是输出电平数多，输出中频电压谐波小，电压变化率

小；输出中频不需要滤波器；IGBT承受电压低、损耗很小。

缺点(相对二电平中频电源)是开关器件较多。

发明内容

本实用新型提供了一种供电平衡，体积和重量小，高供电性能的ESP用三相三电平中频直流高压电源。

一种ESP用三相三电平中频直流高压电源，包括变流主电路、驱动电路和电源智能控制电路，所述的变流主电路采用交流(AC)→直流(DC)→交流(AC)→直流(DC)变流工作方式，由三相电源输入控制电路、三相全波整流电路、滤波电路、三电平逆变电路、三相高次谐波滤波电路、三相中频12脉波整流变压器依次连接构成。三相电源输入控制电路引入三相工频交流电源，经三相全波整流电路和滤波电路整流滤波得到直流电压，送至三电平逆变电路，经三相高次谐波滤波电路，得到三相中频交流电压，再经三相中频12脉波整流变压器升压、整流得到直流电压，接入负载两端。

所述的三相电源输入控制电路由若干个空气开关或断路器、若干个接触器(含真空接触器)和控制电路组成。

所述的三相电源输入控制电路带有软启动功能。

所述的三相全波整流电路由一只三相全波整流模块或三只双桥臂整流模块或六只整流二极管组成，用于将三相工频交流电源全波整流成脉动直流电。

所述的滤波电路由并联滤波电容及并联电阻组成，将三相全波整流电路输出的脉动直流电滤波成较平稳的直流电压。通常滤波电路由两个并联了电阻的滤波电容串联组成。

所述的三电平逆变电路由若干个可关断元件构成，各可关断元件的控制端与相应的模块驱动电路的输出端相连，模块驱动电路输入端接入电源智能控制电路。

所述的三电平逆变电路由12个可关断元件或由可关断元件组成的模块和6个二极管组成的中点箝位型三电平逆变器(NPC)构成(即二极管中点连接到串联滤波电容的中间点)，用于将输入的直流电压逆变成载波fs为4.8kHz～9.6kHz，调制波fr为300Hz至1000Hz的三相PWM脉冲，各可关断元件的控制端与相应的模块驱动电路的输出端相连，模块驱动电路输入端接入电源智能控制电路。

各可关断元件采用绝缘栅晶体管(IGBT)、智能功率模块IPM、可关断晶闸管(GTO)或巨型晶体管(IGCT)，其控制端与相应的模块驱动电路的输出端相连，模块驱动电路输入端接入电源智能控制电路。

所述的三相中频12脉波整流变压器由三相三绕组中频升压高阻抗变压器、二组串联三相桥式整流器和二次电压、电流取样电路组成，二次电压电流取样电路的输出端接入电源智能控制电路，用于将三相中频交流电经升压整流成直流高压电。所述的三相三绕组中频升压高阻抗变压器为Δ/Y/Δ形；所述的变压器副边Y、Δ绕组分别接一组串联三相桥式整流器。

所述的三电平逆变电路上接有直流母线取样电路，包含电压取样电路和电流取样电路，其输入端与三电平逆变电路的直流母线连接，输出端接入接口电路，用于检测三电平逆变电路直流母线的电压和电流信号。

所述的三相高次谐波滤波电路与三相中频整流变压器之间接入有一次电压、电流取样电路，所述的一次电压、电流取样电路包含三只电流互感器和一只电压互感器，其输出端接入电源智能控制电路。

所述的电源智能控制电路包括由控制电路、显示电路和键盘组成的硬件结构和控制、显示软件；所述的控制电路包括CPU、模拟输入、开关量输入、开关量输出、通讯等。

本实用新型提供的电源采用交流(AC)→直流(DC)→交流(AC)→直流(DC)的变流工作方式；三相三电平高频逆变，中频12脉波升压整流可有效提高电源工作效率、减小电源的体积、重量，减小输出纹波；可产生适用ESP不同工况的各种波形，使ESP除尘效果有较大的改善；电源转换效率高(＞92％)、三相供电平衡且功率因数高(＞0.95)、对电网的谐波干扰小；有专门设计的监控软件界面，操作方便，用户界面友好，可实现无人、少人值守；采用独立运行，集中监控的先进控制模式；具有完善的保护功能，工作安全可靠；是集现代电力电子技术、计算机控制技术(DSP技术)、网络控制技术于一体的电源。

附图说明

图1是本实用新型的总体电路结构示意图；

图2是本实用新型的三相中频12脉波整流变压器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种ESP用三相三电平中频直流高压电源，包括变流主电路、模块驱动电路10和电源智能控制电路11。

变流主电路由三相电源输入控制电路1、三相全波整流电路2、直流母线取样电路3、滤波电路4、三电平逆变电路5、三相高次谐波滤波电路6、一次电压、电流取样电路7、三相中频12脉波整流变压器8及负载电路9依次连接构成。

变流主电路由三相工频电源输入控制电路1引入三相工频交流电源，经三相全波整流电路2和滤波电路4整流滤波得到直流电压，送至三电平逆变电路5，经高频逆变得到三相中频交流电压，送三相高次谐波滤波电路6、再经三相中频12脉波整流变压器8升压、整流得到直流电压，接入负载9两端。

三相电源输入控制电路1由若三个空气开关、三个接触器和控制电路组成，其输入端接三相工频交流电源，向变流主电路供电，将三相工频交流电A、B、C控制送到三相全波整流电路2，三相电源输入控制电路1含有软启动功能。

三相全波整流电路2由六只整流二极管组成，用于将三相工频交流电源全波整流成脉动直流电。

滤波电路4由两个并联了电阻的滤波电容串联组成，将三相全波整流电路输出的脉动直流电滤波成较平稳的直流电压。

三电平逆变电路5由12个可关断元件和6个二极管组成的中点箝位型三电平逆变器(NPC)构成，用于将输入的直流电压逆变成载波fs为4kHz～20kHz，调制波fr为200Hz～1000Hz的三相三电平PWM脉冲，各可关断元件的控制端与相应的模块驱动电路10的输出端相连，模块驱动电路10输入端接入电源智能控制电路11。可关断元件采用可关断晶闸管GTO。三电平逆变电路5上接有直流母线取样电路3，包含电压取样电路和电流取样电路，其输入端与三电平逆变电路5的直流母线连接，输出端接入电源智能控制电路11，用于检测三电平逆变电路5直流母线的电压和电流信号。三电平逆变电路5采用三电平SVPWM进行变流控制，采用调节中频电压幅度控制直流高压电源输出电压。

一次电压电流取样电路7，包含三只电流互感器和一只电压互感器，其输出端接入电源智能控制电路11。

如图2所示，三相中频12脉波整流变压器8由三相三绕组中频升压高阻抗变压器、二组串联三相桥式整流器和二次电压、电流取样电路组成，二次电压电流取样电路的输出端接入电源智能控制电路11，用于将三相中频交流电经升压整流成直流高压电。其中三相三绕组中频升压高阻抗变压器为Δ/Y/Δ形；变压器副边Y、Δ绕组分别接一组串联三相桥式整流器。

三相中频12脉波整流变压器8的铁芯材料可采用0.21mm～0.27mm的硅钢或微晶；线包材料采用普通漆包线；变压器三相三绕组采用Δ/Y/Δ形结构；三相整流桥采用普通或中频硅堆；变压器散热采用油浸自然冷却；采用高阻抗变压器(35％～45％短路阻抗)，一方面可以抑制负载短路电流，另一方面可以抑制电流谐波。

本实用新型的变流控制采用三电平SVPWM(空间矢量PWM)逆变技术，可减小开关损耗，提高直流利用率。其变流控制原理是通过三电平空间矢量PWM(SVPWM)实现输出电压的调节，具体为：通过调节开关周期Ts中，插入电压矢量作用时间T1、T2、T3的大小来调节400Hz正弦波的幅值，进而调节输出电压；由调制频率fr，决定正弦波相位θ＝2π*fr*t。

三相工频交流电源AC380V经三相电源输入控制电路1、三相全波整流电路2和滤波电路4整流滤波得到510V左右直流电压，送至三电平逆变电路5，经三电平逆变电路5产生载波fs为4.8kHz～9.6kHz，调制波fr为400Hz的三相三电平PWM脉冲(包含基波为400Hz正弦交流电压)，经三相高次谐波滤波电路6，送到三相中频12脉波整流变压器8，经变压器8升压、整流得到80kV直流电压，80KV直流电压给负载ESP电路9供电。

变流主电路采用AC→DC→AC→DC的变流工作方式即三相整流、三相三电平IGBT高频逆变，三相高次谐波滤波，中频400Hz升压、整流；具有三相供电平衡且功率因数高(＞0.95)，对电网的谐波干扰小；可有效提高电源工作效率，减小电源的体积、重量，减小输出纹波的优点，兼有SCR电源低损耗、大功率和高频电源小体积、高性能的优点，且技术条件成熟，易于大批量生产，而且具有成本优势，能在较短时间内替代大容量SCR电源。

电源智能控制电路11包括由控制电路(包括：DSP核芯、模拟输入、开关量输入、开关量输出、通讯等)、显示电路和键盘组成的硬件结构和控制、显示软件。

控制电路采用三相中频调幅调压，实现输出电压的调节，且闪络处理响应速度快，实现对ESP的最佳供电。

稳压/恒流控制采用PI(比例积分)控制算法，实现无静差稳压/恒流控制。

运行控制采用TI公司的数字信号处理器DSPs(TMS320F28335)，可实现电源系统的最佳控制。

通过RS485或TCP/IP通讯网络，实现集散式远程控制。

Claims (10)

1.一种ESP用三相三电平中频直流高压电源，包括变流主电路、驱动电路(10)及电源智能控制电路(11)，其特征在于：所述的变流主电路采用交流→直流→交流→直流的变流工作方式，由三相工频电源输入控制电路(1)、三相全波整流电路(2)、滤波电路(4)、三电平逆变电路(5)、三相高次谐波滤波电路(6)、三相中频12脉波整流变压器(8)依次连接构成；

三相电源输入控制电路(1)引入三相工频交流电源，经三相全波整流电路(2)和滤波电路(4)整流滤波得到直流电压，送至三电平逆变电路(5)，经三相高次谐波滤波电路(6)得到三相中频交流电压，再经三相中频12脉波整流变压器(8)升压、整流得到直流电压，接入负载(9)两端。

2.如权利要求1所述的ESP用三相三电平中频直流高压电源，其特征在于：所述的滤波电路(4)由两个并联了电阻的滤波电容串联组成，对三相全波整流电路(2)输出的脉动直流电压滤波。

3.如权利要求1所述的ESP用三相三电平中频直流高压电源，其特征在于：所述的三电平逆变电路(5)由若干个可关断元件构成，各可关断元件的控制端与相应的模块驱动电路(10)的输出端相连，模块驱动电路(10)输入端接入电源智能控制电路(11)。

4.如权利要求3所述的ESP用三相三电平中频直流高压电源，其特征在于：所述的三电平逆变电路(5)由12个可关断元件或由可关断元件组成的模块和6个二极管组成的中点箝位型三电平逆变器构成，所述的三电平逆变电路(5)的输出端接三相高次谐波滤波电路(6)，得到三相中频交流电压，再接入三相中频12脉波整流变压器(8)。

5.如权利要求4所述的ESP用三相三电平中频直流高压电源，其特征在于：所述的可关断元件采用绝缘栅晶体管、智能功率模块、可关断晶闸管或巨型晶体管。

6.如权利要求1所述的ESP用三相三电平中频直流高压电源，其特征在于：所述的三相高次谐波滤波电路(6)由LC滤波电路组成，对三电平逆变电路(5)输出的PWM波进行滤波。

7.如权利要求1所述的ESP用三相三电平中频直流高压电源，其特征在于：所述的三相中频12脉波整流变压器(8)由三相三绕组中频升压高阻抗变压器、二组串联三相桥式整流器和二次电压、电流取样电路组成，其中二次电压、电流取样电路的输出端接入电源智能控制电路(11)。

8.如权利要求1所述的ESP用三相三电平中频直流高压电源，其特征在于：所述的三电平逆变电路(5)上接有直流母线取样电路(3)，所述的直流母线取样电路(3)包含电压取样电路和电流取样电路，其输入端与三电平逆变电路(5)的直流母线连接，输出端接入电源智能控制电路(11)。

9.如权利要求1所述的ESP用三相三电平中频直流高压电源，其特征在于：所述的三相高次谐波滤波电路(6)与三相中频整流变压器(8)之间接入有一次电压、电流取样电路(7)，包含三只电流互感器和一只电压互感器，其输出端接入电源智能控制电路(11)。

10.如权利要求1所述的ESP用三相三电平中频直流高压电源，其特征在于：所述的三电平逆变电路(5)采用三电平SVPWM进行变流控制；采用调节中频电压幅度控制直流高压电源输出电压。

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