一种恒流型静电除尘电源电路的制作方法

本实用新型属于电力电子技术领域，尤其涉及一种恒流型静电除尘电源电路。

背景技术：

随着社会经济发展与环境之间的矛盾日益突出，国家在环保方面的投入越来越大，应用于电除尘场合的电源迎来了新的发展机遇。作为一种特种电源，除尘电源的工作方式及其电路参数对除尘器的除尘效率有着重要影响，同时其内部交流变压器谐波损耗决定着除尘器能否正常安全可靠地运行。另外，电除尘本体中烟气的成分随工况的变化而时刻变化，导致电源的控制对象具有不稳定性，这对电源的工作状态具有巨大影响。

静电除尘电源可以分为单相工频电除尘电源、三相工频电除尘电源、中频电除尘电源、高频电除尘电源等。

单相工频电除尘电源，工频交流用反并联晶闸管进行控制，直接通过变压器将工频电压从220V升压，然后整流以后输出，所以单相工频电源存在众多缺陷。由于工频是50Hz，所以所需的变压器和滤波装置体积大重量重，对金属原材料消耗多，制造成本高；电能转换的效率比较低，造成能源浪费；输出的电压纹波大，谐波频率低，所以滤波难度大；晶闸管的可控性差，在除尘器本体发生火花放电时的反应速度慢。

为了改善单相工频电除尘电源的诸多不足之处，又出现了三相工频电除尘电源，通过将三相交流电源升压整流的方式减小输出电压的纹波，但是工作频率依然是工频，通过三组反并联晶闸管对输出电压进行控制。相比于单相工频电除尘电源，三相工频电源有一定的优点：三相工频电源由于采用了三相变压器，所以有效克服单相供电不平衡的问题；在相同输出功率的情况下，变压器原边的电流比较小；由于采用了三相变压器，使得输出电压的纹波变小，平均电压高，峰值电压和平均电压相差在5％以内，对于后面的电除尘本体是有利的；电能的转换效率高，三相功率因数高。但是由于并没有改变工频电源的本质，所以性能的提升有限，这种方式对性能的改善付出的代价也比较高，晶闸管、二极管的使用数量都成倍的增加。

随着科学技术的进步、环保力度的加强以及社会经济的发展，工频电源必将会逐步被其他性能更优的电源代替。目前中频电除尘电源和高频电除尘电源也占据了重要的市场。中频电除尘电源的工作频率一般定义在400Hz～10kHz，高频电源的工作频率定义在20kHz以上，中频电源和高频电源有原理上的本质区别，高频电源利用的是变压器寄生电容、漏感以及串联电容的谐振，电源工作过程中电流是以谐振的方式出现，电流在谐振过程中不受控制，但是中频电源的电流是可控的，例如在500Hz下受到逆变桥的IGBT的斩波控制。原理上的本质区别带来了两种电源截然不同的工作特性，高频电源最大的优势就是可以实现IGBT的软开关，IGBT器件发热低、损耗小、寿命长、工作可靠性高；中频电源的电流可控，输出电压的建立过程快，在间歇启动方式下的启动速度明显快于高频电源。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本实用新型提出一种恒流型静电除尘电源电路。

技术方案：为实现上述设计目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种中频恒流型除尘电源电路，包括三相全桥不控整流电路、单相全桥可控逆变电路、中频变压器、单相全桥不控整流电路和控制电路；静电除尘电源由三相交流电供电，通过三相全桥不控整流电路将三相工频交流电转换为直流母线电压；控制电路发出驱动信号控制单相全桥可控逆变电路的四个IGBT的通断，逆变器根据除尘器工况变化将直流母线电压转换成频率、幅度、宽度可变的交流输出；单相全桥可控逆变电路的交流输出送入中频变压器，中频变压器将逆变电路的交流输出电压升高，并实现电气隔离；单相不控整流电路将中频变压器的交流输出转换为直流电压和直流电流，为除尘器供电。

进一步地，中频变压器T为变比1:n的理想变压器。

进一步地，单相全桥可控逆变电路包括四个设有反并联二极管的IGBT。

进一步地，单相不控整流电路包括四个二极管。

进一步地，控制电路采集主电路的输出电压电流及除尘器工况变化进行反馈控制。

有益效果：本实用新型的恒流型静电除尘电源电路的负载损耗更小，铜耗更低，交流变压器绕组不易发绕，线包温升低，能有效降低谐波损耗、提高带负载能力；能有效改善除尘效果，提高除尘器除尘效率；负载电流及负载电压波动较小，平均值较高，无稳态误差，静态性能较好，能有效提高抗负载扰动能力。

附图说明

图1是本实用新型恒流型静电除尘电源电路的拓扑图；

图2是主电路驱动信号及输出信号电压电流波形图；

图3是t0-t1时间段，静电除尘电源主电路的电流流通回路图；

图4是t1-t2时间段，当调制波幅值大于三角载波幅值时，静电除尘电源主电路的电流流通回路图；

图5是t1-t2时间段，当调制波幅值小于三角载波幅值时，静电除尘电源主电路的电流流通回路图；

图6是t2-t3时间段，静电除尘电源主电路的电流流通回路图；

图7是t3-t4时间段，当调制波幅值大于三角载波幅值时，静电除尘电源主电路的电流流通回路图；

图8是t3-t4时间段，当调制波幅值小于三角载波幅值时，静电除尘电源主电路的电流流通回路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型所述的恒流型静电除尘电源电路，其以中频开关逆变整流技术为基础，实现AC-DC-AC-DC的电源变换过程，为静电除尘器正常运行提供所需的直流高压电源。

静电除尘电源由三相交流电供电，通过三相全桥不控整流电路将三相工频交流电转换为直流母线电压Ud。

单相全桥逆变器由四个设有反并联二极管的IGBT组成，通过控制电路发出的驱动信号对四个IGBT进行通断控制，逆变器可根据电除尘器工况变化将直流母线电压Ud转换成频率、幅度、宽度、灵活可变的交流脉冲输出。

滤波电感及变压器等效漏感的总和等效为电感L，单相全桥逆变器交流输出通过电感L送入中频变压器，中频变压器T为变比1:n的理想变压器，中频变压器将逆变器交流输出电压升高，并实现电气隔离。

二极管D5-D8构成单相不控整流桥将变压器交流输出转换为直流电压和直流电流，为除尘器形成电场供电。

除尘器作为除尘电源电路的负载，等效为RC并联电路，其中，电阻R消耗能量，C则具有储能特点，RC参数由除尘器工作环境及工作状态所决定。

本实用新型的中频恒流型除尘电源电路中的逆变器采用单极性调制策略，通过三角载波uc与调制波ur的比较得到全桥逆变器驱动信号，控制IGBT的通断将直流母线电压Ud转换为交流输出电压uab和交流输出电流iL，各控制信号及输出信号电压电流波形如图2所示。

Ug1-Ug4为逆变器开关管VT1-VT4驱动控制信号，其中，VT1、VT2轮流工作于高频通断状态，VT3、VT4轮流工作于中频通断状态。逆变器输出的高频电压信号经滤波电感L转换为中频电感电流，实现高频控制下的除尘电源输出中频负载电流。同时由于滤波电感的存在，iL无法突变，在每半个周期的换流阶段出现失控现象，此时加在滤波电感两端电压升高，使得电感电流iL迅速减小，加快换流速度。

由图2可知，静电除尘电源电路每个中频周期的工作过程可分为4个阶段，即正、负周期各由两个阶段组成，且相互对称，其在不同阶段具有不同工作特性。

当静电除尘电源电路工作在中频正半周期时，VT2及VT3的驱动信号Ug2及Ug3始终为低电平，开关管保持恒关断状态。Ug1为高频脉冲信号，Ug4恒为高电平，VT1及VT4的通断状态由uab与iL之间的关系决定。

t0-t1时间段

由于静电除尘电源电路采用单极性调制策略以及滤波电感的存在，滤波电感电流滞后于电感电压，此时电感电压方向为正，电流方向为负。开关管VT1及VT4此时虽具有导通驱动信号，但无法导通，处于失控状态。电感电流通过IGBT的反并联二极管D1及D4进行续流，变压器二次侧电流通过D6、D7流向负载，VT1及VT4两端电压被钳制于零。当电感电流由负变正过零时，二极管D1及D4自动关断。此阶段静电除尘电源主电路的电流流通回路如图3所示。

t1-t2时间段

在t1时刻，电感电流减小至零，续流二极管D1、D4及整流二极管D6、D7关断，VT1及VT4可正常通断。在t1-t2时间段内，电感电流以正方向流过VT1及VT4，VT1在高频驱动信号下处于高频通断状态，VT4在高电平驱动信号下处于恒导通状态。t1-t2时间段内主电路的工作情况可根据VT1的通断状态分为以下两种：

当调制波ur幅值大于三角载波uc幅值时，高频驱动信号Ug1为高电平，VT1导通，电感电流流通回路由开关管VT1、滤波电感L、变压器一次侧绕组及开关管VT4组成。负载电流流通回路由二极管D5、除尘器等效负载、二极管D8及变压器二次侧绕组组成。此阶段静电除尘电源主电路的电流流通回路如图4所示。

当调制波ur幅值小于三角载波uc幅值时，高频驱动信号Ug1为低电平，VT1关断，电感电流通过续流二极管D2进行续流。此时电感电流流通回路由续流二极管D2、滤波电感L、变压器一次侧绕组及开关管VT4组成。负载电流流通回路仍由二极管D5、除尘器等效负载、二极管D8及变压器二次侧绕组组成。此阶段静电除尘电源主电路的电流流通回路如图5所示。

此阶段开关管VT1处于高频通断状态，VT2处于恒导通状态，除尘电源主电路以载波高频频率在以上两种工作模态下交替切换。

电感电流在电感电压作用下以正方向持续增长，直至t2时刻。随后Ug4变为低电平，VT4关断，主电路进入中频负半周期工作模态。

当静电除尘电源电路工作在中频负半周期时，VT1及VT4的驱动信号Ug1及Ug4始终为低电平，开关管保持恒关断状态。Ug2为高频脉冲信号，Ug3恒为高电平，VT2及VT3的通断状态由uab与iL之间的关系决定。

t2-t3时间段

由于静电除尘电源电路采用单极性调制策略以及滤波电感的存在，滤波电感电流滞后于电感电压，此时电感电压方向为负，电流方向为正。开关管VT2及VT3此时虽具有导通驱动信号，但无法导通，处于失控状态。电感电流通过IGBT的反并联二极管D2及D3进行续流，变压器二次侧电流通过D6、D7流向负载，VT1及VT4两端电压被钳制于零。当电感电流由负变正过零时，二极管D2及D3自动关断。此阶段静电除尘电源主电路的电流流通回路如图6所示。

t3-t4时间段

在t3时刻，电感电流减小至零，续流二极管D2、D3及整流二极管D5、D8关断，VT2及VT3可正常通断。在t2–t3时间段内，电感电流以负方向流过VT2及VT3，VT2在高频驱动信号下处于高频通断状态，VT3在高电平驱动信号下处于恒导通状态。t3–t4时间段内主电路的工作情况可根据VT2的通断状态分为以下两种：

当调制波ur幅值小于三角载波uc幅值时，高频驱动信号Ug2为高电平，VT2导通，电感电流流通回路由开关管VT2、滤波电感L、变压器一次侧绕组及开关管VT3组成。负载电流流通回路由二极管D6、除尘器等效负载、二极管D7及变压器二次侧绕组组成。此阶段静电除尘电源主电路的电流流通回路如图7所示。

当调制波幅值大于三角载波幅值时，VT2关断，电感电流流通回路由续流二极管D1、滤波电感L、变压器一次侧绕组及开关管VT3组成。负载电流流通回路仍由二极管D6、除尘器等效负载、二极管D7及变压器二次侧绕组组成。此阶段静电除尘电源主电路电流流通回路如图8所示。

此阶段开关管VT1处于高频通断状态，VT2处于恒导通状态，除尘电源主电路以载波高频频率在以上两种工作模态下交替切换。

电感电流在电感电压作用下以负方向持续增长，直至t4时刻。随后Ug3变为低电平，VT3关断，主电路一个工作周期结束。