静电除尘用脉冲高压电源系统及高压脉冲电路设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种静电除尘用脉冲高压电源系统及高压脉冲电路设计方法，电源主电路由开关、高压直流电路、高压脉冲电路、耦合电路、保护电路组成；电源控制系统由检测模块、控制模块、上位机、通信模块和供电模块组成；电源控制系统包括对电源主电路输出电压的闭环控制、火花处理、火花率控制、温度过高处理和故障处理。电源主电路中，三相电源通过开关加载到高压直流电路、高压脉冲电路，产生的高压直流和高压脉冲由耦合电路叠加后，经过保护电路加载到静电除尘器负载两端。本发明能有效抑制反电晕现象，可实现基压直流幅值、脉冲幅值和频率、脉冲重复频率均可控，大大提高了除尘效率，增大了适用范围。
【专利说明】静电除尘用脉冲高压电源系统及高压脉冲电路设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种静电除尘器，尤其涉及一种静电除尘器的脉冲高压电源系统及其设计方法，属于环保设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展和人类的进步，人们对生态环境和空气质量也越来越关注。如今，我国现代工业飞速发展，空气污染严重，静电除尘设备已成为了每个工厂的必备，其中高压电源系统是影响静电除尘器工作效果的关键。由于传统的工频电源和高频电源均属于恒流电源，当比电阻过高时，沉积到集尘极上的粉尘不容易释放电荷，随着粉尘层的增厚，造成电荷累积，排斥后来的粒子沉积，造成电能的浪费，更大的危害在于引发反电晕和二次扬尘，损坏静电除尘器。
[0003]因此，国内外提出了几种脉冲电源系统，例如:GEESI设计的通用电气宽脉冲系统、FLAKT的多脉冲电源供电系统，但是这些脉冲电源系统都存在不能对脉冲电压、脉冲宽度、脉冲重复频率单次的独立调节，同时存在火花率不受控制的缺陷，这就缩小了其适用范围，影响了静电除尘器的除尘效果。因此，对输出电压可调节的静电除尘用脉冲高压电源的研究尤为重要。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种静电除尘用脉冲高压电源系统及高压脉冲电路设计方法，实现电源系统对静电除尘器间歇供电，并且脉冲电压幅度、频率、重复频率和直流电压均可单次独立调节。
[0005]本发明的目的通过以下技术方案予以实现:
[0006]一种静电除尘用脉冲高压电源系统，包括电源主电路24和电源控制系统36，所述电源王电路24由开关2、闻压直流电路8、闻压脉冲电路19、稱合电路22、保护电路23组成，所述电源控制系统36由检测模块34、控制模块31、上位机25、通信模块26和供电模块35组成；
[0007]所述高压直流电路8包括第一整流电路3、第一逆变电路4、第一 LCC谐振电路5、第一高频变压器6、第二整流电路7，采用LCC串并联谐振软开关技术；
[0008]所述高压脉冲电路19包括第三整流电路9、第二逆变电路10、第二 LCC谐振电路
11、第二高频变压器12、第四整流电路13、第一滤波电感14、第一绝缘栅双极型晶体管模块15、第二滤波电感16、第二绝缘栅双极型晶体管模块17、脉冲变压器18，采用LCC串并联谐振和RLC串联谐振软开关技术；
[0009]所述开关2包括断路器和接触器；
[0010]所述耦合电路22包括第三滤波电感20和耦合电容21，将高压直流与高压脉冲耦合到一起；
[0011]所述检测模块34包括电压及电流信号检测电路32和温度及故障检测电路33 ；
[0012]所述控制模块31包括DSP控制器30、数字电路29、第一驱动电路27、第二驱动电路28 ；
[0013]三相电源I经过断路器后送入接触器输入端，接触器输出端依次串联第一整流电路3、第一逆变电路4、第一 LCC谐振电路5、第一高频变压器6、第二整流电路7、滤波电感20，接触器输出端同时依次串联第三整流电路9、第二逆变电路1、第二 LCC谐振电路11、第二高频变压器12、第四整流电路13，所述第一滤波电感14和第一绝缘栅双极型晶体管模块15串联，所述第二滤波电感16和第二绝缘栅双极型晶体管模块17串联，两串联电路并联后并联电路的一端接第四整流电路13的输出端，并联电路的另一端再串联脉冲变压器18、耦合电容21，所述耦合电容21和滤波电感20的输出端同时接入保护电路23输入端，所述保护电路23输出端连接静电除尘器37 ；
[0014]所述电压及电流信号检测电路32的信号输入处连接第二整流电路7、第四整流电路13、脉冲变压器18、耦合电路22，温度及故障检测电路33的信号输入处连接第一逆变电路4、第二逆变电路10、第一绝缘栅双极型晶体管模块15、第二绝缘栅双极型晶体管模块17、脉冲变压器18，电压及电流信号检测电路32和温度及故障检测电路33的信号输出处连接DSP控制器30信号输入处，DSP控制器30与通信模块26双向连接，通信模块26与上位机25双向连接，DSP控制器30信号输出处连接数字电路29信号输入处，数字电路29信号输出处同时连接第一驱动电路27和第二驱动电路28的信号输入处,第一驱动电路27信号输出处连接第一逆变电路4和第二逆变电路10，第二驱动电路28信号输出处连接第一绝缘栅双极型晶体管模块15和第二绝缘栅双极型晶体管模块17。
[0015]本发明的目的还可以通过以下技术措施进一步予以实现:
[0016]前述静电除尘用脉冲高压电源系统，其中电源主电路24为三相电源I串联断路器QF1、接触器KM，然后分为并联的两条支路，一条支路的三相电源线分别连接电感L1、电感L2、电感L3的一端，二极管D1的阳极连接二极管D4阴极，二极管D2的阳极连接二极管D5阴极，二极管D3的阳极连接二极管D6阴极，电感L1的另一端连接在二极管D1的阳极，电感L2连接在二极管D2的阳极，电感L3连接在二极管D3的阳极，二极管D1、二极管D2、二极管D3的阴极连接在一起后连接电容C1的一端，二极管队、二极管05、二极管队的阳极连接在一起后连接电容C1的另一端，绝缘栅双极型晶体管T1与二极管D7反向并联，绝缘栅双极型晶体管T2与二极管D9反向并联，绝缘栅双极型晶体管T3与二极管D8反向并联，绝缘栅双极型晶体管T4与二极管Dltl反向并联，二极管D7、二极管D9的阴极连接二极管D3的阴极，二极管D8的阴极连接二极管D7的阳极，二极管Dltl的阴极连接二极管D9的阳极，二极管D8、二极管Dltl的阳极连接二极管D6的阳极，电容C2—端连接二极管叫的阳极，另一端串联电感匕后串联电容C3,电容C3另一端连接二极管D9的阳极，电容C3的两端再连接第一高频变压器6的一次侦牝第一高频变压器6 二次侧一端连接二极管D11的阴极，另一端连接二极管D12的阴极，二极管D11的阴极连接二极管D13的阳极，二极管D12的阴极连接二极管D14的阳极，二极管D11、二极管D12的阳极连接电容D4的一端，二极管D13、二极管D14的阳极连接电容D4的另一端，二极管D12的阳极连接电感Ld。的一端，电感Ld。的另一端连接带电阻的保护线圈Coil的一端，保护线圈Coil的另一端串联断路器QF2后接地，同时保护线圈Coil的另一端连接静电除尘器37的阳极，二极管D14的阴极连接静电除尘器37的阴极后接地；另一条支路的三相电源线分别连接电感L5、电感L6、电感L7的一端，二极管D15的阳极连接二极管D18阴极，二极管D16的阳极连接二极管D19阴极，二极管D17的阳极连接二极管D2tl阴极，电感L5的另一端连接在二极管D15的阳极，电感L6另一端连接在二极管D16的阳极，电感L7另一端连接在二极管D17的阳极，二极管D15、二极管D16、二极管D17的阴极连接在一起后连接电容C5的一端，二极管D18、二极管D19、二极管D2tl的阳极连接在一起后连接电容C5的另一端，绝缘栅双极型晶体管T5与二极管D21反向并联，绝缘栅双极型晶体管T6与二极管D22反向并联，绝缘栅双极型晶体管T7与二极管D23反向并联，绝缘栅双极型晶体管T8与二极管D24反向并联，二极管D21、二极管D22的阴极连接二极管D17的阴极，二极管D23的阴极连接二极管D21的阳极，二极管D24的阴极连接二极管D22的阳极，二极管D23、二极管D24的阳极连接二极管D2tl的阳极，电容C6 —端连接二极管D21的阳极，另一端串联电感L8后串联电容C7,电容C7另一端连接二极管D22的阳极，电容(:7的两端再连接第二高频变压器12的一次侧，第二高频变压器12 二次侧一端连接二极管D 25的阳极，另一端连接二极管D26的阳极，二极管D25的阳极连接二极管D27的阴极，二极管D26的阳极连接二极管D28的阴极，二极管D25、二极管D26的阴极连接电容C8的一端，二极管D27、二极管D28的阳极连接电容C8的另一端，二极管D26的阴极连接电感Lpsl的一端，电感Lpsl的另一端连接电阻Rpsl的一端，绝缘栅双极型晶体管T9与二极管D29反向并联，电阻Rpsl的另一端连接二极管D29的阴极，二极管D29的阳极连接二极管D28的阳极，二极管D31与电阻R1并联，二极管D31的阳极连接二极管D29的阴极，二极管D31的阴极串联电容C9后连接二极管D29的阳极，二极管D31的阳极串联电容Csl后连接脉冲变压器18第一原边的一端，脉冲变压器18第一原边的另一端连接二极管D29的阳极；二极管D26的阴极连接电感Lps2的一端，电感Lps2的另一端连接电阻Rps2的一端，绝缘栅双极型晶体管Tki与二极管D3tl反向并联，电阻Rps2的另一端连接二极管D3tl的阴极，二极管D3tl的阳极连接二极管D28的阳极，二极管D32与电阻R2并联，二极管D32的阳极连接二极管D3tl的阴极，二极管D32的阴极串联电容Cltl后连接二极管D3tl的阳极，二极管D32的阳极串联电容Cs2后连接脉冲变压器18第二原边的一端，脉冲变压器18第二原边的另一端连接二极管D3tl的阳极，脉冲变压器18副边一端串联电容C。后连接在电感Ld。与保护线圈Coil之间，另一端连接静电除尘器37的阴极。
[0017]前述静电除尘用脉冲高压电源系统的高压脉冲电路设计方法，包括以下步骤:
[0018]1.由于针对的静电除尘器39负载电容C。已知，求C。的值:Cc = 1C0 ；
[0019]2.根据对需要加到静电除尘器39的高压脉冲要求:直流基压幅值-Ud。、脉冲峰值
2万￡/、脉冲周期Ttl为已知，并且Rtl为静电除尘器负载电阻已知，计算ω的值:
【权利要求】
1.一种静电除尘用脉冲高压电源系统，包括电源主电路(24)和电源控制系统(36)，其特征在于，所述电源主电路(24)由开关(2)、高压直流电路(8)、高压脉冲电路(19)、耦合电路(22)、保护电路(23)组成，所述电源控制系统(36)由检测模块(34)、控制模块(31)、上位机(25)、通信模块(26)和供电模块(35)组成； 所述高压直流电路(8)包括第一整流电路(3)、第一逆变电路(4)、第一 LCC谐振电路(5)、第一高频变压器(6)、第二整流电路(7)，采用LCC串并联谐振软开关技术； 所述高压脉冲电路(19)包括第三整流电路(9)、第二逆变电路(10)、第二 LCC谐振电路(11)、第二高频变压器(12)、第四整流电路(13)、第一滤波电感(14)、第一绝缘栅双极型晶体管模块(15)、第二滤波电感(16)、第二绝缘栅双极型晶体管模块(17)、脉冲变压器(18)，采用LCC串并联谐振和RLC串联谐振软开关技术； 所述开关(2)包括断路器和接触器； 所述耦合电路(22)包括第三滤波电感(20)和耦合电容(21)，将高压直流与高压脉冲率禹合到一起； 所述检测模块(34)包括电压及电流信号检测电路(32)和温度及故障检测电路(33)； 所述控制模块(31)包括DSP控制器(30)、数字电路(29)、第一驱动电路(27)、第二驱动电路(28)； 三相电源(I)经过断路器后送入接触器输入端，接触器输出端依次串联第一整流电路(3)、第一逆变电路(4)、第一 LCC谐振电路(5)、第一高频变压器￠)、第二整流电路(7)、滤波电感(20)，接触器输出端同时依次串联第三整流电路(9)、第二逆变电路(10)、第二LCC谐振电路(11)、第二高频变压器(12)、第四整流电路(13)，所述第一滤波电感(14)和第一绝缘栅双极型晶体管模块(15)串联，所述第二滤波电感(16)和第二绝缘栅双极型晶体管模块(17)串联，两串联电路并联后并联电路的一端接第四整流电路(13)的输出端，并联电路的另一端再串联脉冲变压器(18)、耦合电容(21)，所述耦合电容(21)和滤波电感(20)的输出端同时接入保护电路(23)输入端，所述保护电路(23)输出端连接静电除尘器(37)； 所述电压及电流信号检测电路(32)的信号输入处连接第二整流电路(7)、第四整流电路(13)、脉冲变压器(18)、耦合电路(22)，温度及故障检测电路(33)的信号输入处连接第一逆变电路(4)、第二逆变电路(10)、第一绝缘栅双极型晶体管模块(15)、第二绝缘栅双极型晶体管模块(17)、脉冲变压器(18)，电压及电流信号检测电路(32)和温度及故障检测电路(33)的信号输出处连接DSP控制器(30)信号输入处，DSP控制器(30)与通信模块(26)双向连接，通信模块(26)与上位机(25)双向连接，DSP控制器(30)信号输出处连接数字电路(29)信号输入处，数字电路(29)信号输出处同时连接第一驱动电路(27)和第二驱动电路(28)的信号输入处，第一驱动电路(27)信号输出处连接第一逆变电路(4)和第二逆变电路(10)，第二驱动电路(28)信号输出处连接第一绝缘栅双极型晶体管模块(15)和第二绝缘栅双极型晶体管模块(17)。
2.根据权利要求1所述静电除尘用脉冲高压电源系统，其特征在于，电源主电路(24)为三相电源(I)串联断路器QF1、接触器KM，然后分为并联的两条支路，一条支路的三相电源线分别连接电感L1、电感L2、电感I3的一端，二极管D1的阳极连接二极管D4阴极，二极管D2的阳极连接二极管D5阴极，二极管D3的阳极连接二极管D6阴极，电感L1的另一端连接在二极管D1的阳极，电感L2连接在二极管D2的阳极，电感L3连接在二极管D3的阳极，二极管D1、二极管D2、二极管D3的阴极连接在一起后连接电容C1的一端,二极管D4、二极管D5、二极管D6的阳极连接在一起后连接电容C1的另一端，绝缘栅双极型晶体管T1与二极管D7反向并联，绝缘栅双极型晶体管T2与二极管D9反向并联，绝缘栅双极型晶体管T3与二极管D8反向并联，绝缘栅双极型晶体管T4与二极管Dltl反向并联，二极管D7、二极管D9的阴极连接二极管D3的阴极，二极管D8的阴极连接二极管D7的阳极，二极管Dltl的阴极连接二极管D9的阳极，二极管D8、二极管Dltl的阳极连接二极管D6的阳极，电容C2 —端连接二极管D7的阳极，另一端串联电感L4后串联电容C3,电容C3另一端连接二极管D9的阳极，电容C3的两端再连接第一高频变压器(6)的一次侧，第一高频变压器(6) 二次侧一端连接二极管D11的阴极，另一端连接二极管D12的阴极，二极管D11的阴极连接二极管D13的阳极，二极管D12的阴极连接二极管D14的阳极，二极管Dn、二极管D12的阳极连接电容C4的一端，二极管D13、二极管D14的阳极连接电容C4的另一端，二极管D12的阳极连接电感Ld。的一端，电感Ld。的另一端连接带电阻的保护线圈Coil的一端，保护线圈Coil的另一端串联断路器QF2后接地，同时保护线圈Coil的另一端连接静电除尘器(37)的阳极，二极管D14的阴极连接静电除尘器(37)的阴极后接地；另一条支路的三相电源线分别连接电感L5、电感L6、电感L7的一端，二极管D15的阳极连接二极管D18阴极，二极管D16的阳极连接二极管D19阴极，二极管D17的阳极连接二极管D2tl阴极，电感L5的另一端连接在二极管D15的阳极，电感L6另一端连接在二极管D16的阳极，电感L7另一端连接在二极管D17的阳极，二极管D15、二极管D16、二极管D17的阴极连接在一起后连接电容C5的一端，二极管D18、二极管D19、二极管D2tl的阳极连接在一起后连接电容C5的另一端，绝缘栅双极型晶体管T5与二极管D21反向并联，绝缘栅双极型晶体管T6与二极管D22反向并联，绝缘栅双极型晶体管T7与二极管D23反向并联，绝缘栅双极型晶体管T8与二极管D24反向并联，二极管D21、二极管D22的阴极连接二极管D17的阴极，二极管D23的阴极连接二极管D21的阳极，二极管D24的阴极连接二极管D22的阳极，二极管D23、二极管D24的阳极连接二极管D2tl的阳极，电容C6 —端连接二极管D21的阳极，另一端串联电感L8后串联电容C7,电容C7另一端连接二极管D22的阳极，电容C7的两端再连接第二高频变压器(12)的一次侧，第二高频变压器(12) 二次侧一端连接二极管D25的阳极，另一端连接二极管D26的阳极，二极管D25的阳极连接二极管D27的阴极，二极管D26的阳极连接二极管D28的阴极，二极管D25、二极管D26的阴极连接电容C8的一端，二极管D27、二极管D28的阳极连接电容C8的另一端，二极管D26的阴极连接电感Lpsl的一端，电感Lpsl的另一端连接电阻Rpsl的一端，绝缘栅双极型晶体管T9与二极管D29反向并联，电阻Rpsl的另一端连接二极管D29的阴极，二极管D29的阳极连接二极管D28的阳极，二极管D31与电阻R1并联，二极管D31的阳极连接二极管D29的阴极，二极管D31的阴极串联电容C9后连接二极管D29的阳极，二极管D31的阳极串联电容Csl后连接脉冲变压器(18)第一原边的一端，脉冲变压器(18)第一原边的另一端连接二极管D29的阳极；二极管D29的阴极连接电感Lps2的一端，电感Lps2的另一端连接电阻Rps2的一端，绝缘栅双极型晶体管Tltl与二极管D3tl反向并联，电阻Rps2的另一端连接二极管D3tl的阴极，二极管D3tl的阳极连接二极管D28的阳极，二极管D32与电阻R2并联，二极管D32的阳极连接二极管D3tl的阴极，二极管D32的阴极串联电容Cltl后连接二极管D30的阳极，二极管D32的阳极串联电容Cs2后连接脉冲变压器(18)第二原边的一端，脉冲变压器(18)第二原边的另一端连接二极管D3tl的阳极，脉冲变压器(18)副边一端串联电容C。后连接在电感Ld。与保护线圈Coil之间，另一端连接静电除尘器(37)的阴极。
3.一种根据权利要求2所述静电除尘用脉冲高压电源系统的高压脉冲电路设计方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)由于针对的静电除尘器负载电容Ctl已知，求C。的值:Cc= 1C0 ； 2)根据对需要加到静电除尘器的高压脉冲要求:直流基压幅值-Ud。、脉冲峰值2λ/?￡/、
2μ脉冲周期Tci为已知，并且Rci为静电除尘器负载电阻已知，计算ω的值:再利用公
计算出静电除尘器电流的峰值Idiesp ； 3)根据第四整流模块输出直流幅值+Ups已知，设变比η为一个具体值，利用
；^计算Ls、C的值，再利用公式Lsl = Ls2 = 2LS和
求解 Lsl、Ls2 和 Csl、Cs2 的值； 4)根据谐振条件R<2^LJC求得R的取值范围，然后再利用公式
的取值范围，Rsl、Rs2取范围内一较小值；
5)利用公式
算脉冲变压器一次侧电压有效值U1和二次侧有效值U2，然后用公式n =I1求变比η ； 6)若第5步与第3步设定的变比η值不相同，则改变变比η的值，重复回到第3步，直到与第5步求的变比η值相同为止，此时所求的参数值符合条件。
4.根据权利要求3所述静电除尘用脉冲高压电源系统高压脉冲电路设计方法的验证方法，其特征在于，包括以下步骤: 使用Matlab软件仿真验证，根据仿真结果调节Lpsl、Lps2、Lde、Rpsl、Rps2的值，设置电路中绝缘栅双极型晶体管T9、绝缘栅双极型晶体管Tltl的开关频率等于需要的脉冲重复频率，使得加载到静电除尘器两端的高压脉冲峰值、脉冲周期和重复频率都达到期望要求，否则重新进行设计。
5.根据权利要求4所述静电除尘用脉冲高压电源系统高压脉冲电路设计方法的验证方法，其特征在于，所述Lpsl、Lps2, Ldc设置为uH级，Rpsl, Rps2设置为Ω级，具体取值在0-10之间。
【文档编号】H02M9/06GK104201930SQ201410421056
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】曾庆军, 雷盼灵 申请人:江苏科技大学