一种去除宽范围直径粉尘的高压直流脉冲电源
【摘要】 针对目前高压除尘电源对细微颗粒粉尘除尘效果不佳，难以实现去除宽范围直径粉尘的问题，提出一种可去除宽范围直径粉尘的高压直流脉冲电源。该电源采用倍压整流方式实现高压直流基压，采用脉冲整流方式实现叠加髙压脉冲，可实现髙压直流基压叠加高压脉冲的波形控制。该电源提高输出电压峰值的同时减小了平均电压，不仅可提髙细微颗粒粉尘的除尘效果，还降低了电源的能耗。同时，搭建了髙压直流脉冲电源电路验证了波形控制策略的正确性。最后，搭建了可去除宽范围直径粉尘的高压直流脉冲电源系统样仿真模型，机，并通过实验验证了除尘效果。关键词:电源;除尘;脉冲中图分类号:TN86文献标识码:A文章编号:1000-100X202〇02-0023-03（AHighVoltageDCPulsePowerSupplyforDedustinginWide-diametersRangeLUJing-iej，JIJun-peng，LIGang，CHENGFeng-jiao＇{XianUniversityofTechnology，XVan710048，China）Abstract:Inordertosolvetheproblemsthatthecurrenthighvoltagepowersupplyfordedustinghaspooreffectonthefineparticledust，anditisdiiGGculttodedustinwide-diametersrange，ahighvoltageDCpulsepowersupplyfordedustinginwide-diametersrangeisproposed.Inthispowersupply，theunderlyinghighDCvoltaeisrealgizedbyus?ingvoltage-multiplyingrectifierandthesupeqiositionhighvoltage，pulseisrealizedbythepulsemoderectifier.ThecontrolledwaveisformedbyoverlayinghighpulsevoltageonunderlyinhighDCvolgtage.Thispowersupplynotonlyincreasesthepeakoutputvoltagebutalsoreducestheaveraevoltagge，whichcannotonlyimprovethededustingef?fectoffineparticlesbutalsoreducetheenergyconsum，ptionofthepowersupply.Atthesametime，asimulationmodelofhighvoltageDCpulsepowersupplycircuitisestablishedtoverifythecorrectnessofwaveformcontrolstrat?egy.Finally，aprototypeofhighvoltaeDCpgulsedpowersupplysystemthatcanremovedustofwiderangeanddiam?eterisbuilt，andthededustineffectisverifiedbgyexperiment.Keywordspowersu:pply;dedusting;pulseFoundationProject:SupportedbyTransferandPromotionPlanofScientificandTechnologicalAchievementsinShaanxiProvince（No.2020CGXNG-006）;ScienceandTechnologyInnovationGuidanceProjectofXi*anNo.201805-（037YD15CG2122（））l引言工业的快速发展使得空气污染问题日益突出，雾霾危机己经成为社会关注的头条。工厂排放的粉尘和废气严重影响着环境和人体健康，因此对排放的工业废气进行降尘处理变得尤为重要。电除尘技术作为最有效的除尘手段之一，越来越受到重视[11。目前，国外对电除尘研究较深，大多采用理论基金项目:陕西省科技成果转移与推广计划（2020CGXNG-006）;西安市科技创新引导项目（201805037YD15CG21（22））定稿日期:2020-06-28研宄与实验结合的方法，但更多的是研宄新型的除尘电源电路拓扑。国内目前关于电除尘的研宄，大多集中在:静电除尘原理与数学模型研宄、存在的问题与改造实验研宄、供电电源研宄等。在电除尘装置供电电源的研宄方面，髙频高压除尘电源以其体积小、损耗小、效率高的优点＇被广泛应用于工业电除尘领域，但高频髙压电源对细微颗粒粉尘的除尘效果不佳，无法实现去除宽范围直径粉尘iw，致使除尘效果难以达到预期值。i针对这一问题，在此提出一种基于髙压直流基压叠加高压脉冲的波形控制策略的髙压直流脉既能降低电源能耗，又能增强除尘器对细冲电源，作者简介:路景杰（1991-），男，陕西西安人，助理工程师，研究方向为工业电*波形控制技术。（通信作者:姬军鹚）微颗粒粉尘的收集能力，可有效去除宽范围直径范围的粉尘。23第55卷第2期电力电子技术Vol.55，No.22021年2月PowerElectronicsFebruary20212高压直流脉冲电源主电路拓扑设计可见，当交流输入电压u2到负半周期时，二极根据粉尘颗粒的荷电性质，要实现宽范围直电除尘装置的供电电源需采用高径的粉尘去除，压直流叠加脉冲的供电方式，资料表明脉冲除尘电源的脉冲频率为300~500Hz且脉宽为75jls更（加适合工业废气除尘的需要＇所研制的高压直流脉冲电源指标如下:额定输出电压为35kV，额定输出功率为3.5kW，脉冲电压幅值为30kV，脉冲频率为400Hz，脉冲宽度为75叫。高压直流脉冲电源电路拓扑如图1所示。该高压直流脉冲电源电路拓扑分为2部分，高压直流部分主要由单相桥式逆变电路、变压器及十倍压整流电路组成;高压脉冲部分主要由单相桥式逆变电路、变压器及不控整流电路组成。P2IT2rq^^22/＇UII-rrLX1高压脉冲4脉+直流图1高压直流脉冲电源电路拓扑Fig.1CircuittopologyofhighvoltageDCpulsepowersupply图1中V，~V4以及VP1~VW均为IGBTJ和T2均为高频变压器，其中1\的变比为变比为1:100。该高压直流脉冲电源以单相工频交流作为输入，经整流滤波后形成工频脉动的直流电压经过开关频率/;=20kHz的逆变电路后形成高频一路，的交流电压，再经过高频变压器进行升压，最后通过十倍压整流电路形成高压直流电压;另一路经过=200Hz的逆变电路后形成双极性的开关频率/2脉冲，经过变压器升压并整流后形成400Hz的单极性高压脉冲电压。该高压直流脉冲电源既有高频高压直流又有高压脉冲，用于电除尘装置的供电。以三倍压整流电路为例对倍压整流电路工作原理进行阐述，三倍压整流电路如图2所示。--?2IIi\t?r!U-J-zii---i2VD6;2SVD，-M-图2三倍压整流电路管VD5导通，此时形成的电流如回路1所示，电容C，两端的电压为\^u2，当〇2到正半周期时，VD5截止，VD6导通，此时电流如回路2所示，电容C3，乂0于（:，2，当u7导通，C2两端的电压为2^u5和VD两端的电压为G两端的电压和输入电压的叠加，即2VTu止2再到下一个负半周期时，丫认截2，由和仏为串联所以该电路最大可输出的电压，该倍压整流电路在提高输出电压的同为时降低了变压器的变比和整流电路中元器件的耐压等级，可大大降低硬件电路的成本。3高压直流脉冲电源控制系统设计所提高压直流脉冲电源的控制系统原理框图如图3所示，该控制系统采用全数字化控制，控制器采用DSP，可提高控制灵活性和精度%。单相交流220V单相不控整流全II变IS1I图3控制系统原理框图Fig.3Controlsystemprincipleblockdiagram该高压直流脉冲电源控制策略是在单相全桥逆变部分采用单相移向调压的控制方式实现对输出电压的控制。反馈信号通过隔离供电的霍尔电，该信号经过调理电路后送入DSP压传感器获取，通过将反馈信号与给定值作差并进行PI调节，完成对基准桥臂与移相桥臂的PWM控制信号相位差的调整，调整后的PWM控制信号经过驱动电路隔离放大后作为IGBT的驱动信号，从而实现对高压直流脉冲电源的稳压控制，提高高压直流脉冲电源的稳定性和输出电压精度。该高压直流脉冲电源还具有过压及过流保护功能，霍尔传感器检测到的高压直流和高压脉冲输出电压与电流信号经过调理电路处理后送入DSP，并将其与保护值进行比较，若检测到的输出电压或电流大于保护值，则DSP封锁PWM信号，可有效防止电除尘装置过压、过流等故障的发生，保障电源的安全运行。3.1驱动电路设计Fig.2Triplevoltagerectifiercircuit高压直流脉冲电源选用的IGBT型号及参数24一种去除宽范围直径粉尘的高压直流脉冲电源为IKW40N120H3，1200V/40A，选择1ED020I12-F2作为IGBT驱动芯片并设计驱动电路。该IGBT驱动电路可直接将DSP控制信号作为输入信号，并输出双极性电压驱动信号用于驱。该驱动电路还具有输出信号箝位、动IGBT过压过流检测及保护功能，当发生IGBT过压过流该电路将自动封锁驱动信号，并通过FLT故障时，IGBT，RDY管脚将故障信号反馈给DSP，可有效防止电路因故障而损坏3.2调理电路设计高压直流脉冲电源控制系统中的调理电路用于对反馈信号的滤波、电平转换及限幅处理，使其转换为DSP能够识别和处理的标准信号。调理电路包括电压调理电路和电流调理电路，在此对电压调理电路进行设计说明，如图4所示。/s"Stb（）髙压脉冲输出电压（C）高压直流脉冲输出电压图5仿真波形Fig.5Simulationwaveforms5除尘效果实验验证搭建一个3.5kW高压直流脉冲电源系统样机，该电源系统样机主电路参数与仿真参数一致。对高压直流脉冲电源系统样机进行上电调试，IGBT驱动波形（未移相）如图6a所示，测得该电源系统样机的输出电压波形如图6b所示。图4电压调理电路Fig.4Voltageconditioningcrcuiit（珐/>0%^fiGB1T-|（?-inir一-0-丨M丨iaa4该电压调理电路先通过采样电阻/?3S将霍尔电压传感器输出的采样信号转换为0?5V的电压信号，再通过2级反向比例电路将上述电压信号转换为0~3.3V电压信号，最后经二极管限幅至0~"（20us/格）//（2.5ms/格）（a）4路丨GBT驱动波形（未移相）（b）系统样机输出电压波形图6实验波形Fig.6Experimentalwaveforms3.3V后输出至DSP进行闭环稳压控制。该电压调图6a中4路IGBT驱动波形均为双极性电压理电路输入输出关系式为:波形，其中^IGBTl>IGBT2波形互补对称;^“1GBT3，以IGBT4波K66K（1）形互补对称，IGBT上、下桥臂的驱动信号存在死4仿真及分析区，时间为3图6b为高压直流脉冲电源系统样机输出电压{/?的波形，其中高压直流基压的幅在PISM软件下对高压直流脉冲电源进行建值为35kV，高压脉冲电压的幅值为30kV，脉冲频模仿真，设置输入电压Ui=220V50HZ），脉冲频（率为400Hz，脉冲宽度约为75p，由于变压器存率400Hz，脉冲宽度75的变比为10:113，T2在漏感，因此高压直流基压波形存在尖刺。的变比为1:100，得到的仿真波形见图5。图5a中;图5b中高压脉高压直流输出电压幅值约为35kV将所提电源系统样机作为电除尘装置的供电电源对除尘效果进行验证，除尘效果如表1所示。冲输出电压幅值约为30kV，脉冲频率为400HZ，可见，一般高频高压电源和高压直流脉冲电源均脉冲宽度75jjls;图5c中高压直流脉冲输出电压可有效去除大颗粒粉尘，且效果差别不大，但在去波形为高压直流基压叠加高压脉冲的波形，其中，高压脉冲电压高压直流基压的幅值约为35kV除细微颗粒粉尘能力方面，高压直流脉冲电源的，从而验除尘能力远高于一般高频高压除尘电源的幅值约为30kV，验证了该电源主电路拓扑及证了高压直流脉冲电源可同时去除大颗粒粉尘和控制策略的正确性。细微颗粒粉尘。（下转第31?）25级联型微电网功率均分控制策略抗特性与下垂方程的匹配性，由此实现了任意负载特性下级联微电网的有效功率均分。参考文献（a）有功功率t/s（b）无功功率]余贻鑫[1栾文鹏.智能电网述评[J]，.中国电机工程学报，2009，29（34）:1-6.图13实验波形1[2]鲁宗相王彩霞，闵勇，等.微电网研宄综述[J].电力，Fig.13Experimentalwaveforms1系统自动化，2007，31（19）:101-102.[3]HuaHan，XiaochaoHou，JianYanetal.ReviewofPo?g，werSharingControlStrategiesforIslandingOperationofACMicrogrids[J].IEEETrans，onSmartGrid2016，7（1，:）200-215.[4]GuerreroJM，HangL，UcedaJ.HierarchicalControlofdroop-controlledACandDCMicrogridsaG^eneralap-proachTowardStandardization[J.Trans，onIndustrialEl?]图14实验波形2ectronics，2011，581（）:158-172.Fig.14Experimentalwaveforms25]GuerreroJM[GarciadeVicunaL，MatasJ，，etal.Output-6结论此处针对级联微电网中负载特性差异导致的，提出了一种基于自适应虚拟电容的功率均分问题级联微电网功率均分方法。该方法与现有下垂控制方法的不同之处在于，以电感电流为功率环的参考电流，在逆变器输出端并联虚拟电容，并将虚拟电容看作负载侧，构建出了等效的负载阻抗特性，从impedanceDesignofParallel-connectedUPSInvertersWithWirelessLoad-sharingControl[J]Trans，onIndust.?rialElectronics2005，，52（4）:1126-1135.[6]荆龙，黄杏吴学智.改进型微源下垂控制策略研，宄[J].电工技术学报，2014，29（2）:145-152[7]吕志鹏罗安，，蒋雯倩等.多逆变器环境微网环流，控制新方法.电工技术学报，2012，27（1[J]）:40-47.[8]YSun，GShi，XLi，etai.Anf-P!QDroopControlinCa?scaded-typeCrogrid[J].IEEETrans，onPowerSystems，而通过等效负载阻抗特性的调节，保证等效负载阻201833（1）:1136-，1138.上接第25页（）参考文献表1除尘效果对比Table1Comparisonofdedustingeffect除尘前粉尘颗粒除尘后粉尘颗粒除尘电源浓度/x|g_3Tn类型细微颗粒粉尘大颗粒粉尘浓度/细微颗粒粉尘_3Tnx|g大颗粒粉尘一般除尘电源10001000842所提电源100010001502412286结论提出一种高压直流脉冲电源，解决了一般高频髙压除尘电源无法同时去除大颗粒粉尘和细微颗粒粉尘的问题。该电源采用倍压整流叠加脉冲整流的方式，实现了高压直流基压叠加高压脉冲的波形控制策略，增强了除尘器对宽范围直径粉尘的收集能力，从而提升了静电除尘的效率。仿真与实验结果表明，所提出的高压直流脉冲电源可有效去除宽范围直径粉尘。]朝泽云，徐至新钟和淸.静电除尘用高压供电电源特，[1性浅析.高电压技术，2006，[J]32（2）:81-83.P]闫克平，李树然，郑钦臻，等.电除尘技术发展与应用m.高电压技术，2017，43（2）:476-487.[3]NGrass，WHartmann，MKlockner.ApplicationofDiffe?rentTypesofHigh-voltageSuppliesonIndustrialElec?trostatcPrecipiitators[J].IEEETrans，onIndustryAppli-cations2004，，40（6）:1513-1520.4[]TFischerNGraP，NZouzou，etal.SmartHomePrecipi?，tatorforBiomassFurnaces:DesignConsiderationsonaSmall-scaleElectrostaticPrecipitatorJ][.IEEETrans，onIndustryApplcationsi，2014，50（3）:2219-2224.[5]骆仲泱，江建平，赵磊，等.不同电场中细颗粒物的荷电特性研宄[J].中国电机工程学报2014，，34（23）:3959-3969.[6]姬军鹏，华志广陈文洁，，等.嵌入式数字有源EMI控制的弧焊逆变电源[J].电工技术学报，2015，30（14）:304-310.[7]伍小杰，曹兴，夏帅，等.IGBT驱动保护电路研宂[J].电气传动，2010，40（10）:13-17.31
