颗粒传感器调节静电除尘电源电压研究

魏胜非，李忠民，陈彩云，许德玄

（1.东北师范大学环境学院，吉林 长春 130117；2.东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024）

近来的医学研究表明肺癌的发生呈上升趋势，特别是不吸烟者的肺癌发生率也同样呈上升趋势.已有文献报道，这种情况的出现同PM 2.5关系密切.所谓PM 2.5是指空气动力学直径小于2.5μm的颗粒，它能吸附各种有毒物质并直接进入人体下呼吸道.现在已公认PM 2.5是环境污染物之一［1－2］.

热电企业、供暖企业所使用的燃煤是PM 2.5的重要来源之一，因而对这些企业排放物的治理是抑制PM 2.5的重要手段.在众多的治理方法中，静电除尘是一种较为理想的方法.静电除尘主要是靠颗粒荷电，荷电后的颗粒被静电极板吸附而脱除，因而能够提供颗粒荷电的高压静电电源非常重要.由于高压电源一直工作在满负荷的状态下，所以其故障率很高；且高压电源的工作状态不能根据污染物的排放情况进行调整，也浪费了大量能源.如果能够根据污染物的排放情况，适时地调整高压电源的工作电压，既可以有效减少污染物排放又可以节约能源，并有效地降低高压电源的故障率.为此，本文进行了颗粒传感器调节静电除尘电源电压的研究.

1 材料和设备

1.1 颗粒传感器调节静电除尘电源电压系统的总体框图

颗粒传感器调节静电除尘电源电压系统由颗粒传感器、单片机、高压电源、除尘极板4部分组成（见图1）.除尘极板分为筒状高压极板和线状高压极板，即分别为正、负高压极板.一般将筒状高压极板作为收集灰尘的极板.

图1 系统的总体框图

1.2 颗粒传感器

颗粒传感器由取样管、硅油玻璃纸转轴、CCD、光学腔、显微镜、硅油玻璃纸带、步进电机、风速传感器、单片机组成（见图2）.取样管同排烟道相连.硅油玻璃纸带在步进电机牵引下从取样管下方沿取样管滑过，其速度受步进电机控制.硅油玻璃纸带是在玻璃纸带上均匀涂抹硅油制成.涂抹硅油的目的是为了增加对颗粒物的吸引，利用硅油吸附颗粒物的方法为手工观测的常规方法.手工操作时，是在玻璃皿底部涂抹硅油，然后在显微镜下观察.

步进电机的速度由单片机控制，单片机根据风速传感器测得的烟道内烟尘的速度调整步进电机的速度，使得硅油玻璃纸带通过取样管的速度同烟尘的速度相同，这样取样能够反映主烟道截面颗粒物的情况.

硅油玻璃纸带从取样管下滑过，其上的硅油吸附了取样管内烟尘截面的颗粒物，硅油玻璃纸带在步进电机的牵引下经过显微镜，显微镜将此图像放大，在光学腔内CCD将此图像摄录.经过图像处理软件分析，则此时的颗粒分布情况即可被获得.

图2 颗粒传感器结构图

1.3 高压静电电源

高压静电电源采用开关电源（switching power supply），即在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路.开关电源由六部分组成（见图3）：第一部分是输入电路，它包含低通滤波和一次整流环节；第二部分为功率因数校正部分，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相；第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频变压器来完成的，是把高功率因数的直流电压转换成受到控制的高频方波脉冲电压；第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出；第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后与电路的基准电压进行比较、放大；第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调［3－4］.

图3 开关电源方框图

本开关电源中的功率转换采用IGBT模式［5－8］，选用型号为SKM500GAl23D／500A／1200V，它的驱动电路选用SKHl22AH4，移相PWM控制芯片选用UC3875.工业上除尘用静电高压通常需要50～100kV的直流高压，电流一般为50～300mA.

1.4 实验系统及材料

为了研究颗粒传感器调节静电除尘电源电压的效果，组成的实验系统如图4所示.它由风机、灰尘填料机、颗粒传感器、排烟道、取样烟道、筒状高压极板、线状高压极板组成.风机为实验系统提供风力，以模拟实际烟道的颗粒受力情况.灰尘填料机向烟道内添加粉尘.所用灰粉为锅炉产生的处理后粉尘.筒状高压极板和线状高压极板组成高压静电除尘系统.

图4 实验系统结构图

2 实验及分析

首先，电源以传统方式工作，电源的正负极直接同除尘极板的两极相连.每间隔10min，改变灰尘量.当添加不同灰尘量时，测量高压静电电源的输出电压、电流、电源的工作温度.重复实验3次，实验数据取平均值.完成电源的传统工作方式实验后，进行负反馈调节方式实验.将电源组成图1所示的装置，传感器同电源连接后，进行标定，目的是使电源输出电压满足除尘要求，其排放的烟尘符合国家标准.标定后，进行实验.同样每间隔10min，改变灰尘量.当添加不同灰尘量时，测量高压静电电源的输出电压、电流、电源的工作温度，记录数据.重复实验3次，实验数据取平均值.得出的电压数据如表1所示；测出的两种工作模式下高压电源温度变化数据如图5所示；测出的两种工作模式下电源耗费功率比较如表2所示.

表1 两种工作模式下电源电压比较

从表1可见，在传统工作模式下，由于电压不能够根据除尘的需要进行调整，即使在无颗粒污染物需要处理的情况下，只要接通交流电源，除尘电源的输出即为最大输出电压7kV.随着灰尘量的增加，其电压输出保持不变.在负反馈工作模式下，电源电压随灰尘量增大而增大.当灰尘量为0时，其输出电压为0；当灰尘量为最大时，其输出电压为最大.出现这种现象是因为在负反馈模式下，电压输出受到传感器监测信号的控制，使得输出电压可以根据灰尘量的变化而变化.

从图5可见，两种工作模式下，电源温度都随时间的增长而增长，但是负反馈模式增长的较慢，工作一段时间后，温度可低10℃左右.电源温度的增加不仅耗费能量而且不利于元件的工作，增大了故障率.因此，可以看出负反馈模式将降低高压电源的故障率.

图5 两种工作模式下电源温度变化

表2 两种工作模式下电源功率比较

从表2可见，在传统工作模式下，高压电源的输出功率不随灰尘量的变化而变化，呈一直线.而在负反馈工作模式下，高压电源的输出功率随灰尘量的增加而增加，以满足处理更多灰尘的需要；在灰尘量最大时其输出功率最大.特别是当灰尘量为0时，两种电源功率相差达最大值.

3 结论

本文通过对静电除尘高压电源的工作过程进行的深入研究，提出了负反馈控制机制并设计了相应的装置.利用此装置进行了实验，并对实验数据进行了分析，得出如下结论：

（1）传统工作模式下，电压不能够根据除尘的需要进行调整；在负反馈工作模式下，电源电压随灰尘量增大而增大.

（2）两种工作模式下，电源温度都随时间的增长而增长，但是负反馈模式的增长较慢.

（3）传统工作模式下，高压电源的输出功率不随灰尘量变化而变化；在负反馈工作模式下，高压电源的输出功率随灰尘量的增加而增加.

这些结论表明负反馈模式工作的高压电源将对高压静电除尘效率的提高起到重要的作用；同时具有负反馈控制的高压电源也将是今后除尘电源的发展方向.

［1］陈彩云，魏胜非.柴油机尾气处理中的湿度检测融合算法［J］.东北师大学报：自然科学版，2009，41（4）：82－85.

［2］魏胜非，陈彩云，许德玄.基于青海弧菌Q67的饮用水取水环境虚拟检测仪器［J］.东北师大学报：自然科学版，2010，42（2）：143－146.

［3］周好斌，钟桂香，王毅.静电除尘器用智能高压直流电源的研制［J］.高电压技术，2005（5）：61－63.

［4］朝泽云，徐至新，钟和清，等.静电除尘用高压供电电源特性浅析［J］.高电压技术，2006（2）：81－83.

［5］刘军，官威，石健将，等.高压静电除尘用电源调压特性的分析［J］.高电压技术，2009（2）：344－349.

［6］王延安，肖登明，刘帅，等.静电除尘用大功率直流高压电源的电磁兼容性设计［J］.高压电器，2009（4）：77－81.

［7］阮浩杰，李永腾，张仕勇，等.大功率高稳定直流高压发生器的研制［J］.上海电力学院学报，2011（3）：229－232.

［8］刘光德，林莘.西门康SKHI22AH4型IGBT驱动模块的应用研究［J］沈阳电力高等专科学校学报，2004（1）：1－3.