一种新型的静电除尘用脉冲高压电源设计

雷盼灵，曾庆军，陈 峰

（1.江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212000；2.镇江天力变压器有限公司 江苏 镇江 212400）

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，除尘设备已成为了每个工厂的必备。目前，静电除尘设备是国际公认的高效除尘装置，其中高压电源系统是该设备的主要电气部分，其输出电压直接影响到静电除尘器的工作效果，是能量传递的关键[1]。因此，对静电除尘用高压电源系统及其高压脉冲电路的研究尤为重要。

一般，静电除尘用高压电源大致可分为3类：工频电源、高频电源、脉冲高压电源。1）工频电源，采用晶闸管-工频变压器-高压工频整流桥的模式，由于结构和控制都非常简单，存在体积大，重量大，除尘效率低，闪络冲击大差等问题[2]，因此目前国际范围内工频电源的应用已经很少。2）高频电源，是当今国际上应用最广泛的静电除尘用高压电源，由整流器、逆变器、高频变压器、高压整流器构成，此电源较工频电源提高了除尘效率，但仍属于恒流电源，易引起反电晕现象。3）脉冲高压电源，供电属于间歇供电，高压脉冲和高压直流经过耦合后加载到静电除尘器（ESP）两端，此电源能有效抑制反电晕现象，提高除尘效率，减小ESP体积和重量。脉冲高压电源技术是近两年被提出的最新技术，在国外只有丹麦的史密斯公司和韩国的浦项公司已研发出脉冲高压电源产品，正在投入应用；我国目前还没有脉冲高压电源成品，正处于研发阶段。

1 脉冲高压电源总体设计与构成

图1 脉冲高压电源系统结构框图Fig.1 Pulsed high-voltage power system structure diagram

1.1 电源控制系统设计

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、故障处理和降压振打，其中闭环控制包括对高压直流电压幅值和高频脉冲电压的幅值、频率、重复频率的闭环控制，均可采用PID控制的方法。其中，检测模块主要由传感器构成；控制模块由DSP控制器、数字电路、触发电路、驱动电路构成；供电模块将三相交流电压转换成不同电压等级的直流电压输对检测模块和控制模块进行供电。

设计电源控制系统主程序流程如图2所示，包括系统初始化、系统自检、数据采集处理、输出电压的闭环控制程序、火花判断程序、火花率控制程序、温度过高处理程序、故障处理程序和降压振打、通信。其中，初始化部分是对DSP芯片内部的各个寄存器数据进行初始化，确保控制信号的正确发送，同时需要读取通过键盘输入预设的初始设置参数。系统自检是为了确保IGBT器件正常工作，通过使用DSP内部PWM生成器对IGBT触发模块和驱动模块进行初始化。数据采集处理是检测电路将检测到的电压电流信号、温度信号输入给DSP芯片，DSP芯片对之进行处理。

控制程序方法：通过触发电路产生PWM波调整逆变模块中IBGT触发角，以调整高压直流电路和直流电路的输出电压幅值；可采用与脉冲变压器串联可变电感，通过调节可变电感来以调整高频脉冲电压的频率；通过对IGBT模块中的IGBT开关频率进行调节，调整高压脉冲的重复频率；发生火花时，关闭IGBT开关，电场介质恢复后恢复供电。火花率控制是通过调节PWM波的频率或者占空比的大小来控制火化率的大小，从而实现对最佳火化率的跟踪控制。温度过高或故障时，控制开关关闭三相交流电源，以终止整个电源系统的工作。

最后，降低振打部分实现振打功能，保证除尘器集尘极上的灰尘厚度不会太多。通信部分是将电源系统的运行状态通过DSP芯片通信在上位机中显示出来，可供操作人员监测电源系统的工作，当发生故障或者温度过高时，及时排查后重启整个电源系统。

1.2 电源主电路设计

图2 电源控制系统主程序流程图Fig.2 The flow chart of main program of power control system

设计脉冲高压电源主电路如图3所示，其中，开关由断路器和接触器构成，受控制模块的控制。高压直流电路包括整流模块、逆变模块与LCC谐振模块、高频变压器、整流模块，采用LCC串并联谐振式软开关技术，输出幅值为-Udc的高压直流。高压脉冲电路包括直流电路和脉冲发生电路：直流电路与高压直流电路构成相同，直流电路的工作原理与高压直流电路相同，由于最后整流模块中二极管方向相反，得到幅值为+Ups的直流；脉冲发生电路由两个电感滤波与IGBT模块并联支路和脉冲变压器构成，采用RLC串联谐振软开关技术，在脉冲变压器二次侧产生高压脉冲。耦合电路包括电感滤波和电容耦合，将高压直流与高压脉冲电耦合到一起，加载到ESP两端。保护电路由保护线圈和断路器、接地线构成，对静电除尘器起保护作用。

2 高压脉冲电路建模与分析

脉冲高压电源主电路中，高压直流电路和高压脉冲电路中的直流电路都采用高频电源主电路，这里不作详细介绍，本文研究的重点是高压脉冲电路中的脉冲发生电路。

2.1 脉冲发生电路原理

如图3所示，在脉冲发生电路中，脉冲变压器一次侧采用两个相同的并联支路可以更好的处理静电除尘器火花现象，降低一次侧电流。 其中，Dc/1、Cc/1、Rc/1和 Dc/2、Cc/2、Rc/2分别构成的保护电路可以在发生火花时保护IGBT器件不受高压损坏[4]。

图3 脉冲高压电源主电路Fig.3 The main circuit of pulsed high-voltage power

初始时，开关IGBT1和IGBT2断开，直流+Ups经过电感Lps1和电阻Rps1、电感 Lps2和电阻 Rps2分别给电容 Cs1、Cs2充电，高压直流-Udc经过电感Ldc给电容Cc充电。当开关IGBT1和IGBT2闭合时，分别与并联的反向二极管D1和D2构成闭合线路，闭合回路中电容Cs1和Cs2分别与脉冲变压器漏感Ls1和 Ls2、脉冲变压器电阻 Rs1和 Rs2、电容 Cc、ESP中的电容C0构成两个并联的RLC串联谐振回路，产生正弦波形电流，经过脉冲变压器的升压用，在ESP两端形成余弦波形的高压电即负值脉冲高压[5]；一个脉冲周期即谐振周期T0后将开关IGBT1和IGBT2断开，谐振回路断开，电路中电流为零，加载到ESP两端的无脉冲电压，只有高压直流-Udc即基础电压；直到一个脉冲重复周期T后，再次将开关IGBT1和IGBT2闭合，重复以上过程。从而在ESP两端形成高压直流叠加高压脉冲，通过两个IGBT开关的电流和ESP两端电压如图4所示[4]。

Leech认为在跨文化交际中，语用能力是指对说话者的目的和用意的理解能力。他把语用能力分为“语用语言能力”(pragmalinguistic competence)和“社交语用能力”(sociolinguistic competence)两部分。其中语用语言能力以语法能力为基础，涉及语言的使用规则，不仅包括正确使用语法规则遣词造句的能力，而且还包括在一定的语境中正确使用语言形式以实施某一交际功能的能力。社交语用能力是指遵循语言使用的社会规则进行得体交际的能力，是更高层次的语用能力[2]。Kasper则把外语语用能力定义为外语学习者对外语语言行为的理解、产生和习得[3]。

图4 理论高压脉冲波形Fig.4 The theory high-voltage pulse waveform

为了便于分析脉冲发生电路RLC谐振原理，用一个等效支路代替脉冲变压器一次侧两个并联支路，ESP等效为电容和电阻的并联电路，不考虑保护电路，可把脉冲发生电路等效为如图 5所示的电路图。其中，Lps=1/2Lps1=1/2Lps2；Rps=1/2Rps1=1/2Rps2；Cs=2Cs1=2Cs2；Rs=1/2Rs1=1/2Rs2；Ls=1/2Ls1=1/2Ls2。

2.2 脉冲变压器一次侧等效电路分析

图5 脉冲发生电路等效电路Fig.5 Equivalent circuit of pulse generating circuit

进一步简化脉冲发生电路，将脉冲变压器等效为T型电路[6]，忽略脉冲变压器的杂散电容，脉冲变压器二次侧电路等效到一次侧，得到RLC串联谐振回路如图6所示。其中，电容Cs为一次侧的储能电容，电感Lu为脉冲变压器励磁电感，电阻Rs包含脉冲变压器绕组和线路的杂散电阻，电感Ls为脉冲变压器漏感，电容Cc1为二次侧电容Cc折算到一次侧的等效电容，电容C1和电阻R1串联电路为二次侧电容C0和电阻R0的并联电路折算到一次侧的等效电路。

图6 等效RLC串联谐振回路Fig.6 Equivalent RLC series resonance circuit

由于脉冲变压器铁心饱和时，励磁电感数值很大，因此在计算过程中把励磁电感Lu所在支路看作开路，等效图6中所有电容和电阻，最后可简化为如图7所示的RLC串联谐振回路。显然

图7 简化RLC串联谐振回路Fig.7 Simplified RLC series resonance circuit

谐振周期为：

一次侧电流峰值可近似表示为：

于是，可求得简化前图6中电容C1两端电压，即近似ESP 两端电压：

可推导图6中脉冲变压器一次侧电压：

2.3 脉冲变压器二次侧电路分析

图8 脉冲变压器二次侧电路Fig.8 Secondary side circuit of pulse transformer

图5 中IGBT闭合时脉冲变压器二次侧部分电路如图8所示，根据RLC谐振电路的原理，在IGBT闭合的一个振荡周期T0内，ESP两端电压为移位的余弦脉冲，可设ESP等效并联电路两端的电压为：

则脉冲变压器二次侧电流为：

2.4 脉冲发生电路参数设计

本文研究的脉冲高压电源系统主要针对的ESP等效电容为115 pF、电阻为80 kV左右，为了达到更好的除尘效果，脉冲高压电源的目标是在高压直流为60 kV的基础上叠加幅值为80 kV左右的高压脉冲，其脉宽为75 μs左右，脉冲重复频率取200 Hz。

综合以上对脉冲发生电路的分析，利用公式（8）、（9）可计算出部分脉冲变压器的设计参数。结合脉冲变压器求解结果和公式 （3）、（4）、（5）、（7）， 可计算得到图 5 电路中 Cs、Cc、Ls、Rs，从而设计其他元件参数值。最后，可推断出图3电路中对应参数值，如表1所示。其中，U2m是脉冲变压器二次侧电压峰值，PT是脉冲变压器二次侧平均输出功率，f0是脉冲频率，f是脉冲重复频率。

表1 脉冲发生电路参数设计Tab.1 Parameters design of pulse generating circuit

本文开展的脉冲变压器理论设计已用于指导镇江天力变压器有限公司对脉冲变压器新产品的研制工作，目前该企业已研制出静电除尘用新型中频脉冲变压器并开始试用，其参数如表2所示，其中f根据需求设计，不影响脉冲变压器其他部分的设计。与表1中本文设计的脉冲变压器参数进行比对，可以看出实际产品参数与设计的理论参数相近。验证了本文设计脉冲变压器参数的有效性，也表明了高压脉冲电路设计和推导公式的可行性，对脉冲高压电源的研制有一定的指导作用。由于推导公式的精确度有限，导致实际产品和理论设计存在误差，可以在实际生产中根据结果加以调整，可以达到预计的效果。

表2 脉冲变压器实际产品参数Tab.2 Parameters of actual pulse transformer product

3 结论

文中提出了一种新型静电除尘用脉冲高压电源设计方法，设计了其电源控制系统方法，研究了高压脉冲电路的建模与分析，并通过理论分析公式得到设计参数，最后通过与本文指导生产的脉冲变压器实际产品的数据进行比对，表明了本文设计方法和公式推导的有效性与可行性。由于此电源系统的脉冲电压幅度、频率、重复频率、基础电压均可独立调节，除尘效果好，且其中脉冲变压器[7]参数设计方法也简便有效，对实际生产有一定的指导意义。

[1]朱翔．用于电除尘器的直流叠加高频脉冲电源的研究[D]．北京：北京交通大学,2011.

[2]刘军．LCC_SPRC高压高频大功率电除尘电源的理论分析与功率参数设计[D]．浙江：浙江大学，2010.

[3]Patrik Appelgren．Gigawatt Pulsed Power Technologies and Applications[D]．Sweden：Plasma Physics Royal Institute of Technology Stockholm，2011.

[4]Victor Reyes，Peter Elholm．4th generation of Coromax pulse generators for ESP’s[R]．Denmark：F.L Smidth Airtech，2010.

[5]蒋云峰，李连永，谢友金，等．ESP用脉冲高压电源研究[A]．第15届中国电除尘学术会议论文集[C]//蚌埠：中国环境保护产业协会电除尘委员会，2013：271-275.

[6]王瑞华．脉冲变压器设计[M]．2版．北京：科学出版社，1996.

[7]杜继业，宋岩，罗通顶，等.像增强器高速选通脉冲发生器[J].现代应用物理，2013（3）:299-302.DU Ji-ye，SONG Yan-LUO Tong-ding，et al.As intensifier program-controlled circuit design[J].Modern Applied Physics，2013（3）:299-302.