用于电除尘设备的高频高压开关

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3.0 陈辉 2024-11-19 11 4 2.85MB 61 页 15积分
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摘 要
当前环境污染日益严重，节能减排迫在眉睫，国家在2004年已经出台新的火
电厂排放标准，许多老的电除尘器不能达到新的排放标准，而现阶段我们不可能
完全换掉电除尘器，改变其电源的体积和效率已经成为更多人的选择，这也是本
文的研究重点和意义所在。
本文根据现场调研及和工作人员的交流了解了电除尘器对电源的特殊要求，
也对其工作原理做了分析，采用IGBT串并联谐振逆变器作为高压大功率开关电源
的主电路拓扑结构，同时，在设计中考虑了高频高压变压器分布电容不可忽略的
特性并将其整合到串并联谐振电路。分析了传统逆变器的工作原理，提出了串并
联谐振逆变器新的工作模式及其理论分析，用MATLAB仿真工具对串并联谐振逆变
器在不同频率的工作情况进行了仿真。
本文通过对高频高压变压器中设计难点的分析，结合传统变压器设计的等效
模型及设计方法，给出了非晶态合金变压器的设计方法。接着，在文章的第四章
中介绍了以DSP为核心的控制系统及其外设和保护系统。火花控制系统采用的是基
于数据检索的自学习控制策略进行控制，这个控制策略经过电除尘厂的证实要比
传统的控制方案优越很多，产生了很好的效果。最后，搭建了实验平台，验证了
理论分析与设计的正确性，给出了实验结果及波形。
关键词： 高频高压电源 串并联谐振 DSP 电除尘
ABSTRACT
As environmental pollution increasingly aggravated, energy conservation and
emission reduction cannot wait any longer. The state issued new emission standards of
power plants on 2004, which various old ESP were unable to match. As the ESP Power
supply serves the crucial equipment of ESP,it is significant that.
This paper analyzed fundamental principle and requirement of power supply and
adopted the main circuit and topological structure of IGBT series and parallel resonance
inverter as high-voltage and high-power switching mode supply. Meanwhile, the
characteristics of high-frequency and high-voltage transformer was never ignored in the
design and embedded into the circuit. The principle of traditional inverters was
explained, the new working mode of Series-parallel Resonant inverters as well as theory
analysis was raised, and resonance process of main circuit was simulated.
This thesis analyzed the difficulty of design of high-frequency high voltage
transformers, provided equivalent model and design methods of traditional transformers,
compared features of non-crystalline alloy materials with those of traditional magnetic
materials, and offered new design principle and method of non-crystalline transformer.
Furthermore, the forth chapter explicitly introduced hardware and software design of
ESP power supply smart control system based on DSPwhich serves as the control core.
This system samples the primary and secondary voltage and current and then sends the
data to the DSP, which can make the order based on the self-study strategy on data
retrieval. At last, experiment was conducted, theatrical analysis and design correctness
was verified and experimental results and waveforms were given.
Key Words:High-frequency and High-voltage Power Supply ，
Series-parallel Resonant ，DSP，ESP
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
§1.1 高压静电除尘器的工作原理 ..............................................................................1
§1.2 ESP 供电电源 ......................................................................................................2
§1.2.1 可控硅电源 ...................................................................................................3
§1.2.2 LC 恒流电源 .............................................................................................. 5
§1.2.3 脉冲电源 ........................................................................................................6
§1.3 高压供电电源对除尘效率的影响 ....................................................................6
第二章 电源主电路的设计 ...........................................................................................10
§2.1 逆变电路 ..............................................................................................................9
§2.1.1 全桥逆变器 ...................................................................................................9
§2.2 串并联谐振软开关 ............................................................................................10
§2.2.1 逆变主电路的工作模式 ..............................................................................12
§2.2.2 电路的动态过程分析 ..................................................................................13
§2.3 主电路谐振过程仿真 .........................................................................................20
第三章 高频高压变压器的设计 ...................................................................................25
§3.1 引言 .....................................................................................................................25
§3.2 变压器的等效电路模型 .....................................................................................26
§3.3 变压器铁芯材料的选择 .....................................................................................27
§3.3.1 非晶合金特性 .............................................................................................28
§3.4 高频高压变压器的设计 ....................................................................................29
§3.5 硅整流 ................................................................................................................32
§3.5.1 硅整流的作用 .............................................................................................32
§3.5.2 工作原理 .....................................................................................................33
§3.5.3 二极管的选用和串、并联 .........................................................................34
§3.5.4 电除尘器高压电源应用硅整流器 .............................................................34
第四章 控制电路的设计 ...............................................................................................36
§4.1 驱动电路的设计 .................................................................................................37
§4.2 过流保护电路 .....................................................................................................38
§4.3 硬件软启动电路设计 ........................................................................................39
§4.4 采样电路的设计 ................................................................................................40
§4.5 软件设计 ............................................................................................................43
第五章 系统实验 .........................................................................................................49
§5.1 器件的参数计算和选型 ....................................................................................49
§5.2 系统实验与波形 ................................................................................................50
第六章 小结 ...................................................................................................................55
参考文献 .........................................................................................................................56
致谢 .................................................................................................................................58
第一章 绪论
1
第一章 绪论
现在，由于世界人口越来越多，空气污染也越来越严重。工业粉尘的排放又
加重了这种污染，据统计每年全世界向大气中排放的污染物总重量可以达到6亿
吨，而其中粉尘的数量约占16％。粉尘大部分来自煤炭加工和冶金炼铁及造纸等
工业。粉尘的大量排放不但会对人的身体产生危害，还会浪费许多贵重材料，所
以我们要尽量减少污染颗粒的排放。目前，许多企业会用除尘器对排放的污染物
进行处理，使气体达标后再排到空气中。高压静电除尘器在这一趋势中得到了广
泛的应用。高压静电除尘器是一种利用高压静电使固体颗粒和空气分离的一种装
置。它具有简单易用、除尘效率好、烟气处理量大等一系列的优点。
目前，随着我国新的火电厂排放标准的实施，许多老的电除尘器不能达到新
的排放标准，主要是因为对一些小的烟尘颗粒捕集效率低。为了改变这一现状，
许多部门开展了新型的除尘器的研制，以期能够提高除尘效率。现在主要采取的
措施是更换除尘器的电源，事实上，如果提高除尘器电源的效率确实能够整体上
提高除尘器的效率，还能够改善其稳定性。
ESP供电方式主要有直流供电和电脉冲供电。以往的高压电源都是先工频调
压，之后再升压整流，最后传给负载，其开关器件一般采用GTO,使得这种电源控
制简单，使用方便，但也造成了电源体积大，效率低，输出纹波大，成本高，越
来越难于适应电除尘器对电源的高要求。随着电力电子器件的快速发展，高频高
压开关电源代替传统可控硅电源在现实生产中应用也成为可能 [1.2.3]。
§1.1 电除尘器的工作原理
电除尘器通常是由极板产生电晕放电吸附带电粒子来达到除尘目的。图1-1中
接在电源负极的是表面曲率比较大的线状电极，通常被称为电晕极，而接在电源
正极的是板状电极，一般称为集尘极。在电源工作时我们把高压直流电加在电源
极板两端使之产生电晕放电，这样我们就可以得到大量的电离的正负离子。在电
场力的作用下正离子向放电极运动。负极性的粒子向集尘极运动，因此，当污染
颗粒通过电场空间与电场内的负极性的粒子碰撞并带上负电就形成了带负电的粒
子。由于荷电粒子比较小，其重力非常小，相比较而言其受到的电场力则非常大，
被驱往集尘极，并放出所带的电荷沉淀到集尘极上。电晕区的正离子也可能与气
体颗粒碰撞并带正电，在电场力的作用下被驱到放电极，但因其路径较短，沉淀
用于电除尘设备的高频高压开关电源的研究
2
到放电极的颗粒是很少的，当极板上的粉尘到达我们设定的厚度，这时振打装置
开始作用，粉尘会快速排出，不至于产生反电晕现象[4]。
图1-1 电除尘器的工作原理
§1.2 ESP 供电电源
电除尘器电源随着电力技术、半导体技术、电子技术、计算机技术的不断进
步也得到快速发展。传统的电除尘电源是比较原始和机械的，自动化程度非常低
即：高压机械整流设备，用自偶变压器调压，手动方式进行控制、这种形式电源
的缺点是：手动操作、无测试信号反馈控制、效率低、噪声大、弧压降高、易烧
毁整流刷、维护工作量大。
20世纪60年代随着半导体器件的问世，人们相继开发出磁放大器控制、饱和
电抗器调压的高压硅整流装置和晶闸管控制、饱和电抗器调压的高压硅整流装置。
已基本实现了高压电源的自动控制，但依然存在很多问题。
在上世纪70年代初，国内厂家研制出晶闸管控制和调压的高压硅整流装置，
在其性能和可靠性方面做了大量的研究和完善工作，在70年代末得以大量使用。
之后随着控制器件不断丰富和发展、控制手段的增加、控制功能的完善使得晶闸
管控制的高压硅整流直流电源成为电除尘器高压供电的首选，占据着目前的电除
尘器市场的绝对份额。这类型电源自动调压性能好、效率高、噪声小、能使其保
持在高电压下运行，从而获得最好的除尘效果[2.5.6]。
近年来在不断研究、完善晶闸管控制高压硅整流直流电源的同时，人们又研
究开发了许多新型电源，他们各具有不同的特点，也在电除尘器的高压供电中逐
第一章 绪论
3
步应用，而且有些电源在不断的扩大其应用领域。这些电源主要有：高压脉冲供
电电源、LC恒流源、三相晶闸管控制高压硅整流直流电源等。其中脉冲电源是比
较先进的适合电除尘器的新型电源，而磁饱和放大器电源由于其本身在控制特性、
电源特性、功耗等方面的缺陷，现在已经很少使用。LC恒流电源因其优越的电源
特性，在80年代中期就被广泛地应用于电除尘器上。下面对这些电源的结构性能
做一些介绍。
§1.2.1 可控硅电源
图1-2 可控硅电源原理
通常可控硅电源是通过控制两个反向并联的可控硅，如图1-2中的TH1,TH2，
来控制高压变压器的一次侧电压，然后经变压器升压后再经过高压整流硅堆整流
从而得到我们要求的直流电压，一般通过改变TH1、TH2的触发角的大小可以改变
高压输出端的平均电压。闭环反馈控制的基本原理是通过将反馈信号综合放大后
再与参考设计值进行比较后调整输入信号去控制可控硅的触发角，从而能够控制
输出电压的大小。它的主要功能是：一、对所有信号进行综合处理然后确定输出
相位用来决定可控硅的导通角大小，实现对负载特性的电压跟踪；二、在极板火
花放电时，可以封锁可控硅，进而达到闪络封锁或熄弧的目的[2~7]。
图1-3 可控硅电源等效电路
ZUI
ZUUIP 2
摘要：

摘要当前环境污染日益严重，节能减排迫在眉睫，国家在2004年已经出台新的火电厂排放标准，许多老的电除尘器不能达到新的排放标准，而现阶段我们不可能完全换掉电除尘器，改变其电源的体积和效率已经成为更多人的选择，这也是本文的研究重点和意义所在。本文根据现场调研及和工作人员的交流了解了电除尘器对电源的特殊要求，也对其工作原理做了分析，采用IGBT串并联谐振逆变器作为高压大功率开关电源的主电路拓扑结构，同时，在设计中考虑了高频高压变压器分布电容不可忽略的特性并将其整合到串并联谐振电路。分析了传统逆变器的工作原理，提出了串并联谐振逆变器新的工作模式及其理论分析，用MATLAB仿真工具对串并联谐振逆变器在不...

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