CN105207516A - 电除尘用高频高压直流叠加高压脉冲电源 - Google Patents

Abstract

一种电除尘器用高频高压直流叠加高压脉冲电源，包括高频高压直流电源和高压脉冲电源和耦合电路；高频高压直流电源包括三相二极管全桥不控整流、高频IGBT全桥逆变器、LC滤波器、高频变压器和单相二极管全桥不控整流电路；高压脉冲电源包括三相桥式不控整流、低压充放电脉冲形成回路，脉冲变压器，高压充放电压控开关压缩脉冲回路，传输线倍压回路；耦合电路包括直流侧电感、防反二极管、保护电阻和脉冲侧的电容。振打装置用小电容和大电阻的并联来等效，在振打装置上产生具有高压直流偏置的200Hz、近纳秒级上升沿及微妙级脉宽的脉冲电压，能够有效抑制反电晕，对高比电阻粉尘能有效除尘，同时相对已有除尘器而言具有良好的节电效果。

Description

电除尘用高频高压直流叠加高压脉冲电源

技术领域

本发明涉及电除尘，特别是一种电除尘用高频高压直流叠加高压脉冲电源。

背景技术

伴随着我国工业化水平的不断提高，空气污染也越来越严重，尤其是最近几年雾霾天气的持续不断发生，更是为我国经济发展方式敲响警钟。为了治理空气污染，国家不断出台更加严厉的政策和行业标准，最新实行的《火电大气污染排放标准》(GB13223-2011)对火电厂烟尘排放标准提高到30mg/m³，重点地区甚至要求低于20mg/m³，这对于我国占比60％以上发电量的火力发电厂而言是巨大的考验，传统的静电除尘器很难达到如此严格的要求，所以必须对传统静电除尘器进行更新换代。脉冲电源供电是已经经过验证的可行有效方案，然而已经应用于实践的脉冲电源技术知识产权都归国外所有。

发明内容

本发明提供一种电除尘用高频高压直流叠加高压脉冲电源，该电源在考虑除尘效率、综合成本、运行可靠性、维护难度、占地面积等因素的情况下，该电源最终在电除尘的振打装置上产生具有高压直流偏置的200Hz、近纳秒级上升沿及微秒级脉宽的脉冲电压，能够有效抑制反电晕，并且对高比电阻粉尘能有效除尘，同时相对已有除尘器而言具有良好的节电效果。

本发明的技术解决方案如下：

一种电除尘用高频高压直流叠加高压脉冲电源，其特点在于：由高频高压直流电路、高压脉冲电路和耦合电路组成，所述的耦合电路由防反二极管、耦合电感、保护电阻和隔直电容构成，所述的高频高压直流电路输出的高频高压直流依次经所述的防反二极管、耦合电感、保护电阻施加到除尘器上，所述的高压脉冲电路输出的高压脉冲电流经所述的隔直电容施加到所述的除尘器上。

所述的高频高压直流电路与高压脉冲电路都是由三相380V交流市电经二极管全桥整流并经电容稳压滤波后为后续电路提供直流电源。

所述的高频高压直流电路包括：三相市电经二极管全桥整流并经稳压电容，为全桥IGBT逆变器提供直流源，500V直流电压经该全桥IGBT逆变器的逆变后输出20kHz高频交流电压，经第五电感和第五电容滤波后输入到高频变压器，该高频变压器的输出端再经全桥二极管整流得到纹波很小的10kV直流高压，该直流高压依次经过防反二极管、耦合电感和保护电阻连接到除尘器上；

所述的高压脉冲电路由低压充放电回路、脉冲变压器、高压充放电回路、压控开关、传输线构成；

所述的低压冲放电回路，由LC倍压电路与第一晶闸管组成充电回路，第四电容、第四电感与脉冲变压器原边和第二晶闸管组成放电回路，所述的脉冲变压器的副边依次由第二二极管、并联的第五缓冲电感和第四电阻、第五电容相连构成充电回路，第三二极管和第三电阻串联后反向并联在所述的脉冲变压器的副边，在所述的第五电容和第五缓冲电感和第四电阻的节点接所述的压控开关的输入端，该压控开关的输出端和地之间接可变电阻，在所述的可变电阻和压控开关的输出端的连接点通过所述的传输线和隔直电容连接到除尘器

所述的脉冲变压器为中低频脉冲变压器。

本发明的技术效果：

1、本发明的脉冲变压器为中低频脉冲变压器，得到10kV脉冲只需1:5变比。副边反向并联二极管和电阻用以吸收脉冲变压器反向脉冲能量。

2、本发明的压控开关通过测量脉冲变压器的副边电容的电压，当电压冲到最大值或超过设定的阈值时导通，该电容向可变电阻及传输线及负载迅速放电，得到窄脉冲，并且极大压缩了脉冲的上升时间。脉冲变压器的副边的第五电容经压控开关接可变电阻。当第五电容电压达到最大值(或设置一阈值，大于时动作)时导通，向可变电阻以及传输线及负载放电。可变电阻的大小决定了脉冲宽度，所以改变可变电阻的大小可调节脉冲宽度以适应不同的除尘环境的要求。

3、在可调电阻与除尘器之间用传输线和隔直电容连接。传输线的作用是将负载端的脉冲电压幅值增加一倍，从而使所述的脉冲变压器的变比降低二分之一，相比而言，节省了成本。所述的隔直电容的作用是防止负载端耦合叠加的直流电压对脉冲回路侧造成影响。

4、所采用传输线可以用π型等效电路替代，由于负载几乎可看做是开路，根据行波全反射原理，传输线的输出脉冲是输入脉冲的2倍，即传输线Tr具有倍压作用，这样可以将脉冲变压器Tp1变比降低一半。

5、本发明经专业仿真软件仿真结果显示，能够为负载提供具有近于ns级上升时间和几十us级脉冲宽度直流叠加脉冲电源，能够满足除尘要求。

6、本发明最终能在除尘器的振打装置上产生具有高压直流偏置的200Hz、近纳秒级上升沿及微妙级脉宽的脉冲电压，能够有效抑制反电晕，并且对高比电阻粉尘能有效除尘，同时相对已有除尘器而言具有良好的节电效果。

附图说明

图1为本发明高频高压直流叠加高压脉冲耦合向除尘器供电的示意图

图2为高压脉冲电路原理图

图3为高频高压直流电路原理图

图4为晶闸管开关信号时序Matlab/Simulink仿真结果

图5为加载到负载(除尘器)的电压Matlab/Simulink仿真结果

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明电除尘用高频高压直流叠加高压脉冲电源，由高频高压直流电路、高压脉冲电路和耦合电路组成，所述的耦合电路由防反二极管D1、耦合电感L1、保护电阻R1和隔直电容C1构成，所述的高频高压直流电路输出的高频高压直流依次经所述的防反二极管D1、耦合电感L1和保护电阻R1施加到除尘器上，所述的高压脉冲电路输出的高压脉冲电流经所述的隔直电容C1施加到所述的除尘器上。图中C2、R2为除尘器的阻抗。

如图2所示，所述的高压脉冲电路由低压充放电回路、脉冲变压器Tp1、高压充放电回路、压控开关S和传输线Tr构成；

所述的低压冲放电回路，由LC倍压电路L2和C4与第一晶闸管T1组成充电回路，第四电容C4、第四电感L4与脉冲变压器Tp1的原边和第二晶闸管T2组成放电回路，所述的脉冲变压器Tp1的副边由依次的第二二极管D2、并联的第五缓冲电感L5和第四电阻R4、第五电容C5相连构成充电回路，第三二极管D3和第三电阻R3串联后反向并联在所述的脉冲变压器Tp1的副边，在所述的第五电容C5和第五缓冲电感L5和第四电阻R4的节点接所述的压控开关S的输入端，该压控开关S的输出端和地之间接可变电阻R5，在所述的可变电阻R5和压控开关S的输出端的连接点通过所述的传输线Tr和隔直电容C1连接所述的除尘器。

所述的低压初级充放电脉冲形成回路，由第一晶闸管T1控制LC倍压电路的充电，当充电完成后电容电压经第二晶闸管T2向脉冲变压器Tp1的原边放电，形成脉冲。第一晶闸管T1与第二晶闸管T2的触发脉冲是200Hz方波，第二晶闸管T2的触发脉冲相比第一晶闸管T1触发脉冲需要一定延时，以保证LC谐振电路中电容已经充电完成。在该方案中第一晶闸管T1和第二晶闸管T2正向电压不超过1200V，反向电压也不会超过1200V，电流峰值小于450A，电流变化率低于50A/us，现有晶闸管产品能够满足要求。第三晶闸管T3和第三电感L3为第四电容C4的反向充电提供释放通路，第三晶闸管T3的导通条件是第四电容C4两端的电压小于等于零。

高压次级充放电回路，由脉冲变压器Tp1的副边和二极管以及缓冲电路和电容、压控开关组成。二极管要求5kV的耐压，单个二极管达不到这么高电压的耐压，可以选择多个二极管串联。压控开关S的输入是第五电容C5的电压检测值，当高于阈值时动作导通，让第五电容C5向可调电阻R5迅速放电，产生窄脉冲。压控开关的导通时间决定了脉冲的上升时间，可调电阻的大小决定了脉冲宽度，选择合适的压控开关和阻值能够得到预期的脉冲参数。

传输线Tr采用π型等效模型，其作用是脉冲延时并在负载端倍压。

最后通过一个耐高压的隔直电容C1连接到所述的除尘器负载端。

高频高压直流电路与脉冲电路用同一套市电整流得到的直流作为电源。经IGBT全桥逆变器产生频率更高的交流电压，通过高频变压器升压后经过二极管全桥整流得到纹波较小的直流电压，经二极管、保护电阻以及耦合电感连接到负载端。

初级充放电脉冲形成回路涉及两个基本过程，一是第一晶闸管T1导通给第四电容C4迅速充电，二是第二晶闸管T2导通，第四电容C4给脉冲变压器Tp1迅速放电。实现这两个步骤最重要的是第一晶闸管T1和第二晶闸管T2的导通时序的合理性。在本发明中，以200Hz脉冲为例，脉冲周期为5ms，如图4所示，初级脉冲的充放电回路参数设计必须要保证充放电时间(t’和t”)不能超过脉冲周期的一半，且都必须小于T1与T2导通时间(分别为T’和T”)。晶闸管的导通时间大约在10us左右，足以满足触发200Hz的脉冲。

初级充放电回路中还有第三晶闸管T3和第三电感L3，第三晶闸管T3的导通条件是当检测到第四电容C4上的电压小于等于零，关键在于电压采样的准确性，其主要目的是给第四电容C4提供一个反向电压释放回路，从而避免负脉冲的产生。

第二晶闸管T2导通的时间比第一晶闸管T1导通时间滞后，具体滞后时间长短根据晶闸管导通特性(导通时间t1，关断时间t2)、电容充放电时间(充电时间t3,放点时间t4)、脉冲周期(T)来决定(t1<<t3<<T/2,t2<<t4<<T/2)。所述的高压充放电回路，脉冲变压器Tp1的副边经二极管和缓冲电路给副边电容充电。脉冲变压器Tp1副边反向并联二极管和电阻。

如图5所示，经Matlab/Simulink软件仿真结果显示，本发明电源最终能在振打装置上产生具有高压直流偏置的200Hz、近纳秒级上升沿及微妙级脉宽的脉冲电压(U_load)，能够有效抑制反电晕，并且对高比电阻粉尘能有效除尘，同时相对已有除尘器而言具有良好的节电效果。

Claims (4)

1.一种电除尘用高频高压直流叠加高压脉冲电源，其特征在于：由高频高压直流电路、高压脉冲电路和耦合电路组成，所述的耦合电路由防反二极管(D1)、耦合电感(L1)、保护电阻(R1)和隔直电容(C1)构成，所述的高频高压直流电路输出的高频高压直流依次经所述的防反二极管(D1)、耦合电感(L1)和保护电阻(R1)施加到除尘器上，所述的高压脉冲电路输出的高压脉冲电流经所述的隔直电容(C1)施加到所述的除尘器上。

2.根据权利要求1所述的电除尘用高频高压直流叠加高压脉冲电源，其特征在于：所述的高频高压直流电路包括：三相市电经二极管全桥整流并经稳压电容(C3)，为全桥IGBT逆变器提供直流源，500V直流电压经该全桥IGBT逆变器的逆变后输出20kHz高频交流电压，经第六电感(L6)和第七电容(C7)滤波后输入到高频变压器(Tp2)，该高频变压器的输出端再经全桥二极管整流得到纹波很小的10kV直流高压，该直流高压依次经过所述的防反二极管(D1)、耦合电感(L1)和保护电阻(R1)连接到除尘器上。

3.根据权利要求1所述的电除尘用高频高压直流叠加高压脉冲电源，其特征在于：所述的高压脉冲电路由低压充放电回路、脉冲变压器(Tp1)、高压充放电回路、压控开关(S)和传输线(Tr)构成；

所述的低压冲放电回路，由LC倍压电路(L2和C4)与第一晶闸管(T1)组成充电回路，第四电容(C4)、第四电感(L4)与脉冲变压器(Tp1)的原边和第二晶闸管(T2)组成放电回路，所述的脉冲变压器(Tp1)的副边由依次的第二二极管(D2)、并联的第五缓冲电感(L5)和第四电阻(R4)、第五电容(C5)相连构成充电回路，第三二极管(D3)和第三电阻(R3)串联后反向并联在所述的脉冲变压器(Tp1)的副边，在所述的第五电容(C5)和第五缓冲电感(L5)和第四电阻(R4)的节点接所述的压控开关(S)的输入端，该压控开关(S)的输出端和地之间接可变电阻(R5)，在所述的可变电阻(R5)和压控开关(S)的输出端的连接点通过所述的传输线(Tr)和隔直电容(C1)连接所述的除尘器。

4.根据权利要求3所述的电除尘用高频高压直流叠加高压脉冲电源，其特征在于：所述的脉冲变压器为中低频脉冲变压器。