專利名稱：一種靜電除塵用新型高頻高壓電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電除塵用新型高頻高壓電源。
背景技術(shù)：
隨著我國工業(yè)化規(guī)模的不斷提高，帶來了嚴重的空氣污染問題，治理工業(yè)粉塵污 染的高壓靜電除塵器因除塵效率高、能耗低、維修管理方便等，越來越受到人們的重視。高 壓供電電源是靜電除塵器的核心部分，其供電方式、運行方式及其控制方式，對靜電除塵器 的除塵效率和運行穩(wěn)定性具有重要的影響。目前靜電除塵器所使用的高壓供電電源基本上 都是采用輸入為單相的可控硅工頻相控電源，而這種電源的缺點是明顯的電源的轉(zhuǎn)換效 率低；會造成輸入供電的不平衡；供電波形波動大，閃烙電壓低，除塵的效率不高。最關(guān)鍵 的是，2004年我國火力電廠粉塵排放標準由原來90年代的200毫克/立方米降低至50毫 克/立方米，如果嚴格執(zhí)行50毫克/立方米的排放標準，采用傳統(tǒng)的電源難以達到要求，提 高除塵效率、降低運行能耗的關(guān)鍵是采用新一代的電源技術(shù)。 近幾年，大家已經(jīng)開始認識到高頻高壓電源用于電除塵的一些突出的優(yōu)點。很多 研究報告也都顯示高頻高壓電源能夠顯著提高除塵的效率，能夠大大提高功率因數(shù)。然而 與其他應(yīng)用領(lǐng)域有所不同，電除塵的環(huán)境及其負載特性對高頻高壓電源提出了極為苛刻的 要求。首先是電除塵用高頻高壓電源只能安裝在室外而且置于房頂，電源的設(shè)計必須考慮 室外環(huán)境。除了負載的動態(tài)變化范圍大之外，電源必須能承受多達每秒一次的頻繁放電也 是一個苛刻的要求。目前我國幾家企業(yè)推出的高頻高壓電源只是局限于小功率的，電流大 于800MA(毫安)以后電源的可靠性、功率管的壽命和散熱就遇到了很多問題，很難保持長 時間可靠地運行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種靜電除塵用新型高頻高壓電源，能夠克 服傳統(tǒng)工頻電源的缺點和現(xiàn)有高頻電源的不足，可靠性好，功率大。 為解決上述現(xiàn)有的技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下方案一種靜電除塵用新型高頻高 壓電源，包括整流模塊、負載模塊、設(shè)在整流模塊與負載模塊之間的若干個并聯(lián)的電源變換 電路模塊，所述整流模塊與負載模塊之間還設(shè)有控制回路模塊。電源變換電路模塊的并聯(lián) 結(jié)構(gòu)和控制回路的兩級結(jié)構(gòu)能有效地解決高頻高壓電源的大功率化問題和高可靠性問題。
作為優(yōu)選，所述整流模塊包括配電開關(guān)、與配電開關(guān)連接的三相工頻整流器、與三 相工頻整流器連接的濾波器。 作為優(yōu)選，所述電源變換電路模塊包括IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)全橋逆變器、 串并聯(lián)諧振(簡稱LCC諧振)元件、高頻升壓變壓器、高頻整流橋。每個電源變換電路模塊 內(nèi)部的構(gòu)成和參數(shù)是相同的，電源的輸出電流被平均地分配到這若干個電源變換電路模塊 中，這些電源變換電路模塊由同一個控制回路模塊控制， 一個電源變換電路模塊的損壞和 停止工作不會對另外的模塊產(chǎn)生影響。
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作為優(yōu)選，所述控制回路模塊包括DSP (數(shù)字信號處理器)芯片、諧振變換器控制 電路構(gòu)成兩級控制結(jié)構(gòu)?？刂齐娐贩殖蓛杉壙刂?，上層DSP28335控制電路和底層諧振逆變 控制電路，上層控制電路不直接控制底層主回路，底層諧振逆變控制電路相對于上層控制 電路來說具有一定的獨立性。諧振逆變控制電路采用專用ASIC芯片，DSP系統(tǒng)的工作異常 不會造成底層諧振控制電路的異常，增強了控制電路工作的可靠性。 作為優(yōu)選，所述DSP芯片上設(shè)有LCD顯示器(液晶顯示器)、鍵盤、通信電路，所述 DSP芯片與整流模塊、負載模塊之間設(shè)有電流電壓采樣電路。 作為優(yōu)選，所述諧振逆變控制電路中采用專用硬件電路來實現(xiàn)短路檢測和控制脈 沖關(guān)斷，綜合利用電源輸出的直流電壓U2和直流電流12去判斷短路，并綜合利用短路和故 障信號、控制脈沖0UTA、 OUTB信號共同去控制關(guān)斷控制脈沖輸出。 作為優(yōu)選，所述諧振變換器控制電路與各電源變換電路模塊之間設(shè)有驅(qū)動保護電 路。諧振變換器控制電路與驅(qū)動保護電路之間利用射隨器來實現(xiàn)隔離。
有益效果 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案提供一種靜電除塵用新型高頻高壓電源，能夠克服傳統(tǒng)
工頻電源的缺點和現(xiàn)有高頻電源的不足，可靠性好，功率大。 說明書附圖

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明中電源并聯(lián)模塊結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明中電源變換電路示意圖； 圖4是閃烙短路檢測與停止IGBT脈沖信號電路圖； 圖5是本發(fā)明中諧振逆變器控制電路圖。
具體實施例方式
如圖1至圖5所示， 一種靜電除塵用新型高頻高壓電源，包括整流模塊1 、負載模塊 2、設(shè)在整流模塊1與負載模塊2之間的若干個并聯(lián)的電源變換電路模塊3，所述整流模塊1 與負載模塊2之間還設(shè)有控制回路模塊4。所述整流模塊1包括配電開關(guān)11、與配電開關(guān) 11連接的三相工頻整流器12、與三相工頻整流器12連接的濾波器13。所述電源變換電路 模塊3包括IGBT全橋逆變器31、串并聯(lián)諧振元件32、高頻升壓變壓器33、高頻整流橋34。 所述控制回路模塊4包括DSP芯片41、諧振變換器控制電路42構(gòu)成兩級控制結(jié)構(gòu)。所述 DSP芯片41上設(shè)有LCD顯示器43、鍵盤44、通信電路45，所述DSP芯片41與整流模塊1、負 載模塊2之間設(shè)有電流電壓采樣電路46。所述諧振逆變控制電路42中采用專用硬件電路 來實現(xiàn)短路檢測和控制脈沖關(guān)斷，綜合利用電源輸出的直流電壓U2和直流電流12去判斷 短路，并綜合利用短路和故障信號、控制脈沖0UTA、 0UTB信號共同去控制關(guān)斷控制脈沖輸 出。所述諧振變換器控制電路42與各電源變換電路模塊3之間設(shè)有驅(qū)動保護電路47，諧振 變換器控制電路42與驅(qū)動保護電路47之間利用射隨器來實現(xiàn)隔離。
高頻高壓電源的主要變流經(jīng)過是AC-DC-AC-AC-DC，其中DC-AC高頻逆變電路的實 現(xiàn)和AC-AC高頻升壓變壓器的實現(xiàn)是兩個難點，尤其是大功率的高頻高壓電源，主回路的 電流大，有分布參數(shù)效應(yīng)，給開關(guān)管的開通、關(guān)斷和散熱帶來一系列的問題，不能保證開關(guān) 管的長時間可靠工作，另外，大功率高頻升壓變壓器也是一個難點，功率越大，磁芯里面的
4磁滯損耗和渦流損耗很大，產(chǎn)生的熱量很難快速散出去，而除塵電源要一天24小時不間斷 工作，變壓器升到70度溫度時就處于危險工作狀態(tài)。這兩點就制約了高頻電源的大功率 化和長時間可靠運行，造成了我們國家高頻電源超過了 IOOOMA輸出能力的很少，即使研制 出來，由于不能解決主功率開關(guān)管的散熱問題、可靠開關(guān)問題、變壓器散熱問題，不能長時 間可靠運行。本發(fā)明立足于現(xiàn)在的主功率開關(guān)管和變壓器磁芯損耗的制約現(xiàn)實，提出模塊 化并聯(lián)式高頻電源的思路，把大功率的高頻電源中的逆變部分和變壓器部分分成幾個小功 率的逆變電路和變壓器來實現(xiàn)，本發(fā)明是功率變換電路的直接并聯(lián)，不是串聯(lián)，也不是串并 聯(lián)，每個功率變換模塊可以輸出80000V/500MA直流電，N(N代表若干，N= 1，2，3，…)個 模塊并聯(lián)后，可以有80000V/500*N MA直流電輸出能力，在現(xiàn)有功率開關(guān)管和變壓器散熱問 題的制約下，解決了靜電除塵高頻高壓電源的大功率問題，并且提高了高頻電源的可靠性。
本發(fā)明的電源變換主回路如圖3，主要變流過程是AC-DC-AC-AC-DC，其中B部分是 工頻整流器，把三相50Hz工頻電網(wǎng)電源整流，再經(jīng)過一個電容平滑濾波，變成直流電，供給 各個模塊電源變換電路，B部分是N個模塊電源變換電路共用的，A部分是模塊電源變換電 路的內(nèi)部電路圖，每個并聯(lián)模塊都有一個逆變橋、LCC諧振電路、高頻升壓變壓器、高頻整流 橋，在高頻整流橋的輸出點處，N個模塊的輸出并聯(lián)，然后給除塵器本體供電。這樣，大功率 高頻電源的設(shè)計問題就轉(zhuǎn)化為對每個模塊電源的設(shè)計和控制問題，以及各模塊輸出的均流 問題。 LCC諧振電路具有較小的開關(guān)損耗和較高的效率，尤其是具有抗負載短路與打火 的優(yōu)點，很適合高壓電源的應(yīng)用領(lǐng)域。在高壓電源的應(yīng)用中LCC諧振比串聯(lián)諧振(簡稱LC 諧振)有很多的優(yōu)勢，有并聯(lián)電容的存在可以減小正向諧振電流的峰值，并且LCC諧振電路 具有短路和開路保護功能丄CC串并聯(lián)諧振有兩種工作方式，一種是諧振電流連續(xù)的工作方 式，另一種是諧振電流斷續(xù)的工作方式。當(dāng)LCC諧振電路工作在連續(xù)模式時，負載電容對電 路的影響很大，并且主回路開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)比較困難，而且在連續(xù)模式下控制復(fù)雜，因此 本發(fā)明讓LCC諧振電路工作在斷續(xù)模式，這在控制上非常容易實現(xiàn)，只要滿足開關(guān)頻率fs《
4 fr諧振頻率即可，控制策略是調(diào)頻調(diào)壓，開關(guān)頻率的下限是0，上限是l & ，具體實現(xiàn)方 2 2
法是定寬調(diào)頻，在斷續(xù)工作模式下，可以很容易實現(xiàn)主回路功率開關(guān)管的零電流零電壓開
關(guān)，提高主回路工作效率和可靠性。另外工作在斷續(xù)模式下還有一個最大的好處是，每個模
塊變換電路的輸出平均電流是一個常數(shù)，近似恒流源的特性，在理論上可以證明，每個模塊
的平均輸出電流為 Io = 8fs CsV乂nX 1-0. 5kV。/(Vi-V。) 其中fs為開關(guān)頻率，Cs為串聯(lián)諧振電容，、為逆變橋輸入直流電壓，n為高頻升 壓變壓器變比，k為串聯(lián)諧振電容與并聯(lián)諧振電容之比。V。為輸出電壓，可以從上式看出， 當(dāng)N個模塊如圖2那樣并聯(lián)時，每個模塊的、和V。相同，在選取參數(shù)時使N個模塊的Cs、 k、n相同，再用同一個控制器去控制N個模塊電路，即開關(guān)頻率fs相同，這樣就能保證N個 模塊電路并聯(lián)時有相同的輸出電流，自然就能做到并聯(lián)時的均流效果，這是本發(fā)明的重要 理論依據(jù)。 解決完并聯(lián)模塊的均流效果后，就要解決每個模塊電路的控制問題，本發(fā)明從提 高控制電路的可靠性出發(fā)，不用DSP直接發(fā)脈沖去控制逆變電路，而是采用一塊諧振電路專用控制芯片Ul去控制N個電路模塊，如圖5， Vin是從主控制芯片DSP過來的控制信號，控 制芯片Ul根據(jù)這一信號，發(fā)出P麗控制脈沖OUTA和OUTB，脈沖的頻率隨Vin的變化而變化， 其變化范圍由R1、R2、C2、C4、C5來決定，脈沖的寬度由C3、R3和由Jl過來的諧振電流互感 器的信號共同決定，脈沖OUTA和OUTB經(jīng)過一個由高頻三極管組成的射隨電路后，被連接到 N個驅(qū)動電路去驅(qū)動N個模塊電路的主開關(guān)功率管，兩個射隨器可以有效阻止驅(qū)動電路對 控制芯片Ul的干擾，使Ul能穩(wěn)定可靠地工作，如果有故障信號STOP時，控制芯片Ul關(guān)閉脈 沖的輸出，停止電源主回路的工作。這種由DSP控制U1， Ul再去控制N個變換電路的控制 結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)點，即使主控芯片DSP由于受到干擾工作不正常，由Ul組成的控制電路還 可以正常的工作，保證電源主回路的穩(wěn)定工作，DSP是一個由軟、硬件組成的微處理器結(jié)構(gòu)， 是非常容易受到干擾的，如果直接由它來發(fā)脈沖去控制主回路的功率開關(guān)管，一旦由于DSP 受到干擾，發(fā)出錯誤控制脈沖，有可能直接損壞電源的主回路，而本發(fā)明采用的諧振電路控 制芯片Ul是一個純硬件實現(xiàn)的專用ASIC芯片，由于里面沒有軟件，抗干擾能力大大提高， 本發(fā)明又加了一個射隨電路來隔離控制電路和驅(qū)動電路，進一步增加了控制的可靠性。這 種由DSP+U1的雙級控制結(jié)構(gòu)，即使DSP受到干擾，工作異常，造成Vin信號異常，對Ul的影 響也不大，因為由Ul組成的控制電路本身對發(fā)出的控制脈沖有一個范圍的限制，頻率和寬 度的范圍由R1、R2、C2、C4、C5、C3、R3來決定，只要在選擇參數(shù)時，把脈沖的頻率和寬度限制 在主回路能正常工作的范圍即可。 靜電除塵電源的負載除塵器本體經(jīng)常會發(fā)生短路打火，這時需要及時判斷負載是 否發(fā)生短路，及時去關(guān)閉電源輸出，本發(fā)明在諧振逆變控制電路中設(shè)計了硬件短路判斷電 路和關(guān)斷控制脈沖電路，如圖4所示，U2和12分別是高頻高壓電源輸出的直流電壓和直流 電流，本發(fā)明采用U2和12綜合判斷是否發(fā)生短路。當(dāng)輸出電流12達到一定的上限閾值， 即可以認為發(fā)生短路，但對于小火花的短路，有時候電流沒有上升太高，有可能沒有達到設(shè) 定的閾值，單靠電流信號就不行了，本發(fā)明又引進電壓信號，通過檢測電壓信號下降速度電 壓的變化率達到一個閾值，即可認為發(fā)生了短路，這樣就能及時檢測到小火花的短路和大 火花的短路，在檢測到發(fā)生短路或其他過流過壓等故障后，本發(fā)明并不立即關(guān)閉控制脈沖 OUTA和0UTB，因為如果在關(guān)閉脈沖的時候，主回路的諧振電流正處在諧振峰值時，突然關(guān) 閉功率開關(guān)管，電流的突變會在功率開關(guān)管兩側(cè)造成很高的電壓尖峰，很容易擊穿損壞功 率開關(guān)管，因此本發(fā)明在檢測到短路和其他故障信號后，利用控制脈沖OUTA和OUTB去控制 這個信號，如圖5所示，當(dāng)OUTA和0UTB均為低電平時，讓短路和其他故障信號通過去關(guān)閉 功率開關(guān)管，因為當(dāng)OUTA和0UTB均為低電平時，主回路已經(jīng)完成一個諧振過程，諧振電流 為零，此時關(guān)閉功率開關(guān)管是零電流軟關(guān)斷，可以可靠地安全地關(guān)斷功率開關(guān)管。當(dāng)OUTA 和OUTB均為高電平時，通過與非門U3:A阻斷短路和其他故障信號，因為此時主回路正處 于諧振過程，諧振電流很大，此時不宜關(guān)斷功率開關(guān)管，等到主回路完成一個諧振過程，當(dāng) 0UTA和OUTB再次變成低電平時，再去關(guān)斷功率管。本發(fā)明的這一措施進一步加強了所設(shè)計 電源的控制回路和主回路工作的可靠性。 除了底層的逆變電路的控制電路之外，本發(fā)明可以在以DSP芯片為核心的上層控 制電路上設(shè)置人機接口電路、通信電路、模擬信號采集電路等，完成高頻高壓電源的狀態(tài)變 量采集、狀態(tài)顯示、指令輸入、與上位機的交互通信，以便完成遠程監(jiān)控。
權(quán)利要求
一種靜電除塵用新型高頻高壓電源，其特征在于包括整流模塊(1)、負載模塊(2)、設(shè)在整流模塊(1)與負載模塊(2)之間的若干個并聯(lián)的電源變換電路模塊(3)，所述整流模塊(1)與負載模塊(2)之間還設(shè)有控制回路模塊(4)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電除塵用新型高頻高壓電源，其特征在于所述整流 模塊(1)包括配電開關(guān)(11)、與配電開關(guān)(11)連接的三相工頻整流器(12)、與三相工頻整 流器(12)連接的濾波器(13)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電除塵用新型高頻高壓電源，其特征在于所述電 源變換電路模塊(3)包括IGBT全橋逆變器(31)、串并聯(lián)諧振元件(32)、高頻升壓變壓器 (33)、高頻整流橋(34)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電除塵用新型高頻高壓電源，其特征在于所述控制 回路模塊(4)包括DSP芯片(41)、諧振變換器控制電路(42)構(gòu)成兩級控制結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種靜電除塵用新型高頻高壓電源，其特征在于所述DSP 芯片(41)上設(shè)有LCD顯示器(43)、鍵盤(44)、通信電路(45)，所述DSP芯片(41)與整流模 塊(D、負載模塊(2)之間設(shè)有電流電壓采樣電路(46)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種靜電除塵用新型高頻高壓電源，其特征在于所述諧振 逆變控制電路(42)中采用專用硬件電路來實現(xiàn)短路檢測和控制脈沖關(guān)斷，綜合利用電源 輸出的直流電壓和直流電流去判斷短路，并綜合利用短路和故障信號、控制脈沖信號共同 去控制關(guān)斷下一個控制脈沖輸出。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種靜電除塵用新型高頻高壓電源，其特征在于所述諧振 變換器控制電路(42)與各電源變換電路模塊(3)之間設(shè)有驅(qū)動保護電路(47)，諧振變換器 控制電路(42)與驅(qū)動保護電路(47)之間利用射隨器來實現(xiàn)隔離。
全文摘要
本發(fā)明提供一種靜電除塵用新型高頻高壓電源，包括整流模塊、負載模塊、設(shè)在整流模塊與負載模塊之間的若干個并聯(lián)的電源變換電路模塊，所述整流模塊與負載模塊之間還設(shè)有控制回路模塊。能夠克服傳統(tǒng)工頻電源的缺點和現(xiàn)有高頻電源的不足，可靠性好，功率大。
文檔編號B03C3/68GK101767061SQ20091015532
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者丘杰凡, 張浩然 申請人:浙江師范大學(xué)