本發(fā)明涉及脈沖電源電路，尤其是新型靜電除塵用脈沖電源的電路設(shè)計(jì)，屬于環(huán)保設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著中國工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，環(huán)境污染也日益加重。進(jìn)入21世紀(jì)后，國家對日益嚴(yán)重的大氣污染問題提高重視，相應(yīng)出臺(tái)各類大氣排放標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)靜電除塵設(shè)備已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的排放標(biāo)準(zhǔn)，靜電除塵器的革新成為必然。其中高壓電源系統(tǒng)是影響靜電除塵器工作效果的關(guān)鍵。由于傳統(tǒng)的工頻電源和高頻電源均屬于恒流電源，高比阻及細(xì)微粒粉塵易引發(fā)反電暈和二次揚(yáng)塵，損壞靜電除塵器。

因此，國內(nèi)外提出了幾種脈沖電源電路，但是設(shè)計(jì)上較為粗糙，沒有考慮負(fù)載電壓的正當(dāng)問題，缺乏對脈沖電源電路深入的建模及設(shè)計(jì)。例如：由丹麥Smith公司提出的四代脈沖電源系統(tǒng)可以對脈沖波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是存在不能優(yōu)化脈沖波形，造成電壓拖尾、直流電壓疊加，脈沖震蕩的問題，會(huì)嚴(yán)重影響脈沖電源的除塵效果及運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，對輸出電壓可調(diào)節(jié)的新型靜電除塵用脈沖電源電路的深入數(shù)學(xué)建模及更為精確的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述技術(shù)缺陷，提出一種新型脈沖高壓電源的設(shè)計(jì)方法，通過將工作狀態(tài)分為脈沖諧振和負(fù)載震蕩的方式對電路的參數(shù)依次進(jìn)行設(shè)計(jì)，克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不考慮負(fù)載震蕩的問題，實(shí)現(xiàn)除塵器的高效運(yùn)行。為了達(dá)到以上所訴目的，本發(fā)明采用如下設(shè)計(jì)方法：

新型帶靜電除塵用脈沖電源電路，其特征在于包括兩個(gè)耦合電感L_DC、L_PS、諧振電感L、耦合電容C_couple、負(fù)載電容C_F)、負(fù)載電阻(R_F)、閘管開關(guān)及反并二極管SW、兩個(gè)直流電源V_PS、V_DC。新型高壓脈沖電源電路由直流側(cè)直流電源(V_DC)供電及脈沖側(cè)直流電源V_PS供電，兩電源通過耦合電感L_DC、L_PS耦合，輸出加載在耦合電容C_couple兩端，第一耦合電感L_PS另一端連接諧振電感L，諧振電感L另一端與晶閘管及反并二極管SW正向連接，所述晶閘管及反并二極管SW的另一端與大地相，第二耦合電感L_DC另一端負(fù)載電容C_F相連，負(fù)載電容C_F另一端與大地相連，負(fù)載電阻R_F與負(fù)載電容并聯(lián)。

當(dāng)所有開關(guān)器件都關(guān)閉時(shí)，由DC側(cè)直流電源V_DC通過第二耦合電感L_DC，給負(fù)載電容C_F、負(fù)載電阻R_F供電，電壓為直流負(fù)極性高電壓V_DC。

晶閘管及反并二極管SW開通后，負(fù)載電容C_F與諧振電感L、晶閘管開關(guān)及反并二極管SCR1構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)，在負(fù)載電容C_F產(chǎn)生負(fù)極性脈沖高壓，諧振完成，二極管過零自動(dòng)關(guān)斷，諧振完成。將諧振過程稱之為脈沖諧振狀態(tài)，將諧振完成后到下一次脈沖前的狀態(tài)稱之為負(fù)載震蕩狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)方法將電源電路的工作模式分為脈沖諧振與負(fù)載震蕩。將脈沖電源電路的耦合電感進(jìn)行解耦合，形成耦合電感M，脈沖側(cè)漏感L_σ1和直流側(cè)漏感L_σ2。負(fù)載電容C_F為除塵器腔體的極板間電容為已知，針對特定粉塵進(jìn)行靜電除塵，負(fù)載電阻R_F也為已知。耦合電容C_couple為負(fù)載電容C_F的10倍，即C_couple＝10C_F。直流側(cè)電源V_DC電壓為V_DC為已知，脈沖側(cè)電源V_PS電壓V_PS為已知，諧振周期T為已知，利用式T＝2π/ω，可以求得諧振角頻率ω，由L＝1/ω²C_F，可以求得諧振電感L的值

在脈沖諧振階段：忽略耦合電感，對諧振腔體進(jìn)行微分方程求解，可以得到負(fù)載電容電壓V_Cf、耦合電容電壓V_C及諧振電流i₁在脈沖諧振階段的時(shí)間函數(shù)，依次為：

其中A1、A2、A3為方程10(R_FC_F)x³+10x²+11ω²(R_FC_F)x+ω²＝0的三個(gè)解。

由V_Cf(t)、V_C(t)及i₁(t)可以求得在脈沖諧振期間，負(fù)載電壓及負(fù)載電流的最值，及耦合電容的電壓應(yīng)力，進(jìn)而調(diào)整諧振角頻率ω及選取電路電容及閘管開關(guān)及反并二極管SW等器件。

在負(fù)載震蕩階段：將耦合電感考慮負(fù)載震蕩中。首先針對脈沖諧振階段，考慮耦合電感簡歷微分方程組求得各變量在脈沖諧振階段的終值V_Cf(T)、V_C(T)、i₁(T)及第一耦合電感電流i₂(T)、及第二耦合電感電流i₃(T)。斷開諧振電感支路，重新建立微分方程組，將脈沖諧振階段各變量的終值作為負(fù)載震蕩階段的初始值帶入求解，并采用拉普拉斯變換可得負(fù)載電壓算式：

其中L_PS＝L_DC＝L_CP，M＝kL_CP，L_σ1＝L_σ2＝(1-k)L_CP。利用拉普拉斯反變換，負(fù)載電壓表達(dá)式為：

其中：

P₁＝V_DC-V_Cf(T₁)P₂＝(i₂(T)+i₃(T))·M

利用V_Cf(t)作圖可以得到負(fù)載電壓V_Cf與時(shí)間t及耦合電感值L_CP之間的關(guān)系曲面，由圖根據(jù)負(fù)載震蕩超調(diào)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，得到理想的L_CP設(shè)計(jì)值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

1、將靜電除塵用脈沖電源電路的工作模態(tài)分為脈沖諧振狀態(tài)和負(fù)載震蕩狀態(tài)。

2、針對兩種不同的狀態(tài)分別采用建立微分方程求解的方式建立數(shù)學(xué)模型，區(qū)別于以往的固定諧振角頻率的方式，建立微分方程更加精確。

3、在脈沖諧振的數(shù)學(xué)模型中，通過拉普拉斯變換及反變換的方法求得負(fù)載電容電壓、耦合電容電壓及負(fù)載電流的時(shí)間函數(shù)表達(dá)式，通過表達(dá)式可以求得相關(guān)參數(shù)最值，及耦合電容的電壓應(yīng)力，進(jìn)而調(diào)整諧振角頻率ω及選取電路電容及閘管開關(guān)及反并二極管SW等器件。

4、在震蕩狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型中，通過將耦合電感帶入模型的方法，利用復(fù)頻域計(jì)算及變換求得負(fù)載電容電壓的時(shí)間函數(shù)，并采用做三維曲面圖的方法，在符合設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，求得耦合電感的最優(yōu)值。

附圖說明

圖1本發(fā)明電除塵用脈沖電源電路示意圖；

圖2本發(fā)明電除塵用脈沖電源電路的諧振脈沖階段的去耦合示意圖；

圖3本發(fā)明電除塵用脈沖電源電路的負(fù)載震蕩階段的去耦合示意圖；

圖4本發(fā)明電除塵用脈沖電源電路的負(fù)載電壓波形圖；

圖5本發(fā)明電除塵用脈沖電源電路的負(fù)載震蕩階段的拉普拉斯變換電路圖；

圖6本發(fā)明電除塵用脈沖電源電路的負(fù)載震蕩階段的典型負(fù)載電壓曲面圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特別詳細(xì)說明之過程或參數(shù)，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

如圖1所示，電除塵用脈沖電源電路示意圖，其特征在于包括兩個(gè)耦合電感L_DC、L_PS、諧振電感L、耦合電容C_couple、負(fù)載電容C_F、負(fù)載電阻R_F、閘管開關(guān)及反并二極管SW、兩個(gè)直流電源V_PS、V_DC。新型高壓脈沖電源電路由直流側(cè)直流電源V_DC供電及脈沖側(cè)直流電源V_PS供電，兩電源通過耦合電感L_DC、L_PS耦合，輸出加載在耦合電容C_couple兩端，第一耦合電感L_PS另一端連接諧振電感L，諧振電感L另一端與晶閘管及反并二極管SW連接，另一端與大地相，第二耦合電感L_DC另一端負(fù)載電容C_F相連，負(fù)載電容C_F另一端與大地相連，負(fù)載電阻R_F與負(fù)載電容并聯(lián)。

當(dāng)所有開關(guān)器件都關(guān)閉時(shí)，由DC側(cè)直流電源V_DC通過第二耦合電感L_DC，給負(fù)載電容C_F、負(fù)載電阻R_F供電，電壓為直流負(fù)極性高電壓V_DC。

晶閘管及反并二極管SW開通后，負(fù)載電容C_F與諧振電感L、晶閘管開關(guān)及反并二極管SW構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)，在負(fù)載電容C_F產(chǎn)生負(fù)極性脈沖高壓，諧振完成，二極管過零自動(dòng)關(guān)斷，諧振完成，該過程如圖2新型電除塵用脈沖電源電路的諧振脈沖階段的去耦合示意圖。

諧振過程稱之后為所有開關(guān)器件都關(guān)閉的狀態(tài)，將諧振完成后到下一次脈沖前的狀態(tài)稱之為負(fù)載震蕩狀態(tài)。該過程如圖3型電除塵用脈沖電源電路的負(fù)載震蕩階段的去耦合示意圖。負(fù)載震蕩階段為耦合電感M，脈沖側(cè)漏感L_σ1和直流側(cè)漏感L_σ2及耦合電容C_couple與負(fù)載電容C_F的五元素諧振，因此需要用微分方程配合拉普拉斯變換求解。

脈沖諧振階段及負(fù)載震蕩階段的負(fù)載電壓波形圖如圖4所示

在脈沖諧振階段：忽略耦合電感，對諧振腔體進(jìn)行微分方程求解，可以得到負(fù)載電容電壓V_Cf、耦合電容電壓V_C及諧振電流i₁在脈沖諧振階段的時(shí)間函數(shù)，依次為：

其中A1、A2、A3為方程10(R_FC_F)x³+10x²+11ω²(R_FC_F)x+ω²＝0的三個(gè)解。

由V_Cf(t)、V_C(t)及i₁(t)可以求得在脈沖諧振期間，負(fù)載電壓及負(fù)載電流的最值，及耦合電容的電壓應(yīng)力，進(jìn)而調(diào)整諧振角頻率ω及選取電路電容及閘管開關(guān)及反并二極管SW等器件。

在負(fù)載震蕩階段：由于震蕩狀態(tài)需要考慮到諧振脈沖狀態(tài)的儲(chǔ)能元器件的電壓電流終值，因此將耦合電感考慮負(fù)載震蕩中。首先針對脈沖諧振階段，考慮耦合電感簡歷微分方程組求得各變量在脈沖諧振階段的終值V_Cf(T)、V_C(T)、i₁(T)及第一耦合電感電流i₂(T)、及第二耦合電感電流i₃(T)。計(jì)算方法為構(gòu)建微分方程：

其中初始值為：

V_CF(t₀)＝-V_DC

V_C(t₀)＝V_PS+V_DC

i₂(t₀)＝0

i₁(t₀)＝0

通過解微分方程組可以得到V_Cf(T)、V_C(T)、i₁(T)、i₂(T)、i₃(T)等值。

其中，C_f為負(fù)載電容，R_f為負(fù)載電阻。為變量在時(shí)域的表達(dá)式表達(dá)，與復(fù)頻域中表達(dá)式不同，但相互不沖突。

斷開諧振電感支路，重新建立微分方程組，將脈沖諧振階段各變量的終值作為負(fù)載震蕩階段的初始值帶入求解，可以通過拉普拉斯變換電路的方式進(jìn)行求解，負(fù)載震蕩階段的拉普拉斯變換電路示意圖如圖5所示，由圖5求得各部分激勵(lì)對負(fù)載電壓的傳遞函數(shù)為：

負(fù)載電壓差對負(fù)載電壓的激勵(lì)函數(shù)：

耦合電容電壓差對負(fù)載電壓的激勵(lì)函數(shù)：

耦合電感M的電流變換對負(fù)載電壓的激勵(lì)函數(shù)：

脈沖側(cè)漏感L_σ1電流對負(fù)載電壓的激勵(lì)函數(shù)：

直流側(cè)漏感L_σ2電流對負(fù)載電壓的激勵(lì)函數(shù)：

各部分的激勵(lì)，依次為：

(V_DC-V_Cf(T)/s，(V_DC+V_PS-V_Cf(T)/s，M(i₂(T)+(V_DC/R_F)-i₃(T))，L_σ1i₂(T)及L_σ2((V_DC/R_F)-i₃(T))

各部分的激勵(lì)函數(shù)乘上相對應(yīng)的激勵(lì)，合成為負(fù)載電壓在負(fù)載震蕩階段的復(fù)頻域表達(dá)式。為：

其中C為耦合電容，R_f為負(fù)載電阻，C_f為負(fù)載電容，L_CP為耦合電感，k為耦合電感的耦合系數(shù)，為變量在復(fù)頻域的表達(dá)式表達(dá)，與時(shí)域中表達(dá)式不同，但相互不沖突。

其中L_PS＝L_DC＝L_CP，M＝kL_CP，L_σ1＝L_σ2＝(1-k)L_CP。利用拉普拉斯反變換，可以求得在負(fù)載震蕩階段負(fù)載電壓表達(dá)式為：

其中：

P₁＝V_DC-V_Cf(T₁)P₂＝(i₂(T)+i₃(T))·M

利用V_Cf(t)作圖可以得到負(fù)載電壓V_Cf與時(shí)間t及耦合電感值L_CP之間的關(guān)系曲面，由圖根據(jù)負(fù)載震蕩超調(diào)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，得到理想的L_CP設(shè)計(jì)值。

典型的三維曲面圖如圖6所示，在負(fù)載電壓曲面中，V_CfN表示已經(jīng)標(biāo)幺化后的負(fù)載電壓值，t表示時(shí)間，由圖中可以看出，在耦合電感L_CP大于300mH，可以使得負(fù)載電壓在負(fù)載震蕩極端的超調(diào)小于20％，在耦合電感L_CP大于800mH，可以使得負(fù)載電壓在負(fù)載震蕩極端的超調(diào)小于10％，設(shè)計(jì)者可將參數(shù)帶入到V_Cf(t)的表達(dá)式中，得到相應(yīng)的負(fù)載電壓曲面，進(jìn)而根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要設(shè)計(jì)合適的耦合電感值。

本發(fā)明提出了一種新的靜電除塵用脈沖電源電路的設(shè)計(jì)方法，將靜電除塵用脈沖電源的工作模態(tài)分為脈沖諧振階段及負(fù)載震蕩階段，脈沖諧振階段的解析解決了器件選型及系統(tǒng)容量的問題，而負(fù)載震蕩階段的解析解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不精確及設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理造成的負(fù)載電壓拖尾及超調(diào)過大等問題，能夠有效根據(jù)負(fù)載調(diào)整波形方案，提高電源穩(wěn)定性，大大提高除塵效率。

該設(shè)計(jì)方法為廣大靜電除塵業(yè)從業(yè)者提供了新的靜電除塵脈沖高壓電源的設(shè)計(jì)方法，為靜電除塵用脈沖高壓電源的推廣及應(yīng)用提供理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。