高压脉冲电源（通用8篇）
高压脉冲电源 篇1
0 引言
高压脉冲电场(Pulse Electric Fields,PEF)是一种非热灭菌技术,具有灭菌时间短、温升小、能耗低和灭菌效果显著等优点,成为近年来国内外的研究热点[1]。高压脉冲电场灭菌技术主要由高压脉冲电源和灭菌室构成,其中,高压脉冲电源是系统的核心部分。但目前的高压脉冲电源技术大多停留在实验室水平上,或采用俄亥俄州立大学食品系(简称OSU)的高压脉冲电场调制器系统。为了使该技术能够进一步走向产业化,本文提出新的基于波传输网络原理的高压脉冲电源,能够实现输出高压脉冲的电压、脉宽、频率和脉冲数等参数的精确控制,输出电压50-100kV可调,脉冲宽度1us-10us可调,频率1-100Hz可调,输出方波,以适应300x300mm极板的电场,在极板间距在2cm~10cm之间平行可调的情况下实现多种电场强度满足灭菌试验的各种要求。
1 脉冲产生电路设计
系统利用波传输过程原理,设计脉冲形成网络来产生高压脉冲,再通过脉冲变压器升压使输出电压值达到要求,所设计的电路如图1所示。工作过程如下:由直流高压电源给电容器C1~C34充电至设定值,再控制开关SW1和SW2在不同时刻导通,在脉冲变压器T1的初级产生一个方波脉冲,通过脉冲变压器升压后,在负载C35上产生一个高压方波脉冲。调节电容器C1~C34上的初始电压值,可以改变负载上的脉冲电压值。改变开关SW1和SW2的导通时刻,可以改变负载上的脉冲宽度。
在设计中,电容器C1~C34充电电压值为5 k V~1 0 k V,对应负载上脉冲输出电压值为50kV~100kV。改变开关SW1和SW2的导通时刻,可使加在负载上的脉冲宽度在1μs~10μs之间变化。开关SW1和SW2采用氢闸流管。脉冲变压器T1的变比为1:10。硅堆D1的脉冲电流大于200A,耐压大于30kV。
2 能源系统设计
能源系统用于提供系统的直流高压电源,提供给电容器C1~C34充电,电路原理如图2所示。
缓启动电路:一种采用可控硅调压的方式来实现缓启动;
调压器:采用自耦变压器调压;
高压变压器:输入单相交流220V,输出交流4.5kV;
整流桥:采用单相全波整流,整流用高压硅堆采用耐压15kV,电流2A的高压硅堆;
限流电阻:限流电阻主要起保护作用;
储能电容器:电容值为2μF,电容的工作电压6kV;
直流分压器:直流分压器采用电阻分压原理,用10MΩ电阻和10kΩ电阻串联而成。分压比为1000:1。当系统停止工作时,直流分压器还充当储能电容器上能量泄放电阻的作用(时间常数为20s)。
3 控制及显示电路
能源系统中的控制及显示电路如图3所示。在本系统中控制器采用工控机,通过模拟量和数字量的输入输出板卡来实现信号的输入输出。
其中,模拟量输入是指直流高压信号;键盘设置主要设置输出脉冲的宽度、频率、输出脉冲数和工作时间等参数;显示电路主要显示直流高压、输出脉冲的宽度、频率、输出脉冲数和工作时间等;开关量输入只是作为面板开关之间互锁用;开关量输出用于系统的起停、部分弱电电路的供电和一些保护开关的控制;氢闸流管1触发信号和氢闸流管2触发信号都是脉冲信号,这两个脉冲信号频率、脉冲数和两个脉冲信号之间的延时可以通过控制器进行设置。
本系统需要测量的信号主要有直流高压信号和高压脉冲信号。直流高压信号通过电阻分压器后,进行信号隔离转化,输入控制器,进行显示。高压脉冲信号通过脉冲分压器后,输入给示波器,进行观测。脉冲分压器可采用电阻分压器或阻容分压器。
4 脉冲形成网络电容充电电路设计
脉冲形成网络电容充电电路原理如图4所示,充电方式采用L-C谐振充电。图中C36为能库电容,C36由能源系统充电。D2为高压硅堆。L37为谐振电感。L38、L39和SW3表示磁开关。
工作过程如下:能库电容C36通过高压硅堆D2、谐振电感L37和磁开关给脉冲形成网络电容C1~C34充电。C1~C34的电压值达到约1.8倍能库电容C36电压值时,充电结束,经过一定时间,磁开关反向饱和,此时开关SW1和SW2分别导通,在负载上产生所需的高压脉冲,单次高压脉冲产生完成,重复频率工作时就不停的重复上述过程。
5 仿真实验结果
设计高压脉冲电场为一平行极板300x300mm,极板间距在2cm~10cm之间,上下平行可调。
图5为输出电压100KV、输出脉宽10μs的输出波形电压和脉宽的模拟输出波形,从该结果可以看出,系统可有效地满足高压脉冲电源的输出要求。
6 结束语
本文提出了一种新的基于波传输网络的高压脉冲电源,脉冲形成网络产生高压脉冲,由工控机作为系统控制器,可精确控制输出脉冲的电压、输出脉冲的宽度、频率和输出脉冲数等,工作电压可达100kV,可以满足高压脉冲电场灭菌系统的需要。
摘要：高压脉冲电场灭菌技术是近年来发展起来的极有潜力的非热灭菌技术,其中高压脉冲电源是系统的核心组成部分。本文提出了一种基于波传输网络原理的高压脉冲电源,其设计输出电压可达100kV,系统由脉冲形成网络产生高压脉冲,由工控机来作为系统的控制器。所开发的高压脉冲电源可满足食品高压脉冲电场非热力灭菌的需要。
关键词：高压脉冲电源,波过程网络,非热力灭菌
参考文献
[1]JEYAM KONDAN S,JAYAS D S,HOLLEY R A.Pulsed electric field processing of foods:a review[J].Journal of Food Protection,1999,62(9):1088-1096.
[2]祖国仁,孔繁东,刘阳,等.高压方波脉冲电场对微生物的致死作用[J].高电压技术,2004,30(8):47-49.
[3]但果,吴延清,邹积岩,等.微机控高精度高压脉冲电源的研制[J].南京理工大学学报,2004,28(4):164-168.
[4]但果,邹积岩,丛吉远,等.高精度高压脉冲电源原理与实验研究[J].大连理工大学学报,2003,43(9):623-626.
高压脉冲电源 篇2
1励磁控制系统建模分析
电机扩大技术成熟、可靠性高,控制绕组多,是传统的消磁主电源励磁装置的首选。但扩大机作为特殊的直流发电机,本身时间常数大,且参数可调范围有限,并不适用于图2所示工况。研究和实践表明,针对图2所示的特殊工况,其励磁装置需采用适用于电机控制、参数可调范围大、反应迅速的基于数字控制的整流式励磁装置,得到消磁脉冲电源电气部分物理模型如图3所示。消磁脉冲电源交流发电机采用有刷励磁、励磁装置功率部分采用晶闸管整流,通过传感器将机端强电信号转换成弱电信号作为反馈信号,经模数转换,与给定信号比较,经数字PID调节形成控制信号控制晶闸管的开关,将三相交流电整成6脉波直流电,大小由控制信号决定,通过电刷给发电机励磁绕组供电,从而控制消磁电流波形。虽然图3所示模型中晶闸管整流部分和不控整流部分都是离散的工作模式,但相对于消磁主电源系统的机械时间常数来说,其间隔时间可忽略,从控制的角度讲图3所示的模型可当做连续系统处理[1]。系统的.储能飞轮重达数吨,再加上其它机械结构,系统有很大的惯性,工作过程中电枢转速可视为恒定:晶闸管整流部分可视为增益为k0、时间常数为T0的一阶惯性环节;发电机励磁绕组的电感为L、电阻为R;发电机电枢连同负载(包括不控整流装置和消磁绕组)可视为增益为k1、时间常数为T1的一阶惯性环节;反馈通道视为增益为k2、时间常数为T2的一阶惯性环节,则消磁主电源电气部分数学模型如图4所示。图4所示模型中,励磁装置的时间常数为毫秒级;交流发电机直接带整流负载,非对称工作模式,可认为它总是处于超瞬态,交流电机电枢的超瞬态电抗很小[3-6],电枢连同负载的时间常数为0.1s左右;反馈环节的时间常数约为数十毫秒;交流发电机励磁绕组的时间常数一般可达数秒,所以消磁主电源电气部分的惯性主要来自发电机励磁绕组,在计算PID控制环节参数时,可先不计其它各环节的影响,在不考虑PID环节的D参数时(D参数在后面考虑),得到简化的消磁脉冲电源励磁控制模型如图5所示。
2控制参数计算
消磁脉冲电流最后一个脉冲的幅值很小,这就需要对发电机输出的剩磁电压进行控制。根据图6所示的同步发电机短路特性曲线和图7所示的空载特性曲线可知,要使最后一个脉冲满足要求,发电机空载剩磁电压须控制在20V以下,而该发电机的空载剩磁电压接近100V,故励磁装置需产生偏置电流以补偿剩磁电压。补偿后实际输出空载剩磁电压小于2V。
3小结
高压脉冲电源 篇3
关键词：滑模反馈控制,高压脉冲电源,电压上升时间,输出电压过充,安全裕量
100k V高压脉冲电源是为国家重大科学工程———HT7U超导Tokamak聚变实验装置( Experiment of Advanced Supperconductor Tokamak,EAST) 中性束注入( Neutral Beam Injection,NBI)系统研制的一套高压大功率脉冲电源。该电源采用脉冲阶梯调制技术[1],由104 个结构相同的额定输出为1. 1k V/100A的电源模块串联而成,其额定输出100k V/100A,最大工作脉宽1 000s。100k V高压脉冲电源是NBI加热装置的主要系统之一,该电源具有输出电压在0 ~ 100k V( DC) 可调、最大电流100A、电压稳定度高于1% 、纹波( 峰- 峰) 小于2% 及电流上升时间不大于20μs等特点,因此,必须选择适合的控制方法来加以控制。但由于100k V高压脉冲电源的负载为离子源,而离子源在打火时要求电源系统注入能量小于8J,因此,在负载打火时,电源必须在5μs内关断。为了配合NBI系统其他电源的工作特性,高压电源的上升时间应为100μs,因此,该电源又需要具有快速开通能力。而该100k V高压脉冲电源为强非线性系统,传统的PID控制很难适用。在此,笔者选择滑模反馈控制方法,实现对整个100k V高压脉冲电源模块的控制。
1 100k V高压脉冲电源的主回路结构①
100k V高压脉冲电源主回路( 图1) 有两台双副边绕组油浸隔离变压器,每台油浸变压器分别连接两台干式多副边绕组变压器( 具有26 组副边绕组) ,干式多副边绕组变压器的每组副边绕组给一台电源模块供电,最后相邻电源模块的正负极相连,104 个电源模块串联运行,实现高压输出。其中,油浸变压器的输入输出均为10k V,主要用于隔离高压; 同时,两台油浸变压器的原边绕组分别移相 ± 7. 5°,则两台油浸变压器的原边绕组相位相差15°,且油浸变压器的两组副边绕组为星形连接,因此该电源可实现24 脉波整流运行,降低电源输出电压的纹波。
100k V高压脉冲电源由104 个结构相同的PSM电源模块( 图2) 串联而成。PSM电源模块主要包括软启动部分、整流桥、滤波电容、交直流熔丝、绝缘栅双极型晶体管( Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT ) 、可控硅整流器( Silicon Controlled Rectifier,SCR ) 、续流二极管和控制部分[2~5]。
2 等效数学模型
100k V高压脉冲电源是由结构相同的PSM电源模块串联而成的,因此电源的整体等效数学图1 100k V高压脉冲电源主回路结构模型与单模块电源模型基本相同[6~8]。100k V高压脉冲电源上升沿模型可以等效为一阶滑模电压控制( 图3)[9~15]。
选取参考输出电压误差x1= ( Vref- β v0) 及其变化率x2= - ( β / c) ic为状态变量,则可以得到如下状态方程:
式中L、RL、C———等效模型中的电感值、电阻值和电容值;
Ua———当前输出电压值;
Ui———单个电源模块的电压值;
u———开关控制量,u的取值为-1(切除电源模块)、0(保持当前电源模块的状态)、1(投入电源模块);
Vref———参考电压;
β———滑模系数。
由于高压电源在上升沿时可以简化为一个二阶控制对象,根据滑模反馈控制技术的降阶控制特性,因此只需设计一阶滑模面方程即可。选取切换线S = αx1+ x2= 0,从而得到切换函数为:
其中,α > 0,以确保滑模运动稳定。根据两个状态变量的定义,切换函数产生的开关切换控制规律为:
式( 3) 的理论切换频率为无穷大,因此必须采用降频措施,通常采用滞环调制降频。
由于滑模反馈控制属于控制受限的滑模控制,因此滑模区是有限的,系统不一定第一时间进入滑模区。为了保证高压电源系统能够顺利进入滑模区,必须分析高压电源一阶滑模控制的滑模区。根据滑模面方程S = αx1+ x2= 0 可以得到高压电源的滑模运动规律为[16~20]:
其中,t1为系统运动至滑模面并开始滑模运动的时刻( t1之前系统做趋近运动) 。由式( 4) 可知,滑模运动趋近滑模面的速度直接取决于滑模系数,其值越大,系统进入滑模面的速度越快。
为了分析滑动模态区,将滑动模态存在条件等价为:
将式( 5) 代入式( 1) 可得:
假设式( 6) 中两条直线 λ1= 0、λ2= 0 与滑模面S = 0 的交点分别为x1A和x1B,则有:
则系统的滑模区为:
3 仿真
根据上述分析,对滑模反馈控制方法进行仿真。设高压电源的输出电压超调量2% ,负载电阻1kΩ,仿真电路采用滞环调制方式,滞环宽度2 000。仿真电路( 图4 ) 采用模/ 数混合仿真,主要由电源模块、数字控制器及滑模控制器等组成。
图5 所示为滑模反馈控制仿真结果,图5b是图5a的局部放大图。可以看出,电压上升时间为108μs,此时高压电源的输出电压为99. 735k V,高压电源的最大过充为970V,完全满足设计要求。
4 实验调试
测试仪器采用DSO5014A示波器,电压测量工具采用ROSS分压器VD-120。图6 所示为100k V高压脉冲电源经滑模反馈控制后的输出波形,图6a中CH1 为高压电源的输出电压波形,纵轴幅值每格表示20k V; CH2 为高压电源的输出电压设定值100k V;CH3 为电流波形,纵轴幅值每格表示40A。图6b为图6a上升沿的放大波形。
由图6 可知,高压电源的输出电压为100k V,高压电源经滑模反馈控制后,电压的过充约为3% ,上升时间约100μs,电流峰值小于60A,较过流保护值120A还有一定的安全裕量,完全达到设计要求。
由于最终EAST-NBI高压电源的额定电压为80k V,额定电流为70A。因此,高压电源的滑模反馈控制电压测试主要在80k V下进行。图7 所示为额定电压为80k V时的高压电源滑模反馈控制输出波形,CH1 为输出电压波形,纵轴幅值每格表示20k V; CH2 为电压设定值( 80k V) ; CH3 为电流输出波形,纵轴幅值每格表示40A; 横轴时间,每格幅值表示1ms。由图7 可知,电压从0 升到设定值80k V的时间约100μs,此时电流约50A,电压只在电流上升时有一个过充,电流峰值约60A。
5 结束语
高压脉冲电源 篇4
关键词：FAIMS,非对称脉冲,半桥,功率MOSFET
近年来,各类生化武器的相继出现、各种恐怖威胁的猖獗迫使世界各国全力研制装备先进的生化检测装置。同时随着社会的发展,人们对环境质量期望日益提高,实现对现场环境的实时快速检测显得尤为重要。但是传统的检测装置检测时间长、体积庞大、成本高,远远不能满足当前的需求。为了克服现有检测技术的不足,基于高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)技术的离子检测器显示出了其巨大的优越性。它具有灵敏度高、检测时间短、检测物质广、体积小以及成本低等优点,可用于大气、有毒气体、水有机污染物、爆炸物、化学战剂等的快速检测,在环境检测、公共安全和生化战场领域均有广泛应用[1,2,3,4,5]。在基于FAIMS的离子检测过程中,符合FAIMS要求的高场非对称电源设计非常关键,其波形质量的好坏直接影响到离子检测器性能。
目前,国外研究FAIMS电源技术的国家和机构比较少。美国新墨西哥州立大学的Eiceman等人利用MEMS技术开发了一种基于FAIMS原理的微型离子过滤器[6],使用的电源是Krylov提出的后过冲发生器(Back-Overshoot Generator)[7],采用软开关半谐振式的方波来产生射频非对称波形,其特点是频率高、功率消耗小,但波形为近似正弦的非对称波形,与方波相似度为50%。加拿大国家研究委员会国家测量标准研究所也在从事FAIMS方面的研究,他们采用了美国DEI(Directed Energy Inc.)公司提供的高频高压方波脉冲电源,利用多个谐振波形叠加得到非对称脉冲,输出波形与方波的相似度为40%[8]。美国华盛顿大学的基因科学部和化学部也在从事用于FAIMS的波形发生器研究并取得了一些有效成就[9]。国内主要是中北大学电子测试技术国家重点实验室和清华大学精密仪器与机械学系精密测试技术与仪器国家重点实验室在研究该领域,利用半桥电路生成方波,然后利用电阻分压电路或者高通滤波器实现非对称方波[10,11]。总体来说,现有的用于FAIMS的高场非对称波形电源主要存在以下缺点:
(1)非方波脉冲电源在检测分离离子的过程中效率不高。
(2)高场非对称脉冲电源输出波形质量不高,上升沿和下降沿均不够陡峭,直接造成开关管开关损耗过大,进而使得整个电源系统功率上升,体积剧增,对FAIMS装置的小型化不利。
(3)方波电源输出频率占空比调节均不方便,没有显示系统实时跟踪系统状态。
本文在分析FAIMS工作原理的基础上,针对以往方案的不足,提出了基于半桥电路的高频高压非对称脉冲电源设计方案,并完成了整个电源系统的调试,实验结果表明该方案实际可行,效果良好,且克服了以上所述不足。
1FAIMS工作原理
高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)技术是建立在Mason和McDaniel实验观察的基础上[6,12],他们发现离子的迁移率系数K受所施加的电场强度影响。在低电场条件下,离子的迁移率系数K与电场强度无关,当电场强度高到一定值(约11 000 V/cm)以后,离子的迁移率系数K就会以一种非线性的方式随电场强度而变化。在高电场条件下,离子的迁移率K与电场强度关系为[8]
K=K0[1+α1(E/N)2+α2(E/N)4+…] (1)
式(1)中,K0为离子在低电场中的迁移率,α为离子迁移率系数,E为电场强度,N为气体密度。令
α(E)=[α1(E/N)2+α2(E/N)4+…] (2)
则(1)式简化为:
由式(3)可知,K对于每一离子种类是特定的,这就使得低电场强度条件下离子迁移率相同或相近的离子能够在高电场强度条件下被分离开来。
当把一个高频且幅值不对称波形电压施加在由一对电极板所构成的狭窄空间形成一高频变化的电场,当有气流携带离子通过时,离子就会受电场力的作用在两个电极板之间沿电场线方向发生振动,并与气流流速形成合运动,不同迁移率飞离子就会发生分离,如图1所示。
在高频脉冲的每一个周期内,离子都向上部电极(或者下部电极)有一个净位移。不同的离子在载气和电场共同作用下都有各自特定的运动轨迹。
若在加高频脉冲的同时,电极板上再有一直流电压(补偿电压)产生电场,并使这个电场对离子产生的电场力与离子净位移方向相反,那么对于特定粒子在特定电压下离子轨迹就会被“拉直”。这种特定离子将沿着电极中线运动,通过极板,到达离子检测端,而其他离子则会碰撞到极板无法通过,这也就达到了离子检测到目的。
在FAIMS系统中,高场非对称波形电源的设计至关重要,采用高频高压非对称方波对于迁移区的离子分离是最优选择[10]。理想的非对称波形如图2所示,其中上下阴影部分面积相等,即V+t2=V-t1。
2 高频高压非对称脉冲电源设计
2.1主电路设计
主电路采用如图3所示的半桥电路。在非对称高场的作用下,离子检测器等效为一小电容(图3中C1)。VCC和GND分别接高压的正极和负极,C3为高压储能电容,R3为高压限流无感功率电阻。当Q1管和Q2管同时开通时,A点电位参考地为VCC;当Q3管和Q4管同时开通时,A点电位参考地为0。调节R1和R2的电阻值,可让B点电位从0到VCC连续变化,同时调节MOSFET驱动信号频率及占空比,在C1的两端即可生成符合需求的高场非对称方波。
据FAIMS系统需求,指标定为非对称方波峰峰值达到2 kV,频率达到200 kHz。由于现有的高压MOSFET耐压值最高为1 500 V,其参数达不到实验要求,只能采用开关管串联分压的方式。本文选用德国IXYS公司的3N120作为主电路开关管。3N120耐压值1 200 V,所以上桥臂和下桥臂采用两管串联的方式。
2.2PWM信号源设计
随着电子信息技术以及电力电子技术的飞速发展,采用PWM(脉冲宽度调制)波方式实现功率管的通断控制已在电机控制以及电源逆变领域得到了广泛应用。传统的数模集成专用PWM芯片如TL494、SG3525生成的PWM信号波形频率不稳定,易受到外界电磁场干扰,温漂也较严重,进而影响到整个电源系统输出波形的质量。本文采用Atmel公司的基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器Atmega16作为产生PWM信号的源芯片,辅以按键输入电路改变PWM频率、占空比,且采用FYD12864液晶模块实时显示系统信息,调试方便,经济实惠,人机交互界面友好。在生成PWM波时,必须注意上下桥臂两路PWM信号死区时间的控制,死区太小会直接造成上下桥臂直通,死区太大会使输出波形失真且降低输出效率。设定死区满足式td>toff。其中,td为设定的上下桥臂死区,toff为MOSFET关断时间。
2.3高压功率MOSFET驱动电路设计
在高频高压非对称脉冲电源中,MOSFET驱动电路的设计至关重要。桥式电路中每个MOSFET管的驱动必须隔离[13],相应的4个MOSFET需要4套独立的电源系统给驱动电路供电。本文采用的是变压器隔离方式,价格便宜,隔离效果好,驱动功率能够达到要求。本文采用AVAGO公司的10 M高速光耦HCPL—0600进行强弱电隔离;MOSFET栅极驱动器选取IXYS公司的IXDD414,其栅极驱动峰值电流可达到14 A,能够极大地加快MOSFET的开通速度,进而减小开关损耗。具体驱动电路如图4所示。
驱动电路需要注意几个关键点:保证同一桥臂上的MOSFET同时开通,提高驱动信号的一致性,控制在几个ns之内(一致性可通过电阻R5调节);在MOSFET的G端接上栅极电阻Rs,减小栅极的振铃现象和EMI;在MOS管的GS端并联一对稳压二极管,用于保护MOSFET的栅极;在GS端并联电阻R,抑制主电路漏源两端dv/dt对栅极驱动信号的干扰(通过极间电容耦合),保证MOSFET不会误触发;提高驱动电路的驱动能力。在PCB的走线上,四路信号线走线对称,同时MOSFET栅极驱动器尽可能靠近MOSFET栅极,以减少寄生电感,减小驱动回路面积,进而减小开关损耗。
2.4高压功率MOSFET动态静态保护电路
在MOSFET静态保护上,采用在MOSFET漏源端并联电阻的方式,电阻选用1 M功率电阻,使得每个MOS管的静态均压一致。在MOSFET的动态保护上,文献[10,11]中采用了TVS管动态保护方式,开关管在通断过程中引起的电压过冲会使TVS管瞬间击穿。虽然该方式能通过稳压作用将电压箝位在MOSFET安全电压范围内,但主电路会形成瞬间通路,致使主电路电流加大,进而总功率上升。本文采用RCD吸收电路保护方式,动态吸收电压过冲,防止 MOSFET因过压而击穿。相比于文献[10,11],系统功耗更低,输出波形质量更好。
RCD吸收电路中RC参数选择的时候应满足以下关系式
3 系统测试及分析
系统测试时,用47p高压电容模拟离子检测器,测试示波器型号为Tektronix TDS1002B-SC,高压探头型号为Tektronix P6015A。测试过程中,用1∶1隔离变压器为示波器供电。
测试MOSFET栅极驱动信号时, 用普通探头,衰减倍数为10倍,测试波形如图6,其中图6(a)为栅极同步信号,一致性在10 ns之内;图6(b)为互补信号,死区时间为360 ns。从波形上看,驱动信号有微弱过冲,但是不会影响MOSFET的正常通断。测试高场非对称波形时,高压探头衰减倍数为1 000倍,波形如图7所示。其中图7(a)为不加RCD保护电路的输出波形图,从图中可以看出,波形有明显过冲。图7(b)为加上RCD保护电路的波形图,高场非对称波峰峰值为1.98 kV,与理想输出2 kV误差为1%。输出非对称脉冲频率为200 kHz,平均值为1.45 V,虽然与理想的平均值0 V有一点差距,但相比峰峰值1.98 kV,误差仅为0.07%,可忽略不计。波形上升沿和下降沿均在10 ns之内,波形质量较好。
在功率方面,直流源输出电压为2 000 V,电流45 mA,总功率90 W。
4 结论
本文提出了FAIMS系统用高频高压非对称脉冲电源的设计方案,并进行了实验验证,该方案实际可行,达到了预期效果,能满足FAIMS系统工作的需求。所设计的电源输出电压峰峰值达到了2 kV,频率为200 kHz,输出波形上升下降沿均控制在10 ns之内,波形质量较好,且具有电路结构简单、输出频率占空比均可调节、功耗低等特点,为下一步开展FAIMS系统研究工作奠定了基础。
高压脉冲电源 篇5
100 kV/100 A高压脉冲电源是为国家大科学工程超导托卡马克核聚变实验装置 (EAST) 研制的一套高压大功率脉冲电源。此电源采用Pulse Step Modulation[1]技术, 用104个相同的1 100 V/100 A输出的电源模块串联而成, 其额定输出为:100 kV/100 A, 最大工作脉宽1 000 s。由于该电源负载为回旋管, 而回旋管在打火时要求电源系统注入能量小于8 J, 因此, 在负载打火时, 电源必须在5 μs内关断。又由于电流要求在20 μs内上升到100 A, 因此, 该电源又要具有快速开通能力。通过对各种方案的比较, 采用实时操作系统QNX对各个电源模块进行控制, 采用基于WINDOWS操作系统的组态软件力控6.0, 实现对所有电源模块的监控。整个系统具有结构简单、安全可靠等优点。
2 监控系统结构
2.1 监控系统硬件
控制系统网络框图如图1所示, 远控PC机和现场PC机都采用安装实时操作系统QNX的CPCI计算机, 现场PC机和远控PC机通过TCP/IP网络通讯[2,3], 现场PC机配置高速模拟量采集卡MIC-3714和数字量输入输出卡CPCI-7249。系统工作过程为:首先远控PC机把预设电压输出波形通过TCP/IP网络传输给现场PC机, 然后现场PC机通过接收预设波形, 并计算出每个时间点的输出电压值, 最后通过DO卡的输出, 控制模块导通的数目进而得到输出电压。A/D采集卡采集输出电压值和电流值, 采集电压值用于反馈控制, 采集电流值用于电源模块的保护, 当输出电流大于180 A时, 程序应立即切断所有电源模块。监控计算机采用基于WINDOWS操作系统的力控6.0组态软件, 通过光纤交换机与各电源模块的控制板进行网络通讯, 得到各电源模块的实时状态。同时各电源模块的控制板把该模块状态通过TCP/IP网络传输给现场PC机, 现场PC机通过对各电源模块的状态分析, 关闭有故障的电源模块。
该监控系统主要包括:远控PC机、现场PC机、监控PC机、光纤转换箱、光纤交换机和基于DSP和CPLD的电源模块控制板[4]。其中, 远控PC机的主要任务是设定模块的总电压输出波形, 并采集电源模块的总电压输出电压波形, 进行比较。现场PC机根据远控PC机预设波形, 实现模块的输出。由于模块存在高压, 所以模块与外界的通讯都采用光纤实现。
2.2 监控系统软件
2.2.1 远程控制软件
由于该电源模块要求电流上升的时间要小于等于20 μs, 关断时间小于等于5 μs, 因此, 控制系统的实时性要求较高。经过对各种操作系统的比较, 最终选择具有微内核和高可靠性的实时操作系统QNX。
当系统运行时, 首先, 远控PC机发送预设波形给现场PC机, 然后现场PC机根据接收波形, 计算出导通模块的数目, 通过DO卡控制模块的通断, 最后根据AD采集的电压、电流信号, 调整输出电压, 使输出波形与预设波形吻合。当检测到模块输出电流大于200 A时, 应立即切除所有模块;当检测到在200 ms内, 电流大于120 A次数达5次时, 认为电源存在故障, 切除所有模块。同时, 现场PC机把采集的电压波形通过TCP/IP网络传送给远控PC机, 与预设波形比较。控制流程图如图2所示。
2.2.2 远程监控软件
为了保证电源模块安全可靠地运行, 需要实时监控每个电源模块的状态, 并通过TCP/IP光纤网络传送给上位机。每个电源模块需要监控的模拟信号包括:模块输入电压V1、模块输出电压V2和模块输出电流值。每个模块监控的数字信号包括:熔丝状态、真空接触器状态、晶闸管状态、风扇状态、温度、过流、过压和欠压。
监控网络采用TCP/IP光纤通讯, 采集8路开关量 (熔丝状态、真空接触器状态、晶闸管状态、风扇状态、温度、过流、过压和欠压) 和3路模拟量 (模块输入电压、模块输出电压和模块输出电流) 。上位机通过监控网络设定电压比较值 (Vref1、Vref2) , 设定完成后采集比较值发送给上位机。真空接触器的分合由上位机控制, 当真空接触器闭合1 min后IGBT方可动作;如果真空接触器断开, 则封锁IGBT和晶闸管的驱动信号。当上位机发出采集命令, 下位机接收到命令后发送本模块的状态给上位机, 即8个数字量和3个模拟量。如果上位机没有发出停止采集命令, 则下位机始终重复发送本模块状态给上位机, 上位机显示实时显示各模块的状态信息, 包括数据包上传时间。控制板根据上位机的要求, 对控制板的状态自检测, 并把检测结果上传, 包括电源模块各状态是否正常以及当前设定的电流参考值等。
通过对各种监控软件的比较, 最终选择力控6.0组态软件, 该软件具有开发环境友好、实时性强、功能强大等优点, 监控界面如图3所示。
3 模拟调试
用一台CPCI工控机、一台普通工控机、15个电源模块, 对系统进行模拟调试。测试仪器采用泰克公司的20 kV高压肽头和安捷伦公司的DSO5014A示波器。用一台PC机网口, 通过网线与研华公司的EKI-1526相连, 然后经过光电转换, 通过多模光纤与控制板相连。另一台PC机通过光纤转换箱与控制板相连, 用于控制IGBT的通断。
图4为主控计算机连续投切15个电源模块时, 测得的输出总电压和总电流波形。图中, 波形1表示输出电压波形, 采用泰克公司的20 kV高压肽头测得, 电压缩放比为1∶1 000, 因此, 15个电源模块输出的最高电压为15 kV;波形2为电源模块总电流波形, 电压缩放比为1∶20, 因此, 15个电源模块输出的最大电流为100 A。从图中我们可以看出, 在电源模块的连续投切过程中, 模块投切间隔均匀。
图5为从主控计算机发出同时投入15个电源模块, 然后运行53 ms, 最后同时切除的电压电流波形。
图中波形1为输出电压波形, 从图中可以看出, 15个电源模块的投切比较一致。在波形的平顶有一个阶跃, 这是由于模块内部过流信号的设置差异造成的。从图中可以看出, 15个模块同时投入时, 由于过充, 输出电压达到了18 kV, 而过充电流也达到118 A左右, 模块内部设置过流值为120 A;波形2为电源模块的输出电流波形, 从图中可以看出, 该电流波形与电压波形完全匹配。
图6为从主控计算机发出关断IGBT信号到模块输出电压降低到零的延迟时间波形。图中波形1为电源模块在关断时, 电压输出波形, 从图中可以看出, 电源模块从16 kV到零的时间约为3 μs, 由于主控计算机信号通过光纤传输, 并且距离只有40 m远, 因此光信号的延迟时间不会超过1 μs, 所以电源模块的关断时间完全满足小于5 μs的设计要求;波形2为输出电流波形, 从图中可以看出, 电流的关断时间约为15 μs, 这是由于负载为电感性负载造成的。
4 结束语
本文的创新点是:通过实时操作系统QNX与光信号相结合, 来实现电源模块的投切, 进而得到设定的电压值。考虑到模块的安全运行, 采用光纤TCP/IP网络采集各电源模块的状态, 实现了电源模块的实时监控。考虑到模块输出的最高电压达100 kV, 因此, 包括主控计算机和监控计算机在内的所有与模块的通讯, 都采用光纤实现, 提高了整个系统的可靠性和安全性。通过对15个电源模块的模拟调试, 可以看出, 基于QNX和力控6.0的100 kV/100 A高压脉冲电源监控系统是切实可行的。
参考文献
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电除尘用新型高频脉冲电源 篇6
2011年7月29日, 环境保护部和国家质量监督检验检疫总局共同发布《火电厂大气污染物排放标准》, 将烟尘排放量统一标定为30mg/m3以下, 而GB13223-2003标准则实行不同区域不同时段的不同标准。而环境污染日益严重, 雾霾天气严重威胁着人们的生活。作为污染源之一的火力发电厂烟尘排放治理首当其冲。
1 静电除尘器
静电除尘器可用于收集和清除工业生产过程中排放的气体流中的颗粒物。将除尘器施加高压电场, 粉尘流经静电除尘器的放电电极, 电极产生电荷依附于燃气流中的颗粒, 带负电粒子被吸附于静电除尘器阳极, 带正电粒子被吸附于除尘器阴极, 由此从气流中去除带电粒子, 排放气体中的颗粒浓度可以明显减少。所收集的颗粒集附在静电除尘器两极极板上, 而后由机械振打装置定期清除。
当处理高比电阻粉尘时, 除尘效率将会降低。高比电阻粉尘颗粒与除尘器极板电极相同, 它会在粉尘层的空隙间产生局部击穿, 产生与电晕极极性相反的正离子, 并向电晕极运动, 中和电晕极带负电的粒子从而会使原本吸附在极板上粉尘层再次扬起, 这种现象被称为“反电晕”或“反电离”。
针对上述工况, 一般采用脉冲或间隙方式解决, 同时需要配合直流供电, 多种工作方式并存, 这样既能实现节能又能保证排放达标。提出的新型高频脉冲电源是一种组合方式的电源, 能够实现直流叠加脉冲供电, 国内在这方面的研究起步比较晚, 主要集中在高校, 但市场上尚未见到成熟产品;国外在这方面的研究较早, 典型的厂家有丹麦史密斯和韩国浦项制铁。
2 新型高频脉冲电源
新型高频脉冲电源中的脉冲产生系统有两种主要类型:基于低电位的转换开关;基于高电位的转换开关。
前一种是具有原边和副边绕组的变压器和晶闸管开关的脉冲产生系统。电源输入端接充电电感, 接到变压器原边, 其原边连着充电电容和浪涌电感。钳位二极管和电阻电容的并联组合构成的钳位电路连接在浪涌电感和充电电容之间的节点上, 以限制浪涌电感和变压器原边两端的电压。
后一种是带有含原副边绕组的变压器的脉冲产生系统, 电源输入端接一个储能电容和一个连着变压器原边的晶闸管电路。一个二极管连接在电容和电阻并接的电路构成晶闸管保护电路。
例如, 一个接在变压器二次绕组上的35k V供电的除尘器, 除尘器上有一个检测装置, 可以检测电压快速变化所造成的火花, 关断晶闸管, 以保护晶闸管电路。然而这种检测装置增加了脉冲发生系统的成本。
以上两种脉冲电源都是以提高除尘效率为目的, 然而, 都涉及到一个核心问题, 就是当除尘器内部发生火花时, 变压器满额运行, 这将影响除尘器本身运行的稳定性, 系统中当发生火花时电流变化非常快, 开关模块因此将存在潜在的危害, 装置的寿命将被缩短。
这里选择第一种, 即转换开关在低压侧, 采用IG-BT实现通断控制, 系统结构如图1所示。当静电除尘器脉冲通电时, 持续时间短的高电压脉冲叠加平滑的直流电压, 被施加到静电除尘器上。脉冲宽度通常为100μs或者以上, 以每秒1~400个脉冲不断重复。系统在保持施加在除尘器上的电压电平的前提下, 通过改变开关装置的脉冲发生次数来控制平均电流。此方法可限制或者消除反电晕的产生, 很大程度上改善其负面影响。
3 MATLAB/SIMULINK仿真
新型高频脉冲电源系统仿真图如图2所示, 其中POWER1为直流电源, POWER2为脉冲电源, C2和R3构成电除尘器的等效模型, POWER1和POWER2通过耦合电容连接在一起给电除尘器供电。
POWER1采用单相H桥逆变回路, 开关频率在10k Hz以上, 输出波形如图3所示, 可见电压波动较工频电源模式大大改善;POWER2采用由储能电容、开关器件和电感构成的一个串联谐振电路, 其输出波形如图4所示。
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小孔加工电火花脉冲电源实验研究 篇7
随着制造技术的不断发展尤其是排放控制技术的进步,柴油发动机在车载动力领域占有着非常重要的地位。喷油嘴是柴油发动机的关键部件,而喷油孔又是喷油嘴上的主要结构,因此加工高质量的喷油孔是柴油发动机提高排放标准的必然趋势。电火花加工时,加工电极与工件采用非接触式加工,没有机械加工的切削力,因此非常适合小孔加工[1]。小孔加工机床所用脉冲电源为关键性部件,其性能的优劣,直接影响小孔加工的精度、速度和稳定性[2]。文献[3]叙述了四种脉冲电源控制方式,提出了一种可控RC脉冲电源的设计方案。文献[4,5]在电火花脉冲电源前级引入了串并联谐振技术,减小了功率器件的开关损耗,但后级并未引入限制拖尾电流的装置。文献[6]针对线切割电源采用CPLD作为控制器分配加工脉冲取得了较好的加工效果。文献[7]引入水基工作液分析小孔加工过程中电压电流的变化以及对小孔加工的影响因素。总之,根据电火花加工小孔的要求,对特定小孔加工脉冲电源展开研究,无论是在理论方面还是在实际应用方面都有一定的价值。
本文从脉冲电源方面入手,对脉冲电源PWM控制器原理和DC/DC变换器性能行了分析,并对加工脉冲时序控制器结构进行了设计,然后利用小孔加工实验对电源的稳定性和可靠性进行了验证。
1 小孔加工脉冲电源拓扑结构及原理
1.1 小孔加工脉冲电源主拓扑
图1为小孔加工脉冲电源主拓扑结构图,电源主回路分为整流滤波器、全桥DC/DC变换器以及加工脉冲变换器三部分。整流滤波单元选用三相380V交流电输入,通过三相不控整流模块D1滤波后得到530V左右直流电压;四个IGBT主功率管Q1~Q4组成了H桥DC/DC变换器,由PWM控制器调节四个功率管的占空比实现能量的传输和电压的变换。图1中,T1为高频脉冲变压器,实现能量的初级侧和次级侧的交换和隔离,开关管频率控制在10~20kHz之间,T1次级侧快速恢复二极管D2、D3构成全波整流,D4完成续流,L1、C2构成输出滤波器;后级部分设置加工脉冲变换器,主要为脉宽、脉间变换器以及电压采集电路等,加工时根据放电电压的大小(开路电压和加工电压)调节前级DC/DC变换器的直流电压幅值,进而提供击穿延时阶段所需的击穿电压(100V左右)和放电阶段所需的放电加工电压(25V),通过对加工回路电流的检测,消除加工过程中的有害脉冲,避免短路的发生,能够实现小孔电火花加工过程的循环往复。
1.2 基于PWM控制器的DC/DC变换原理
电路中PWM控制芯片选用UC3875移相全桥控制器,在DC/DC控制电路中引入闭环电压负反馈,利用采集信号与参考信号的差值调整主回路中功率器件驱动脉冲宽度,从而实现DC/DC变换器输出电压的调整。图2给出了PWM控制器的基本工作原理。
图2所示输出电压经R1、R2两电阻分压后获得电压采样信号uf,电压采样信号再与参考信号ur进行比较放大后送入PWM控制器,其输出作为功率开关器件的驱动信号调节占空比,从而调节输出电压,不同输出电压对应不同参考电压ur(调节R3、R4)或通过调节采样信号uf(调节R1、R2)来实现。可以看出,实现稳压的关键在于PWM控制器对占空比的调节。
图3所示为调节占空比过程中各部分电压波形变化情况,调节过程如下:
(1)t0~t1阶段,击穿电压延时过程。从t0时刻开始,在击穿电压ud作用下,介质间隙开始击穿延时过程,t1时刻间隙击穿开始放电加工。
(2)t1时刻,DC/DC变换器电压下降进入调节过程。采样电路检测到工作电压的变化,将采样信号反馈回控制器,PWM控制器以较窄驱动脉冲输出,调节输出电压下降,电压UOUT即下降到uf与相对应的维持电压ue,DC/DC调压过程结束。
(3)t1~t2阶段,加工脉冲放电加工过程。t1时刻在采样电路作用下,系统进入PWM低压稳定调节过程,使输出电压值稳定在给定值附近,使加工间隙稳定在放电状态,直至t2时刻放电结束。
(4)t2时刻,DC/DC升压过程。放电终止加工过程结束,间隙两端电压得以恢复,PWM控制器输出较大脉冲宽度,输出电压上升,DC/DC升压过程结束。
(5)t2~t3阶段,消电离脉间和PWM稳压调节过程。t2时刻,脉冲放电结束进入消电离间隔阶段,电路进入PWM升压调节过程,并迫使输出电压维持在给定值附近,加工进入消电离阶段,直至t3时刻消电离间隔时期结束。
图4所示为PWM控制器输出电压波形,其中图4a为放电加工时,间隙电压为25V左右对应的控制器输出脉冲宽度;图4b为间隙击穿时,间隙电压110V左右控制器输出的脉冲宽度。
总结上述过程,脉冲电源完成了从延时击穿到放电加工到最后消电离的往复循环电加工过程,整个控制过程中,控制信号在PWM控制器和加工脉冲时序发生器之间转换,由加工脉冲时序发生器控制脉宽和脉间的时间定时,PWM控制器控制DC/DC变换器输出电压的数值。
1.3 脉冲电源主回路动态数学模型
脉冲电源进行放电加工时,需要电源对放电间隙实时检测,同时进行放电加工维持电压和击穿延时电压之间快速的转换,因此建立电火花加工动态电路模型,能更好地研究电源的动态响应速度,优化电源的控制策略[8,9]。
加工间隙是一个非电阻性负载,根据加工间隙在加工时近似保持电压恒定的特性,击穿后放电加工时的电压可以等效为直流电源U2,电压值维持在25V左右,加工过程中随机因素作为电压源U2的小信号扰动进行处理。系统分为前后两级,分别由对应的功率器件控制,一个加工周期内包含导通和截止两种工作模式,电火花脉冲电源在两种模式下所得等效电路如图5所示,从变换器在功率管导通和截止两种不同状态的不同拓扑结构下的状态空间方程出发,经过平均-小信号扰动-线性化处理,得到表征变换器的电路模型和数学模型[8]。
导通模式下的状态方程为
截止模式下的状态方程为
根据状态空间平均法的原则,脉冲电源的状态方程为
式中,k为前级电路的占空比。
整理得如下状态方程:
对式(4)在工作点附近取小信号扰动为
其中,I为直流电流,为小信号电流扰动,U1为击穿电压,为击穿电压小信号扰动。把扰动信号代入式(4),忽略小信号的乘积项如,直流项如KU1,整理得
对式(5)进行拉氏变换,可得
由于电路输出反馈量为电压uc,消去式(6)中的电流量I(s),因此电路具有两个独立的输入变量U1(s)和K(s),一个输出变量Uc(s),整理得
由式(7)得脉冲电源的传递函数框图(图6)。
图6中虚线部分第一项代表输入电压扰动对输出电压影响的传递函数,第二项给出了占空比扰动对输出电压的影响传递函数,Guc(s)=kuc为输出电压的反馈信号传递函数。
2 小孔加工脉冲电源实验与分析
2.1 小孔加工放电装置原理
小孔加工机床原理如图7所示,加工过程需要各轴配合移动,系统主要包含2个旋转加工轴(B轴、C轴),4个直线进给轴(X、Y、Z、W轴),其中直线进给轴X、Y、Z为传统意义上的3轴系统,B轴负责W轴空间位置的旋转,C轴完成喷油嘴和卡具的旋转定位,W轴用来输送电极丝进给量。电气部分包含了加工脉冲电源、检测电路、光学显微观测系统、交流伺服运动控制系统以及计算机数控系统。
2.2 脉冲电源加工实验与分析
由于喷油嘴加工时测量孔型、锥度难度较大,故测试电源系统采用圆形平板不锈钢工件,通过连续的加工实验,得到碳化钨电极丝加工不锈钢(1Cr18Ni9Ti)时的电极损耗、加工时间、孔型、孔型锥度的数据。工件材料为1Cr18Ni9Ti,尺寸为22mm×1mm;电极材料为碳化钨电丝,尺寸为Φ0.29mm×300mm;设计加工孔径为Φ0.33mm;工作液为去离子水,导电率为17.17μS/cm;冲液方式采用流淌式冲液,冲液压力(或流量)小于10L/h。
表1给出了小孔加工过程放电参数与孔径和电极损耗之间的数据关系。由表1可以看出,脉冲宽度和脉冲间隙对孔径和电极损耗的影响较为复杂,通常情况下,占空比越大,小孔直径越大电极损耗越多,但是占空比太大时往往引起小孔表面粗糙度恶化。因此放电加工时需要选择合理的脉冲宽度和脉冲间隙来获得较好的加工效果。加工过程中不仅占空比对电极损耗产生影响,加工电压以及电流强度对电极损耗都有较大影响,峰值电压提高以及电流强度加大都会造成电极丝的异常损耗。
电源加工过程采用相同电参数连续加工20个孔得到小孔数据。通过已测数据分别得出电极损耗率、小孔椭圆度以及小孔加工单边放电间隙的变化曲线如图8~图10所示。
从图8中可以看出,加工小孔过程中,电极损耗变化平稳,虽有个别试样损耗偏高,但对于整体来讲影响不大,可以通过数据修正加以剔除。同时以上曲线也说明电源加工的稳定性较好,保证了小孔加工的一致性。图9所示为小孔加工过程中电极丝单边放电间隙的变化曲线。从图9中可以看出,入口和出口的单边放电间隙变化都较小。这一方面说明了机床的机械精度和控制系统的稳定性较高,另一方面说明脉冲电源在加工过程中放电稳定,没有出现剧烈的变化。
图10所示为20个小孔加工的椭圆度曲线变化情况,可以看出,20个孔入口的椭圆度整体变化要比出口的椭圆度变化平缓一些,主要原因是电极在初始加工时要经过修整,修整后的电极形状规范,电加工时能更好地保证小孔的圆度,一旦加工到底部穿透时,会产生强烈的边缘放电效应,使得出口椭圆度产生更大的不确定性,因此才会出现图10所示的曲线变化规律。
图11所示为小孔加工脉冲电源放电波形,1为电流波形,2为电压波形,在发生延时击穿时刻电流迅速增加,电压下降为20V左右,维持火花放电。图12、图13为小孔加工后入口和出口的两张显微图片,通过图片可以看出入口处边缘有电火花加工的变质区域,出口直径大于入口直径,图片的放电效果很好地验证了实验数据结果。
3 结论
(1)本文在分析小孔加工电火花脉冲电源拓扑结构和工作原理的基础上,提出通过调节PWM控制器输出脉冲宽度的方式来分别调节加工脉冲电压和击穿电压的幅值。
(2)通过建立脉冲电源主回路动态数学模型,进一步分析了脉冲电源的动态响应速度,优化了电源的控制策略,同时分析了小信号扰动对系统稳定性的影响。
(3)通过小孔加工实验分析了电源参数对小孔孔径、小孔椭圆度以及电极损耗的影响,给出了以上参数和电源特性的变化曲线,实验验证了电源的稳定性。
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新型脉冲电源在除尘设备的应用 篇8
关键词：高频脉冲技术,电除尘器,方波
在科学技术发展的今天, 用20~50KHz高频脉冲电源, 产生直流电压为除尘设备供电, 此种高频脉冲电源展现了除尘设备新技术的改善和提升, 已正在各类除尘设备中被广泛接受和应用, 在除尘业界正在进行推广和变革, 加速了除尘设备高频化进程。
一种电除尘器用脉冲电源装置由脉冲产生主回路、电抗器与变压整流器、智能控制器、二次信号处理电路、触发隔离器、余能回用器与电能偶合隔离器所构成。它在电除尘器供电系统的变压整流器的低压端产生脉冲, 然后通过变压整流器的升压整流后形成既有基础直流电压, 又有脉冲的高压脉冲电压, 提供给电除尘器负载;它通过余能回用器与电能偶合隔离器将电除尘器的电场剩余部分电能进行回收利用, 节省电能。它能有效地解决电除尘器常规直流供电运行中对高比电阻粉尘存在的反电晕问题, 大幅度地提高电除尘器的除尘效率, 节约电能, 电源装置设备简单, 制造成本低, 操作简便, 应用灵活, 适用于电除尘器原有直流供电系统的改造或更新, 可广泛应用于冶金、电力、建材、化工与环保等行业的烟尘治理, 节能减排, 保护环境, 造福社会。
高压高压脉冲电源的电路运行频率是可调控的, 其运行频率远高于电网频率, 在相近除尘效果下, 其体积减少近20%, 并且改善了除尘设备的电源控制, 而除尘设备的电量可控制在微秒级, 不再依托主频整流器电源。
电除尘设备以其除尘效率高、阻力低、烟气处理量大、耐受温度高等优点而成为粉尘捕集回收和气体净化的主要设备, 已被广泛应用于有色金属、冶金、电力、建材、石油、化工等行业。
目前, 电除尘设备主要采用常规直流供电, 该供电方式除尘效率低, 且除尘效率随比电阻的增高而下降, 而电除尘设备采用的脉冲电源供电后, 电源能提供稳定的电场强度, 产生足够强而均匀的直供电流密度, 提高除尘效率, 减少功率消耗及振打粉尘的二次飞扬。
除尘设备的工作原理为:烟气中粉尘颗粒通过除尘设备的高压静电场时, 粉尘颗粒与电极间的正负离子和电子发生碰撞, 粉尘颗粒带了电子和离子后, 在电场力的作用下吸附在异性极板上, 通过振打极板的方式使灰尘落入收集灰装置, 使通过除尘设备的烟气得到净化, 达到排放标准, 保护环境的目的。
电除尘器基本由40多个部分组成, 主要结构如下:
1) 进风口;
2) 出风口;
3) 外壳本体;
4) 阴极线;
5) 阳极板;
6) 阴极小框架;
7) 阳极大框架;
8) 振打装置;
9) 传动系统;
10) 集灰系统;
11) 捅灰装置;
12) 供电装置;
13) 保温层;
14) 内、外部走台;
15) 刮灰系统;
16) 电源控制系统;
17) 分布板;
18) 入孔门;
19) 吊装装置。
做为新型的除尘器供电设备, 电除尘器高频脉冲电源, 在工业应用主要为负直流高压, 通常运行电压低于负100KV, 电压值是由电极间距、烟气条件来决定电场强度, 由高频脉冲电源设备向除尘器输入一个脉冲直流高压到除尘器中, 由电极组成高压框架进行高频放电, 粉尘随烟气通过除尘器的速度, 有脉冲间隔时间10ms内, 不可能躲避荷电, 使除尘设备有更强力的电场吸附粉尘。
通过改善间隔供电, 提高电源效率, 脉冲电源的二次电压可控制在20us, 连续光滑的直流高压消除了原周期内的降压, 使脉冲电源能够有输出更高的电流输出能力, 避免了常规电源电压停止时间长, 没有了吸附颗粒在收尘极上的能力, 导致粉尘二次飞扬的发生, 脉冲电源的电流密度确保了除尘设备的收尘率的提高。
在高频脉冲电源的实际运行中, 脉冲电源改善了除尘设备的除尘效率, 除尘排放量可从40mh/Nm3降到5mh/Nm3, 相当减少了80~90%, 降低排放量的30~70%, 在更多的测试中, 有些甚至更好。
方波脉冲是脉冲电源最基本的一种脉冲的电流形式, 其电流方向不随时间改变的脉冲波形, 脉冲电源在脉冲过程中, 在除尘设备的收尘极板电流导通时, 脉冲 (峰值) 电流相当于普通直流电流的几倍甚至几十倍, 正是这个瞬时高电流密度使金属离子在极高的过电位下被吸附在收尘极板上;当电流关断时, 阴极区附近放电离子又恢复到初始浓度, 浓差极化消除, 这利于下一个脉冲同期继续使用高的脉冲 (峰值) 电流密度, 避免烟尘二次的飞扬现象发生。
当这样的放电过程同期性地贯穿整个收尘过程的始末时, 收尘效果进一步显现它的良好性。
电除尘设备采用脉冲电源是当令电除尘器供电电源的发展最重要的方向之一。理论和实践均证明, 脉冲供电具有可提高烟尘颗粒的收尘效率、减少电源的功率消耗、减少振打引起的二次飞扬、改善除尘的各项性能、减少设计的除尘器收尘面积等诸多优点。
使用高频脉冲电源技术供电的方法, 是一种全然不同的高压直流供电方式, 改进了脉冲次序的高级控制, 带来收尘效率超过传统整流器所使用的简易脉冲方式;高压脉冲电源运行时, 也不再象传统整流器那样必须与50Hz或60Hz半波相关联, 高压脉冲电源可在最佳时间内充电、最佳周期和最佳脉冲高度均可以分别选择, 通过精准的方波, 为除尘设备提供最优质的供电方式。
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