（阳春新钢铁有限责任公司 529600）
摘要：静电除尘器被广泛应用于工业废气处理领域，在众多除尘方法中，其具有简单、高效及易于维护等诸多优点而广受业界好评。我国的静电工业静电除尘器于八九十年代由欧美等工业除尘开展较早的国家引入，其废气排放标准多为50~200mg/Nm3，早已不能满足当下出台的严格标准，静电除尘器的革新势在必行。相较于传统的工频电源及高频电源，脉冲除尘器利用高压脉冲短时间内使粉尘荷电，更容易清除细微粒特别是高比电阻细微粒粉尘，有效抑制反电晕，实现废气低排放；同时脉冲电源更节能，是国内外静电除尘领域的研究热点。首先，本文针对静电除尘器的负载特性和除尘效率影响因素做研究，通过对空气放电特性、非稳态静电除尘理论的研究，得到最优供电电压、电晕电流密度的数学表达式；通过对粉尘比电阻、高比电阻粉尘收集过程的研究解释了直流电源的局限性及脉冲电源的优势；通过研究直流叠加脉冲电场中粉尘的运动，优化了多依奇除尘效率公式；为脉冲电源的设计提供理论依据。脉冲供电是目前工业电除尘领域的重要发展方向，脉冲电源工作于负载频繁短路的场合，为实现脉冲回路中开关器件的可靠保护和控制，介绍了一种在中频基础直流上叠加脉冲的技术方案，分析脉冲谐振回路参数，基于DSP 和CPLD 协同控制的控制系统，重点阐述谐振电路IGBT 控制逻辑和闪络保护策略，并搭建脉冲电源样机对方案的应用可行性进行验证，对于脉冲电源的优化和改进具有一定的参考意义。
关键词：脉冲电源；控制系统；过零检测；闪络保护；协同控制
引言
脉冲除尘电源由两个部分组成，基础电源提供稳定的直流电压，建立收尘电场，脉冲部分生成高频窄脉冲，提高除尘器阴极线的放电能力，基础电源可采用工频电源、中频电源和高频电源等，中频电源主电路中IGBT 开关管工作于硬开关模式，与高频电源相比，虽有变压器体积、开关损耗较大等不足，但其拓扑简单、变换功率大、调压控制（一般采用PWM 斩波）线性度和可靠性好，可作为较好的直流基础电源。结合变压器升压的电容贮能式脉冲谐振电路，本文设计了一种在中频直流基础电源上叠加脉冲的脉冲电源控制系统，控制器采用基于DSP 和CPLD 的高速数据采集与处理系统，并设计了基于Labview 的脉冲电源上位机监控与测试平台。
1 主电路参数分析
脉冲谐振主电路原理如图1 所示，直流基础电压与脉冲电压通过电感L2和电容Cc耦合至ESP 阴极放电线，基础直流用于产生收尘场强，其中D 等效为中频电源输出整流桥的高压硅堆。IGBT 关断时，可调供电电源Ups通过扼流电感经变压器原边对储能电容Cs充电，在其开通期间，由储能电容Cs、脉冲升压变压器漏感Ls、电容Cc以及电除尘器负载电容CF构成串联谐振回路，在谐振电流过零时刻，实现IGBT 开关的软关断。谐振期间变压器二次侧电路折算到原边后的等效电路如图2 所示，其中Lm为脉冲变压器的的磁化电感，变比为n，Ｒeq为含变压器绕组和和线路的杂散电阻，Cc1为Cc折算到原边的电容，Ｒ1和C1为ESP 等效负载串联电阻电容Ｒ0和C0折算到一次侧的等效串联电路。
结合工业IGBT 的使用现状，选用1 700 V/1 400 A 的IGBT 模块。为进一步降低IGBT 上的电压应力和闪络时电流幅值，采用如图3 所示的变压器原边双回路串联拓扑形式，当检测到闪络时，脉冲电源控制系统控制IGBT 器件断开，二次侧耦合电容Cc的能量经脉冲变压器对ＲCD 钳位网络的电容充电，使IGBT 两端电压维持在其阈值范围内。对于除尘器本体，若取Ｒ0 = 80 kΩ，C0 = 75 nF，脉冲谐振周期取为75 μs，脉冲电压峰值取为80 kV，基础直流电压Udc取60 kV。考虑IGBT 电压裕量，Ups最大值取为2．3 kV，在对脉冲谐振电路的各元件参数（包括储能电容Cs、变压器漏感Ls及其变比n、耦合电容Cc）实际取值时，可做简化分析：脉冲主回路导线多采用铜排母线，线路电阻Ｒ 很小，主回路看作无阻尼振荡，即α≈0，ω≈ω0，耦合电容Cc在电路中的作用为传输能量并与C0串联分压，若CcC0，Csn2C0，那么C≈C1，脉冲周期 T≈2π槡n2。谐振期间ESP 上电压最大值：Uesp（max）= n UC1≈－Udc －2n Ups，因而变压器变比n＞17．4，考虑到谐振元件参数（Cc、Cs、Ｒeq）等对除尘器等效电容C0上获得的脉冲电压幅值的影响，本设计中取变压器变比n为26，Ls = 5 μH，Cc = 1．5 μF，Ｒ 取0．05 Ω，脉冲谐振一次电流ip、ESP 负载电压UC0的波形如图4 所示。考虑闪络保护电路和变压器偏磁电路的各元件参数选取见表1。
2 控制系统设计
脉冲电源控制系统的控制对象有基础直流和脉冲回路两部分，两者结构分立，而均采用DSP 和CPLD 协同控制架构，完成数据的采集处理、IGBT 逆变桥和谐振回路的控制以及闪络速动保护和ESP 电压快速重建。系统结构如图5 所示，对500Hz 基波逆变的中频电源控制系统作了相关论述，脉冲部分IGBT过零关断和闪络保护控制机制是脉冲电源稳定运行的关键。
脉冲除尘电源的运行控制一般有以下过程：①开机自检，脉冲电源开机后首先对中频基础直流和脉冲电源两部分的故障连锁、各模块电源、IGBT 模块故障信号、AD 采样值和各路温度检测值等进行循环自检，确保主控电路处于良好运行状态；②直流基础电压的建立，引入电压和电晕电流反馈，以应对不同的除尘器运行V－I 特性时，能自动跟踪和调整基础电压，并对脉冲母线电容预充电；③直流电压稳定后，启动脉冲供电，并在脉冲运行过程中，根据烟气排放的浊度，调整脉冲电压的幅值和重复频率，实时监测闪络情况，当发生闪络时，快速闭锁脉冲电源并重建除尘器本体上的脉冲电压。
2.1 过零信号与过流信号的产生
脉冲大电流的检测常采用Ｒogowski（罗果夫斯基）线圈，其具有结构简单、测量范围广、脉冲上升时间可小于一个纳秒和线性特性好等优点。过零检测电路如图6 所示，对谐振回路电流的采样信号Uin经滤波、电压跟随后与标准电位进行比较，再经施密特触发器将过零信号转化为接入CPLD 的TTL 电平，并将其规整化，过零信号采取低电平有效，以提高抗干扰能力。通过调节电阻器Pr1 可以调整过零信号在电流过零点之前产生，以补偿IGBT 驱动控制电路的滞后时间。脉冲除尘电源系统中，脉冲期间分别由IGBT 开关管及反并联二极管通过谐振电流，其峰值可高达6 000 A 以上，通常IGBT具有较强的瞬态过电流通过能力。但因谐振电路的电感L 的影响，如果IGBT 在电流过零点之前关断，将会引起开关损耗增大，温度升高。过大的关断浪涌电压Ldi /dt 是造成IGBT 损坏的主要原因。图7 所示的过流信号产生电路具有反相输出施密特触发特性如图8 所示。当谐振电路电流采样经滤波、电压跟随和同相放大后的输入信号V1 高于正向阈值电压VT+ 时，电路输出低电平VL，二极管D1 由正向导通变为反向截止，且有VT+ =（VH·Ｒ2 +V2·Ｒ3）/（Ｒ2+Ｒ3），当电路输出由低变为高电平VH时，D1 由反向截止变为正向导通，反向阈值电压VT－≈V2，通过调节电阻Pr3 的数值可以调整同相放大比例，进而调整过流时刻的电流数值。图9为过流检测电路在multisim 中的仿真波形。
2.2 IGBT 开关控制
逻辑脉冲谐振电路的谐振周期在百微秒左右，且工作于频繁发生闪络的工况下，采用基于DSP 和CPLD 的软硬件协同控制策略，可以充分利用DSP 丰富的外设资源，并发挥CPLD 工作频率高的特点，提高并行数据处理速率，实现闪络情况下对脉冲除尘电源系统的快速保护。脉冲电路的IGBT 开关控制逻辑如图10 所示，脉冲除尘电源正常运行时，当直流基础电压建立且系统状态良好，由DSPEPWM 模块产生IGBT 开通信号，后进入CPLD 中与硬件过零信号、过流信号、IGBT 错误信号和其他闪络和系统故障闭锁信号经或逻辑输出，该方式下，仅当各信号均为低电平时，CPLD 才能输出低电平IGBT 开通信号。谐振过程中，IGBT 的正常关断由过零信号触发，并辅之以DSP 定时器模块的超时关断控制，当发生闪络时，过流检测电路能迅速产生IGBT 关断信号，闪络电流流向与IGBT 并联的ＲCD 保护电路，实现闪络保护。需要注意的是，当IGBT 电流过大而硬关断时，由于本身的杂散参数也可能导致IGBT 损坏，因而闪络电流过大时，还需要有其他的保护策略。
3 仿真与试验结果分析
3.1 仿真运行
依照表1 中的参数，运用PSIM 分别对图4 中电路进行正常运行和闪络仿真。当闪络发生于脉冲期间时，变压器原边电流急剧增加，在检测到过流而关断IGBT 时，由于ＲCD 吸收回路的存在，使得单个IGBT 开关管两端电压的上升幅值维持在300 V 以内，波形如图11 所示。
3.2 试验结果
按表1 参数搭建样机并上电试验，所加直流基础电压为14kV，脉冲供电电压Ups为500 V，试验波形如图12 所示，过零检测电路能在谐振一次电流（CH3）过零时可靠产生IGBT 关段信号（CH2），谐振周期在85 μs 左右，输出脉冲电压（CH1）幅值为21kV，由于直流和脉冲的相互耦合使脉冲之后基础直流有较大幅度波动。脉冲除尘电源运行监控Labview 平台开发软件简单灵活，具有强大的界面显示和数据处理功能，监控程序能够对脉冲电源运行状态和故障信息实时显示，对DSP 采样数据绘制波形图表并实现控制指令的下发。
4 结束语
脉冲除尘电源作为目前国内环保领域的研究重点，本文介绍了一种在中频基础直流上叠加脉冲的脉冲电源控制方案，对电容储能式谐振回路的参数进行分析，设计了基于DSP 和CPLD 协同控制的脉冲电源保护控制策略，并搭建相应的软硬件平台进行试验论证。脉冲除尘电源设计的难点主要集中在IGBT 闪络保护电路和保护控制策略的设计上，对于实际火花的检测识别也需要进行反复试验，使脉冲电源能平稳可靠地运行于频繁闪络的工作条件下。对于脉冲电源在现场实时运行的基础直流电压、重复频率和脉冲幅值的选择需要进行更多的试验研究，从而掌握其规律，使控制系统能根据工况自适应调制脉冲输出形式，充分发挥脉冲除尘电源的除尘性能。
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论文作者:罗松生
论文发表刊物:《河南电力》2018年21期
论文发表时间:2019/5/22
标签：脉冲论文; 电源论文; 谐振论文; 电压论文; 电路论文; 电流论文; 电容论文; 《河南电力》2018年21期论文;