电力电子技术Power Electronics 第55卷第2期2021年2月Vol.55, No.2February 2021
路景杰，姬军鹏，李冈9，成凤娇
(西安理工大学，电气工程学院，陕西西安710048)
摘要：针对目前高压除尘电源对细微颗粒粉尘除尘效果不佳，难以实现去除宽范围直径粉尘的问题，提出一种
可去除宽范围直径粉尘的高压直流脉冲电源。该电源釆用倍压整流方式实现高压直流基压，采用脉冲整流方
式实现叠加高压脉冲，可实现高压直流基压叠加高压脉冲的波形控制。该电源提高输出电压峰值的同时减小 了平均电压，不仅可提高细微颗粒粉尘的除尘效果，还降低了电源的能耗。同时，搭建了高压直流脉冲电源电路 仿真模型，验证了波形控制策略的正确性。最后，搭建了可去除宽范围直径粉尘的高压直流脉冲电源系统样
机，并通过实验验证了除尘效果。关键词：电源；除尘；脉冲
中图分类号:TN86 文献标识码：A 文章编号：1000-100X(2021 )02-0023-03
A High Voltage DC Pulse Power Supply for Dedusting in Wide-diameters Range
LU Jing-jie , JI Jun-peng , LI Gang , CHENG Feng-jiao
(Xi' an University of Technology , Xi * an 710048 , China)
Abstract : In order to solve the problems that the current high voltage power supply for dedusting has poor effect on
the fine particle dust , and it is difficult to dedust in wide ・diameters range , a high voltage DC pulse power supply for
dedusting in wide-diameters range is proposed . In this power supply , the underlying high DC voltage is realized by us ing voltage-multiplying rectifier , and the superposition high voltage pulse is realized by the pulse mode rectifier.The
controlled wave is formed by overlaying high pulse voltage on underlying high DC voltage.This power supply not only increases the peak output voltage but also reduces the
average voltage , which can not only improve the dedusting ef fect of fine particles , but also reduce the energy consumption of the power supply.At the same time , a simulation
model of high voltage DC pulse power supply circuit is established to verify the correctness of waveform control strat ・
egy.Finally , a prototype of high voltage DC pulsed power supply system that can remove dust of wide range and diam ・ eter is built , and the dedusting effect is verified by experiment.
Keywords : power supply ； dedusting ； pulse
Foundation Project : Supported by Transfer and Promotion Plan of Scientific and Technological Achievements in
Shaanxi Province (No.2020CGXNG-006) ； Science and Technology Innovation Guidance Project of Xi ,an(No.201805- 037YD15CG21(22))
1引言
工业的快速发展使得空气污染问题日益突
出，雾霾危机已经成为社会关注的头条。工厂排放
的粉尘和废气严重影响着环境和人体健康，因此
对排放的工业废气进行降尘处理变得尤为重要。
电除尘技术作为最有效的除尘手段之一，越来越 受到重视叫
目前，国外对电除尘研究较深，大多采用理论
基金项目：陕西省科技成果转移与推广计划(2020CGXNG-
006)；西安市科技创新引导项目(201805037YD 15CG21 (22)) 定稿日期：2020-06-28
作者简介：路景杰(1991-)，男，陕西西安人，助理工程师，
研究方向为工业电源波形控制技术。(通信作者：姬军鹏)
研究与实验结合的方法，但更多的是研究新型的
除尘电源电路拓扑。国内目前关于电除尘的研究， 大多集中在：静电除尘原理与数学模型研究、存在 的问题与改造实验研究、供电电源研究等。在电除
尘装置供电电源的研究方面，高频高压除尘电源
以其体积小、损耗小、效率高的优点巴被广泛应 用于工业电除尘领域，但高频高压电源对细微颗 粒粉尘的除尘效果不佳，无法实现去除宽范围直
径粉尘DT，致使除尘效果难以达到预期值。
针对这一问题，在此提出一种基于高压直流
基压叠加高压脉冲的波形控制策略的高压直流脉
冲电源，既能降低电源能耗，又能增强除尘器对细
碎花刀刀微颗粒粉尘的收集能力，可有效去除宽范围直径
范围的粉尘。
23
第55卷第2期2021年2月
电力电子技术
Power Electronics
Vol.55,No.2
February2021
2高压直流脉冲电源主电路拓扑设计根据粉尘颗粒的荷电性质，要实现宽范围直径的粉尘去除，电除尘装置的供电电源需采用高压直流叠加脉冲的供电方式，资料表明脉冲除尘电源的脉冲频率为300-500Hz且脉宽为75jis更加适合工业废气除尘的需要问，所研制的高压直流脉冲电源指标如下：额定输出电压为35kV，额定输出功率为3.5kW，脉冲电压幅值为30kV，脉冲频率为400Hz，脉冲宽度为75|xs。
高压直流脉冲电源电路拓扑如图1所示。该高压直流脉冲电源电路拓扑分为2部分，高压直流部分主要由单相桥式逆变电路、变压器及十倍压整流电路组成；高压脉冲部分主要由单相桥式逆变电路、变压器及不控整流电路组成。
ii忸炼v胡
T,
可见，当交流输入电压u2到负半周期时，二极管VD5导通，此时形成的电流如回路1所示，电容G两端的电压为V2u2，当％到正半周期时，VDs 截止，VDe导通，此时电流如回路2所示，电容C3两端的电压为G两端的电压和输入电压的叠加，即2V2u2，当九再到下一个负半周期时，VDs截止,VDs和VD?导通，C2两端的电压为2VT u2，由于G和C2为串联所以该电路最大可输出的电压为3匹九，该倍压整流电路在提高输出电压的同时降低了变压器的变比和整流电路中元器件的耐压等级，可大大降低硬件电路的成本。
3高压直流脉冲电源控制系统设计
所提高压直流脉冲电源的控制系统原理框图如图3所示，该控制系统釆用全数字化控制，控制器采用DSP，可提高控制灵活性和精度叫
Hr—
2S SZ -HH-VD5~VD|4：
Ci：
；高压直流
高压脉冲6+
上
脉
冲
+
直
流
图1高压直流脉冲电源电路拓扑
Fig.1Circuit topology of high voltage DC pulse power supply 图1中V1~V4以及V P1~V P4均为IGBT；T，和T2均为高频变压器，其中T|的变比为10:113,T2的变比为1：100。
该高压直流脉冲电源以单相工频交流作为输入，经整流滤波后形成工频脉动的直流电压，一路经过开关频率人=20kHz的逆变电路后形成高频的交流电压，再经过高频变压器进行升压，最后通过十倍压整流电路形成高压直流电压；另一路经过开关频率$=200Hz的逆变电路后形成双极性的脉冲，经过变压
器升压并整流后形成400Hz的单极性高压脉冲电压。该高压直流脉冲电源既有高频高压直流又有高压脉冲，用于电除尘装置的供电。
以三倍压整流电路为例对倍压整流电路工作原理进行阐述，三倍压整流电路如图2所示。
—Q+
Ti—
AC£2123；HVDj SJVDs；
T~~||-------------------
-c3+
2SVD,
图2三倍压整流电路
Fig.2Triple voltage rectifier circuit
压
―
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分体滑板
喲
一
」
压
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相
逆
仏
全常蟲变
［控制电路
ii d电
除
尘
装
置
h
PWM2（4路）疇压
嚼压
图3控制系统原理框图
Fig.3Control system principle block diagram
该高压直流脉冲电源控制策略是在单相全桥逆变部分采用单相移向调压的控制方式实现对输出电压的控制。反馈信号通过隔离供电的霍尔电压传感器获取，该信号经过调理电路后送入DSP，通过将反馈信号与给定值作差并进行PI调节，完成对基准桥臂与移相桥臂的PWM控制信号相位差的调整，调整后的PWM控制信号经过驱动电路隔离放大后作为IGBT的驱动信号，从而实现对高压直流脉冲电源的稳压控制，提高高压直流脉冲电源的稳定性和输出电压精度。
该高压直流脉冲电源还具有过压及过流保护功能，霍尔传感器检测到的高压直流和高压脉冲输岀电压与电流信号经过调理电路处理后送入DSP，并将其与保护值进行比较，若检测到的输出电压或电流大于保护值，则DSP封锁PWM信号，可有效防止电除尘装置过压、过流等故障的发生，保障电源的安全运行。
3.1驱动电路设计
高压直流脉冲电源选用的IGBT型号及参数
24
一种去除宽范围直径粉尘的高压直流脉冲电源
为IKW40N120H3,1200V/40A，选择1ED020I12-
F2作为IGBT驱动芯片并设计驱动电路。
该IGBT驱动电路可直接将DSP控制信号作
为输入信号，并输出双极性电压驱动信号用于驱
动IGBT。该驱动电路还具有输出信号箝位JGBT
过压过流检测及保护功能，当发生IGBT过压过流故障时，该电路将自动封锁驱动信号，并通过FLT, RDY管脚将故障信号反馈给DSP，可有效防止电路因故障而损坏m。
3.2调理电路设计
高压直流脉冲电源控制系统中的调理电路用于对反馈信号的滤波、电平转换及限幅处理，使其转换为DSP能够识别和处理的标准信号。调理电路包括电压调理电路和电流调理电路，在此对电压调理电路进行设计说明，如图4所示。
(a)高压直流输出电压
(b)高压脉冲输出电压(c)高压直流脉冲输出电压
图5仿真波形
Fig.5Simulation waveforms
5除尘效果实验验证
图4电压调理电路
Fig.4Voltage conditioning circuit
该电压调理电路先通过采样电阻Rj，将霍尔电压传感器输出的采样信号转换为0~5V的电压信号，再通
过2级反向比例电路将上述电压信号转换为0~3.3V电压信号，最后经二极管限幅至0~ 3.3V后输出至DSP进行闭环稳压控制。该电压调理电路输入输出关系式为：
血=0.66&(1) 4仿真及分析
在PISM软件下对高压直流脉冲电源进行建模仿真，设置输入电压坷=220V(50Hz)，脉冲频率400Hz，脉冲宽度75p.s,T，的变比为10：113,T2的变比为1：100，得到的仿真波形见图5O图5a中高压直流输出电压幅值约为35kV；图5b中高压脉冲输出电压幅值约为30kV，脉冲频率为400Hz，脉冲宽度75|xs；图5c中高压直流脉冲输岀电压波形为高压直流基压叠加高压脉冲的波形，其中高压直流基压的幅值约为35kV，高压脉冲电压的幅值约为30kV，验证了该电源主电路拓扑及控制策略的正确性。
搭建一个3.5kW高压直流脉冲电源系统样机，该电源系统样机主电路参数与仿真参数一致。
对高压直流脉冲电源系统样机进行上电调试,IGBT驱动波形(未移相)如图6a所示，测得该电源系统样机的输出电压波形如图6b所示。
//(2.5ms/格)
木纤维袜子(b)系统样机输出电压波形
(a)4路1GBT驱动波形(未移相)
图6
Fig.6Experimental waveforms
实验波形
图6a中4路IGBT驱动波形均为双极性电压波形，其中U IG BT1,W1GK2波形互补对称；UIGBT3,UIGBT4波形互补对称，IGBT上、下桥臂的驱动信号存在死区，时间为3戶。图6b为高压直流脉冲电源系统样机输出电压〃。的波形，其中高压直流基压的幅值为35kV，高压脉冲电压的幅值为30kV，脉冲频率为400Hz，脉冲宽度约为75ps，由于变压器存在漏感，因此高压直流基压波形存在尖刺。
将所提电源系统样机作为电除尘装置的供电电源对除尘效果进行验证，除尘效果如表1所示。可见，一般高频高压电源和高压直流脉冲电源均可有效去除大颗粒粉尘，且效果差别不大，但在去除细微颗粒粉尘能力方面，高压直流脉冲电源的除尘能力远高于一般高频高压除尘电源，从而验证了高压直流脉冲电源可同时去除大颗粒粉尘和细微颗粒粉尘。(下转第31页)
25
级联型微电网功率均分控制策略
图13实验波形1
Fig.13Experimental waveforms1
图14实验波形2
Fig.14Experimental waveforms2
6结论
此处针对级联微电网中负载特性差异导致的功率均分问题，提出了一种基于自适应虚拟电容的级联微电网功率均分方法。该方法与现有下垂控制方法的不同之处在于，以电感电流为功率环的参考电流，在逆变器输出端并联虚拟电容，并将虚拟电容看作负载侧，构建出了等效的负载阻抗特性，从而通过等效负载阻抗特性的调节，保证等效负载阻抗特性与下垂方程的匹配性，由此实现了任意负载特性下级联微电网的有效功率均分。
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(上接第25页)
表1除尘效果对比
Table1Comparison of dedusting effect
除尘电源
支的结构
类型
除尘前粉尘颗粒除尘后粉尘颗粒
浓度/jigTn"3浓度/jig•m-3
细微颗粒
粉尘
大颗粒
粉尘
细微颗粒
粉尘
大颗粒
粉尘
一般除尘
电源
10001000842241
所提电源10001000150228
6结论
提出一种高压直流脉冲电源，解决了一般高频高压除尘电源无法同时去除大颗粒粉尘和细微颗粒粉尘
的问题。该电源采用倍压整流叠加脉冲整流的方式，实现了高压直流基压叠加高压脉冲的波形控制策略，增强了除尘器对宽范围直径粉尘的收集能力，从而提升了静电除尘的效率。仿真与实验结果表明，所提出的高压直流脉冲电源可有效去除宽范围直径粉尘。参考文献
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31
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