顆粒傳感器調(diào)節(jié)靜電除塵電源電壓研究

魏勝非，李忠民，陳彩云，許德玄

（1.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130117；2.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024）

近來(lái)的醫(yī)學(xué)研究表明肺癌的發(fā)生呈上升趨勢(shì)，特別是不吸煙者的肺癌發(fā)生率也同樣呈上升趨勢(shì).已有文獻(xiàn)報(bào)道，這種情況的出現(xiàn)同PM 2.5關(guān)系密切.所謂PM 2.5是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5μm的顆粒，它能吸附各種有毒物質(zhì)并直接進(jìn)入人體下呼吸道.現(xiàn)在已公認(rèn)PM 2.5是環(huán)境污染物之一［1－2］.

熱電企業(yè)、供暖企業(yè)所使用的燃煤是PM 2.5的重要來(lái)源之一，因而對(duì)這些企業(yè)排放物的治理是抑制PM 2.5的重要手段.在眾多的治理方法中，靜電除塵是一種較為理想的方法.靜電除塵主要是靠顆粒荷電，荷電后的顆粒被靜電極板吸附而脫除，因而能夠提供顆粒荷電的高壓靜電電源非常重要.由于高壓電源一直工作在滿(mǎn)負(fù)荷的狀態(tài)下，所以其故障率很高；且高壓電源的工作狀態(tài)不能根據(jù)污染物的排放情況進(jìn)行調(diào)整，也浪費(fèi)了大量能源.如果能夠根據(jù)污染物的排放情況，適時(shí)地調(diào)整高壓電源的工作電壓，既可以有效減少污染物排放又可以節(jié)約能源，并有效地降低高壓電源的故障率.為此，本文進(jìn)行了顆粒傳感器調(diào)節(jié)靜電除塵電源電壓的研究.

1 材料和設(shè)備

1.1 顆粒傳感器調(diào)節(jié)靜電除塵電源電壓系統(tǒng)的總體框圖

顆粒傳感器調(diào)節(jié)靜電除塵電源電壓系統(tǒng)由顆粒傳感器、單片機(jī)、高壓電源、除塵極板4部分組成（見(jiàn)圖1）.除塵極板分為筒狀高壓極板和線(xiàn)狀高壓極板，即分別為正、負(fù)高壓極板.一般將筒狀高壓極板作為收集灰塵的極板.

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

1.2 顆粒傳感器

顆粒傳感器由取樣管、硅油玻璃紙轉(zhuǎn)軸、CCD、光學(xué)腔、顯微鏡、硅油玻璃紙帶、步進(jìn)電機(jī)、風(fēng)速傳感器、單片機(jī)組成（見(jiàn)圖2）.取樣管同排煙道相連.硅油玻璃紙帶在步進(jìn)電機(jī)牽引下從取樣管下方沿取樣管滑過(guò)，其速度受步進(jìn)電機(jī)控制.硅油玻璃紙帶是在玻璃紙帶上均勻涂抹硅油制成.涂抹硅油的目的是為了增加對(duì)顆粒物的吸引，利用硅油吸附顆粒物的方法為手工觀(guān)測(cè)的常規(guī)方法.手工操作時(shí)，是在玻璃皿底部涂抹硅油，然后在顯微鏡下觀(guān)察.

步進(jìn)電機(jī)的速度由單片機(jī)控制，單片機(jī)根據(jù)風(fēng)速傳感器測(cè)得的煙道內(nèi)煙塵的速度調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的速度，使得硅油玻璃紙帶通過(guò)取樣管的速度同煙塵的速度相同，這樣取樣能夠反映主煙道截面顆粒物的情況.

硅油玻璃紙帶從取樣管下滑過(guò)，其上的硅油吸附了取樣管內(nèi)煙塵截面的顆粒物，硅油玻璃紙帶在步進(jìn)電機(jī)的牽引下經(jīng)過(guò)顯微鏡，顯微鏡將此圖像放大，在光學(xué)腔內(nèi)CCD將此圖像攝錄.經(jīng)過(guò)圖像處理軟件分析，則此時(shí)的顆粒分布情況即可被獲得.

圖2 顆粒傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.3 高壓靜電電源

高壓靜電電源采用開(kāi)關(guān)電源（switching power supply），即在轉(zhuǎn)換時(shí)，以自動(dòng)控制穩(wěn)定輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路.開(kāi)關(guān)電源由六部分組成（見(jiàn)圖3）：第一部分是輸入電路，它包含低通濾波和一次整流環(huán)節(jié)；第二部分為功率因數(shù)校正部分，其目的是提高功率因數(shù)，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相；第三部分是功率轉(zhuǎn)換，它是由電子開(kāi)關(guān)和高頻變壓器來(lái)完成的，是把高功率因數(shù)的直流電壓轉(zhuǎn)換成受到控制的高頻方波脈沖電壓；第四部分是輸出電路，用于將高頻方波脈沖電壓經(jīng)整流濾波后變成直流電壓輸出；第五部分是控制電路，輸出電壓經(jīng)過(guò)分壓、采樣后與電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大；第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，它產(chǎn)生一種高頻波段信號(hào)，該信號(hào)與控制信號(hào)疊加進(jìn)行脈寬調(diào)制，達(dá)到脈沖寬度可調(diào)［3－4］.

圖3 開(kāi)關(guān)電源方框圖

本開(kāi)關(guān)電源中的功率轉(zhuǎn)換采用IGBT模式［5－8］，選用型號(hào)為SKM500GAl23D／500A／1200V，它的驅(qū)動(dòng)電路選用SKHl22AH4，移相PWM控制芯片選用UC3875.工業(yè)上除塵用靜電高壓通常需要50～100kV的直流高壓，電流一般為50～300mA.

1.4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及材料

為了研究顆粒傳感器調(diào)節(jié)靜電除塵電源電壓的效果，組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示.它由風(fēng)機(jī)、灰塵填料機(jī)、顆粒傳感器、排煙道、取樣煙道、筒狀高壓極板、線(xiàn)狀高壓極板組成.風(fēng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供風(fēng)力，以模擬實(shí)際煙道的顆粒受力情況.灰塵填料機(jī)向煙道內(nèi)添加粉塵.所用灰粉為鍋爐產(chǎn)生的處理后粉塵.筒狀高壓極板和線(xiàn)狀高壓極板組成高壓靜電除塵系統(tǒng).

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)及分析

首先，電源以傳統(tǒng)方式工作，電源的正負(fù)極直接同除塵極板的兩極相連.每間隔10min，改變灰塵量.當(dāng)添加不同灰塵量時(shí)，測(cè)量高壓靜電電源的輸出電壓、電流、電源的工作溫度.重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值.完成電源的傳統(tǒng)工作方式實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)方式實(shí)驗(yàn).將電源組成圖1所示的裝置，傳感器同電源連接后，進(jìn)行標(biāo)定，目的是使電源輸出電壓滿(mǎn)足除塵要求，其排放的煙塵符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).標(biāo)定后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn).同樣每間隔10min，改變灰塵量.當(dāng)添加不同灰塵量時(shí)，測(cè)量高壓靜電電源的輸出電壓、電流、電源的工作溫度，記錄數(shù)據(jù).重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值.得出的電壓數(shù)據(jù)如表1所示；測(cè)出的兩種工作模式下高壓電源溫度變化數(shù)據(jù)如圖5所示；測(cè)出的兩種工作模式下電源耗費(fèi)功率比較如表2所示.

表1 兩種工作模式下電源電壓比較

從表1可見(jiàn)，在傳統(tǒng)工作模式下，由于電壓不能夠根據(jù)除塵的需要進(jìn)行調(diào)整，即使在無(wú)顆粒污染物需要處理的情況下，只要接通交流電源，除塵電源的輸出即為最大輸出電壓7kV.隨著灰塵量的增加，其電壓輸出保持不變.在負(fù)反饋工作模式下，電源電壓隨灰塵量增大而增大.當(dāng)灰塵量為0時(shí)，其輸出電壓為0；當(dāng)灰塵量為最大時(shí)，其輸出電壓為最大.出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)樵谪?fù)反饋模式下，電壓輸出受到傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)的控制，使得輸出電壓可以根據(jù)灰塵量的變化而變化.

從圖5可見(jiàn)，兩種工作模式下，電源溫度都隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但是負(fù)反饋模式增長(zhǎng)的較慢，工作一段時(shí)間后，溫度可低10℃左右.電源溫度的增加不僅耗費(fèi)能量而且不利于元件的工作，增大了故障率.因此，可以看出負(fù)反饋模式將降低高壓電源的故障率.

圖5 兩種工作模式下電源溫度變化

表2 兩種工作模式下電源功率比較

從表2可見(jiàn)，在傳統(tǒng)工作模式下，高壓電源的輸出功率不隨灰塵量的變化而變化，呈一直線(xiàn).而在負(fù)反饋工作模式下，高壓電源的輸出功率隨灰塵量的增加而增加，以滿(mǎn)足處理更多灰塵的需要；在灰塵量最大時(shí)其輸出功率最大.特別是當(dāng)灰塵量為0時(shí)，兩種電源功率相差達(dá)最大值.

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)靜電除塵高壓電源的工作過(guò)程進(jìn)行的深入研究，提出了負(fù)反饋控制機(jī)制并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的裝置.利用此裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)工作模式下，電壓不能夠根據(jù)除塵的需要進(jìn)行調(diào)整；在負(fù)反饋工作模式下，電源電壓隨灰塵量增大而增大.

（2）兩種工作模式下，電源溫度都隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但是負(fù)反饋模式的增長(zhǎng)較慢.

（3）傳統(tǒng)工作模式下，高壓電源的輸出功率不隨灰塵量變化而變化；在負(fù)反饋工作模式下，高壓電源的輸出功率隨灰塵量的增加而增加.

這些結(jié)論表明負(fù)反饋模式工作的高壓電源將對(duì)高壓靜電除塵效率的提高起到重要的作用；同時(shí)具有負(fù)反饋控制的高壓電源也將是今后除塵電源的發(fā)展方向.

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