高壓脈沖電源設(shè)計(jì)及其在除塵中的應(yīng)用分析

韓旭 鄭磊 王旭東 高少龍

（1.中國人民解放軍92236部隊(duì)，廣東湛江 524002；2.新鄉(xiāng)萬和過濾技術(shù)有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

0.引言

現(xiàn)階段，對于除塵脈沖電源來講，一般屬于脈沖變壓器。不過該方式有著一定的不足，如有著較高的能耗，就脈沖變壓器方式而言，很難達(dá)到目前市場的需要。本文結(jié)合LC諧振原理，針對半導(dǎo)體開關(guān)，研究了與之有關(guān)的高壓脈沖電源，有著較為健全的波形，在幅值及頻率等方面都能進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時還對脈沖調(diào)節(jié)問題，制定了科學(xué)的優(yōu)化方案，完善高壓脈沖電源，將其運(yùn)用在除塵系統(tǒng)中，對氣體顆粒物的去除來說，全面分析了幅值及頻率的影響。

1.高壓脈沖電源設(shè)計(jì)

1.1 電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)

如圖1所示，為脈沖電源電路拓?fù)洌ㄟ^控制平臺，來對可調(diào)調(diào)壓進(jìn)行輸出，基于一定倍數(shù)的升壓，從而產(chǎn)生直流電壓。對于負(fù)高壓供電相來說，因?yàn)榫邆湟幌盗械膬?yōu)勢，如起暈電壓并不高，所以選取負(fù)高壓供電，以達(dá)到充電的目的。將電容以及電阻進(jìn)行并聯(lián)，從而當(dāng)作除塵器本體。在開關(guān)導(dǎo)通1次的情況下，就通過電容及電感，而形成相應(yīng)的高壓脈沖，在輸出PWM頻率之后，就可以實(shí)現(xiàn)對脈沖頻率的調(diào)整[1]。在有效改變輸出電壓的基礎(chǔ)上，可以達(dá)到調(diào)整脈沖幅值的目的，因電容及電感的儲能作用，所以和輸出電壓進(jìn)行比較，脈沖幅值相對較高。而基于對感抗進(jìn)行改變，能夠?qū)崿F(xiàn)對脈沖寬度的調(diào)整。

圖1 高壓脈沖電路

1.2 高壓脈沖模態(tài)

通過ATPDraw軟件，來開展電路仿真，利用k1、k2及k3代表時間控制開關(guān)。增加第一個開關(guān)，避免當(dāng)電容放電時，由于供電速度相對快，對脈沖波形造成影響；增加第一個開關(guān)（k2），主要用來取代二極管陣列（如圖2所示）；在充電的時候，用R1來表示限流電阻；添設(shè)電阻R2，避免出現(xiàn)并聯(lián)報錯的現(xiàn)象。通過該軟件電路仿真，可獲取相應(yīng)的脈沖波形。用U1來表示輸出電壓，用U2來表示脈沖電壓，能夠分成多個模態(tài)。模態(tài)a。當(dāng)開關(guān)截止時，電容進(jìn)行充電，輸出電壓持續(xù)提高，當(dāng)達(dá)到一定程度時，脈沖電壓為零，對于這一模態(tài)來講，通常發(fā)生于設(shè)備開始運(yùn)行之后。模態(tài)b。開關(guān)截止，U1和直流高壓相等，同時脈沖電壓為零[2]。模態(tài)c。在t1時刻，獲取驅(qū)動信號開通，電流“+方向”通過開關(guān)。電容和電感形成諧振，電容為放電狀態(tài)，輸出電壓變小；同樣對于C2及L1來講，也會形成諧振，電容2放電狀態(tài)，輸出電壓2增加。模態(tài)d。在t2時刻，U2有著最大值，輸出電壓1降至谷底。在進(jìn)行導(dǎo)通之后，借助自身電流，使開關(guān)為關(guān)閉狀態(tài)。對于電子器件來講，存在著最低反應(yīng)時間，如果超過T/2，則存在著最低反應(yīng)時間，反之亦然。電容2放電，通過二極管陣列朝著電容1的方向流動，回收多數(shù)的電能，從而降低能耗。基于某一時間段，高壓源會向C1提供充電，與此同時，因?yàn)榛厥针娔艿姆磻?yīng)，從而會形成凸起電壓。模態(tài)e。當(dāng)處于t3時刻，基于電阻2漸漸釋放殘留電，就這段時間而言，實(shí)際上屬于一個拖尾。在形成下一脈沖之前，最大程度釋放殘留電，不然的話，將難以確保波形品質(zhì)，可能發(fā)生電場擊穿的情況。具體應(yīng)用時，應(yīng)當(dāng)結(jié)合情況合理調(diào)節(jié)脈沖頻率，避免致使殘留電累積[3]。

圖2 二極管陣列

2.實(shí)驗(yàn)

2.1 高壓脈沖電源實(shí)驗(yàn)

對于脈沖電源的評價，有很多指標(biāo)，其中脈沖寬度較為突出，脈寬越小，則表示電壓峰值越大，所獲得的除塵效果越理想。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合具體的情況，選擇合適的電容值及電阻值，來取代除塵本體，電感是可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的。按照上述模態(tài)分析，能夠得出這樣的結(jié)論，脈寬等于諧振周期，在改變電感值的情況下，可對脈寬進(jìn)行調(diào)整。在脈寬為7.7mH時，根據(jù)有關(guān)的公式，可知脈寬為174ms，實(shí)際值大概達(dá)到165μs；在脈寬為5.35mH時，根據(jù)有關(guān)的公式，可以得知脈寬為145ms，實(shí)際值大概達(dá)到135μs[4]。圖3所示為脈沖波形。與理論值進(jìn)行比較，實(shí)際值相對小，主要因?yàn)楫?dāng)處于1個脈沖周期內(nèi)，半導(dǎo)體開關(guān)已截止，致使脈沖尾部不健全。如果脈寬偏小，則會產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩波，因?yàn)樽疃套饔脮r間大概達(dá)到70μs，不得不電流過零關(guān)閉，對于最小脈寬來講，需超過這一作用時間，否則，難以第一時間關(guān)閉。脈沖連續(xù)、峰值變小，同時拖尾會積累，致使單次周期相對長，基本上不起到除塵作用。

圖3 脈沖波形

2.2 脈寬優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

為獲取趨近于70μs的脈寬，可降低感抗，來減小諧振周期，不過由于工作量繁重，再加上等效抗容不一樣，則應(yīng)當(dāng)制作不一樣的電感來開展匹配。當(dāng)脈沖產(chǎn)生時，電容處于充電狀態(tài)，電流通過半導(dǎo)體開關(guān)，當(dāng)放電時，會通過二極管陣列，根據(jù)該特征，給出圖4所示的改進(jìn)方案。通過對電感的使用，針對于上升沿及下降沿，實(shí)現(xiàn)對二者比例的改變[3]。在小電感以及大電感依次為212μh、5.35mH時，根據(jù)相關(guān)公式的計(jì)算，得知脈寬達(dá)到87μs，實(shí)際數(shù)值為85μs，上升沿只達(dá)到13μs[5]。具體利用中，固定小電感數(shù)值，通過改變大電感值來開展調(diào)整，降低了工作量。上升沿越小，所獲得的除塵效果越理想，在通過優(yōu)化之后，即便拖尾時間相對長，不過當(dāng)頻率達(dá)到150Hz時，拖尾就會消失，不會致使累積的情況。

圖4 改進(jìn)方案

2.3 除塵實(shí)驗(yàn)

針對高壓脈沖電源來說，在對系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建時。煙霧發(fā)生器（如圖5所示）主要會形成兩種顆粒物質(zhì)，一種是PM10，另一種是PM2.5，借助風(fēng)機(jī)將除塵本體吸收進(jìn)去。在煙氣量及風(fēng)機(jī)風(fēng)速相對明確的環(huán)境下，選取與之相應(yīng)的幅值及頻率，開展一系列的實(shí)驗(yàn)活動，同時再借助檢測裝置，對有關(guān)的顆粒物開展檢測[6]。在實(shí)驗(yàn)（如圖6所示）過程中，不管利用哪一種儀器，都要同除塵本體相聯(lián)系，且要求本體應(yīng)具備良好密封性，如本體中沒有增加電壓，則可當(dāng)作初始濃度。

圖5 煙霧發(fā)生器

圖6 除塵實(shí)驗(yàn)

如圖7所示，若峰值在6kV以下，則去除效果將比較差，如脈沖頻率得到提升，無法全面增加除塵效率，脈沖電壓峰值就會在一定程度上得到增加，上漲到12kV，在此實(shí)驗(yàn)中，對除塵本體而言，它往往會生成電場擊穿，極易導(dǎo)致設(shè)備被損壞，也會對除塵本體進(jìn)行腐蝕，極大地減小除塵效果。在實(shí)驗(yàn)過程中，選取的脈沖頻率有多個，比如20Hz，選取的峰值有8kV等，然后才能開展實(shí)驗(yàn)，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算，獲得相應(yīng)的去除率。在脈沖頻率一致時，若峰值相對較高，則去除率同樣會更高。這是由于若是脈沖電壓上漲，將增加本體電場的強(qiáng)度，提升去除效率。如果脈沖電壓峰值是一樣的，處于20Hz～100Hz之間，那么峰值比較高的話，則去除率也會很大[7]。這是由于脈沖頻率的增加，可以使平均電場得到增加，進(jìn)而增加去除率。若是大于100Hz，去除率一般不會發(fā)生改變，有利于實(shí)現(xiàn)飽和狀態(tài)，讓荷電增加到最大值。如果峰值是12kV，頻率達(dá)到150Hz，那么去除率將大于90%。

圖7 除塵效率

3.結(jié)語

在半導(dǎo)體開關(guān)的基礎(chǔ)上，研究了高壓脈沖電源，但是其脈寬的變動是非常困難的，因此有必要優(yōu)化脈沖方案，讓它更科學(xué)地運(yùn)用在脈沖除塵系統(tǒng)中，針對氣體顆粒物，對幅值及頻率的影響進(jìn)行研究。通過研究得知：如果脈沖頻率一致，峰值比較高的話，去除率也會更大；當(dāng)峰值一樣時，在20Hz～100Hz之間，電壓峰值越大，去除率也就更高；如果峰值是12kV、頻率是150Hz，那么去除率將大于90%。