电除尘器高压脉冲电源控制系统设计要点分析

邱 锐

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

高压脉冲直流电源是一种叠加电源，由脉冲源和直流高压电源共同产生特定的高压电场，从而使灰尘积累荷电，在电场力的作用下向特定方向运动。电源控制系统的设计水平直接决定了除尘效果、工作能耗以及设备运行的安全性，因此该文该系统的设计方法进行了研究。

1 电除尘器高压脉冲电源技术原理及电路设计方案

1.1 电除尘器高压脉冲电源技术原理

1.1.1 电压叠加技术

电除尘器需要产生高压脉冲电源，其核心技术是通过脉冲电源和直流高压电源产生叠加的电压，2种电源在除尘中的作用存在一定差异。1）直流高压电源的作用。在电除尘器中，通常将高频逆变电源或者工频相控电源作为直流高压电源，其作用是产生一个基础性的高电压，使除尘器的电场足以起晕，从而让灰尘表面带电，为进一步的收尘创造条件[1]。2）脉冲电源的作用。脉冲电源用于产生高压脉冲，一个脉冲的时长仅能维持在微妙级（不超过100µs），其瞬时电压等级为80kV。在叠加电压的作用下，空气达到电离状态，电场中的灰尘颗粒产生充分的荷电积累。

1.1.2 除尘机理

烟尘颗粒受叠加电压的激发，积累了足够多的电荷。电除尘器工作时形成了电场，带电的烟尘颗粒在电场作用下向集尘系统运动，从而达到除尘的目的。目前，经过电除尘器的处理，烟尘颗粒的浓度可控制在10mg/m3～20mg/m3[2]。

1.1.3 性能优势

对于电除尘器，高压脉冲电源具有一系列优势，主要表现为节能、瞬时电压高，能够合理控制烟尘颗粒的电荷量，避免电荷过度积累。以节能为例，脉冲电压通常仅维持几十微妙，不会过度消耗电能。

1.2 高压脉冲电源电路总体设计方案

1.2.1 脉冲电源设计

1.2.1.1 电路拓扑分析

脉冲电源的发生电路为对称式叠加脉冲，对交流380V三相电压进行升压和整流处理，通过C1、C2这2个C型滤波器完成滤波操作。此时可产生V1、V2共2个直流母线电压，通过2个电感将V1、V2分别连接至储能电容Cr1、Cr2。在电路拓扑中设置2个对称的主功率器件，记为Q1和Q2，Cr1、Q1和Cr2、Q2各自与变压器构成回路[3]。脉冲变压器对电路电能进行变压后，传送至隔直电容，脉冲能量再通过高压隔离电感到达电除尘器。

1.2.1.2 等效数学模型

脉冲源电路拓扑较复杂，简化的等效模型如图1所示。针对等效模型，可计算出输出电压，方法如下。引入2个参数α、β，如公式（1）所示。

图1 脉冲源等效谐振电路图

式中：Cs为等效储能电容。

引入参数k，使其满足关系式1/k=1/α+1/β+1。通过理论推导可求出等效谐振电容Cr的表达式，其计算方法为Cr=kn2Cp。将谐振周期、电路特征阻抗和谐振电路的角频率分别记为Tr、Zr和ωr，根据电学原理可推导出这些参数的数学表达式，以Zr为例，其计算方法如公式（2）所示。

通过以上参数可推导出二次侧脉冲电流、二次电压以及谐振电流的表达式，将二次侧电压记为u2，则u2的计算方法如公式（3）所示。

式中：i2（t）表示二次侧脉冲电流。

1.2.1.3 主回路参数取值

主回路元件的设计参数包括脉冲直流母线电压值、脉冲峰值电压和脉冲宽度等。该文设计中的脉冲源技术指标见表1。

表1 脉冲源主回路技术指标

1.2.2 直流高压电源设计

1.2.2.1 电路拓扑分析

在直流高压源设计中，拓扑结构采用LCC谐振变换器，将其母线电压记为Vin。在电路中设置4个主功率变换器，分别记为Qa、Qb、Qc、Qd，Qa和Qb对称分布，Qc和Qd对称设置，整体形成桥式逆变电路。电路中存在谐振电容、谐振电感，分别记为C's、L's，变压器产生的漏感记为L'm[4]。

1.2.2.2 等效数学模型

直流高压电源的等效拓扑电路如图2所示。等效电流ir存在2种状态，VE的取值与ir的状态存在紧密联系，计算方法如公式（4）所示。

图2 直流高压电源等效谐振电路示意图

式中：u2表示二次输出电；n为变压器变比。

1.2.2.3 主回路参数取值

直流电压源主电路的设计参数包括母线电压、输出电压、输出电流和转换功率等，其设计指标见表2。

表2 直流高压电源主回路设计参数

2 高压脉冲电源控制系统设计要点及性能测试

2.1 控制系统设计要点

2.1.1 主控芯片的控制流程

2.1.1.1 主控芯片

高压脉冲电源的工作模式较复杂，需要精确控制电压、电流输出，如限制脉冲电源的作用时长，因此需要通过芯片建立标准化的控制流程，保证电源的可靠性。该文在设计中采用TMS320F28335芯片。该芯片是一种性能成熟的数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP），负责执行系统逻辑运算、电源运行模式切换、故障处理、启停控制以及中断响应等核心任务[5]。

2.1.1.2 主控芯片的控制流程

主控芯片的控制流程如下。第一，系统启动后进行初始化。主要作用为设定各种初始状态和参数，包括系统时钟、端口功能、通信协议、带电可擦可编程只读存储器基本参数以及程序执行顺序等。第二，由DMA进行数据采集和处理。直接内存存取（Direct Memory Access，DMA）是DSP中的一个硬件模块，负责采集设备运行参数，在电压电流控制、故障诊断和闪络控制中具有关键性的作用。第三，判断系统参数是否正常。DMA采集和处理数据后进行参数判断，如果参数异常，系统内部会发出报警信息。如果报警信息经确认是故障，则进入故障处理流程，否则进入下一个正常流程。第四，判断电场是否闪络。如果判断结果为存在闪络，则执行电火花处理流程。反之则根据采集的数据调整系统的输出。第五，更新串口输入数据。

2.1.2 电压控制方法设计

2.1.2.1 整体控制策略

高压脉冲电源的电压来自2个部分，在电压控制中借助绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）进行分开控制。IGBT具有开关功能，在分开控制模式下，打开或关闭某种电压装置并不会影响另一种电压。IGBT的驱动信号为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），2种电压源均设计有4路PWM信号。驱动信号的频率区间和脉冲宽度见表3。

表3 2类电压源的PWM控制信号设计参数

2.1.2.2 脉冲源电压控制设计

脉冲源需要进行升压，通过母线电压影响二次电压（输出电压），根据其运行特点，输出电压的高低与母线电压的变化呈正相关，因此可通过控制母线电压来决定输出电压的幅值。为了实现母线电压可调，应在其升压变压器前设置可控硅整流器，其作用是调节输入电压，进而影响升压的幅度[6]。脉冲源的4路PWM信号与高压直流电源的4路PWM信号不可同时导通，否则会引起瞬间过电流。针对该情况采取信号错时发送策略，当高压直流电源发送驱动信号时，先将脉冲源的PWM信号屏蔽50µs，从而错开发送时间。

2.1.2.3 高压直流电源电压控制设计

高压直流电源IGBT开关的驱动信号同样为4路PWM信号。当LCC逆变器的驱动波形重合时会引起短路，其潜在原因是逆变器上、下桥臂驱动信号时序错乱。应对该问题的措施为改进驱动信号的发送时序，在其中插入“死亡时间”，该时段内禁止发送PWM驱动信号。

2.1.3 闪络控制策略

2.1.3.1 闪络信号检测

对于闪络检测问题，关键是要掌握其信号特征，具体表现如下：第一，发生闪络时，二次电压的波形会出现畸变，电流也会突然增大。第二，输出电压迅速下降，平均电压缓慢下降。第三，一次电流在极短时间内大幅增加，其幅值大约为正常电流的5倍。第四，一次电流和二次电流的积分值呈增大趋势。第四，为了进行量化判断，需要明确各参数的变化幅度，并设定阈值。

2.1.3.2 闪络处置方法

根据闪络发生的电压源类型，其处置措施包括脉冲源的闪络处理和直流高压电源的闪络处理。以脉冲源闪络处理为例，实施步骤如下：第一，在闪络后，控制系统立即暂停发送PWM信号，时间控制在30ms。在该过程中，电场的绝缘介质可恢复至原有水平。第二，在暂停发波30ms后，PWM信号恢复，IGBT开关打开，恢复闪络前的工作频率。第三，闪络后PWM恢复发波，发送10次PWM信号后，开启可控硅整流器，调节母线电压。第四，提升系统输出电压，并跟踪电源运行状态及各种运行参数。在电源输出电压上升过程中，如果不再出现闪络，则高压脉冲源电场供电恢复正常，否则重新进入闪络检测流程。

2.1.4 系统数据采样

2.1.4.1 数据类型

数据是高压脉冲电源进行控制的主要依据。数据大体可分为3类，包括直流高压电源相关数据、脉冲源相关数据以及电源系统数据。数据类型的细分结果见表4。

表4 系统采样数据分类

2.1.4.2 数据采样方法

通常情况下，主控芯片是数据采集的控制单元，但是在高压脉冲电源控制系统中，DSP芯片承担了绝大部分控制任务。为了降低主控芯片的负担，在设计中引入拓展芯片——现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），先通过该芯片采集模拟量，经过适当处理后将数据缓存至共享存储器内，再通过后者将数据转移至DSP。

2.2 控制系统性能测试

电除尘器高压脉冲电源的核心功能是提供可控的电压输出，该文针对设计的电源电路及控制系统进行升压试验。

2.2.1 脉冲源升压测试

脉冲源升压控制流程为母线电压→改变可控硅整流器导通角→升压变压器→输出电压，输出电压的幅值与母线电压幅值、导通角的大小呈正相关。母线电压与输出电压的试验数据见表5。从表5可知，随着母线电压的升高，输出电压不断升高。当母线电压为1150kV时，输出电压超过80kV（设计输出值），控制系统满足要求。

表5 母线电压与输出电压试验数据

2.2.2 直流高压电源升压测试

直流高压电源的控制方式为调节LCC的工作频率。实际的电压调节效果与IGBT开关周期相关。从理论上讲，最终的输出电压与开关周期呈反比。模拟数据见表6。从中可知，输出电压的变化趋势与理论预期完全一致。当开关周期为100µs时，输出电压为设计值60kV以上。

表6 直流高压电源升压测试数据

2.2.3 温升试验

电除尘器高压脉冲电源在工作过程中存在温升现象，如果温升幅度超过安全阈值，将会对设备造成一定损害。为保障设计方案的安全性，应进场温升试验。试验前，分别检测环境温度、变压器油温、高压直流电源IGBT开关以及脉冲电源IGBT开关的实际温度。使高压脉冲电源在额定功率下工作10h，结束后立即检测以上4个指标的温度。高压脉冲电源运行前、后的温度数据见表7。从中可知，变压器油温在运行后的最高温度为69℃，温升值为29.6℃，变压器上层油温不应超过95℃，温升值不可超过55℃，试验结果符合要求。2个IGBT开关的最高运行温度为57℃，最大温升值为22℃，要求最高运行温度低于80℃，温升值不可超过30℃，因此IGBT开关的温升幅度也符合使用要求。

表7 温升试验前、后的温度数据

3 结语

该文整个研究内容所得结论如下。第一，高压脉冲电源由脉冲源和高压直流电源的电压、电场叠加而成。第二，该电源的控制系统通过主控DSP芯片实现大部分控制功能，具体包括电压电流控制、闪络控制和电源运行数据采集等核心功能。第三，直流高压电源采用LCC逆变器控制体系，其控制方式为调节IGBT开关的周期。第四，脉冲源的电压控制方式为调节母线电压和可控硅整流器的导通角。