電除塵器高頻脈沖電源及控制系統(tǒng)

1、電除塵器高頻脈沖電源及控制系統(tǒng)項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告項(xiàng)目類別：江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目項(xiàng)目編號(hào)：BY2015070-08項(xiàng)目名稱：電除塵器高頻脈沖電源及控制系統(tǒng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：徐志科項(xiàng)目周期：2015年1月2017年12月東南大學(xué)江蘇一品環(huán)?？萍加邢薰?018 年 6 月 20 日一、項(xiàng)目概況（ 一） 項(xiàng)目背景與意義電除塵器因其除塵效率高，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低廉，而廣泛地使用于電力、冶 金、石化、建材、機(jī)械、醫(yī)藥等行業(yè)中各種工業(yè)窯爐煙塵治理。它是典型的機(jī)電 一體化設(shè)備， 由機(jī)械本體和電氣控制兩部分構(gòu)成。 電除塵器電氣控制系統(tǒng)的主要 功能是為除塵器本體提供建立收塵靜電場(chǎng)用的直流高壓和對(duì)電除塵器輔助電氣 設(shè)

2、備進(jìn)行控制和保護(hù)。 多年的電除塵理論研究和實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明， 電除塵器電 氣控制系統(tǒng)的供電及控制特性對(duì)電除塵器的性能有著重要影響， 電氣控制系統(tǒng)的 工作狀況必須時(shí)刻適應(yīng)除塵工況的變化， 才能保證電除塵器始終工作在最佳的狀 態(tài)下。例如在高粉塵濃度工況下， 提供幅值盡可能高的純直流電壓， 將大大改善 電除塵器的除塵效果， 而在普通工況和高比電阻粉塵工況下， 提供具有特定幅度 和周期的脈沖供電波形， 將會(huì)獲得良好的節(jié)能運(yùn)行效果和除塵效果。 正是由于電 除塵器實(shí)際運(yùn)行過程中除塵工況的復(fù)雜性， 使電除塵器電源技術(shù)理念大大區(qū)別于 其他領(lǐng)域使用的電源技術(shù)。 因此，開發(fā)能夠更好的適應(yīng)電除塵器復(fù)雜的運(yùn)行工況，

3、保證電除塵器的運(yùn)行效果的新型電源技術(shù)， 客觀上成為推動(dòng)電除塵器電源技術(shù)發(fā) 展的直接技術(shù)動(dòng)力。在我國(guó)，從2004年1月1日起，GB13223-2003火電廠大氣污染物排放標(biāo) 準(zhǔn)已經(jīng)正式頒布實(shí)施， 新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于已經(jīng)建成投運(yùn)和尚未建成的火電廠煙塵排放 濃度有了更加嚴(yán)格的要求， 這對(duì)以電力行業(yè)為主要市場(chǎng)的電除塵行業(yè)， 帶來(lái)的新 的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。 對(duì)于新建火電工程， 為了滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求， 必然要提高電除塵 器本體的設(shè)計(jì)裕度，這直接導(dǎo)致了設(shè)備和工程造價(jià)的提高。 對(duì)于已投運(yùn)電除塵器， 如何克服設(shè)備場(chǎng)地等不利因素影響， 制定合理的技術(shù)改造方案， 使電除塵器實(shí)現(xiàn) 達(dá)標(biāo)排放。這些都成為整個(gè)行業(yè)共同關(guān)心和急待解決的問

4、題。 對(duì)于占電廠廠用電 約 6%左右的電除塵器來(lái)說(shuō)，如何降低其能耗也是各個(gè)電除塵器電源廠家所關(guān)心 的問題。因此，開發(fā)新的電除塵器電源技術(shù)，通過電源供電技術(shù)的改進(jìn)，充分挖 掘現(xiàn)有電除塵器本體設(shè)備的潛力并最大程度的降低電除塵的能耗， 將具有重大的 現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。電除塵運(yùn)行過程中，用于高壓收塵的電耗可分為三類，一是用于粉塵的荷電 與捕集的電能， 稱為“有效”電能；二是對(duì)粉塵的荷電與捕集起破壞作用的電能， 稱“反效”電能，如反電暈、二次揚(yáng)塵等；三是介于上述兩者之間，即不有利也 不有害的電能稱為“無(wú)效”電能，如電暈放電過程中，沒有用于粉塵的荷電與捕 集的多余電荷等，這部分屬于浪費(fèi)的電能亦稱“浪費(fèi)”

5、電能。電除塵過程中，有 效、反效、無(wú)效電能是交織在一起的，實(shí)際上，在總的電能消耗中，有效電能很 少，反效和無(wú)效電能占絕大部分，通過先進(jìn)的技術(shù)措施，提高有效電能比例，降 低反效與無(wú)效電能比例， 則可使電除塵器在原有基礎(chǔ)上達(dá)到進(jìn)一步提高除塵效率 降低煙塵排放濃度， 并同時(shí)降低電能消耗之目的。 在理論分析及借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn) 經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究發(fā)現(xiàn)， “特定脈沖性”的供電波形能夠大幅度降低電除塵器的 運(yùn)行電耗，提高除塵效率。將 IGBT 高頻開關(guān)逆變整流技術(shù)應(yīng)用在電除塵器的供 電控制中， 與傳統(tǒng)的可控硅調(diào)壓型電源相比， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電除塵電源輸出波形和 周期等參數(shù)的大范圍調(diào)節(jié)， 在提高電除塵器除塵效率的同時(shí)

6、， 實(shí)現(xiàn)電除塵的節(jié)能 運(yùn)行。( 二) 主要研究?jī)?nèi)容與考核目標(biāo)本項(xiàng)目為東南大學(xué)與江蘇一品環(huán)保科技有限公司合作承擔(dān)的產(chǎn)學(xué)研前瞻性 研究項(xiàng)目， 主要是立足于行業(yè)和企業(yè)的重大發(fā)展需要， 開展電除塵器高頻脈沖電 源的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)研究，為新產(chǎn)品的研發(fā)打下良好基礎(chǔ)。1、 項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容1) 研究三相全橋交流整流技術(shù)，選擇合適的三相整流橋及相關(guān)濾波電路將 輸入的 380伏交流電整流得到 540V 穩(wěn)定的直流電壓，對(duì)整流橋電路及濾波電路 進(jìn)行仿真，保證整流濾波后得到穩(wěn)定的直流電壓輸出。2) 研究調(diào)幅技術(shù)，根據(jù)實(shí)際情況選定用于調(diào)整的 IGBT 器件及配套電路的 電氣參數(shù)及型號(hào)， 通過電路理論仿真， 確定進(jìn)

7、行調(diào)整的前提和調(diào)整的幅度， 初步 確定調(diào)整策略； 通過軟件控制采樣的速度和精度， 進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)， 驗(yàn)證調(diào)整的效 果是否可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)， 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果反復(fù)修正控制策略， 直到滿足預(yù)期目標(biāo) 為止；研究 IGBT 保護(hù)參數(shù)，并做好必須的電磁兼容處理，增強(qiáng)軟件的適應(yīng)性和 自恢復(fù)性。3) 以多處理器為核心的進(jìn)行高頻逆變控制研究，通過觸發(fā) IGBT 的高頻逆 變控制，實(shí)現(xiàn)占空比和幅度比的調(diào)節(jié)， 并對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行采樣分析判斷、 對(duì)故障 進(jìn)行判斷與處理；研究 IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定性，找出影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵點(diǎn)，實(shí) 現(xiàn) IGBT 的可靠驅(qū)動(dòng)，保證逆變的可靠；通過二次信號(hào)的采樣，對(duì)電除塵器的工 作狀態(tài)進(jìn)行分析判

8、斷，在完成火花判別的同時(shí)，對(duì)電除塵器工作狀況進(jìn)行分析， 在條件允許的前提下進(jìn)行自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)。4) 研究高頻升壓變壓器技術(shù)，高頻升壓變壓器承擔(dān)著將高頻低壓轉(zhuǎn)換成高 頻高壓并供給電除塵器的任務(wù)， 建立變壓器仿真模型， 研究不同材料及工藝對(duì)變 壓器性能影響， 根據(jù)仿真模型， 優(yōu)化變壓器參數(shù)。 研究高頻信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳遞的 過程中趨膚效應(yīng)及電磁輻射等問題， 建立仿真模型， 提高功率輸送的可靠性及效 率。5) 研究閉環(huán)優(yōu)化控制技術(shù)，根據(jù)電參量及其變化趨勢(shì)，對(duì)電除塵器的工作 狀態(tài)做出分析判斷，并根據(jù)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。2、 考核目標(biāo)本項(xiàng)目目標(biāo)研制高頻高壓電源，并達(dá)到如下性能指標(biāo)：1) 直流高壓輸出電壓： 72

9、kV2) 直流高壓輸出電流： 1A3) 電流調(diào)節(jié)范圍： 90%到 110%額定，調(diào)節(jié)細(xì)度 0.1%額定。4) 保護(hù)功能：輸入過流，輸出短路，輸出開路，變壓器油溫， IGBT 溫 度等。5) 低壓控制：基本單元 8 路低壓控制，可擴(kuò)展為 16 路，包括電流測(cè)量， 故障判斷及保護(hù)。6) 通訊功能：標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊接口，CAN總線、工業(yè)以太網(wǎng)、MODEM、 RS232接口等可選。二、項(xiàng)目實(shí)施情況本項(xiàng)目以東南大學(xué)教授和博士生為主要研究人員， 多年來(lái)一直致力于電力電 子、高頻電源、 伺服驅(qū)動(dòng)等方面的科研工作， 項(xiàng)目以高頻開關(guān)逆變整流技術(shù)為基 礎(chǔ)，結(jié)合電除塵閉環(huán)優(yōu)化控制技術(shù)， 與現(xiàn)有常規(guī)電源相比， 在進(jìn)

10、一步節(jié)能的基礎(chǔ) 上，平均降低電除塵器的出口粉塵排放 10%-30%。項(xiàng)目參與人員共 11 人，分工 明確，各司其職，定期召開項(xiàng)目分析、總結(jié)交流會(huì)，推進(jìn)項(xiàng)目的順利實(shí)施。( 一) 項(xiàng)目過程中所做的主要工作本項(xiàng)目研制了靜電除塵高頻脈沖電源， 研制其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 研究了三相 橋式整流電路的預(yù)充電方式， 完成了功率器件的選型。 設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的電源結(jié) 構(gòu)、信號(hào)調(diào)理電路、DSP的最小系統(tǒng)和外圍電路，以及IGBT驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)計(jì)了 基于FPGA的過流保護(hù)電路和基于 MSP430的多路測(cè)溫保護(hù)電路，提高了靜電除 塵電源工作的可靠性。實(shí)現(xiàn)了兩種 SPWM 調(diào)制方式，并將實(shí)驗(yàn)波形和仿真波形 進(jìn)行比較論證。 研究

11、了中頻靜電除塵電源的閃絡(luò)保護(hù)方式和閃絡(luò)控制方式。 實(shí)現(xiàn) 了 Modbus通信協(xié)議在控制芯片 DSP和MSP430中的移植。項(xiàng)目采用實(shí)驗(yàn)的方法給出了高頻電源的等效二階數(shù)學(xué)模型， 采用經(jīng)典控制理 論設(shè)計(jì) PI 調(diào)節(jié)器，利用 PLECS 對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證?；?TI 公司的 TMS320F28335設(shè)計(jì)了一個(gè)最小控制系統(tǒng)，作為電除塵電源的主控制器，并利用 CPLD 設(shè)計(jì)了硬件保護(hù)邏輯電路，提高了系統(tǒng)保護(hù)的可靠性與快速性。項(xiàng)目在現(xiàn)有電源的基礎(chǔ)上直流疊加百微秒級(jí)高壓脈沖的主電路拓?fù)洌?詳細(xì)分 析其工作原理和數(shù)學(xué)模型，針對(duì)閃絡(luò)狀態(tài)的電路過程進(jìn)行了理論推導(dǎo)和仿真分 析，對(duì) IGBT 器件的閃絡(luò)過電流

12、問題進(jìn)行研究，完成主電路元器件參數(shù)的設(shè)計(jì)與 選型；通過分析脈沖變壓器寄生參數(shù)對(duì)脈沖輸出波形的影響， 闡述了單極性脈沖 變壓器繞組結(jié)構(gòu)與偏磁電路的設(shè)計(jì)方法， 并在脈沖電源樣機(jī)試驗(yàn)中驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的 正確性?；诿}沖電源的運(yùn)行過程，提出一種基于DSP和CPLD協(xié)同控制的控制系統(tǒng)技術(shù)方案，對(duì) DSP 最小系統(tǒng)、外圍擴(kuò)展電路，以及 IGBT 的過流檢測(cè)、 脈沖峰值采樣、 過零檢測(cè)等硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)， 并完成電源樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和 整機(jī)調(diào)試運(yùn)行。（ 二 ） 項(xiàng)目完成情況評(píng)價(jià)在江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性研究項(xiàng)目的資助下， 東南大學(xué)聯(lián)合江蘇一品環(huán)?？萍?有限公司開展了緊密的產(chǎn)學(xué)研合作， 取得了一批研究成果。 對(duì)比國(guó)內(nèi)外

13、的研究工 作，本項(xiàng)目高頻高壓除塵電源上研究取得了一些創(chuàng)新性成果。 所研制的除塵電源 可以適用于大多數(shù)除塵器， 并都能夠是除塵器達(dá)到并大大優(yōu)于國(guó)家規(guī)定的強(qiáng)制排 放標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目開發(fā)了電除塵用高頻脈沖電源， 電源能夠適應(yīng)大多數(shù)廠礦企業(yè)的電除塵 器，直流高壓輸出電壓72kV，輸出電流1A，電流調(diào)節(jié)范圍從90%到110% 額定可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn) RS485通訊接口，CAN總線、工業(yè)以太網(wǎng)、MODEM、 RS232接口等多種通信接口功能。由項(xiàng)目支持撰寫學(xué)術(shù)論文9篇，其中SCI收錄1篇，EI收錄4篇，申請(qǐng)發(fā)明 專利 3 項(xiàng)，獲得實(shí)用新型專利 2 項(xiàng)，培養(yǎng)碩士研究生 6 名。（ 三 ） 經(jīng)費(fèi)的使用和管理項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)計(jì)

14、劃中的省撥款、單位自籌資金已經(jīng)按計(jì)劃到位。項(xiàng)目組所在單位 對(duì)科技撥款嚴(yán)格按照科技經(jīng)費(fèi)開支范圍的有關(guān)規(guī)定， 專款專用， 有力地保障了項(xiàng) 目的順利實(shí)施和圓滿完成。三、項(xiàng)目技術(shù)情況（ 一 ） 研究方法除塵器用高頻高壓電源系統(tǒng)由三相整流橋、 高頻逆變電路、 開關(guān)整流變壓器 和控制電路等幾部分組成。電除塵運(yùn)行過程中， 用于高壓收塵的電耗可分為三類， 一是用于粉塵的荷電 與捕集的電能， 稱為“有效”電能；二是對(duì)粉塵的荷電與捕集起破壞作用的電能， 稱“反效”電能，如反電暈、二次揚(yáng)塵等；三是介于上述兩者之間，即不有利也 不有害的電能稱為“無(wú)效”電能，如電暈放電過程中，沒有用于粉塵的荷電與捕 集的多余電荷等，這

15、部分屬于浪費(fèi)的電能亦稱“浪費(fèi)”電能。電除塵過程中，有 效、反效、無(wú)效電能是交織在一起的，實(shí)際上，在總的電能消耗中，有效電能很 少，反效和無(wú)效電能占絕大部分，通過先進(jìn)的技術(shù)措施，提高有效電能比例，降 低反效與無(wú)效電能比例， 則可使電除塵器在原有基礎(chǔ)上達(dá)到進(jìn)一步提高除塵效率 降低煙塵排放濃度， 并同時(shí)降低電能消耗之目的。 在理論分析及借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn) 經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究發(fā)現(xiàn)， “特定脈沖性”的供電波形能夠大幅度降低電除塵器的 運(yùn)行電耗，提高除塵效率。將 IGBT 高頻開關(guān)逆變整流技術(shù)應(yīng)用在電除塵器的供 電控制中， 與傳統(tǒng)的可控硅調(diào)壓型電源相比， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電除塵電源輸出波形和 周期等參數(shù)的大范圍調(diào)節(jié)，

16、 在提高電除塵器除塵效率的同時(shí)， 實(shí)現(xiàn)電除塵的節(jié)能 運(yùn)行。電除塵運(yùn)行過程中， 由于鍋爐負(fù)荷、 燃煤煤質(zhì)變化等因素影響， 電除塵器的 運(yùn)行工況始終處于動(dòng)態(tài)變化過程中， 電除塵器的供電參數(shù)必須隨運(yùn)行工況同步變 化才能使電除塵器始終運(yùn)行于最佳狀況。 通過理論分析和大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， 我們 發(fā)現(xiàn)電除塵器的運(yùn)行工況與電氣參數(shù)之間存在著規(guī)律性的聯(lián)系。 在此基礎(chǔ)上， 我 們開發(fā)了閉環(huán)優(yōu)化控制功能。 閉環(huán)優(yōu)化控制功能的核心是當(dāng)電除塵運(yùn)行時(shí)， 根據(jù) 煙氣及粉塵性質(zhì)的變化，對(duì)運(yùn)行電壓電流波形以及 U I 特性進(jìn)行綜合分析與判 斷，并依據(jù)數(shù)學(xué)模型， 自動(dòng)地反復(fù)地調(diào)整工作方式以及導(dǎo)通角與電壓電流波形及 其數(shù)值大小， 使

17、提供給電除塵本體收塵電場(chǎng)的電壓電流始終處于最佳狀態(tài)， 使之 有利于粉塵的荷電與捕集， 達(dá)到提高除塵效率， 降低煙塵排放濃度， 并同時(shí)降低 能量消耗之目的。因此本項(xiàng)目研究技術(shù)具有很強(qiáng)的工況適應(yīng)性， 可以有效克服反電暈， 節(jié)省大 量以光熱形式消耗的電能，并且降低整流變壓器溫升，延長(zhǎng)設(shè)備生命周期。（ 二 ） 技術(shù)路線本項(xiàng)目采取的具體技術(shù)路線如下：（1）該系統(tǒng)以高頻開關(guān)逆變整流技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)AC-DC-AC-DC 的電源變換過程，為靜電除塵器正常運(yùn)行提供所需的直流高壓電源。 其工作過程： 三相 380V 工頻交流電源經(jīng)可控整流濾波后輸出穩(wěn)定的直流電壓， 供給高頻逆變電路， 高頻逆變電路根據(jù)電除塵器工

18、況變化輸出頻率、 幅度、寬度、 靈活可變的交流脈 沖，經(jīng)變壓器升壓整流后， 輸出高壓直流脈沖電壓供給電除塵器電場(chǎng)。 由控制電 路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集及對(duì)逆變回路的驅(qū)動(dòng)控制。（2）項(xiàng)目在過程中還將進(jìn)行脈沖供電節(jié)能技術(shù)開發(fā)，通過對(duì)閉環(huán)優(yōu)化控制 功能、脈沖技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)在同等條件下， 使用電除塵器高頻高壓脈沖 電源及控制裝置的電除塵器煙塵排放濃度比常規(guī)電源提高10%-30%左右，電除塵器的電能消耗在原有的基礎(chǔ)上最高下降 80%以上，真正意義上實(shí)現(xiàn)電除塵器的 節(jié)能減排運(yùn)行。（3）工頻 50Hz 電源由于受開關(guān)器件固有開關(guān)頻率及輸出波形的影響，無(wú) 法提供除塵器需要的足夠高電壓，電場(chǎng)即發(fā)生閃絡(luò)，產(chǎn)生

19、火花 。而東大新型電 源由于采用IGBT大功率開關(guān)器件，開關(guān)頻率工作在 20kHz，因此火花檢測(cè)非常 快，檢測(cè)到火花后，電源立即斷電，火花處理后，快速恢復(fù)電壓。另外可給除塵 器提供足夠大的功率，因此與工頻50Hz電源相比提高除塵器的除塵效率達(dá) 30% 以上。（4）通過采用間歇運(yùn)行（脈沖）可以抑制由高比電阻粉塵引起的反電暈， 從而達(dá)到最佳收塵效率。 間歇運(yùn)行時(shí)，電源的脈沖寬度和脈沖電流均可單獨(dú)調(diào)整， 并且在較短的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)達(dá)到更高的除塵器電壓峰值， 增強(qiáng)粉塵的荷電收塵 效果，在脈沖關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，維持電場(chǎng)的收塵過程。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)工況的變化， 自動(dòng)調(diào)整送入電除塵器電場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)行電壓，充分利用R、L

20、、C 暫態(tài)過程的規(guī)律，充分利用電除塵器自身電感與電容的儲(chǔ)能特性， 最大限度地提高運(yùn)行電壓、 降低 運(yùn)行電流，在維持除塵器除塵效率的前提下，與工頻50Hz電源相比降低電除塵器額定運(yùn)行電耗 40%以上。（ 三） 項(xiàng)目解決的關(guān)鍵技術(shù)（1）解決了高頻升壓變壓器技術(shù)。高頻升壓變壓器是高頻高壓脈沖電源中 重要的能量傳遞設(shè)備， 由于工作在高頻范圍， 鐵芯材料及線包繞制均與低頻變壓 器有很大區(qū)別。目前，超微晶合金材料以其高的飽和磁感、高磁導(dǎo)率、低矯頑力 和低的高頻損耗、 良好的強(qiáng)硬度、 耐磨性及耐腐蝕性、 良好的溫度及環(huán)境穩(wěn)定性 等特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用中高頻變壓器、互感器、電感的設(shè)計(jì)制造中。（2）解決

21、了開關(guān)變換技術(shù)。開關(guān)變換技術(shù)是高頻高壓脈沖電源中最為重要 的技術(shù)之一， 直接影響到高頻脈沖電源的功率密度和變換效率。 常用的開關(guān)變換 技術(shù)主要有 PWM 全橋變換硬開關(guān)和 PWM 全橋變換軟開關(guān)兩種。 硬開關(guān)技術(shù)由 于開關(guān)損耗大、開關(guān)頻率低、開關(guān)干擾強(qiáng)，一般適用于低頻小功率開關(guān)電源。而 軟開關(guān)技術(shù)由于開關(guān)損耗低、 工作頻率高、 干擾小在高頻大功率電源中得到了廣 泛的應(yīng)用。（3）解決了新型電力電子器件應(yīng)用技術(shù)。開關(guān)器件是高高壓頻脈沖電源內(nèi) 最為重要的組件之一。開關(guān)器件的性能水平，直接決定著開關(guān)電源的技術(shù)水平， 使高頻電源的性能不斷提高， 成本不斷降低， 推動(dòng)了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展， 同時(shí) 也為高頻

22、高壓脈沖電源應(yīng)用于電除塵領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。（ 四） 取得的突破性進(jìn)展本項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外研究工作基礎(chǔ)上， 項(xiàng)目針對(duì)除塵器用高頻高壓電源開展研究 工作，重點(diǎn)對(duì)除塵器本體研究、高頻高壓電路理論、變壓器分析理論、 DSP 控制 理論、模型優(yōu)化等方面進(jìn)行了相關(guān)理論和工程研究， 制作樣機(jī)并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)論 證研究。項(xiàng)目在以下幾個(gè)方面取得了顯著的進(jìn)展：1）從理論分析脈沖電源主電路的一次側(cè)等效電路和 IGBT 軟開關(guān)工作原理， 結(jié)合開關(guān)器件的發(fā)展情況， 完成脈沖變壓器一次側(cè)雙回路串聯(lián)的主電路拓?fù)浜拖?關(guān)諧振參數(shù)的設(shè)計(jì)； 基于主電路的閃絡(luò)、 短路和開路運(yùn)行狀態(tài)的仿真分析， 對(duì)脈 沖電源閃絡(luò)吸收 RCD 電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，確

23、定了功率電路各器件的選型。2）研究高壓脈沖變壓器寄生參數(shù)參與主電路諧振過程，影響脈沖電壓輸出 參數(shù)，本文闡述了脈沖變壓器磁化過程、 磁芯材料和偏磁電路應(yīng)用等設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)， 對(duì)變壓器繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并建立 Maxwell 3D 仿真模型驗(yàn)證變壓器漏感 設(shè)計(jì)的正確性。3）完成基于DSP和CPLD協(xié)同控制器的脈沖除塵電源控制系統(tǒng)硬件電路設(shè) 計(jì)，主要包括 TMS320F28335 最小系統(tǒng)及相關(guān)外圍擴(kuò)展電路、相控調(diào)壓控制電 路、脈沖峰值采樣保持電路、 IGBT 電流過零和過流檢測(cè)電路等部分，介紹了 CPLD 保護(hù)控制策略和相關(guān)控制系統(tǒng)抗干擾方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。4) 從綜合電源數(shù)學(xué)模型入手，利用粒子群算

24、法的全局優(yōu)化和在非線性區(qū)域 內(nèi)進(jìn)行尋優(yōu)的能力， 設(shè)計(jì)了一個(gè)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)， 并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了 驗(yàn)證，驗(yàn)證了粒子群算法優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)結(jié)果。5) 以電源的輸出電壓為系統(tǒng)輸出， IGBT 的開關(guān)頻率作為系統(tǒng)輸入， 給出了 DCM 電源的傳遞函數(shù)，并利用經(jīng)典的控制理論，設(shè)計(jì)了 PI 調(diào)節(jié)器，通過仿真驗(yàn) 證了 PI 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)正確性。 對(duì) DCM 電源的控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 以 DSP 作為控制系統(tǒng)的主控芯片，設(shè)計(jì)了 DSP 的最小控制系統(tǒng)，并重點(diǎn)介紹了基于 CPLD 的 DSP 的硬件驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路， 通過三級(jí)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)信號(hào)， 保證了 IGBT 的 可靠關(guān)斷，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全

25、性。6) 分析了電流斷續(xù)模式下諧振變換器的工作特性，包括軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)、開 關(guān)頻率范圍、諧振電流峰值、 電路的輸出調(diào)壓特性、 恒壓和恒流控制特性以及電 路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作特性的影響， 分析各變量之間的關(guān)系， 對(duì)變換器的工作特性的 分析更進(jìn)一步。7) 根據(jù)斷續(xù)電流模式下的理論分析， 進(jìn)行了大功率 LCC 諧振變換器的諧振 參數(shù)設(shè)計(jì)。通過比較 DCM1 和 DCM2 工作模式下諧振變換器的性能，確定了變 換器的工作模式， 通過分析電路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作特性的影響， 確定了諧振參數(shù)較 為合適的取值范圍， 以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了輸出電壓 72kV 、輸出電流 1.2A 的諧振變 換器參數(shù)。( 五) 創(chuàng)新點(diǎn)本項(xiàng)目所研

26、究的高頻高壓電源是電除塵電氣控制系統(tǒng)的核心控制設(shè)備， 可廣 泛應(yīng)用于不同工業(yè)領(lǐng)域新建電除塵工程的電氣配套及電除塵器電氣設(shè)備的技術(shù) 改造。本項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新之處：1) 高頻高壓脈沖供電，實(shí)現(xiàn)電除塵器的節(jié)能減排運(yùn)行。高頻高壓脈沖電源 能夠在控制電路和功率變換電路的作用下， 變換為高頻交流電， 經(jīng)高頻變壓器升 壓整流后， 輸出直流高壓給電除塵器供電。 將高頻開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用在電除塵領(lǐng) 域有較大的優(yōu)勢(shì)：效率及功率因素較高，一般在 0.9 以上；明顯減少對(duì)電網(wǎng)的污 染；提高了高壓整流變壓器的工作頻率， 變壓器的體積大幅度縮小， 產(chǎn)品制造成 本相應(yīng)降低； 輸出電壓波形的幅度和周期等參數(shù)可大范圍調(diào)整。 因此能

27、有效解決 電除塵器的電暈封閉和反電暈問題，大大提高電除塵器的運(yùn)行性能。2) 閉環(huán)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，使除塵器始終工作在最佳狀態(tài)。根據(jù)電參量及其變化趨勢(shì)，對(duì)電除塵器的工作狀態(tài)做出分析判斷， 并根據(jù)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整， 從而 跟蹤除塵器最佳工作點(diǎn)，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。3) 以多處理器為核心的高頻逆變控制。以多處理器實(shí)現(xiàn) IGBT 全橋逆變技 術(shù)，提高電除塵器效率。選取合適的 IGBT 并配以可靠的保護(hù)電路，提高逆變電 路工作穩(wěn)定性。通過處理器觸發(fā) IGBT 實(shí)現(xiàn)逆變，實(shí)現(xiàn)占空比和幅度比的調(diào)節(jié)， 工作狀態(tài)的采樣分析判斷， 故障的判斷與處理。 通過另一個(gè)處理器進(jìn)行二次信號(hào) 的采樣，對(duì)電除塵器的工作狀態(tài)進(jìn)行分

28、析判斷， 在完成火花判別的同時(shí)， 對(duì)電除 塵器工作狀況進(jìn)行分析，在條件允許的前提下進(jìn)行自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)。四、合同任務(wù)指標(biāo)完成情況本項(xiàng)目的順利開展， 東南大學(xué)與江蘇一品環(huán)保科技有限公司實(shí)行產(chǎn)學(xué)研緊密 合作，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)， 促使項(xiàng)目實(shí)施單位健全了項(xiàng)目管理機(jī)制， 完善了科 研人才隊(duì)伍的建設(shè)， 為提高相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力打下了 良好的基礎(chǔ)，同時(shí)為電除塵器高頻脈沖電源的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支 撐。通過兩年多深入的理論研究和實(shí)驗(yàn)工作， 較為圓滿地完成了項(xiàng)目擬定的研究 內(nèi)容，解決了一些工程應(yīng)用必要的關(guān)鍵技術(shù)， 取得了一些創(chuàng)新性成果， 達(dá)到了預(yù) 期的研究目標(biāo)。本項(xiàng)目在理論與實(shí)驗(yàn)研究

29、基礎(chǔ)上。撰寫學(xué)術(shù)論文 9篇，其中SCI收錄1篇， EI 收錄 4 篇，申請(qǐng)發(fā)明專利 3 項(xiàng)，獲得實(shí)用新型專利 2 項(xiàng)，培養(yǎng)碩士研究生 6 名。樣機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)：直流高壓輸出電壓 72kV，輸出電流1A，電流調(diào)節(jié) 范圍從 90%到 110%額定可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn) RS485 通訊接口， CAN 總線、工業(yè) 以太網(wǎng)、MODEM、RS232接口等多種通信接口功能。五、項(xiàng)目效績(jī)分析隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，高校與企業(yè)的合作越來(lái)越緊密。高?？蒲兴降?提高、科技成果的轉(zhuǎn)化、 企業(yè)創(chuàng)新能力的提升、 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的開發(fā)越 來(lái)越依靠產(chǎn)學(xué)研的合作，高校需要解決企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)者提煉出來(lái)的科學(xué)技術(shù)問 題，企業(yè)也需要將高校的高科技成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際， 因此開展此類高校與企業(yè)