電力電子課程設(shè)計報告---靜電除塵器高頻高壓電源的設(shè)計

1、<p>　　指導教師評定成績： </p><p>　　審定成績： </p><p>　　電力電子課程設(shè)計報告</p><p>　　設(shè)計題目：靜電除塵器高頻高壓電源的設(shè)計</p><p>　　單位（二級學院）： </p><p>　　學

2、生 姓 名： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指 導 教 師： <

3、/p><p>　　設(shè)計時間： 20 年 月</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、設(shè)計題目··················&

4、#183;······················2</p><p>　　二．報告正文·········

5、;································3</p><p>　　摘要&

6、#183;····································

7、;········3</p><p>　　2．1 高頻開關(guān)電源供電簡介······················&

8、#183;·3</p><p>　　2．2 高頻高壓電源主電路拓撲的選擇················4</p><p>　　2．3 整流電路的設(shè)計······

9、························7</p><p>　　2.3．1 晶閘管的選取 ······

10、83;·························7</p><p>　　2.3. 2 濾波器的設(shè)計 ····

11、3;··························8</p><p>　　2．4 波形分析·····

12、;·····························10</p><p>　　三、設(shè)計總結(jié)··&#

13、183;····································

14、·11</p><p>　　四、參考文獻······························

15、83;·········12</p><p><b>　　一、設(shè)計題目</b></p><p>　　單相、三相可控橋式整流的工程應(yīng)用</p><p>　　-----靜電除塵器高頻高壓電源的設(shè)計</p><p>　　隨著工業(yè)的發(fā)展，生

16、產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，環(huán)境污染如水污染、空氣污染、廢物污染、化學污染、噪音污染、熱污染等有日趨嚴重之勢。粉塵是造成空氣污染的主要污染物之一。支撐我國工業(yè)基礎(chǔ)的煤炭加工、采礦、電力、冶金、煉油、化工、造紙等工業(yè)都是粉塵的排放源。工業(yè)粉塵的大量排放，不僅會危及人體健康和自然環(huán)境，在某些情況下還會造成大量貴重材料的流失。在諸多除塵設(shè)備中，靜電除塵器不僅具有除塵效率高，處理煙氣量大，阻力損失小，能耗小及運行費用低等優(yōu)點，還可以用來回收有用材料和能源

17、。因此靜電除塵器在工業(yè)應(yīng)用上的研究得到了越來越多的重視。</p><p>　　靜電除塵器是當今世界公認的高效除塵設(shè)備，對于環(huán)境的保護具有及其重要</p><p>　　的意義。高壓直流電源作為靜電除塵器的核心部件，對于除塵的效率和效果有著</p><p>　　決定性的影響。人們在其基礎(chǔ)上做了許多改進，比如研制輸入為三相相控整流以提高功率因數(shù)；在工頻整流供電基礎(chǔ)上研制調(diào)

18、幅式LC恒流供電電源、間歇電源和脈沖電源以提高除塵器對某些粉塵或除塵環(huán)境的除塵能力。但基于晶閘管調(diào)壓的低頻工作方式的除塵電源，由于其低頻工作的本質(zhì)具有的許多缺點，已成為限制進一步提高除塵器除塵效果的瓶頸。靜電除塵電源高頻化的發(fā)展也已成為國內(nèi)外除塵行業(yè)的共識，這一方面國外走在了前列。國內(nèi)已有中小功率高頻靜電除塵電源的產(chǎn)品，但目前國內(nèi)絕大多數(shù)主流靜電除塵設(shè)備所配套的電源功率需要在60—100kW。因此需要開發(fā)更符合市場需要的高頻靜電除塵電源

19、。</p><p>　　為了在靜電除塵器的兩正負電極間建立直流高壓電場，需要高壓直流電源供</p><p>　　電。高壓供電電源是靜電除塵器的核心部分，其供電方式的不同，對靜電除塵器</p><p>　　的除塵效率和運行穩(wěn)定性具有重要的影響。靜電除塵電源的供電方式有很多種，</p><p>　　傳統(tǒng)的高壓直流電源常采用晶閘管相控調(diào)壓整流供電；

20、在晶閘管相控調(diào)壓整流供</p><p>　　電基礎(chǔ)上在控制或電路方面加以改進，可采用間歇供電或脈沖供電方式；為了在</p><p>　　電除塵效率和電源性能方面大為提高，現(xiàn)今工業(yè)界愈來愈多的采用高頻開關(guān)電源</p><p><b>　　的供電方式。</b></p><p><b>　　二、報告正文</b&

21、gt;</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　靜電除塵器是環(huán)保行業(yè)的重要設(shè)備，在工業(yè)粉塵的回收處理方面有著非常重要的應(yīng)用。課題的主要內(nèi)容是研制用于靜電除塵的高頻大功率高壓直流電源，滿足國內(nèi)市場的需要。本文從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，對該高壓直流電源進行研究并給出了主要研制過程。</p><p>　　通過大量的查閱資料，本文首

22、先確定了三相晶閘管可控整流，電壓型全橋IGBT逆變，高頻變壓器升壓和高壓硅堆全橋整流的主電路拓撲結(jié)構(gòu)。然后著重針對高壓直流電源的整流電路給出了詳細的設(shè)計過程，整流電路的設(shè)計包括晶閘管的選取以及交流電抗器和直流母線濾波電容的設(shè)計。然后再簡略地介紹了一下逆變電路、主功率回路以及高頻升壓變壓器逆變電路選用IGBT并聯(lián)來實現(xiàn)開關(guān)管，并詳細分析了IGBT驅(qū)動器的選擇以及在并聯(lián)形式下的應(yīng)用；主功率回路的設(shè)計主要是包括迭層母線板的設(shè)計。</p&

23、gt;<p>　　關(guān)鍵詞：高壓直流電源，晶閘管，三相可控整流，交流電抗器，濾波電容</p><p>　　2.1、高頻開關(guān)電源供電簡介</p><p>　　隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，IGBT器件能夠耐受高電壓和大電流，而DSP等數(shù)字處理芯片的速度越來越快，功能越來越強?；贗GBT的高頻逆變和DSP數(shù)字控制的高頻開關(guān)電源供電方式的應(yīng)用將會大大的提高靜電除塵電源的效率和性能。原

24、三相交流電通過三相全橋整流，整流器的功率因數(shù)可接近l。全橋IGBT逆變器的工作頻率可到20kHz。逆變器輸出的高頻矩形波作為升壓變壓器原邊的輸入，升壓變壓器副邊(高壓)輸出的電壓經(jīng)過高壓硅堆整流后提供給電除塵器。</p><p>　　逆變電路工作在高頻，相對于傳統(tǒng)的工頻整流電源有許多優(yōu)點：</p><p>　　(1)采用高頻變壓器，可有效減小升壓變壓器的體積和重量，節(jié)約耗材。</p&

25、gt;<p>　　(2)輸入端采用三相全橋不控整流電路，功率因數(shù)大，對電網(wǎng)的諧波污染少。(3)IGBT為全控器件，開關(guān)速度快，可在除塵器火花放電或短路時快速關(guān)斷IGBT， 封鎖電源輸出，使電源具有快速動態(tài)響應(yīng)特性。</p><p>　　(4)除塵效果好，高頻直流開關(guān)電源因輸出電壓穩(wěn)定、紋波小，靜電除塵的效率較高。</p><p>　　正是基于以上優(yōu)點，高頻開關(guān)電源供電的

26、靜電除塵電源現(xiàn)今已成為國內(nèi)外除塵行業(yè)爭相研發(fā)的重點。</p><p>　　2.2、高頻高壓電源主電路拓撲的選擇</p><p>　　高頻高壓電源的核心是高頻功率變換環(huán)節(jié)，高壓直流電源的主電路簡圖見圖1。整流電路將電網(wǎng)的輸入交流電壓整流為直流母線電壓，提供給高頻逆變電</p><p>　　路，逆變電路的輸出高頻交流電壓被升壓變壓器升壓，升壓后的交流高電壓被高</

27、p><p>　　壓硅堆整流為直流高電壓，最終提供給負載。</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　一般來說，為了使電網(wǎng)供電平衡和增大功率因數(shù)，大功率的整流電路都采用三相輸入。為了在系統(tǒng)啟動時電壓逐漸上升和正常工作時通過調(diào)節(jié)直流母線電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓和輸出功率，需要采用輸出電壓可調(diào)的整流電路?？梢圆捎貌豢卣麟娐芳覦C／DC變換

28、電路(直流斬波器)，或者三相橋式相控整流電路，兩者</p><p><b>　　的電路圖見圖2。</b></p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　在負載電流連續(xù)時，三相可控整流電路的電壓調(diào)節(jié)范圍是從0到 (為電網(wǎng)相電壓有效值)，而直流斬波器的電壓調(diào)節(jié)范圍是從0到(為Zl占空比最大值)。因為要考慮到死區(qū)

29、時間，，因此直流斬波器的輸出電壓最大值比相控整流電路要小。當前晶閘管在工業(yè)應(yīng)用中已非常成熟，容量可以做的很大。一般來說，三相可控硅整流電路在大功率電路中比直流斬波器有著更廣泛、更成熟的應(yīng)用。基于以上原因，本文選擇三相可控硅整流電路。電路中的直流濾波電抗因為工作頻率在300Hz比交流電抗工作頻率高，且直流濾波電抗的高次諧波成分更大，在大電流工作時會發(fā)出刺耳的響聲。而同等容量的交流濾波電抗的噪聲較小，因此去掉直流濾波電抗，而改用交流濾波電抗

30、。</p><p>　　在高頻高壓電源系統(tǒng)中，高頻逆變電路將整流后得到直流母線電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流電壓，是整個電源系統(tǒng)的核心部分之一。常用的電壓型逆變電路有半橋式和全橋式，見圖3</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　半橋式逆變電路(見圖3a)需要兩個容值相同的直流濾波電容，開關(guān)器件少，開關(guān)管電壓不高，驅(qū)動簡單，輸出功率小

31、，一般適用于中小功率的逆變器。全橋式逆變電路(見圖3b)在相同的開關(guān)管平均電流時，輸出功率是半橋式逆變電路的二倍。適用于大功率電路。雖然全橋式需要更多的開關(guān)管，驅(qū)動也較為復雜，但基于提高功率等級的角度考慮選擇全橋式的逆變電路拓撲。</p><p>　　逆變電路輸出的交流電壓的幅值僅為幾百伏，要提供靜電除塵所需的幾萬伏的高壓則必須采用變壓器升壓的方式，然后通過整流的方式得到直流高電壓。通常有兩種方案得到直流高電壓，

32、一種是采用較小變比的變壓器升壓，再通過倍壓整流得到直流高電壓，另外一種是采用較大變比的變壓器升壓，再通過高壓硅堆的全橋整流得到直流高電壓。倍壓整流電路的原理圖見圖3．4。倍壓整流的升壓電路，由于其能夠使輸入電壓加倍的特性，降低了對變壓器升壓比的要求。可縮小變壓器的尺寸，有利于高壓絕緣問題的解決。但倍壓整流電路的倍壓系數(shù)越高，需要的高頻高壓電容和二極管的數(shù)量也越多，無疑增加了系統(tǒng)的復雜性。倍壓整流電路僅適應(yīng)負載較輕(即負載電阻較大，輸出電

33、流較小)的情況下工作，否則輸出電壓會明顯降低。倍壓系數(shù)越高的整流電路，這種因負載電阻增大而使輸出電壓下降的情況越明顯。同時應(yīng)用于高壓靜電設(shè)備的倍壓整流電路在負載電場擊穿放電時，將產(chǎn)生超過正常值幾十倍的浪涌電流，對給倍壓整流電路供電的前級電路的安全運行構(gòu)成嚴重威脅。</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　基于以上倍壓整流電路的不足，本文采用通過變

34、壓器直接升壓后接高壓硅堆全橋整流來得到直流高電壓，電路圖見圖4。高頻變壓器直接升壓的方式需要變壓器有較高的變比，若直流母線電壓為500V，輸出高壓為60kV，則需要變比為1：120的升壓變壓器，對于變壓器制作的要求較高，需要控制好變壓器的體積尺寸和漏感等參數(shù)，還要絕緣強度能夠滿足要求。但這樣的電路結(jié)構(gòu)相對簡單，因而控制方便，不穩(wěn)定的因素也較少，有利于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。</p><p><b>　　圖5

35、</b></p><p>　　綜合以上分析，高頻高壓電源主電路的基本拓撲確定為晶閘管三相整流后接直流母線電容給IGBT全橋逆變供電，逆變輸出接高頻升壓變壓器，之后通過高壓硅堆的全橋整流得到直流高電壓的輸出，主電路拓撲見圖6。高頻高壓電源主電路的設(shè)計主要包括整流電路的設(shè)計，逆變電路的設(shè)計，主功率回路的設(shè)計以及高頻升壓變壓器的設(shè)計等方面。</p><p><b>　　圖6

36、</b></p><p>　　2.3、整流電路的設(shè)計</p><p>　　整流電路的輸入是電網(wǎng)三相交流電，輸出的是直流電。為使直流母線電壓連續(xù)可調(diào)，選擇三相晶閘管的相控整流電路。整流電路的設(shè)計包括晶閘管的選取和濾波電路的設(shè)計。三相相控整流的控制電路，通過采樣三相線電壓信號產(chǎn)生6個晶閘管的驅(qū)動脈沖?？梢酝ㄟ^滑動變阻器或閉環(huán)來調(diào)節(jié)相控角Q的大小來調(diào)節(jié)整流電路輸出的直流母線電壓。在整

37、流電路接電阻負載時，直流母線電壓平均值與相控角Q的關(guān)系滿足：</p><p><b>　　(2.3.1)</b></p><p><b>　　(2.3.2)</b></p><p>　　式中,為電網(wǎng)相電壓。三相相控整流控制電路采用的是較成熟的設(shè)計，本文對其工作原理不做詳細的分析。</p><p>　

38、　2.3．1晶閘管的選取</p><p>　　根據(jù)式(4．1)，相控整流輸出直流電壓最大平均值為,考慮到線路壓降取額定直流母線電壓為，除塵電源額定輸出功率，若整流后級電路的效率為，那么滿功率運行時，直流母線上的電流有效值為：</p><p>　　三相晶閘管整流電路中，每個周期內(nèi)每個晶閘管導通角為，則流過每個晶閘管的電流有效值為：</p><p>　　晶閘管電流取1~

39、1.5倍裕量，選擇的晶閘管。負載電流連續(xù)時，晶閘管最大正反向電壓峰值均為電網(wǎng)線電壓峰值，即。晶閘管電壓取2～3</p><p>　　倍裕量，最終選擇的晶閘管半橋模塊。</p><p>　　2．3.2濾波器的設(shè)計</p><p>　　三相不控整流不加LC濾波器時功率因數(shù)在65％左右，而可控整流由于加入了相控角的因素，功率因數(shù)更低。所以整流電路加上濾波環(huán)節(jié)提高功率因數(shù)是

40、很有必要的。</p><p>　　(1)交流電抗器的設(shè)計</p><p>　　通常是在直流輸出端接LC濾波，但從成本和體積重量來考慮，相同容量的交流電抗器和直流電抗器相比較，直流電抗器價格更高體積更大噪聲更強烈。因此把直流電抗器去掉，在交流進線側(cè)裝上交流電抗器來濾波。接交流電抗器時三相橋式可控整流電路圖和輸出電壓波形圖見圖7和圖8。</p><p><b>

41、;　　圖7</b></p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　在交流電源的一個周期內(nèi)有6次晶閘管換相過程，各次換相情況類似，僅以T6換相至T2(TI一直導通)為例分析。to時刻T6導通，to時刻觸發(fā)T2，T2導通，此時因b、C兩相均有電感，故電流不能突變，于是T6和T2同時導通，這相當于將b、c兩相短路，兩相間電壓差為，它在兩相組成的回

42、路中產(chǎn)生環(huán)流。由于回路中含有兩個漏感，故有。這時，逐漸增大的，而是逐漸減小的。當增大到等于時，，T6關(guān)斷，換相過程結(jié)束。換相過程持續(xù)的時間用電角度表示，即換相重疊角。</p><p>　　在上述過程中，整流輸出電壓的瞬時值為：</p><p>　　由上式可知，在換相過程中，整流電壓為同時導通的兩組晶閘管所對應(yīng)的線電壓的平均值。與不加交流電感器相比，每次換相縱波形均少了一塊，導致其平均值下降

43、，降低的多少為：</p><p>　　可見在同樣的電流下，交流電感的值越大，則換相壓降也越大。但交流電感越大，則輸出電流越容易連續(xù)。</p><p>　　考慮到線路壓降等因素，若限定換相壓降不超過20V。那么可得的最</p><p><b>　　大值為：</b></p><p>　　考慮到每相的電流有效值為：</p

44、><p>　　取適當?shù)脑Ａ?，選擇的交流電抗器參數(shù)為：。</p><p>　　(2)直流母線電容的設(shè)計</p><p>　　整流電路輸出的直流母線電壓一般都必須再進行平滑濾波，使得輸出電壓較</p><p>　　平，紋波較小。如前文所述，直流端不采用直流電抗器，則采用電解電容濾波的</p><p>　　方式。電容量必須滿足下

45、式：</p><p>　　式中，T為整流輸出電壓波頭的周期，三相全橋整流為1／300s。</p><p>　　在滿功率條件下，直流電源等效負載為：</p><p>　　要求電壓紋波小時，系數(shù)可取得大些，反之則可以取小一點。這里取系數(shù)為4，代入數(shù)據(jù)可計算得，。取適當裕量，實際應(yīng)用中取。通常大容量電解電容的耐壓等級是400V和450V，所以本課題中選擇四個的電解電容兩并

46、兩串來實現(xiàn)直流母線濾波。</p><p><b>　　2.4、波形分析</b></p><p>　　整流電路波形的分析：</p><p>　　圖為：晶閘管的觸發(fā)脈沖采樣后線電壓的波形。為經(jīng)過電壓互感器采樣厲的線電壓波形，。為晶閘管的觸發(fā)雙窄脈沖信號，，時間刻度都為，從圖9a可以發(fā)現(xiàn)，在直流母線電壓沒有輸出時，相位角為。從圖9b可以發(fā)現(xiàn)，直流母線

47、輸出電壓為，相控角約為。代入式(2.3.1)，計算可得直流母線電壓為與實驗測量較為吻合，說明晶閘管相控整流電路控制晶閘管調(diào)壓是可行的。</p><p>　　圖10是高壓直流電源在晶閘管整流的前端接交流電抗器，輸出端接直流母線電容后的直流母線電壓波形和相的輸入電流波形。為直流母線電壓波形，。為電流互感器采樣后的相輸入電流波形，。時間刻度都為。從圖10中可以看出，整流輸出電壓為，負載較輕的情況下相線電流波形不連續(xù)；整

48、流輸出電壓為，負載加重后相線電流波頭開始連續(xù)。由此可見，交流電抗器所起的濾波作用還是非常明顯的。</p><p><b>　　三、設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　隨著我國工業(yè)規(guī)模的快速發(fā)展，工業(yè)排放的污染物如粉塵等也越來越多，已對人們生活的環(huán)境構(gòu)成了嚴重威脅。環(huán)境保護現(xiàn)已成為國家發(fā)展的重要政策，同時也越來越引起人們的重視。靜電除塵器是除塵環(huán)保行業(yè)的重要產(chǎn)品，對于

49、工業(yè)粉塵的回收，減少對空氣的污染有著非常重要的作用。而靜電除塵器的核心之一就是為其提供直流負高壓的電源。高頻化的高壓直流電源作為對靜電除塵傳統(tǒng)工</p><p>　　頻電源的革新，更低成本、更高效、更節(jié)能，具有廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　本次課程設(shè)計，鞏固了我們對電力電子專業(yè)基礎(chǔ)知識的掌握，同時，培養(yǎng)了我們資料檢索的能力。在資料查找搜索過程中，多方位地了解到單相、三相整流技術(shù)在實

50、際工程中的應(yīng)用意義、方向。單相、三相整流技術(shù)是將交流轉(zhuǎn)換為直流裝置，主要是應(yīng)用于電源設(shè)計方面（如穩(wěn)壓器，充電器，電化學工業(yè)等的電源使用方案等）。將理論知識與實際的結(jié)合，對我們將來工作中的實際應(yīng)用意義非常重大。</p><p><b>　　四、參考文獻</b></p><p>　　【l】王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)．機械工業(yè)出版社，2005</p><

51、p>　　【2】謝廣潤，陳慈萱．高壓靜電除塵．水利電力出版社，1993</p><p>　　【3】朝澤云，徐至新，鐘和清，康勇．靜電除塵用高壓供電電源特性淺析．高電壓技術(shù)，2006：81．83</p><p>　　【4】劉華毅，蘇麗營．高壓靜電除塵實用電源的研制．現(xiàn)代電子技術(shù)，2004：</p><p><b>　　80—83</b><