電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告---靜電除塵器高頻高壓電源的設(shè)計(jì)

1、<p>　　指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)： </p><p>　　審定成績(jī)： </p><p>　　電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　設(shè)計(jì)題目：靜電除塵器高頻高壓電源的設(shè)計(jì)</p><p>　　單位（二級(jí)學(xué)院）： </p><p>　　學(xué)

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

3、/p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間： 20 年 月</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)題目··················&

4、#183;······················2</p><p>　　二．報(bào)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(jiǎn)介······················&

8、#183;·3</p><p>　　2．2 高頻高壓電源主電路拓?fù)涞倪x擇················4</p><p>　　2．3 整流電路的設(shè)計(jì)······

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(jì) ····

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

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

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

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

15、83;·········12</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)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(jì)</p><p>　　隨著工業(yè)的發(fā)展，生

16、產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，環(huán)境污染如水污染、空氣污染、廢物污染、化學(xué)污染、噪音污染、熱污染等有日趨嚴(yán)重之勢(shì)。粉塵是造成空氣污染的主要污染物之一。支撐我國(guó)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(huì)危及人體健康和自然環(huán)境，在某些情況下還會(huì)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(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，還可以用來(lái)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(lái)越多的重視。</p><p>　　靜電除塵器是當(dāng)今世界公認(rèn)的高效除塵設(shè)備，對(duì)于環(huán)境的保護(hù)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(duì)于除塵的效率和效果有著</p><p>　　決定性的影響。人們?cè)谄浠A(chǔ)上做了許多改進(jìn)，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(duì)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(diǎn)，已成為限制進(jìn)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(guó)內(nèi)外除塵行業(yè)的共識(shí)，這一方面國(guó)外走在了前列。國(guó)內(nèi)已有中小功率高頻靜電除塵電源的產(chǎn)品，但目前國(guó)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(chǎng)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(fù)電極間建立直流高壓電場(chǎng)，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(duì)靜電除塵器</p><p>　　的除塵效率和運(yùn)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(jìn)，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(lái)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(bào)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要。本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)該高壓直流電源進(jìn)行研究并給出了主要研制過(guò)程。</p><p>　　通過(guò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后著重針對(duì)高壓直流電源的整流電路給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程，整流電路的設(shè)計(jì)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(jì)。然后再簡(jiǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管，并詳細(xì)分析了IGBT驅(qū)動(dòng)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(jì)主要是包括迭層母線板的設(shè)計(jì)。</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(jiǎn)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(lái)越快，功能越來(lái)越強(qiáng)?；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(huì)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(guò)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(guò)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(duì)于傳統(tǒng)的工頻整流電源有許多優(yōu)點(diǎn)：</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(duì)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(shí)快速關(guān)斷IGBT， 封鎖電源輸出，使電源具有快速動(dòng)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(diǎn)，高頻開關(guān)電源供電的

26、靜電除塵電源現(xiàn)今已成為國(guó)內(nèi)外除塵行業(yè)爭(zhēng)相研發(fā)的重點(diǎn)。</p><p>　　2.2、高頻高壓電源主電路拓?fù)涞倪x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(jiǎn)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(fù)載。</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，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(dòng)時(shí)電壓逐漸上升和正常工作時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)直流母線電壓來(lái)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。可以采用不控整流電路加DC／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(fù)載電流連續(xù)時(shí)，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?yàn)橐紤]到死區(qū)

29、時(shí)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(dāng)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(lái)說(shuō)，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?；谝陨显?，本文選擇三相可控硅整流電路。電路中的直流濾波電抗因?yàn)楣ぷ黝l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(shí)會(huì)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(gè)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(gè)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(dòng)簡(jiǎn)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(shí)，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(dòng)也較為復(fù)雜，但基于提高功率等級(jí)的角度考慮選擇全橋式的逆變電路拓?fù)洹?lt;/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(wàn)伏的高壓則必須采用變壓器升壓的方式，然后通過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)變壓器升壓比的要求?？煽s小變壓器的尺寸，有利于高壓絕緣問(wèn)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(wú)疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。倍壓整流電路僅適應(yīng)負(fù)載較輕(即負(fù)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(huì)明顯降低。倍壓系數(shù)越高的整流電路，這種因負(fù)載電阻增大而使輸出電壓下降的情況越明顯。同時(shí)應(yīng)用于高壓靜電設(shè)備的倍壓整流電路在負(fù)載電場(chǎng)擊穿放電時(shí)，將產(chǎn)生超過(guò)正常值幾十倍的浪涌電流，對(duì)給倍壓整流電路供電的前級(jí)電路的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)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(guò)變

34、壓器直接升壓后接高壓硅堆全橋整流來(lái)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(duì)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(qiáng)度能夠滿足要求。但這樣的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因而控制方便，不穩(wěn)定的因素也較少，有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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?fù)浯_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(guò)高壓硅堆的全橋整流得到直流高電壓的輸出，主電路拓?fù)湟妶D6。高頻高壓電源主電路的設(shè)計(jì)主要包括整流電路的設(shè)計(jì)，逆變電路的設(shè)計(jì)，主功率回路的設(shè)計(jì)以及高頻升壓變壓器的設(shè)計(jì)等方面。</p><p><b>　　圖6

36、</b></p><p>　　2.3、整流電路的設(shè)計(jì)</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(jì)包括晶閘管的選取和濾波電路的設(shè)計(jì)。三相相控整流的控制電路，通過(guò)采樣三相線電壓信號(hào)產(chǎn)生6個(gè)晶閘管的驅(qū)動(dòng)脈沖。可以通過(guò)滑動(dòng)變阻器或閉環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)相控角Q的大小來(lái)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(fù)載時(shí)，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(jì)，本文對(duì)其工作原理不做詳細(xì)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(jí)電路的效率為，那么滿功率運(yùn)行時(shí)，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(gè)周期內(nèi)每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角為，則流過(guò)每個(gè)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(fù)載電流連續(xù)時(shí)，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(jì)</p><p>　　三相不控整流不加LC濾波器時(shí)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(jì)</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(lái)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(jià)格更高體積更大噪聲更強(qiáng)烈。因此把直流電抗器去掉，在交流進(jìn)線側(cè)裝上交流電抗器來(lái)濾波。接交流電抗器時(shí)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(gè)周期內(nèi)有6次晶閘管換相過(guò)程，各次換相情況類似，僅以T6換相至T2(TI一直導(dǎo)通)為例分析。to時(shí)刻T6導(dǎo)通，to時(shí)刻觸發(fā)T2，T2導(dǎo)通，此時(shí)因b、C兩相均有電感，故電流不能突變，于是T6和T2同時(shí)導(dǎo)通，這相當(dāng)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(gè)漏感，故有。這時(shí)，逐漸增大的，而是逐漸減小的。當(dāng)增大到等于時(shí)，，T6關(guān)斷，換相過(guò)程結(jié)束。換相過(guò)程持續(xù)的時(shí)間用電角度表示，即換相重疊角。</p><p>　　在上述過(guò)程中，整流輸出電壓的瞬時(shí)值為：</p><p>　　由上式可知，在換相過(guò)程中，整流電壓為同時(shí)導(dǎo)通的兩組晶閘管所對(duì)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(dǎo)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(guò)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(dāng)?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(jì)</p><p>　　整流電路輸出的直流母線電壓一般都必須再進(jìn)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(fù)載為：</p><p>　　要求電壓紋波小時(shí)，系數(shù)可取得大些，反之則可以取小一點(diǎn)。這里取系數(shù)為4，代入數(shù)據(jù)可計(jì)算得，。取適當(dāng)裕量，實(shí)際應(yīng)用中取。通常大容量電解電容的耐壓等級(jí)是400V和450V，所以本課題中選擇四個(gè)的電解電容兩并

46、兩串來(lái)實(shí)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(guò)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(hào)，，時(shí)間刻度都為，從圖9a可以發(fā)現(xiàn)，在直流母線電壓沒(méi)有輸出時(shí)，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(jì)算可得直流母線電壓為與實(shí)驗(yàn)測(cè)量較為吻合，說(shuō)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(shí)間刻度都為。從圖10中可以看出，整流輸出電壓為，負(fù)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(fù)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(jì)總結(jié)</b></p><p>　　隨著我國(guó)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(lái)越多，已對(duì)人們生活的環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。環(huán)境保護(hù)現(xiàn)已成為國(guó)家發(fā)展的重要政策，同時(shí)也越來(lái)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(duì)于

49、工業(yè)粉塵的回收，減少對(duì)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(fù)高壓的電源。高頻化的高壓直流電源作為對(duì)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(jì)，鞏固了我們對(duì)電力電子專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，同時(shí)，培養(yǎng)了我們資料檢索的能力。在資料查找搜索過(guò)程中，多方位地了解到單相、三相整流技術(shù)在實(shí)

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(jì)方面（如穩(wěn)壓器，充電器，電化學(xué)工業(yè)等的電源使用方案等）。將理論知識(shí)與實(shí)際的結(jié)合，對(duì)我們將來(lái)工作中的實(shí)際應(yīng)用意義非常重大。</p><p><b>　　四、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【l】王兆安，黃俊．電力電子技術(shù)．機(jī)械工業(yè)出版社，2005</p><

51、p>　　【2】謝廣潤(rùn)，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(yíng)．高壓靜電除塵實(shí)用電源的研制．現(xiàn)代電子技術(shù)，2004：</p><p><b>　　80—83</b><