一種用於電除塵的高頻高壓開關電源的製作方法
2023-04-23 15:38:41
專利名稱：一種用於電除塵的高頻高壓開關電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種開關電源，特別涉及一種用於電除塵的高頻高壓開關電源。
背景技術：
目前由於環境汙染、能源緊缺日趨嚴重，為了節能減排，將靜電除塵器中高壓電源 用IGBT驅動的高頻模式取代目前傳統可控矽工頻變壓器模式已經成為一種必然趨勢，且 隨著電力電子器件的快速發展高頻高壓開關電源代替傳統可控矽電源在現實生產中應用 也成為可能。高頻高壓開關電源不僅可實現靜電除塵器運行的優化，實現節能減排，而且具 有以下眾多優點在節能方面，電源轉換效率〉93 %，功率因數從原來小於0.7提高到 0. 95左右，提高了電能的利用率，節省電能；在經濟方面，效率高，功率因素高，對電網 的諧波幹擾大大減小，節省用戶運行費用，並且體積小，重量輕、性價比高；在環保方面， 採取反饋控制，使得輸出電壓準可調，滿足電除塵的各種環境需求，從而實現除塵效果的 最優化。因此，高頻高壓開關電源在現實生產中必將代替傳統可控矽電源。電除塵用高頻 高壓開關電源的設計在目前來說還存在許多困難，現在國內許多單位都在研究高頻電源， 但能夠研製出高電壓大功率並成功應用於生產實際的公司還很少，且有成功應用經驗的國 外公司也很少，因為電除塵電源輸出電壓一般達70kV以上，輸入電壓530V，升壓比達133這 就使得變壓器漏感和寄生電容都比較大，變壓器的高匝比也增添了其能量損失，降低了電 源的轉換效率和可靠性；其次，電除塵用高頻電源需要的功率大，通常要達到幾十或百餘千 瓦；因此電流也大，一次峰值電流達數百安培，電壓高，二次電壓通常要達到70kV或更高， 這對變換器、變壓器和整流器件的要求很高；再則，電除塵負載具有特殊性，為了達到盡可 能高的除塵效率，正常使用時經常出現閃絡(瞬間放電)，甚至出現短路、開路等情況，因此 要求其具有良好的閃絡控制特性及保護功能。
發明內容
本發明是針對電除塵用高頻高壓開關電源設計困難的問題，提出了一種用於電除 塵的高頻高壓開關電源，採用帶有串並聯諧振軟開關的全橋逆變電路、高頻升壓電路、高壓 矽堆整流電路，具有短路、過流保護，開機軟啟動，跟蹤諧振電流實現諧振頻率的跟蹤控制 等功能。能夠產生適合電除塵設備各種工況要求的波形。本發明的技術方案為一種用於電除塵的高頻高壓開關電源，包括三相整流濾波 電路、高頻逆變電路、高頻脈衝變壓器、高壓矽堆整流矽堆、DSP控制器及檢測電路，輸入三 相交流電源，經三相整流濾波電路成直流，再經過高頻逆變電路，高頻逆變電路中兩逆變橋 臂之間接入串並聯諧振軟開關電路，串並聯諧振軟開關輸出接高頻脈衝變壓器升壓後經高 壓整流矽堆成高壓直流到電除塵器；DSP控制器輸出控制信號給高頻逆變電路，電除塵輸 入側接電壓電流檢測電路，檢測電路對電壓、電流進行檢測，信號輸入DSP控制器，通過DSP 控制器對高頻逆變電路進行調節，DSP控制器通過CAN接口與上位機連接，實現各種優化 控制。
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所述高頻逆變電路包括全橋逆變器、串並聯諧振軟開關電路，全橋逆變器包括四 個IGBT和每個IGBT的集電極和發射集之間連接的續流二極體，全橋逆變器串兩橋臂輸出 接並聯諧振軟開關電路，並聯諧振軟開關電路包括變壓器初級的串聯諧振電容、串聯諧振 電感和並聯電容，變壓器次級接整流管，整流管上並聯有電除塵等效電容和等效電阻。所述DSP控制器以TMS320F2812為主控單元，主要包括模擬量採集與處理、PWM控 制信號發生與輸出電路、鍵盤輸入、液晶顯示、火花檢測、CAN總線通信、驅動電路和故障檢 測保護單元，驅動及保護電路以IR2110為核心，PWM控制信號發生與輸出電路產生PWM信 號經電平轉換和光耦隔離後送給IR2110驅動模塊進而控制逆變器中IGBT的通斷，故障檢 測保護單元的數據由液晶顯示單元完成。所述三相整流濾波電路中加有開機軟啟動電路，開機軟啟動電路由二極體整流 橋、穩壓電容器、比較器LM324、放大器、繼電器構成，交流電經過二極體整流橋整流輸出直 流電，通過繼電器觸點開關選擇限流電阻後，經電容器穩壓接負載電阻，15V電源通過電位 器分壓得到一電壓值並輸出接比較器LM324正端，比較器負極接從直流母線電容上採樣出 的電壓值，比較器LM324輸出通過放大器接繼電器線圈。本發明的有益效果在於本發明用於電除塵的高頻高壓開關電源，用於電除塵設 備具有體積小、重量輕、諧波汙染小、功率因數高、轉換效率高、能夠產生適合電除塵設備各 種工況要求的波形，進而可以實現節能減排。
圖1為本發明用於電除塵的高頻高壓開關電源結構框圖； 圖2為本發明用於電除塵的高頻高壓開關電源主電路圖3為本發明用於電除塵的高頻高壓開關電源控制系統結構框圖； 圖4為本發明用於電除塵的高頻高壓開關電源開機軟啟動電路圖。
具體實施例方式基於DSP TMS320F2812的高頻高壓開關電源的系統結構如圖1所示，其中主電路 為輸入三相380V50HZ的交流電源，經三相整流濾波電路1成為530V直流電壓，再經過IGBT 模塊組成的高頻逆變電路2，高頻脈衝變壓器3升壓後經高壓整流矽堆4成72kV高壓直流 給電除塵器5 ；DSP控制器7實現高頻逆變電路2的H橋觸發，電除塵輸入側接電壓電流檢 測板6對完成對電壓、電流的檢測，信號輸入DSP控制器7，通過DSP控制器7對高頻逆變電 路2進行調節，DSP控制器通過CAN接口 8與上位機9連接，實現各種優化控制。圖2中三相交流電經過三相整流濾波後接帶有串並聯諧振軟開關的逆變電路2， 逆變器的四個開關器件選用三菱的型號為CM100DY-12H的IGBT，分別為圖中的Q1-Q4，四個 IGBT的集電極和發射集之間分別接入四個續流二極體D1-D4，兩橋臂輸出方波電壓接入串 並聯諧振電路，9Γ94和DfD4組成全橋逆變器，Cr為串聯諧振電容，Lr為串聯諧振電感， Cp並聯在變壓器的初級，為變壓器副邊及高壓整流二極體的分布電容折算至初級的等效電 容，CO和R分別並聯在變壓器次邊上，CO為電除塵等效電容R為其等效電阻。電容電阻構 成的串並聯諧振網絡。它的輸出電壓可以高於或低於輸入電壓，負載變化範圍寬。串並聯 諧振電路為移相全橋逆變電路提供了零電壓開通條件，實現了高頻開關電源的軟開關技術，降低了開關損耗，電路具有部分輸出電壓源和輸入電流源的特性，元器件電流電壓的 應力較小，負載變化範圍大，開關頻率的變化範圍小，輕載時輸入電流也較小。這些特性 非常適用與電除塵負載工況要求。本系統所有的控制功能均有DSP控制器7完成，如圖3所示，DSP控制器7以 TMS320F2812為主控單元，主要包括模擬量採集與處理、PWM控制信號發生與輸出電路、鍵 盤輸入、液晶顯示、火花檢測、CAN總線通信、驅動電路和故障檢測保護單元。驅動及保護電 路以IR2110為核心，在主控電路板的PWM輸出信號作用下發生驅動信號，能對IGBT的過電 流進行保護。由於採集下來的電流電壓信號中有的是直接從高壓迴路中通過分壓的方式採 集，會給微處理器帶來安全隱患，要對其前端信號進行預處理，也簡化了主控板。EV模塊產 生PWM信號經電平轉換和光耦隔離後送給IR2110驅動模塊進而控制逆變器中IGBT的通 斷。ADC模塊對採集到的一次二次電流電壓進行模數轉換實現系統的PID閉環控制，同時可 以很容易的實現除塵器的火花次數的精確控制和閃絡電壓控制。CAN控制器模塊接入總線 通信單元可以實現各個獨立電源的集中管理。開路、短路、閃絡、過載、欠壓、過熱(IGBT、油 箱)及通訊故障等保護處理由故障檢測保護單元完成，電源的數據(運行參數設置、顯示、故 障狀態)由液晶顯示單元完成。通過DSPTMS320F2812我們可以很容易的實現電除塵專用高 頻高壓電源的智能控制。電源的控制系統一般會有三種工作模式正常工作模式，啟動模式和保護模式。電 源剛開始工作或者故障後啟動的時候，為了防止負載側電壓上升過快而導致電路故障，就 需要採用軟啟動的方法，軟啟動包括兩個部分在輸入側通過對輸入電壓慢慢升壓的方式 保證逆變電路不會因為突然加上530V的電壓而發生故障，硬體軟啟動的電路如圖4交流 電經二極體整流橋整流輸出直流電，電容器Cl起穩壓作用，15V電源通過電位器分壓得到 一電壓值並輸出給比較器LM324正端，比較器負極接從直流母線電容上採樣出的電壓值， 在系統上電初期，由於LM324正極輸入大於負極，比較器輸出為正，繼電器吸合，整流橋輸 出串接電阻R3對電容和負載供電。當直流母線電壓升高至低於工作電壓50V左右時，輸入 LM324的電壓採樣信號大於正極信號，比較器輸出負電壓，QlO關閉，繼電器彈起，電阻R3被 短接，從而有效避免了上電過程中濾波電容產生過大的衝擊電流。
權利要求
一種用於電除塵的高頻高壓開關電源，包括三相整流濾波電路、高頻逆變電路、高頻脈衝變壓器、高壓矽堆整流矽堆、DSP控制器及檢測電路，其特徵在於，輸入三相交流電源，經三相整流濾波電路成直流，再經過高頻逆變電路，高頻逆變電路中兩逆變橋臂之間接入串並聯諧振軟開關電路，串並聯諧振軟開關輸出接高頻脈衝變壓器升壓後經高壓整流矽堆成高壓直流到電除塵器；DSP控制器輸出控制信號給高頻逆變電路，電除塵輸入側接電壓電流檢測電路，檢測電路對電壓、電流進行檢測，信號輸入DSP控制器，通過DSP控制器對高頻逆變電路進行調節， DSP控制器通過CAN接口與上位機連接，實現優化控制。
2.根據權利要求1所述用於電除塵的高頻高壓開關電源，其特徵在於，所述高頻逆變 電路包括全橋逆變器、串並聯諧振軟開關電路，全橋逆變器包括四個IGBT和每個IGBT的集 電極和發射集之間連接的續流二極體，全橋逆變器串兩橋臂輸出接並聯諧振軟開關電路， 並聯諧振軟開關電路包括變壓器初級的串聯諧振電容、串聯諧振電感和並聯電容，變壓器 次級接整流管，整流管上並聯有電除塵等效電容和等效電阻。
3.根據權利要求1所述用於電除塵的高頻高壓開關電源，其特徵在於，所述DSP控制器 以TMS320F2812為主控單元，主要包括模擬量採集與處理、PWM控制信號發生與輸出電路、 鍵盤輸入、液晶顯示、火花檢測、CAN總線通信、驅動電路和故障檢測保護單元，驅動及保護 電路以IR2110為核心，PWM控制信號發生與輸出電路產生PWM信號經電平轉換和光耦隔離 後送給IR2110驅動模塊進而控制逆變器中IGBT的通斷，故障檢測保護單元的數據由液晶 顯示單元完成。
4.根據權利要求1所述用於電除塵的高頻高壓開關電源，其特徵在於，所述三相整流 濾波電路中加有開機軟啟動電路，開機軟啟動電路由二極體整流橋、穩壓電容器、比較器 LM324、放大器、繼電器構成，交流電經過二極體整流橋整流輸出直流電，通過繼電器觸點開 關選擇限流電阻後，經電容器穩壓接負載電阻，15V電源通過電位器分壓得到一電壓值並輸 出接比較器LM324正端，比較器負極接從直流母線電容上採樣出的電壓值，比較器LM324輸 出通過放大器接繼電器線圈。
全文摘要
本發明涉及一種用於電除塵的高頻高壓開關電源，輸入三相交流電源，經三相整流濾波電路成直流，再經過高頻逆變電路，高頻逆變電路中兩逆變橋臂之間接入串並聯諧振軟開關電路，串並聯諧振軟開關輸出接高頻脈衝變壓器升壓後經高壓整流矽堆成高壓直流到電除塵器；DSP控制器輸出控制信號給高頻逆變電路，電除塵輸入側接電壓電流檢測電路，檢測電路對電壓、電流進行檢測，信號輸入DSP控制器，通過DSP控制器對高頻逆變電路進行調節，DSP控制器通過CAN接口與上位機連接，實現優化控制。此開關電源用於電除塵設備具有體積小、重量輕、諧波汙染小、功率因數高、轉換效率高、能夠產生適合電除塵設備各種工況要求的波形，進而可以實現節能減排。
文檔編號H02M3/335GK101954313SQ20101027520
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月8日 優先權日2010年9月8日
發明者張潮海, 欒天, 金志輝, 高立潁 申請人:上海理工大學