电收尘器用高压脉冲电源的参数分析doc-电收尘器用高压脉

电收尘器用高压脉冲电源的参数分析华南理工大学环境科学研究所冯肇霖王向德一、前言采用脉冲电源供电，不但提高收集高比电阻率（ρ＞1011Ω/㎝）的收尘效率。脉冲电源的参数直接影响电收尘器的应用范围和效果。本文主要分析脉冲电源的重要参数——脉冲幅值、宽度和波形。应用气体的伏秒特性，分析了电收尘器在脉冲作用下的击穿电压和电压作用时间，分析了脉冲幅值和脉冲宽度的函数关系，其关系式为：UP=AtT1（UP——脉冲幅度；t——脉冲宽度；A和T——为实验常数；）。脉冲宽度在直30μS—600μS之间取值时，电收尘器的脉冲操作电压幅值是直流操作电压的1.5—2倍。对于等效为容性负载的电收尘器分析了脉冲供电时的电路时间常数及对不同脉宽（周期）的脉冲序列供电作了分析，指出了对确定的电路时间常数适当选择脉宽和幅值，可在电收尘器极板间得到稳定的脉冲电压（电流）和直流分量电压（电流）。使采用单一脉冲电源供电和采用直流与脉冲电源叠加供电一样高效。最后讨论了脉冲的波形。对矩形脉冲和正弦半波脉冲分别作用在同一收尘器时的极间电压波形进行分析，结果是矩形脉冲和正弦图一jou(kV)tp2ttp3时间伏秒特性uj—冲击击穿电压：uo—直流击穿电压：tp—放电。半波脉冲电源供电在工程上是可行的。通过以上分析，本文为电收尘器在工程上应用脉冲电源供电提供了基本的理论依据。二、脉冲电源的脉冲幅值和脉冲宽度脉冲供电的伏点在于它能够给电收尘器的电极间施加比起晕电压（或直流击穿电压）高得多的操作电压，为电极间提供了较高的峰值电压，提高了粉尘微粒的荷电量和驱进速度，并当电极间的介质为空气或空气与烟、尘微粒的混合气体。气体的电气特性。除了一般的伏安特性外，对脉冲供电关系较大的还有介质的伏秒特性。按照气体击穿的理论，气体的击穿看起来似乎是突然发生的现象。但实际上仍需要一定的时间才能完成，这段时间称为放电时间。在长1厘米的空气间隙中，放电时间约为10-7～10-8[2]。在直流或工频电压的作用时，由于放电时间比原电压持续作用的时间要少得多，因此它实际上不影响击穿电压数值。但在脉冲电源供电时，由于脉冲电压波的作用持续时间（即脉冲宽度—简称脉宽）也不过几十至几百微妙，和放电时间完全可以比较。因此这时电压作用时间的长短（脉宽）对击穿电压数值有很大影响。脉宽愈窄，击穿电压愈高；脉宽愈宽，则击穿电压愈低，这是因为介质的击穿需要一定的能量。电介质击穿的这一特性可以用冲击函数β来表示，它表示电介质的耐冲击强度。表达式为[2]:β=uuj0（1）式中：——在冲击波（脉冲）作用下的击穿电压；——在直流或工频电压作用下的击穿电压。在极不均匀的电场中，气体的冲击系数可达1.5～2[2]。电收尘器的电场一般也为极不均匀电场，其成绩系数也接近上值。即如果采用脉冲供电，操作电压峰值可比直流供电时的最高电压高1.5～2倍。因为驱进速度和除尘效率与操作电压的峰值成正比[1]。这结果说明了脉冲供电使粉尘微粒的驱进速度和收尘效率显著地提高。介质击穿电压与电压作用时间的关系可通过伏秒特性Ujmax=f(tp)得到说明（图一），曲线1—5是一系列的冲击电压，它们逐一加在被研究的间隙上，记录其放电时间tp和电压波形绘制得到图一。图中表示出当电压作用时间越短，击穿电压越高，反之亦然[3]。对于除尘脉冲电源来说，这正好说明了脉冲宽度（对应是冲击波击穿电压）的关系，脉宽越窄，操作电压越高。伏秒特性还可用下面的经验公式来表示：Ujmax=tPTA1（2）式中：A和T——由实验所决定的常数（A≈U0）；tP——放电时间。在除尘中采用的脉冲供电，电源的脉冲幅值和脉宽也合乎[2]式中的规律，电源的脉冲幅值和脉宽的关系式如下：UP=tTA1（3）式中：UP——脉冲幅值；t——脉宽。三、脉冲宽度与电路时间常数RSu(t)CLRLSu(t)SRSCLCu图二图三脉冲供电时收尘器的等效电路如图二。图中US(t)为脉冲电压源；RS——电源的等效内阻；CL——收尘器的等效电容；RL——收尘器的等效电阻。由于RL很大在这里可忽略。等效电路如图三。为了便于讨论很不失其一般性，脉冲电压源的波形如图四（a）所示。以上的电路可分为两种情况来讨论：一是电路时间常数τ(τ=RSCL)小于T（1/2周期）；另一是τ接近（或大于）T,因为电路在充电和放电时的时间常数τ都一样，当τ小于T时，设T=4τ，即在第一个半周电谷电压UC可认为已上升到脉冲幅值，充电结束；在第二个半周期间，电容放电，到t=2T时，电容电压UC下降到零，电容放电结束。可见各周期的过度彼此独立，电路不断重复以上过程，图四（b）表示了以上过程的电容电压波形，即电收尘器电极间的电压波形，其函数表达式为（4）：UC(G)=TtTTteueuTtptp20)1(/)((4)如果τ与T比较（或τ﹥T）时，情况就与上述不同，其过度过程比较复杂。参考图五。在τ=T时，UC还未上升到UP，充电没有完成就进入放电过程。τ=2T时，电容放电还没有结束，UC还没有下降到零，第二个脉冲又对电容进行图四PP0Tu(t)St2T3T4T5Ttu(t)C(b)(a)充电。但是，这时电容的初始状态不是零电压，充电的起点比上一次充电时提高了。在最初几个周期内，极间电容电压UC在充电时电压上升的值总比放电时电压下降的值要大些。这是因为充电时初始值与脉冲幅值（充电稳态值）之间的幅度要大些，充电时电压上升的值就要比放电时电压下降的值大。这样后一个脉冲充电时的UC初始值总比前一个脉冲充电的初始值大，UC的初始值不断提高，若干周期后，充电的初始值和放电的初始值就稳定在某一数值上（见图五）。脉冲幅值UP与电容电压峰值U2之差就等于电容电压谷值U1与零值之差（UP-U2=U1-0）。这时电路进入了稳态过程，当然这个稳态是相对于极间电容电压UC的变化过程而言的。对于电收尘器供电来说更关心的是电路的稳态过程，稳态时极间的电压可以通过以下方程求得（4）：在0≤t≤T时，UC1（t）=U1+（UP—U1）（1—eTt/)(）（5）T≤t≤2T时：UC2（t）=UτeTt/)(（6）t=T时UC1（t）=U2=U1+（UP—U1）（1—eT/）（7）t=2T时：UC2（2T）=U1=U2eT/（8）从（7）（8）两式可解得：U2=eeTT/2/11（9）U1=eeeTTT/2//1)1(（10）式中U1电容电压的谷值（即充电的初值）；U2表示电容电压的峰值（即电容放电的初始值）。以上分析了供电脉冲为方波序列且占空比为1/2时的情形，实际上脉冲电源的脉冲序列占空比小于1/2也不少（如图六）相对来说，占空比小于1/2时，电容的充电时间短而放电时间长，这时会出现两种情况：一是UC没有充到UP就开始放电，由于放电时间长UC下降为零，放电完毕。tT时电容又从零开始充电，重复前一过程。这种情况就像前面分析T=4τ的情况相似，但这时电容电压的峰值μcp不等于脉冲电压Up;而是小于μcp;另一种情况就是充电和放电斗没有完毕，下一各脉冲对电容又进行充电、放电，这又与前面分析的T与τ相近时的情况相似。无论脉冲的占空比大小如何，收尘器电极间的电压形都可能出现的情况是：电容的充放过程不影响；或是充放电过程彼此影响。以上分析，可以看到电收尘器采用脉冲供电时，电极间的电压波形、不等于电源脉冲波形，而与电路时间常数τ有关，即与基建的邓小电容CL和电源内阻Rs有关。适当选择供电脉冲的幅值、宽度和重复频率，电收尘器采用单一脉冲电源供电得到的结果如同采用两组电源（一组为直流电源，另一组为脉冲电源）供电的情形一样，在收尘电器电极间的额定直流分量U1和脉冲分量U2（t）叠加的电压波形Uc（t）=U1+U2（t）。如图七。图中U2P为脉冲分量U（t）的峰值。U2为极间稳态脉冲的幅值U2=U1+U2P。T0P2Ttt1t2图六u(t)U图七2P2t1Utu(t)=U1+u2(t)10U2UCt从图七的结果可以推出脉冲的波形如图八。在选择脉冲电源参数时，脉冲幅值：UP=2U1+U2(II),U1作为驱动粉尘的电压，可选择U1＜U0（U0—电收尘器直流起晕电压）；而U2作为粉尘威力的荷电电压（产生强列电晕的电压）。可选择U2≤Uj(电收尘器的冲击击穿电压)，这时收尘器可以采用一个既高效又经济的脉冲供电系统，这个系统只是一个单一的脉冲电源。这个电源如用在一个电极电容的充放电电路时间常数都相同的电路中，并且占空比接近1/2，那么其幅值Up、极间电压脉冲幅值U2和直流分量U1的确定可以由式（9）（10）推导得到，计算的方程式如下：Up=U2eekk/1/21)1(（12）Up=U1kkkeee/1/1/2)1()1（13）k=1t=12tt（14）式中：k—常数；t电路时间常数；t1—电源脉冲宽度，一般为30μs—600μs；—脉冲重要时间，∵占空比为1/2，∴t1=t2。以上分析还可以清楚地看到，由于电路时间常数的存在，极间脉冲的波形总是与电源脉冲波形不一样，极间电压波形的前、后沿都要比供电脉冲平缓得多，其陡度由时间常数决定。采用不同波形的脉冲（幅值、脉宽和频率相同）作用在同一收尘器电路，可以看到电极电压的波形很相似（见图九）。脉冲波形是否矩形都极间电压波形关系不大。实际上矩形和正弦半波脉冲供电，它们对电收尘的电气特性影响都很接近。故此在设计脉冲电源时，过分强调理想的矩形波输出和极大的电压陡度都是美由多大意义的。十分明显，在技术实施中，Uu(t)UU1P2StT2Tt1t23T图八输出高压矩形波形的难度远比输出正弦半波脉冲的难度大，制作成本也高得多，因此在工程上采用正弦半波脉冲供电是经济可行的。四、结论通过以上分析，对于电收尘器采用脉冲电源供电时，电源的重要参数——脉冲幅值、宽度和重复周期的关系和选择归纳如下：（1）电源的脉冲幅值的大小与脉冲的波形和脉冲宽度有关，脉冲幅值应等于电收尘器的耐丛集电压，这个电压是脉冲宽度的函数，即:tTpAU。脉冲宽度在30μs～600μs之间取值，电收尘器采用脉冲供电和操作电压幅值是直流操作电压的1.5～2倍。（2）电源的脉冲宽度直接影响电收尘器的耐冲击电压，脉宽越窄耐冲击电压越高，脉宽越宽耐冲击电压越低。脉宽在30μs～600μs之间选择；可以明显提高粉尘的荷电量和驱进速度，使收尘效率明显提高。（3）脉冲供电时，电收尘的电极间的电压波形不同于供电电压波形，影响因素是电路时间常数。当选择电源参数，使得极间电容在脉冲电一个直流分量和一个脉冲分量叠加的效果，相当于由一个直流电源和另一个脉冲电流叠加供电的系统。（4）在工程应用上，电收尘器采用理想矩形脉冲供电和正弦半波脉冲宫殿，其结果相反，采用正弦半波脉冲是经济和可行的。1988年4月于广州St0t1t2t3Cu(t)USPt30t2t1Cu(t)Su(t)USPt图九dVsdtdVcdt参考文献：[1]工业电收尘[美]H.J.怀特著，王成汉译，冶金工业出版社。[2]电工材料学华中工学院主编[3]高压工程上海交通大学高电压技术教研组编，中国工业出版社。[4]电路分析基础李瀚荪编，人民教育出版社。