電收塵器用高壓脈沖電源的參數(shù)分析doc-電收塵器用高壓脈

1、電收塵器用高壓脈沖電源的參數(shù)分析華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所馮肇霖 王向德一、 前 言u(píng)j沖擊擊穿電壓：uo直流擊穿電壓：tp放電。采用脈沖電源供電，不但提高收集高比電阻率（1011/）的收塵效率。脈沖電源的參數(shù)直接影響電收塵器的應(yīng)用范圍和效果。本文主要分析脈沖電源的重要參數(shù)脈沖幅值、寬度和波形。應(yīng)用氣體的伏秒特性，分析了電收塵器在脈沖作用下的擊穿電壓和電壓作用時(shí)間，分析了脈沖幅值和脈沖寬度的函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為：UP=A （UP脈沖幅度；t脈沖寬度；A和T為實(shí)驗(yàn)常數(shù)；）。脈沖寬度在直30S600S之間取值時(shí)，電收塵器的脈沖操作電壓幅值是直流操作電壓的1.52倍。對(duì)于等效為容性負(fù)載的電收塵器分析

2、了脈沖供電時(shí)的電路時(shí)間常數(shù)及對(duì)不同脈寬（周期）的脈沖序列供電作了分析，指出了對(duì)確定的電路時(shí)間常數(shù)適當(dāng)選擇脈寬和幅值，可在電收塵器極板間得到穩(wěn)定的脈沖電壓（電流）和直流分量電壓（電流）。使采用單一脈沖電源供電和采用直流與脈沖電源疊加供電一樣高效。最后討論了脈沖的波形。對(duì)矩形脈沖和正弦半波脈沖分別作用在同一收塵器時(shí)的極間電壓波形進(jìn)行分析，結(jié)果是矩形脈沖和正弦半波脈沖電源供電在工程上 是可行的。通過(guò)以上分析，本文為電收塵器在工程上應(yīng)用脈沖電源供電提供了基本的理論依據(jù)。二、 脈沖電源的脈沖幅值和脈沖寬度脈沖供電的伏點(diǎn)在于它能夠給電收塵器的電極間施加比起暈電壓（或直流擊穿電壓）高得多的操作電壓，為電極間

3、提供了較高的峰值電壓，提高了粉塵微粒的荷電量和驅(qū)進(jìn)速度，并當(dāng)電極間的介質(zhì)為空氣或空氣與煙、塵微粒的混合氣體。氣體的電氣特性。除了一般的伏安特性外，對(duì)脈沖供電關(guān)系較大的還有介質(zhì)的伏秒特性。按照氣體擊穿的理論，氣體的擊穿看起來(lái)似乎是突然發(fā)生的現(xiàn)象。但實(shí)際上仍需要一定的時(shí)間才能完成，這段時(shí)間稱為放電時(shí)間。在長(zhǎng)1厘米的空氣間隙中，放電時(shí)間約為10-710-8 2。在直流或工頻電壓的作用時(shí)，由于放電時(shí)間比原電壓持續(xù)作用的時(shí)間要少得多，因此它實(shí)際上不影響擊穿電壓數(shù)值。但在脈沖電源供電時(shí)，由于脈沖電壓波的作用持續(xù)時(shí)間（即脈沖寬度簡(jiǎn)稱脈寬）也不過(guò)幾十至幾百微妙，和放電時(shí)間完全可以比較。因此這時(shí)電壓作用時(shí)間的長(zhǎng)

4、短（脈寬）對(duì)擊穿電壓數(shù)值有很大影響。脈寬愈窄，擊穿電壓愈高；脈寬愈寬，則擊穿電壓愈低，這是因?yàn)榻橘|(zhì)的擊穿需要一定的能量。電介質(zhì)擊穿的這一特性可以用沖擊函數(shù)來(lái)表示，它表示電介質(zhì)的耐沖擊強(qiáng)度。表達(dá)式為2:= （1）式中：在沖擊波（脈沖）作用下的擊穿電壓；在直流或工頻電壓作用下的擊穿電壓。在極不均勻的電場(chǎng)中，氣體的沖擊系數(shù)可達(dá)1.522。電收塵器的電場(chǎng)一般也為極不均勻電場(chǎng)，其成績(jī)系數(shù)也接近上值。即如果采用脈沖供電，操作電壓峰值可比直流供電時(shí)的最高電壓高1.52倍。因?yàn)轵?qū)進(jìn)速度和除塵效率與操作電壓的峰值成正比1。這結(jié)果說(shuō)明了脈沖供電使粉塵微粒的驅(qū)進(jìn)速度和收塵效率顯著地提高。介質(zhì)擊穿電壓與電壓作用時(shí)間的

5、關(guān)系可通過(guò)伏秒特性Ujmax=f(tp)得到說(shuō)明（圖一），曲線15是一系列的沖擊電壓，它們逐一加在被研究的間隙上，記錄其放電時(shí)間tp和電壓波形繪制得到圖一。圖中表示出當(dāng)電壓作用時(shí)間越短，擊穿電壓越高，反之亦然3。對(duì)于除塵脈沖電源來(lái)說(shuō)，這正好說(shuō)明了脈沖寬度（對(duì)應(yīng)是沖擊波擊穿電壓）的關(guān)系，脈寬越窄，操作電壓越高。伏秒特性還可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示：Ujmax = （2）式中：A和T由實(shí)驗(yàn)所決定的常數(shù)（A U0 ）； tP放電時(shí)間。在除塵中采用的脈沖供電，電源的脈沖幅值和脈寬也合乎2式中的規(guī)律，電源的脈沖幅值和脈寬的關(guān)系式如下： UP = （3）式中： UP脈沖幅值；t脈寬。三、 脈沖寬度與電路時(shí)間

6、常數(shù)脈沖供電時(shí)收塵器的等效電路如圖二。圖中US(t)為脈沖電壓源；RS電源的等效內(nèi)阻；CL收塵器的等效電容；RL收塵器的等效電阻。由于RL很大在這里可忽略。等效電路如圖三。為了便于討論很不失其一般性，脈沖電壓源的波形如圖四（a）所示。以上的電路可分為兩種情況來(lái)討論：一是電路時(shí)間常數(shù)(= RS CL)小于T（1/2周期）；另一是接近（或大于）T,因?yàn)殡娐吩诔潆姾头烹姇r(shí)的時(shí)間常數(shù)都一樣，當(dāng)小于T時(shí)，設(shè)T=4，即在第一個(gè)半周電谷電壓UC可認(rèn)為已上升到脈沖幅值，充電結(jié)束；在第二個(gè)半周期間，電容放電，到t=2T時(shí)，電容電壓UC下降到零，電容放電結(jié)束?？梢?jiàn)各周期的過(guò)度彼此獨(dú)立，電路不斷重復(fù)以上過(guò)程，圖四（

7、b）表示了以上過(guò)程的電容電壓波形，即電收塵器電極間的電壓波形，其函數(shù)表達(dá)式為（4）：UC(G )= (4)如果與T比較（或T）時(shí)，情況就與上述不同，其過(guò)度過(guò)程比較復(fù)雜。參考圖五。在=T時(shí)，UC還未上升到UP，充電沒(méi)有完成就進(jìn)入放電過(guò)程。=2T時(shí)，電容放電還沒(méi)有結(jié)束，UC還沒(méi)有下降到零，第二個(gè)脈沖又對(duì)電容進(jìn)行充電。但是，這時(shí)電容的初始狀態(tài)不是零電壓，充電的起點(diǎn)比上一次充電時(shí)提高了。在最初幾個(gè)周期內(nèi)，極間電容電壓UC在充電時(shí)電壓上升的值總比放電時(shí)電壓下降的值要大些。這是因?yàn)槌潆姇r(shí)初始值與脈沖幅值（充電穩(wěn)態(tài)值）之間的幅度要大些，充電時(shí)電壓上升的值就要比放電時(shí)電壓下降的值大。這樣后一個(gè)脈沖充電時(shí)的UC

8、初始值總比前一個(gè)脈沖充電的初始值大，UC的初始值不斷提高，若干周期后，充電的初始值和放電的初始值就穩(wěn)定在 某一數(shù)值上（見(jiàn)圖五）。脈沖幅值UP與電容電壓峰值U2之差就等于電容電壓谷值U1與零值之差（UP- U2= U1-0）。這時(shí)電路進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)過(guò)程，當(dāng)然這個(gè)穩(wěn)態(tài)是相對(duì)于極間電容電壓UC的變化過(guò)程而言的。對(duì)于電收塵器供電來(lái)說(shuō)更關(guān)心的是電路的穩(wěn)態(tài)過(guò)程，穩(wěn)態(tài)時(shí)極間的電壓可以通過(guò)以下方程求得（4）：在0tT時(shí)，UC1（t）= U 1+ （UP U1）（ 1 ） （5）Tt2T時(shí)：UC2（t）=U （6）t = T 時(shí)UC1（t）= U 2= U1+（UP U1）（1） （7）t = 2T 時(shí)：UC2（2

9、T）= U1= U 2 （8）從（7）（8）兩式可解得：U2= （9）U1= （10）式中U1電容電壓的谷值（即充電的初值）； U2表示電容電壓的峰值（即電容放電的初始值）。以上分析了供電脈沖為方波序列且占空比為1/2時(shí)的情形，實(shí)際上脈沖電源的脈沖序列占空比小于1/2也不少（如圖六）相對(duì)來(lái)說(shuō)，占空比小于1/2時(shí)，電容的充電時(shí)間短而放電時(shí)間長(zhǎng)，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一是UC沒(méi)有充到UP就開(kāi)始放電，由于放電時(shí)間長(zhǎng)UC下降為零，放電完畢。t>T時(shí)電容又從零開(kāi)始充電，重復(fù)前一過(guò)程。這種情況就像前面分析T=4的情況相似，但這時(shí)電容電壓的峰值cp不等于脈沖電壓Up;而是小于cp;另一種情況就是充電和放

10、電斗沒(méi)有完畢，下一各脈沖對(duì)電容又進(jìn)行充電、放電，這又與前面分析的T與相近時(shí)的情況相似。無(wú)論脈沖的占空比大小如何，收塵器電極間的電壓形都可能出現(xiàn)的情況是：電容的充放過(guò)程不影響；或是充放電過(guò)程彼此影響。以上分析，可以看到電收塵器采用脈沖供電時(shí)，電極間的電壓波形、不等于電源脈沖波形，而與電路時(shí)間常數(shù)有關(guān)，即與基建的鄧小電容CL和電源內(nèi)阻Rs有關(guān)。適當(dāng)選擇供電脈沖的幅值、寬度和重復(fù)頻率，電收塵器采用單一脈沖電源供電得到的結(jié)果如同采用兩組電源（一組為直流電源，另一組為脈沖電源）供電的情形一樣，在收塵電器電極間的額定直流分量U1和脈沖分量U2（t）疊加的電壓波形U c（t）= U1+U2（t）。如圖七。圖

11、中U2P為脈沖分量U（t）的峰值。U2為極間穩(wěn)態(tài)脈沖的幅值U 2 = U1+U 2 P 。從圖七的結(jié)果可以推出脈沖的波形如圖八。在選擇脈沖電源參數(shù)時(shí)，脈沖幅值：U P = 2U1+ U 2 (II),U1作為驅(qū)動(dòng)粉塵的電壓，可選擇U1U0（U0電收塵器直流起暈電壓）；而U 2作為粉塵威力的荷電電壓（產(chǎn)生強(qiáng)列電暈的電壓）?？蛇x擇U2Uj (電收塵器的沖擊擊穿電壓)，這時(shí)收塵器可以采用一個(gè)既高效又經(jīng)濟(jì)的脈沖供電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)只是一個(gè)單一的脈沖電源。這個(gè)電源如用在一個(gè)電極電容的充放電電路時(shí)間常數(shù)都相同的電路中，并且占空比接近1/2，那么其幅值Up 、極間電壓脈沖幅值U2 和直流分量U1的確定可以由式

12、（9）（10）推導(dǎo)得到，計(jì)算的方程式如下：Up=U2（12）Up=U1（13）k= =（14）式中：k常數(shù)；t電路時(shí)間常數(shù)；t1電源脈沖寬度，一般為30s600s；脈沖重要時(shí)間，占空比為1/2，t1= t2 。以上分析還可以清楚地看到，由于電路時(shí)間常數(shù)的存在，極間脈沖的波形總是與電源脈沖波形不一樣，極間電壓波形的前、后沿都要比供電脈沖平緩得多，其陡度由時(shí)間常數(shù)決定。采用不同波形的脈沖（幅值、脈寬和頻率相同）作用在同一收塵器電路，可以看到電極電壓的波形很相似（見(jiàn)圖九）。脈沖波形是否矩形都極間電壓波形關(guān)系不大。實(shí)際上矩形和正弦半波脈沖供電，它們對(duì)電收塵的電氣特性影響都很接近。故此在設(shè)計(jì)脈沖電源時(shí)，

13、過(guò)分強(qiáng)調(diào)理想的矩形波輸出和極大的電壓陡度都是美由多大意義的。十分明顯，在技術(shù)實(shí)施中，輸出高壓矩形波形的難度遠(yuǎn)比輸出正弦半波脈沖的難度大，制作成本也高得多，因此在工程上采用正弦半波脈沖供電是經(jīng)濟(jì)可行的。四、結(jié)論通過(guò)以上分析，對(duì)于電收塵器采用脈沖電源供電時(shí)，電源的重要參數(shù)脈沖幅值、寬度和重復(fù)周期的關(guān)系和選擇歸納如下：（1） 電源的脈沖幅值的大小與脈沖的波形和脈沖寬度有關(guān)，脈沖幅值應(yīng)等于電收塵器的耐叢集電壓，這個(gè)電壓是脈沖寬度的函數(shù)，即: 。脈沖寬度在30s600s之間取值，電收塵器采用脈沖供電和操作電壓幅值是直流操作電壓的1.52倍。（2） 電源的脈沖寬度直接影響電收塵器的耐沖擊電壓，脈寬越窄耐沖擊電壓越高，脈寬越寬耐沖擊電壓越低。脈寬在30s600s之間選擇；可以明顯提高粉塵的荷電量和驅(qū)進(jìn)速度，使收塵效率明顯提高。（3） 脈沖供電時(shí)，電收塵的電極間的電壓波形不同于供電電壓波形，影響因素是電路時(shí)間常數(shù)。當(dāng)選擇電源參數(shù)，使得極間電容在脈沖