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uj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為實驗常數(shù)；）。脈沖寬度在直30S600S之間取值時，電收塵器的脈沖操作電壓幅值是直流操作電壓的1.52倍。對于等效為容性負載的電收塵器分析

2、了脈沖供電時的電路時間常數(shù)及對不同脈寬（周期）的脈沖序列供電作了分析，指出了對確定的電路時間常數(shù)適當選擇脈寬和幅值，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。對矩形脈沖和正弦半波脈沖分別作用在同一收塵器時的極間電壓波形進行分析，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)進速度，并當電極間的介質(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，氣體的擊穿看起來似乎是突然發(fā)生的現(xiàn)象。但實際上仍需要一定的時間才能完成，這段時間稱為放電時間。在長1厘米的空氣間隙中，放電時間約為10-710-8 2。在直流或工頻電壓的作用時，由于放電時間比原電壓持續(xù)作用的時間要少得多，因此它實際上不影響擊穿電壓數(shù)值。但在脈沖電源供電時，由于脈沖電壓波的作用持續(xù)時間（即脈沖寬度簡稱脈寬）也不過幾十至幾百微妙，和放電時間完全可以比較。因此這時電壓作用時間的長

4、短（脈寬）對擊穿電壓數(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，這是因為介質(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)來表示，它表示電介質(zhì)的耐沖擊強度。表達式為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。在極不均勻的電場中，氣體的沖擊系數(shù)可達1.522。電收塵器的電場一般也為極不均勻電場，其成績系數(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的最高電壓高1.52倍。因為驅(qū)進速度和除塵效率與操作電壓的峰值成正比1。這結(jié)果說明了脈沖供電使粉塵微粒的驅(qū)進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間的

5、關(guān)系可通過伏秒特性Ujmax=f(tp)得到說明（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，記錄其放電時間tp和電壓波形繪制得到圖一。圖中表示出當電壓作用時間越短，擊穿電壓越高，反之亦然3。對于除塵脈沖電源來說，這正好說明了脈沖寬度（對應(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)驗公式來表示：Ujmax = （2）式中：A和T由實驗所決定的常數(shù)（A U0 ）； tP放電時間。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、 脈沖寬度與電路時間

6、常數(shù)脈沖供電時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討論：一是電路時間常數(shù)(= RS CL)小于T（1/2周期）；另一是接近（或大于）T,因為電路在充電和放電時的時間常數(shù)都一樣，當小于T時，設(shè)T=4，即在第一個半周電谷電壓UC可認為已上升到脈沖幅值，充電結(jié)束；在第二個半周期間，電容放電，到t=2T時，電容電壓UC下降到零，電容放電結(jié)束。可見各周期的過度彼此獨立，電路不斷重復(fù)以上過程，圖四（

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

8、初始值總比前一個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）。這時電路進入了穩(wěn)態(tài)過程，當然這個穩(wěn)態(tài)是相對于極間電容電壓UC的變化過程而言的。對于電收塵器供電來說更關(guān)心的是電路的穩(wěn)態(tài)過程，穩(wěn)態(tài)時極間的電壓可以通過以下方程求得（4）：在0tT時，UC1（t）= U 1+ （UP U1）（ 1 ） （5）Tt2T時：UC2（t）=U （6）t = T 時UC1（t）= U 2= U1+（UP U1）（1） （7）t = 2T 時：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時的情形，實際上脈沖電源的脈沖序列占空比小于1/2也不少（如圖六）相對來說，占空比小于1/2時，電容的充電時間短而放電時間長，這時會出現(xiàn)兩種情況：一是UC沒有充到UP就開始放電，由于放電時間長UC下降為零，放電完畢。t>T時電容又從零開始充電，重復(fù)前一過程。這種情況就像前面分析T=4的情況相似，但這時電容電壓的峰值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、電斗沒有完畢，下一各脈沖對電容又進行充電、放電，這又與前面分析的T與相近時的情況相似。無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：電容的充放過程不影響；或是充放電過程彼此影響。以上分析，可以看到電收塵器采用脈沖供電時，電極間的電壓波形、不等于電源脈沖波形，而與電路時間常數(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，脈沖幅值：U P = 2U1+ U 2 (II),U1作為驅(qū)動粉塵的電壓，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)生強列電暈的電壓）?？蛇x擇U2Uj (電收塵器的沖擊擊穿電壓)，這時收塵器可以采用一個既高效又經(jīng)濟的脈沖供電系統(tǒng)，這個系統(tǒng)只是一個單一的脈沖電源。這個電源如用在一個電極電容的充放電電路時間常數(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電路時間常數(shù)；t1電源脈沖寬度，一般為30s600s；脈沖重要時間，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（見圖九）。脈沖波形是否矩形都極間電壓波形關(guān)系不大。實際上矩形和正弦半波脈沖供電，它們對電收塵的電氣特性影響都很接近。故此在設(shè)計脈沖電源時，

13、過分強調(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)實施中，輸出高壓矩形波形的難度遠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)濟可行的。四、結(jié)論通過以上分析，對于電收塵器采用脈沖電源供電時，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)進速度，使收塵效率明顯提高。（3） 脈沖供電時，電收塵的電極間的電壓波形不同于供電電壓波形，影響因素是電路時間常數(shù)。當選擇電源參數(shù)，使得極間電容在脈沖