王燕鋒,王培良,楊小衛(wèi),程 奔

(1.湖州師范學(xué)院工學(xué)院,浙江湖州313000;2.湖州太源綠能科技有限公司,浙江湖州313000)

一種廢氣處理高頻高壓電源的設(shè)計(jì)*

王燕鋒1,王培良1,楊小衛(wèi)2,程 奔1

(1.湖州師范學(xué)院工學(xué)院,浙江湖州313000;2.湖州太源綠能科技有限公司,浙江湖州313000)

設(shè)計(jì)一種用于有機(jī)工業(yè)廢氣處理的串聯(lián)諧振全橋逆變高頻高壓電源,對(duì)主電路和控制電路進(jìn)行了隔離,分析了串聯(lián)諧振逆變電源的各種控制方式及特點(diǎn).該電源可以根據(jù)需要在多個(gè)模式下工作,具有重量輕、體積小、對(duì)公共電網(wǎng)干擾小等特點(diǎn).

高頻高壓;逆變;廢氣處理;諧振

0 引言

工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣,為了減小對(duì)環(huán)境的污染,在排放到大氣前必須進(jìn)行處理.有機(jī)工業(yè)廢氣處理常見(jiàn)的方法有活性炭吸附法、植物噴灑液除臭法、UV光分解法、等離子法[1～2]等,其中等離子法是用高壓電極發(fā)射電子和離子,轟擊廢氣中惡臭分子,從而破壞惡臭分子的結(jié)構(gòu),對(duì)惡臭氣體的凈化效果明顯,可以處理多種臭氣組成的混合廢氣,不受廢氣濕度的影響,并且沒(méi)有二次污染.

關(guān)于高頻高壓電源的研究出現(xiàn)了很多研究成果[3～5],而把高頻高壓電源應(yīng)用于廢氣處理領(lǐng)域的研究尚不多見(jiàn).本文針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)廢氣,設(shè)計(jì)了一套由整流濾波環(huán)節(jié)、全橋逆變環(huán)節(jié)、干式高壓變壓器、四路柵極驅(qū)動(dòng)等組成的高頻高壓電源裝置.其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小,工作頻率達(dá)20 KHz,可滿足高頻大功率的要求.

1 電源設(shè)計(jì)方案

輸入為220 V、50 Hz的工頻電壓通過(guò)整流,濾波得到300 V的直流母線電壓.再經(jīng)過(guò)MOSFET全橋逆變及高頻變壓器的升壓,得到交流高壓為廢氣處理的電極供電,其主電路如圖1所示.

圖1 串聯(lián)諧振高頻高壓電源主電路Fig. 1 M ain circuit of series resonance high frequency voltage pow er

2 主回路工作過(guò)程

根據(jù)MOSFET的通斷情況及流過(guò)諧振電感iL的方向,串聯(lián)逆變電路在一個(gè)諧振周期內(nèi)有4個(gè)工作模態(tài):

模態(tài)1:M1、M4導(dǎo)通,回路中電流iL＞0,通路為:直流母線正極→M1→L→C→變壓器一次線圈→M4→直流母線負(fù)極.此階段電容C被充電,其等效電路如圖2所示.

圖2 模態(tài)1的等效電路Fig. 2 Equivalent circuit of mode 1

模態(tài)2:D1、D4導(dǎo)通,回路中電流iL＜0,電容C通過(guò)L、D1、直流母線正極、直流母線負(fù)極、D4及變壓器一次線圈放電,其等效電路如圖3所示.

模態(tài)3:M2、M3導(dǎo)通,回路中電流iL＜0,通路為:直流母線正極→M2→變壓器一次線圈→C→L→M3→直流母線負(fù)極.此階段電容C被反充電,其等效電路如圖4所示.

圖3 模態(tài)2的等效電路Fig. 3 Equivalent circuit of mode 2

模態(tài)4:D2、D3導(dǎo)通,回路中電流iL＞0,電容C通過(guò)變壓器一次線圈、D2、直流母線負(fù)極、直流母線正極、D3及L放電,其等效電路如圖5所示.

圖4 模態(tài)3的等效電路Fig. 4 Equivalent circuit of mode 3

圖5 模態(tài)4的等效電路Fig. 5 Equivalent circuit of mode 4

3 控制電路設(shè)計(jì)

3.1 控制信號(hào)的產(chǎn)生

采用SG3525芯片實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸出,該芯片的內(nèi)部框圖如圖6所示.

圖6 SG3525內(nèi)部框圖Fig. 6 The internal block diagram of SG3525

引腳5接電容CT,其取值范圍為0.001～0.1μF,正常工作時(shí)CT兩端為0.6～3.5 V變化的鋸齒波.引腳6接電阻RT,其取值范圍為2 kΩ～150 kΩ,震蕩器頻率f由CT及RT決定:

式中:RD為引腳5、7間跨接的電阻.

引腳9及引腳1之間常接入反饋網(wǎng)絡(luò),在本設(shè)計(jì)中將這兩個(gè)引腳直接連接構(gòu)成電壓跟隨器.

引腳13為推挽輸出電壓輸入端,引腳15為芯片的電源端,芯片的工作電壓范圍為8～35 V,本設(shè)計(jì)采用12 V.

將相關(guān)引腳設(shè)置好后,引腳11、14得到的相位相差180°、頻率為0.5f的控制信號(hào)波形.

3.2 隔離方式

在功率變換裝置中,功率開(kāi)關(guān)器件有直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式.采用隔離驅(qū)動(dòng)的目的是將主電路和驅(qū)動(dòng)電路相互隔離,以避免故障擴(kuò)大.隔離驅(qū)動(dòng)可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式.光隔離具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但共模抑制能力差,傳輸速度低.作為電磁隔離用的脈沖變壓器,相應(yīng)速度快,共模抑制能力強(qiáng),但體積大,制造復(fù)雜,且信號(hào)的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制.

美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110芯片兼有光耦隔離及電磁隔離的優(yōu)點(diǎn),因此將其作為隔離器件,其自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上下兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件,因此只需2片IR2110就可以完成全橋逆變的驅(qū)動(dòng)任務(wù).

4 PFM控制方式及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了減小場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)損耗,采用串聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù).諧振頻率fr由諧振電感L和諧振電容C的大小決定:

PFM控制方式是通過(guò)改變脈沖的頻率而不改變脈沖的寬度來(lái)達(dá)到輸出電流和電壓的變化.根據(jù)諧振頻率fr與開(kāi)關(guān)頻率fs的關(guān)系,PFM控制方式可以分為以下3種:

(1)fs＜0.5fr時(shí),功率開(kāi)關(guān)開(kāi)通屬于零電流狀態(tài),關(guān)斷為零電流和零電壓狀態(tài).

(2)0.5fr＜fs＜fr時(shí),功率開(kāi)關(guān)開(kāi)通是硬開(kāi)通,但關(guān)斷是零電壓和零電流方式.由實(shí)驗(yàn)得出的逆變器出口電壓及iL的波形如圖7所示.

(3)fs＞fr時(shí),功率開(kāi)關(guān)開(kāi)通是零電壓和零電流開(kāi)通,但關(guān)斷是硬關(guān)斷.由實(shí)驗(yàn)得出的逆變器出口電壓及iL的波形如圖8所示.

圖7 0.5fr＜fs＜fr時(shí) 電壓及電流波形Fig. 7 Voltage and current waveform w hen 0.5fr＜fs＜fr

圖8 fs＞fr時(shí)電壓及電流波形Fig. 8 Voltage and current w aveform when fs＞fr

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一套廢氣處理高頻高壓電源設(shè)計(jì)方案,并根據(jù)設(shè)計(jì)方案試制出了一套諧振頻率為13 KHz的樣機(jī),為工業(yè)廢氣處理提供了更多的選擇.

[1]張尊平.有機(jī)廢氣處理技術(shù)初探[J].江西建材,2015(5):244.

[2]王洪艷,黃鑫宗,李紹森.有機(jī)廢氣處理技術(shù)新進(jìn)展[J].廣東化工,2014,41(12):155-156.

[3]劉帥,肖登明,王延安,等.高頻高壓靜電除塵電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2008,21(8):39-40.

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A Design for a Kind of High-frequency and High-voltage Power of Waste Gas Treatment

WANG Yanfeng1,WANG Peiliang1,YANG Xiaowei2,CHENG Ben1
(1.School of Engineering,Huzhou University,Huzhou 313000,China; 2.Huzhou Tai Yuan Lvneng Science and Technology Co.,Ltd,Huzhou 313000,China)

We have designed a kind of high-frequency and high-voltage series resonant full bridge invertion which is adopted in the industrial organic waste gas treatment and is designed and isolation is made between main circuit and control circuit and the control types are also analyzed.The power supply can work on more than one mode and has a light weight,small volume,and little interference on the public power grid and other characteristics with good results in the experiment.

high-frequency high voltage;converter;waste gas treatment;resonant

TP273

A

1009-1734(2015)10-0038-04

[責(zé)任編輯 吳志慧]

2015-04-03

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014C31091).

王燕鋒,講師,博士,研究方向:魯棒控制、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).Email:02154@hutc.zj.cn