一种高效调幅恒高频电除尘电源电路

摘要

本发明的名称为一种高效调幅恒高频电除尘电源电路。属于电除尘电源技术领域。它主要是解决现有电路存在母线电压不可控、输出直流高压电源不能随负载变化、输入电网侧功率因数低和谐波大的问题。它的主要特征是：包括依次连接的三相LCR滤波电路、三相整流调压电路、储能电容、单相全桥逆变电路、LCC谐振电路和高频变压器；三相整流调压电路与单相全桥逆变电路共用储能电容；双核DSP采样控制电路分别与三相整流调压电路、单相全桥逆变电路、LCC谐振电路和高频变压器连接。本发明具有可大幅降低变压器损耗，通过一次调压方式更好的适应不同负载下的功率需求，保证设备的稳定运行的特点，主要用于电除尘电源电路。

权利要求

1.一种高效调幅恒高频电除尘电源电路，包括单相全桥逆变电路（4）、高频变压器（6）和控制电路，其特征在于：还包括三相LCR滤波电路（1）、三相整流调压电路（2）、储能电容（3）和谐振电容（C3）；所述控制电路为双核DSP采样控制电路（7），包括双核DSP控制器、采样电路和IGBT驱动电路，其中，采样电路包括对三相电网电压和电流采样的第一采样电路和通过设置在LCC谐振电路（5）上的霍尔电流传感器对电网输入电流、谐振电流、二次电流采样的第二采样电路；所述三相LCR滤波电路（1）、三相整流调压电路（2）、储能电容（3）、单相全桥逆变电路（4）、谐振电容（C3）和高频变压器（6）依次连接，在所述的 三相整流调压电路（2）和单相全桥逆变电路（4）中间增加BOOST-BUCK电路；谐振电容（C3）与高频变压器（6）的等效电感（L1）、等效电容（C4）形成LCC谐振电路（5）；双核DSP采样控制电路（7）分别与三相整流调压电路（2）、单相全桥逆变电路（4）、LCC谐振电路（5）和高频变压器（6）连接，当检测到谐振电容（C3）容值变小，通过动态调节一次电压，弥补电容衰减使得输出功率提升，谐振电容（C3）容值降低为额定值的50%时，通过软件控制及时有效在人机界面上反应告警，提示用户更换电容，保证的设备稳定运行。

2.根据权利要求1所述的一种高效调幅恒高频电除尘电源电路，其特征在于：所述的三相LCR滤波电路（1）包含三相电感、电容和电阻，构成一个LCR滤波电路；三相LCR滤波电路（1）接电网输入侧380V。

3.根据权利要求1或2所述的一种高效调幅恒高频电除尘电源电路，其特征在于：所述的储能电容（3）由串联的第一电容（C1）和第二电容（C2）构成。

4.根据权利要求1或2所述的一种高效调幅恒高频电除尘电源电路，其特征在于：所述的三相整流调压电路（2）是三相三电平I型整流调压电路、三相三电平T型整流调压电路或三相维也纳整流电路。

5.根据权利要求1或2所述的一种高效调幅恒高频电除尘电源电路，其特征在于：所述的双核DSP采样控制电路（7）通过第一采样电路对三相电网电压采样和三相电网电流采样，通过SVPWM调制技术改变三相整流调压电路（2）的开通与关断，将三相交流电压整流为储能电容（3）上的直流电压；通过改变三相整流调压电路（2）的开通与关断时刻调整交流逆变电压的相位角，改变电网电流的功率因数角，使电网电流与电网电压同相；通过改变三相整流调压电路（2）开通时间与开关周期的占空比，调整母线电压的幅值，进而控制电网输入电流的幅值，实现电网输出、电网输入有功功率的控制。

说明书

一种高效调幅恒高频电除尘电源电路

技术领域

[0001] 本发明属于电除尘电源技术领域。具体涉及一种高效调幅恒高频电除尘电源电路，能够通过调幅、调频（调节一次电压、逆变频率）来实现调节输出功率。

背景技术

[0002] 目前，现有技术的调幅高频高压电源电路如图1所示，它包括三相可控硅调压滤波电路、隔离桥堆电路、单相桥式逆变电路、高频升压整流输出电路和控制电路。三相交流电经三相可控硅调压滤波电路后依次连接隔离桥堆电路、单相桥式逆变电路和高频升压整流输出电路，控制电路采用DSP控制器进行控制。由于电网交流输入是变化的，变化为±5%～±15%，因而存在以下不足：1、引起加在串联谐振单相桥式逆变电路的母线电压忽高忽低，过高易造成器件损坏，加大逆变控制难度；2、造成母线电压不可控，即使负载要求不变，其输出随之变化，因此变频调压方式无法解决电网变化引起母线电压随机变化的问题；3、电除尘工况是随机的，因而要求输出直流高压电源也应跟着变化，实现电除尘高压电源的自动跟踪；4、输入电网侧功率因数低、谐波大，需要额外的装置改善电网质量。

[0003] 如图1、图2所示，为现有技术的两种调幅高频高压电源电路，它们采用调幅逆变控制方式对单相桥式逆变电路进行控制，其中，图1采用三相全桥可控硅调压电路进行降压调压，图2采用三相不控整流滤波电路通过单相IGBT调压逆变电路进行降压调压。然而，由于图1采用可控硅调压，输入为380V其调压范围为0-540V，且负载越大调压范越小，使得母线电压峰值较高、谐波多，因而滤波难度大、损耗大、效率低；火花追踪速度慢，对本体伤害大。由于图2采用单相IGBT调压逆变电路实为Buck电路，Buck电路无法升压，导致一次电压低，输出功率随之变低。为了解决IGBT模块电流容量做不大而适应电除尘用需要高电压、大电流高频高压电源设备问题，图2中，采用两套串联逆变谐振电路和双绕组的高频变压器，将高频高压变压器中的整流桥串联起来输出直流高压。以上两种方案中都采用谐振电路，谐振电路中的电容的特性会随着时间衰减，如果不采取措施会导致输出功率减小。然而，采取相应措施必然会造成成本较高、体积大等问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种高效调幅恒高频电除尘电源电路，可大幅降低变压器损耗，通过一次调压方式更好的适应不同负载下的功率需求，保证设备的稳定运行。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高效调幅恒高频电除尘电源电路，包括单相全桥逆变电路、高频变压器和控制电路，其特征在于：还包括三相LCR滤波电路、三相整流调压电路、储能电容和谐振电容；所述控制电路为双核DSP采样控制电路；所述三相LCR滤波电路、三相整流调压电路、储能电容、单相全桥逆变电路、谐振电容和高频变压器依次连接；谐振电容与高频变压器的等效电感、等效电容形成LCC谐振电路；双核DSP采样控制电路分别与三相整流调压电路、单相全桥逆变电路、LCC谐振电路和高频变压器连接。

[0006] 本发明的技术解决方案中所述的双核DSP采样控制电路包括双核DSP控制器、采样电路和IGBT驱动电路；其中，采样电路包括对三相电网电压和电流采样的第一采样电路和通过设置在LCC谐振电路上的霍尔电流传感器对电网输入电流、谐振电流、二次电流采样的第二采样电路。双核DSP处理器实现控制与保护实时配合。16位AD采样使得采样和控制更精确。采样电路对电网电压、一次电压、二次电压进行采样，转换为0 3V电压信号，送入模数转~换芯片。霍尔电流传感器对电网输入电流、谐振电流（一次电流）、二次电流进行采样，转换为0 3V电压信号，送入模数转换芯片。DSP处理器通过读取模数转换芯片完成系统模拟量的~
采样。

[0007] 本发明的技术解决方案中所述的三相LCR滤波电路包含三相电感、电容和电阻，构成一个LCR滤波电路；三相LCR滤波电路接电网输入侧380V。

[0008] 本发明的技术解决方案中所述的储能电容由串联的第一电容和第二电容构成。

[0009] 本发明的技术解决方案中所述的三相整流调压电路是三相三电平I型整流调压电路、三相三电平T型整流调压电路或三相维也纳整流电路。

[0010] 本发明的技术解决方案中所述的三相整流调压电路和单相全桥逆变电路中间增加BOOST-BUCK电路。

[0011] 本发明的技术解决方案中所述的双核DSP采样控制电路通过第一采样电路对三相电网电压采样和三相电网电流采样，通过SVPWM调制技术改变三相整流调压电路的开通与关断，将储能电容上的直流电压逆变为三相交流电压；通过改变三相整流调压电路的开通与关断时刻调整交流逆变电压的相位角，改变电网电流的功率因数角，使电网电流与电网电压同相；通过改变三相整流调压电路开通时间与开关周期的占空比，调整交流逆变电压的幅值，进而控制电网输入电流的幅值，实现电网输出、电网输入有功功率的控制。

[0012] 本发明的技术解决方案中所述的IGBT驱动电路采用电驱动。

[0013] 本发明的原理是直流供电提供尽可能接近火花放电的电压，采用软件动态捕捉火花，火花关断时间<10us。当火花刚要发生时，输出频率不变，迅速的调节一次电压，抑制火花，有效的保护本体不受火花灼伤。火花消失后迅速将调节一次电压使得设备重新工作在正常状态。多种工作模式（一次恒流、二次恒压、火花追踪、省电模式）满足用户不同需求，进而增加了电除尘的除尘。

[0014] 本发明的有益效果是，与现有技术的调幅高频高压电源电路相比，首先，本发明采用三相整流调压电路调节共用的母线电压，是得到的一次电压范围宽、功率因数高、谐波少，并且成本更低、可长期额定满载输出；其次，采用LCC谐振电路中电容寿命检测技术，实时监测谐振电容值，动态调节一次电压，弥补电容衰减使得输出功率提升。谐振电容值降低为额定值的50%时，通过软件控制及时有效在人机界面上反应告警，提示用户更换电容，保证的设备稳定运行；再者，火花保护<10us，高速有效抑制火花发送，有效保护本体不受灼伤；再者，本发明使用的高频变压器还具备结构紧凑、占用空间小等特点。

附图说明

[0015] 图1是现有技术的一种调幅高频高压电源电路的示意图。

[0016] 图2现有技术的另一种调幅高频高压电源电路的示意图。

[0017] 图3是本发明的一种高效调幅恒高频电除尘电源电路示意图。

[0018] 图4是LCC谐振电路电流波形。

[0019] 图5是单相桥式逆变电路工作过程波形示意图。

[0020] 图6是同相位计算矢量图。

[0021] 图7是本发明的一种高效调幅（三电平）恒高频电除尘电源电路示意图。

[0022] 图8是本发明另外案例一种高效调幅恒高频电除尘电源电路示意图。

具体实施方式

[0023] 如图3所示。本发明的一种高效调幅恒高频电除尘电源电路，包括三相LCR滤波电路1、三相整流调压电路2、储能电容3、单相全桥逆变电路4、谐振电容C3、高频变压器6和双核DSP采样控制电路7。其中，谐振电容C3与高频变压器6的等效电感L1、等效电容C4形成LCC谐振电路5。双核DSP采样控制电路7分别与三相整流调压电路2、单相全桥逆变电路4、LCC谐振电路5和高频变压器6连接。

[0024] 上述电路中，三相LCR滤波电路1包含三相电感、电容和电阻，构成一个LCR滤波电路，有效的提高电网质量。三相LCR滤波电路1接电网输入侧380V。

[0025] 上述电路中，三相整流调压电路2由双核DSP采样控制电路7将驱动信号通过电驱动方式到IGBT驱动板，三相整流调压电路2通过三相LCR滤波电路1与电网相连。储能电容3由串联的第一电容C1和第二电容C2构成。双核DSP采样控制电路7通过第一采样电路对三相电网电压采样和三相电网电流采样，电网电流矢量I可分为正交的有功电流矢量Id和无功电流矢量Iq，通过SVPWM调制技术开通与关断三相整流调压电路2的6只IGBT，将储能电容3上的直流电压逆变为三相交流电压。通过改变三相整流调压电路2的6只IGBT的开通与关断时刻可以调整交流逆变电压的相位角θ，以改变电网电流的功率因数角，将电网电流与电网电压同相，此时电网功率因数为1；通过改变IGBT开通时间与开关周期的比值，即占空比，可以调整交流逆变电压的幅值，增加占空比即可增加交流逆变电压的幅值。由图6所述，有公式1可知，电网电流也同步增加，实现电网输出有功功率的控制。进而控制电网输入电流的幅值，实现电网输入有功功率的控制。使得电网侧的功率因数高、谐波小。

[0026]   公式1

[0027] 一次电压公式（微分方程）：

[0028]    公式2

[0029] 其中，C：母线储能电容容量；ia、ib、ic：A/B/C三相电网电流；sa、sb、sc：A/B/C三相开关函数；由上面公式2可见，通过控制三相电网电流、三相开关函数，来控制一次电压，按照理论，Udc1可达无穷大，考虑器件选型、设备成本，针对该恒高频调幅除尘电源，一次电压可在600V 1500V直接调节。~

[0030] 上述电路中，单相全桥逆变电路4为由二对并联的IGBT管构成的全桥IGBT逆变电路。三相整流调压电路2输出为低频率，通过单相全桥逆变电路4将储能电容3的能量通过相位一致的算法，获得高频高压同相交流电；单相全桥逆变电路4单相逆变通过控制IGBT开关频率，实现高电压、恒频率的交流电。如图5所示，双核DSP采样控制电路7控制在t1时刻开通Q7、Q10，稳态工作下，此时并联电容C4电压被箝位为Uo/n，谐振电感L1与串联电容C3形成谐振，谐振电流从零按正弦规律正向增加，此时变压器原边向副边传递能量；t2 t3时间段内，~电流反向续流，此时可以关断Q7、Q10，实现IGBT的软关断，能量反馈回储能电容，整流变压器对副边反向电流进行整流；t3 t4时间段内，无能量传递，并联电容C4电压被箝位为-Uo/~
n；t4时刻开通Q8、Q9，谐振电感L1与串联电容C3形成谐振，谐振电流从零按正弦规律反向增加，此时变压器原边向副边传递能量，经过整流变压器后电流变为正向；t5 t6时间段内，电~
流正向续流，此时可以关断Q8、Q9，实现IGBT的软关断，能量反馈回储能电容。以上为单相桥式逆变电路的一个控制周期，重复以上过程，通过公式3和公式4，稳定输出静电除尘用的直流电压。通过第二采用电路对一次直流电压进行采样，逆变后交流电压基波分量的幅值：
Un1m=0.637Udc1，通过调节一次直流电压可以等比例调节逆变输出电压，实现一次高电压、一次恒频率的交流电。

[0031]        公式3

[0032]     公式4

[0033] 上述电路中，LCC谐振电路5为串联谐振电路。经过单相全桥逆变电路4输出交流方波电压加到LCC谐振电路5上，产生谐振电流如图4，其谐振电流频域方程公式：

[0034]     公式5

[0035] 其中：C3谐振电容、C4变压器层间电容、L1变压器绕组自身的漏电感、Udc1一次电压、负载等效电阻；公式5、图4可见，恒定频率通过调节一次电压幅值，可以提高通过变压器的谐振电流，进而提供恒高频电源的输出电流，到达额定功率输出。

[0036] 上述电路中，LCC谐振电路5采用特有的串联谐振电路中电容寿命检测技术。电容的容值的特性会随着时间衰减，通过霍尔电流传感器对谐振电流iL进行采样如图4，转成±5V的电压信号，通过比较器与0.05V的电压信号比较，如图5所示，t1时刻比较器输出由低电平变为高电平，t2时刻比较器输出由高电平变为低电平，DSP处理器通过捕获该段高电平持续的时间，通过LCC公式6和公式7，推导计算出公式8电容值。

[0037]

[0038]              公式7

[0039]      公式8

[0040] 其中：C3谐振电容、C4变压器层间电容、L1变压器绕组自身的漏电感、ωr谐振角频率、T为时间周期；变压器绕组自身的漏电感为变压器出厂标值，通过公式3可以计算出C3谐振电容值，C3容值变小T时间周期随之变小，T时间周期变小导致输出功率同步减小，当检测到C3容值变小，通过动态调节一次电压，弥补电容衰减使得输出功率提升。C3容值降低为额定值的50%时，通过软件控制及时有效在人机界面上反应告警，提示用户更换电容，保证的设备稳定运行。

[0041] 上述电路中，双核DSP采样控制电路7包括双核DSP处理器、采样电路和IGBT驱动电路。其中，采样电路包括对三相电网电压和电流采样的第一采样电路和通过设置在LCC谐振电路5上的霍尔电流传感器对电网输入电流、谐振电流、二次电流采样的第二采样电路。双核DSP采样控制电路7分别连接三相整流调压电路2、单相全桥逆变电路4、LCC谐振电路5、高频变压器6连接。双核DSP处理器实现控制与保护实时配合。16位AD采样使得采样和控制更精确。采样电路对电网电压、一次电压、二次电压进行采样，转换为0 3V电压信号，送入模数~转换芯片。霍尔电流传感器对电网输入电流、谐振电流（一次电流）、二次电流经常采样，转换为0 3V电压信号，送入模数转换芯片。DSP处理器通过读取模数转换芯片完成系统模拟量~
的采样。

[0042] 上述电路中，高频变压器原边与LCC谐振电路5的输出相连接，副边与整流硅堆的输入相连接，整流硅堆的输出做为高效调幅恒高频电除尘电源电路的输出。图6所示，高频变压器将单相全桥逆变电路4得到的高频高压同相交流电升压，高频变压器的副边通过整流硅堆获得倍频的高频高压直流电源。一次电压为1500V时，经过升压变压器升压为80KV高频交流方波，经整流硅堆为80KV直流。

[0043] 上述电路中，三相整流调压电路2还可以是三相三电平I型逆变调压整流电路、如图7所示的三相三电平T型逆变调压整流电路或三相维也纳整流电路。采用其他拓扑具有电网谐波更小、转化效率高等特点。

[0044] 上述电路中，三相整流调压电路2和单相全桥逆变电路4中间增加BOOST-BUCK电路8，如图8所示。BOOST-BUCK电路8包括串接的两只IGBT管Q11、Q12及该两只IGBT管Q11、Q12之间连接的电感和电容，该电容的两端接单相全桥逆变电路4中两只IGBT管Q7、Q8之间的连接点。通过BOOST-BUCK电路8可以使得一次电压范围0-1500V。

[0045] 本发明的一种高效调幅恒高频电除尘电源电路，外部接入380V的交流电压，经过三相LCR滤波电路1和三相整流调压电路2后，可以得到600V-1500V的直流共用母线电压，得到储能电容电压范围宽、电压平稳、谐波小、效率高。单相全桥逆变电路4获得可以调节的高电压、大电流，再经过单相全桥逆变电路4得到最大频率为20kHz的高电压、高频率、大电流。再经过高频变压器6得到72KV负高压，大电流为本体提供可靠的电源。克服了现有调幅高频高压电源电路中因三相可控硅调压受电网波动不稳定导致母线电压波动大、范围窄、电压低、变压器损耗大等问题。由于高效调幅恒高频电除尘电源电路输入功率因数>0.99，谐波<
5%，无需额外添加无功补偿装置和谐波治理装置，有效的降低系统投入成本。