电收尘器用高压脉冲电源的参数分析电收尘器用高压脉精品管理.docx

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电收尘器用高压脉冲电源的参数分析电收尘器用高压脉

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=A（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）。

使采用单壹脉冲电源供电和采用直流和脉冲电源叠加供电壹样高效。

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壹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半波脉冲电源供电在工程上是可行的。

通过之上分析，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，且当电极间的介质为空气或空气和烟、尘微粒的混合气体。

气体的电气特性。

除了壹般的伏安特性外，对脉冲供电关系较大的仍有介质的伏秒特性。

按照气体击穿的理论，气体的击穿见起来似乎是突然发生的现象。

但实际上仍需要壹定的时间才能完成，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，和放电时间完全能够比较。

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壹定的能量。

电介质击穿的这壹特性能够用冲击函数β来表示，它表示电介质的耐冲击强度。

表达式为[2]:

β=

（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]。

电收尘器的电场壹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和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。

介质击穿电压和电压作用时间的关系可通过伏秒特性Ujmax=f（tp）得到说明（图壹），曲线1—5是壹系列的冲击电压，它们逐壹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壹。

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。

伏秒特性仍可用下面的经验公式来表示：

Ujmax=

（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=（3）

式中：

UP——脉冲幅值；t——脉宽。

三、脉冲宽度和电路时间常数

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壹般性，脉冲电压源的波形如图四（a）所示。

之上的电路可分为俩种情况来讨论：

壹是电路时间常数τ（τ=RSCL）小于T（1/2周期）；另壹是τ接近（或大于）T,因为电路在充电和放电时的时间常数τ都壹样，当τ小于T时，设T=4τ，即在第壹个半周电谷电压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，电路不断重复之上过程，图四（b）表示了之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）=（4）

如果τ和T比较（或τ﹥T）时，情况就和上述不同，其过度过程比较复杂。

参考图五。

在τ=T时，UC仍未上升到UP，充电没有完成就进入放电过程。

τ=2T时，电容放电仍没有结束，UC仍没有下降到零，第二个脉冲又对电容进行充电。

可是，这时电容的初始状态不是零电压，充电的起点比上壹次充电时提高了。

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和脉冲幅值（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。

这样后壹个脉冲充电时的UC初始值总比前壹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壹数值上（见图五）。

脉冲幅值UP和电容电压峰值U2之差就等于电容电压谷值U1和零值之差（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，稳态时极间的电压能够通过以下方程求得（4）：

在0≤t≤T时，

UC1（t）=U1+（UP—U1）（1—）（5）

T≤t≤2T时：

UC2（t）=Uτ（6）

t=T时

UC1（t）=U2=U1+（UP—U1）（1—）（7）

t=2T时：

UC2（2T）=U1=U2（8）

从（7）（8）俩式可解得：

U2=（9）

U1=（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）。

之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，这时会出现俩种情况：

壹是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。

t>T时电容又从零开始充电，重复前壹过程。

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;另壹种情况就是充电和放电斗没有完毕，下壹各脉冲对电容又进行充电、放电，这又和前面分析的T和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。

之上分析，能够见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，而和电路时间常数τ有关，即和基建的邓小电容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，电收尘器采用单壹脉冲电源供电得到的结果如同采用俩组电源（壹组为直流电源，另壹组为脉冲电源）供电的情形壹样，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。

从图七的结果能够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），这时收尘器能够采用壹个既高效又经济的脉冲供电系统，这个系统只是壹个单壹的脉冲电源。

这个电源如用在壹个电极电容的充放电电路时间常数都相同的电路中，且且占空比接近1/2，那么其幅值Up、极间电压脉冲幅值U2和直流分量U1的确定能够由式（9）（10）推导得到，计算的方程式如下：

Up=U2（12）

Up=U1（13）

k==（14）

式中：

k—常数；t电路时间常数；t1—电源脉冲宽度，壹般为30μs—600μs；—脉冲重要时间，∵占空比为1/2，∴t1=t2。

之上分析仍能够清楚地见到，由于电路时间常数的存在，极间脉冲的波形总是和电源脉冲波形不壹样，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）作用在同壹收尘器电路，能够见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，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

通过之上分析，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和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:

。

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；能够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壹个直流分量和壹个脉冲分量叠加的效果，相当于由壹个直流电源和另壹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

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。