王燕锋,王培良,杨小卫,程 奔

(1.湖州师范学院工学院,浙江湖州313000;2.湖州太源绿能科技有限公司,浙江湖州313000)

一种废气处理高频高压电源的设计*

王燕锋1,王培良1,杨小卫2,程 奔1

(1.湖州师范学院工学院,浙江湖州313000;2.湖州太源绿能科技有限公司,浙江湖州313000)

设计一种用于有机工业废气处理的串联谐振全桥逆变高频高压电源,对主电路和控制电路进行了隔离,分析了串联谐振逆变电源的各种控制方式及特点.该电源可以根据需要在多个模式下工作,具有重量轻、体积小、对公共电网干扰小等特点.

高频高压;逆变;废气处理;谐振

0 引言

工业企业在生产过程中会产生大量的废气,为了减小对环境的污染,在排放到大气前必须进行处理.有机工业废气处理常见的方法有活性炭吸附法、植物喷洒液除臭法、UV光分解法、等离子法[1～2]等,其中等离子法是用高压电极发射电子和离子,轰击废气中恶臭分子,从而破坏恶臭分子的结构,对恶臭气体的净化效果明显,可以处理多种臭气组成的混合废气,不受废气湿度的影响,并且没有二次污染.

关于高频高压电源的研究出现了很多研究成果[3～5],而把高频高压电源应用于废气处理领域的研究尚不多见.本文针对工业生产过程中产生的有机废气,设计了一套由整流滤波环节、全桥逆变环节、干式高压变压器、四路栅极驱动等组成的高频高压电源装置.其优点是结构紧凑、体积小,工作频率达20 KHz,可满足高频大功率的要求.

1 电源设计方案

输入为220 V、50 Hz的工频电压通过整流,滤波得到300 V的直流母线电压.再经过MOSFET全桥逆变及高频变压器的升压,得到交流高压为废气处理的电极供电,其主电路如图1所示.

图1 串联谐振高频高压电源主电路Fig. 1 M ain circuit of series resonance high frequency voltage pow er

2 主回路工作过程

根据MOSFET的通断情况及流过谐振电感iL的方向,串联逆变电路在一个谐振周期内有4个工作模态:

模态1:M1、M4导通,回路中电流iL＞0,通路为:直流母线正极→M1→L→C→变压器一次线圈→M4→直流母线负极.此阶段电容C被充电,其等效电路如图2所示.

图2 模态1的等效电路Fig. 2 Equivalent circuit of mode 1

模态2:D1、D4导通,回路中电流iL＜0,电容C通过L、D1、直流母线正极、直流母线负极、D4及变压器一次线圈放电,其等效电路如图3所示.

模态3:M2、M3导通,回路中电流iL＜0,通路为:直流母线正极→M2→变压器一次线圈→C→L→M3→直流母线负极.此阶段电容C被反充电,其等效电路如图4所示.

图3 模态2的等效电路Fig. 3 Equivalent circuit of mode 2

模态4:D2、D3导通,回路中电流iL＞0,电容C通过变压器一次线圈、D2、直流母线负极、直流母线正极、D3及L放电,其等效电路如图5所示.

图4 模态3的等效电路Fig. 4 Equivalent circuit of mode 3

图5 模态4的等效电路Fig. 5 Equivalent circuit of mode 4

3 控制电路设计

3.1 控制信号的产生

采用SG3525芯片实现控制信号的输出,该芯片的内部框图如图6所示.

图6 SG3525内部框图Fig. 6 The internal block diagram of SG3525

引脚5接电容CT,其取值范围为0.001～0.1μF,正常工作时CT两端为0.6～3.5 V变化的锯齿波.引脚6接电阻RT,其取值范围为2 kΩ～150 kΩ,震荡器频率f由CT及RT决定:

式中:RD为引脚5、7间跨接的电阻.

引脚9及引脚1之间常接入反馈网络,在本设计中将这两个引脚直接连接构成电压跟随器.

引脚13为推挽输出电压输入端,引脚15为芯片的电源端,芯片的工作电压范围为8～35 V,本设计采用12 V.

将相关引脚设置好后,引脚11、14得到的相位相差180°、频率为0.5f的控制信号波形.

3.2 隔离方式

在功率变换装置中,功率开关器件有直接驱动和隔离驱动两种方式.采用隔离驱动的目的是将主电路和驱动电路相互隔离,以避免故障扩大.隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式.光隔离具有体积小、结构简单等优点,但共模抑制能力差,传输速度低.作为电磁隔离用的脉冲变压器,相应速度快,共模抑制能力强,但体积大,制造复杂,且信号的最大传输宽度受磁饱和特性的限制.

美国IR公司生产的IR2110芯片兼有光耦隔离及电磁隔离的优点,因此将其作为隔离器件,其自举悬浮驱动电源可同时驱动同一桥臂的上下两个功率开关器件,因此只需2片IR2110就可以完成全桥逆变的驱动任务.

4 PFM控制方式及其实验结果

为了减小场效应管的开关损耗,采用串联谐振软开关技术.谐振频率fr由谐振电感L和谐振电容C的大小决定:

PFM控制方式是通过改变脉冲的频率而不改变脉冲的宽度来达到输出电流和电压的变化.根据谐振频率fr与开关频率fs的关系,PFM控制方式可以分为以下3种:

(1)fs＜0.5fr时,功率开关开通属于零电流状态,关断为零电流和零电压状态.

(2)0.5fr＜fs＜fr时,功率开关开通是硬开通,但关断是零电压和零电流方式.由实验得出的逆变器出口电压及iL的波形如图7所示.

(3)fs＞fr时,功率开关开通是零电压和零电流开通,但关断是硬关断.由实验得出的逆变器出口电压及iL的波形如图8所示.

图7 0.5fr＜fs＜fr时 电压及电流波形Fig. 7 Voltage and current waveform w hen 0.5fr＜fs＜fr

图8 fs＞fr时电压及电流波形Fig. 8 Voltage and current w aveform when fs＞fr

5 结语

本文提出了一套废气处理高频高压电源设计方案,并根据设计方案试制出了一套谐振频率为13 KHz的样机,为工业废气处理提供了更多的选择.

[1]张尊平.有机废气处理技术初探[J].江西建材,2015(5):244.

[2]王洪艳,黄鑫宗,李绍森.有机废气处理技术新进展[J].广东化工,2014,41(12):155-156.

[3]刘帅,肖登明,王延安,等.高频高压静电除尘电源控制系统的设计[J].工业控制计算机,2008,21(8):39-40.

[4]高立颖,金志辉,栾天.高频高压开关电源的设计和仿真[J].电源技术,2011,35(3):283286.

[5]廖谷然,杨北革,薛辉,等.大功率静电除尘用高频高压电源的研制[J].电子器件,2013,36(3):397-400.

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

[责任编辑 吴志慧]

2015-04-03

浙江省公益性技术应用研究计划项目(2014C31091).

王燕锋,讲师,博士,研究方向:鲁棒控制、网络控制系统.Email:02154@hutc.zj.cn