（材料加工工程专业论文）油雾电除尘用高频高压电源的设计.pdf

河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：拗 w 。年j 月叩目 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 画不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：翩 沙7 口年t 月叩r 指导教师繇李磊鸦 沙扣年j 月飞9r 访 ，互 力咖 氢 月 签 y 师 手 撕 洱 捌 摘要 摘要 金属材料加工中，砂轮切割机由于效率高仍在很多工厂应用。大型金属件的切 割过程中要用到高压油冷却。高压油的挥发，造成厂房内油雾弥漫。电除尘器是一 种广泛应用于水泥、电力、冶会、建材等行业的环保装置，它对废气和粉尘的治理 有十分显著的效果。为采用静电除尘器消除车间油雾，设计了一种用于静电除尘的 高压电源。 论文论述了电除尘器的组成和静电除尘的基本工作原理，讨论了供电系统的电 气参数、火花放电与除尘效率的关系 分析了高压静电除尘的基本原理以及其对供电电源的要求，确定了用于高压静 电除尘的高频开关电源的系统结构。整个系统由主电路和控制电路两部分组成。主 电路包括整流滤波电路、半桥逆变电路、升压变压器和高压整流电路四部分。其中 半桥逆变电路是整个系统的核心，而功率变压器采用铁氧体磁芯可以极大地提高变 压器的效率和减小体积。主电路中，半桥z v s 变换器目前在中小功率场合得到广泛 的应用，它是利用主开关管的寄生电容和变压器漏感产生谐振来实现原边两个主开 关的z v s ，而不需要附加的器件，减小了开关损耗，从而可能进一步提高变换器的 功率密度和开关频率，达到提高转换效率和减小电源体积的目的。 控制电路设计中选用开关电源专用芯片t i a 9 4 作为主要控制芯片，应用精密运 算放大器和隔离反馈元件构成系统的反馈和p i 调节控制器，应用控制领域使用最为 广泛的5 1 系列单片机构成控制电路中的数字控制部分，结合信号检测技术，组成具 有完善控制和保护功能的电源系统。最终设计成功了具有较高性能指标的高压开关 电源。 关键词电除尘高频电源火花控制半桥变换器零电压开关 河北科技人学硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h em e t a l l i cm a t e r i a lp r o c e s s a b r a s i v ec u t - o f fm a c h i n ei ss t i l lb e i n gu s e da ta g r e a t m a n yp l a n t sf o ri t sh i 曲e f f i c i e n c y h i g hp r e s s u r eo i l ，w h i c hi sa l w a y su s e df o rl o w e r i n g w o r kp i e c et e m p e r a t u r e ，w i l lv o l a t i l i z ea n dt h e nc r e a t eo i lm i s tp e r m e a t i n gi nt h eo i lm i s t p e r m e a t i n gi n t h ew o r k s h o p t h ee l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r i se x t e n s i v e l vak i n do f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd e v i c ew h i c hi sa p p l i e di np r o f e s s i o n s ，s u c ha sc e m e n t ，e l e c t r i c p o w e r ，m e t a l l u r g ya n db u i l d i n gm a t e r i a l s i th a sv e r yr e m a r k a b l ee f f e c tt ot h et r e a t m e n to f t h ew a s t eg a sa n dd u s t i no r d e rt oa b a t et h eo i lm i s t ，ah i g hv o l t a g ep o w e r s u p p l yf o r e l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o ri sd e s i g n e d t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ec o n s t i t u t i o na n dt h eb a s i c p r i n c i p l eo fe l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r , i na d d i t i o nt od i s c u s st h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ee l e c t r i c i t yp a r a m e t e r ，s p a r k a n dd u s te f f i c i e n c yo f h i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l ys y s t e m t h i sp a p e ra n a l y s e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o na n dt h ee s p s r e q u e s tf o rp o w e rs u p p l y ，d e s i g n st h es y s t e ms t r u c t u r eo fh i g hf r e q u e n c ys w i t c h e dm o d e p o w e rs u p p l yf o re s et h ew h o l es y s t e mi sm a d eu po fm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t t h em a i nc i r c u i ti n c l u d e sr e c t i f i e rf i l t e r c i r c u i t ，h a l f - b r i d g ed c t o a cc o n v e n e r , s t e pu p t r a n s f o r m e ra n dh i g hv o l t a g er e c t i f i e rc i r c u i t t h ec o r ec o m p o n e n to fm a i nc i r c u i ti s d c - - t o - 。a c c o n v e r t e r , a n dt h eh i g hf r e q u e n c yp o w e rt r a n s f o r m e rm a d eo fa m o r p h o u s m a t e r i a l sc a ng r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dm i n i s hi t sv o l u m e sc o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lf e r r i t em a t e r i a l t h ez v s h a l f - b r i d g ec o n v e r t e rh a sf o u n dm a n ya p p l i c a t i o n s d u et oi t sd i s t i n c tc h a r a c t e r i s t i c s ；i t p e r m i t sa l ls w i t c h i n gd e v i c e st oo p e r a t eu n d e r z e r o v o l t a g es w i t c h i n gb yu s i n gc i r c u i tp a r a s i t i cs u c ha sl e a k a g ei n d u c t a n c ea n dp o w e r m o s f e tj u n c t i o nc a p a c i t a n c et oa c h i e v er e s o n a n ts w i t c h i n g t l 4 9 4 c h i pi ss e l e c t e da st h em a i nc o n t r o lc h i pi nd e s i g n i n go fc o n t r o lc i r c u i t t h e s y s t e mf e e d b a c ka n dp ic o n t r o l l e rc o n s i s to fp r e c i s i o no p e r a t i o na m p l i f i e ra n ds e p a r a t e d f e e d b a c kc o m p o n e n t a n dd i g i t a lc o n t r o li sm a d eo f5 1s e r i e ss c mw h i c hi s t h em o s t w i d e l yu s e di nt h ef i e l do fc o n t r 0 1 t h et e c h n o l o g yo fd e t e c t i o ni sc o m b i n e dt oc o m p o s e t h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，w h i c hh a st h ep e r f e c tc o n t r o la n dp r o t e c t i o nf u n c t i o n as w i t c h h i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yw i t hh i g hp e r f o r m a n c ei sf i n i s h e d k e yw o r d se s p ；h i g hf r e q u e n c yp o w e rs u p p l y ；s p a r kc o n t r o l ；h a l f - b r i d g ec o n v e r t e r ； z v s 目录 目录 摘要l a b s t r a c t i i 目 录i i i 第1 章绪论1 1 1 电除尘技术1 1 1 1电除尘技术的诞生和发展1 1 1 2 国外电除尘理论的发展2 1 1 3 我国电除尘技术的发展2 1 2 电除尘器对供电电源的要求4 1 3 课题选题的背景及意义5 1 4 论文的的选题及主要工作5 1 4 1 论文的选题5 1 4 2 论文的主要工作5 第2 章电除尘基本原理6 2 1 静电除尘过程分析6 2 2电除尘的重要参数7 2 3 本章小结8 第3 章火花检测和数字化控制9 3 1电除尘火花控制9 3 1 1 火花跟踪控制。9 3 1 2 火花及闪络检测1 0 3 1 3 二折线火化率控制算法1 1 3 2 反电晕现象的抑制1 1 3 3 p i d 控制1 2 3 3 1p i d 控制介绍1 2 3 3 2 数字化p l 控制1 4 3 4 本章小结1 4 第4 章主电路的设计1 5 4 1主电路逆变电路的设计1 6 4 1 1 半桥变换器原理1 6 4 1 2 逆变电路丌关管的选择1 7 4 1 3 逆变电路的谐振设计2 0 1 河北科技人学硕十学位论文 4 2 整流部分的设计2 4 4 2 1e m i 滤波器的设计2 5 4 2 2 滤波电容的设计2 5 4 2 3 浪涌抑制电路设计2 6 4 3高频高压变压器的设计2 7 4 3 1高频变压器的特点2 7 4 3 2 磁芯材料的选择2 8 4 3 3 变压器参数设计2 9 4 3 4 变压器的绝缘问题3 1 4 4高压倍压整流电路3 2 4 4 1采用高压倍压整流电路的优点3 2 4 4 2 倍压整流电路的原理3 2 4 4 3 实际倍压整流电路的设计3 4 4 5 本章小结3 5 第5 章控制电路的设计3 6 5 1 控制电路的总体分析3 6 5 2主控电路的设计3 7 5 2 1 控制电路芯片介绍3 7 5 2 2 半桥逆变电路的主控电路3 9 软启动电路的设计4 0 电路外围电路的设计4 1 控制电路的辅助电源4 1 开关管驱动电路的设计4 1 采样电路的设计4 3 机系统的设计4 3 j 、结4 5 4 6 4 7 5 0 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 随着现代工业的发展，大气污染越来越严重，在烟囱林立的工业城市，每天都 有大量的烟气排出。这些烟气携带的粉尘危害极大，能扩散到很远，严重影响生态 环境和人类的身体健康。因此，世界各国纷纷制定法令或标准，限制工业排放烟气 中的粉尘浓度，我国也于2 0 0 0 年4 月2 9 日通过了中华人民共和国大气污染防治法。 随着我国经济的快速发展，人民生活水平的提高，社会对环境的要求也越来越高， 政府也针对不同行业相继制定出新的粉尘排放标准，以限制粉尘对环境的污染。可 以预见，在以后几年里政府将会对环境治理高度重视，并继续实施更加严格的粉尘 排放标准【1 , 2 , 3 1 。因此除尘技术对于钢铁、冶金、化工、制造、电力等工业生产具有及 其重要的意义。 目前常见的工业除尘方法有旋风除尘法、布袋除尘法、水膜除尘法、沉降除尘 法、湿式除尘法、高压静电除尘法等。高压静电除尘法以除尘效率高、处理粉尘的 颗粒宽、压力损失小、运行稳定可靠性高、投产后维护管理方便等一系列优点成为 工业生产中应用日益广泛的一种先进除尘方法，采用高压静电除尘技术的电除尘器 已普遍地应用于火力发电厂、建材水泥厂、钢铁厂、有色冶炼厂、化工厂、轻工造 纸厂、电子工业和机械工业等工业部门的各种炉窑。我国已经成为电除尘器生产、 应用大n f 4 , 5 , 6 】。 1 1电除尘技术 1 1 1电除尘技术的诞生和发展 早在公元前世纪的时候，古希腊哲学家撤勒斯就发现经过摩擦的琥珀能吸引微 细纤维的现象。1 8 2 4 年德国人霍非尔德演示了静电除尘的试验装置。他证明通过放 在菜顿瓶中的金属线产生放电现象可以使瓶中的烟气得到一定程度的净化。1 8 5 0 年 美国人吉塔尔德( c f g u i t a r d ) 观察到无声电晕放电也有同样的作用。1 8 8 0 年以来，英 国物理学家洛奇爵士( s i ro l i v e rl o d g c ) - - 直致力于将电除尘技术应用于工业烟气净 化的试验研究。1 8 8 5 年洛奇与沃克( a o w a l k e r ) 等人合作，建造了世界上第一台电除 尘试验装置并于1 9 0 3 年获得静电除尘技术的专利权。四年后美国加里福尼亚大学化 学教授科持雷尔( f g c o t t e r l ) 将电除尘技术用于捕集硫酸雾并首次获得成功。几年后 他再次把电除尘技术用于捕集水泥生产过程产生的粉尘。从此，电除尘器正式成为 净化工业气体的除尘设备而迅速得到推广，在水泥，钢铁冶金，电力等行业得到了 广泛应用。到2 0 世纪6 0 年代电除尘器已遍及各工业领域。并在世界各国得到迅速 发展。 河北科技大学硕士学位论文 1 1 2国外电除尘理论的发展 电除尘技术的理论研究是由美国人斯特朗( w w s t r o n g ) 于1 9 1 1 年率先开始的， 他对诸如尘粒荷电、电场形态、除尘效率等方面的问题作了大量的分析，为电除尘 的理论奠定了初步基础。1 9 2 2 年多依奇( d e u t c h ) 在安德森( a n d e r s o n ) 关于电除 尘指数定律的基础上推导出了除尘效率的理论公式；1 9 5 0 年怀特m j w h i t e ) 根据概率 理论，重新导出了多依奇公式，这成为目前电除尘理论的基础。1 9 2 3 年罗曼( r o h m a n l 则确立了电场荷电的原理。1 9 3 2 年波德尼尔( p a u t h e n i e r ) 和莫罗一哈诺特( m o r e a u h a j l o t 、共同发表了粒子碰撞荷电和扩散荷电的方程式，到1 9 5 1 年怀特导出了更加 精确的扩散荷电方程式。怀特和波德尼尔分别于1 9 4 8 年和1 9 6 1 年发表了捕集高比 电阻粉尘时反电晕影响的研究结果。1 9 1 8 年沃尔柯特( w o l e o t t l ，1 9 3 4 年弗兰克 ( f r a n d k ) ，1 9 6 0 年彭尼( p e n n e g ) 与克雷格( c r a i g ) 先后对火花放电进行了大量的研究。 奥格尔斯h 二( o g l e s b y ) 和尼科尔斯( n i c h o l s l 于1 9 7 0 年提出了包括影响电除尘器性能 的理论和经验在内的数学模型，1 9 7 5 年克奇( g o o c h ) 等人对这一模型进行了改进。 1 9 8 0 年l e o n a r d 等人又提出了静电传输紊流扩散这一模型。到了八十年代中期， 我国环保人员也相续开展了电除尘理论的研究，提出了静电传输紊流掺混模型，这 一理论的提出使得静电收尘效率的计算更为精确和接近实际。如上所述，虽然各国 学者在电除尘理论方面的研究己取得很大进展，但电除尘理论仍然滞后于实际的应 用状况，问题还有待进一步解决i 7 引。 1 1 3 我国电除尘技术的发展 我国从事电除尘技术的研究起步比较晚，到了2 0 世纪7 0 年代，电除尘器才在 我国得到应有的重视和比较广泛地采用。1 9 4 9 年以前，由于我国工业落后，因此全 国只有沈阳冶炼厂、葫芦岛锌厂和本溪水泥厂等工厂装有为数不多的几台电除尘器， 而且性能也很差，其结构也非常陈旧。在建国后一个较长的时期内，由于我国工业 底子薄，不发达，面且许多工业还处于恢复阶段，加上对环境保护的重要性认识不 足，因此对电除尘技术的发展并未引起足够重视。有的企业虽然新增设了电除尘器， 其主要目的也只是为了回收有价值的材料。随着我国经济建设的发展，在有色金属、 水泥、化工等工业部门相继也采用了一些电除尘器。1 9 6 5 年以前所使用的电除尘器， 一部分是从国外引进的。一部分是按引进设备的图纸仿造而成。大多数有色金属等 企业所采用的是套用苏联棒帏式电极的电除尘器，黑色金属高炉采用管式湿式电除 尘器。水泥行业采用的多是民主德国的立式电除尘器，少数采用鱼鳞状收尘极的卧 式电除尘器。电力系统仅有保定热电厂、吉林热电厂分别从民主德国和前苏联引进 了几台电除尘器。新中国成立后我国第一台自行设汁和制造的6 0 m 2 立式电除尘器用 于华新水泥厂回转窑的废气处理。当时北京水泥工业设计院设计了2 0m 2 - 6 0r f l 2 的立 2 第1 章绪论 式电除尘器系列，有色金属工业也设计了多种棒帏式电除尘器，而且技术水平比建 国初期有了很大提高。但是由于我国当时建设资金有限，而电除尘器的次投资又 较大，限制了电除尘器在我国的快速发展，截至1 9 6 0 年，我国工业部门装设电除尘 器总台数还不超过6 0 台。 我国有计划、有组织地开展电除尘技术的研究工作是从1 9 6 5 年开始的。当时由 冶金部组织武汉冶金安全技术研究所、鞍山矿山设计院以及北京有色冶金设计院等 单位，在包头开始进行电除尘的试验研究工作。试验设备是一台0 4 m 2 的小型电除尘 器。试验除掌握冶金生产系统部分粉尘捕集的资料以外，也对电除尘器的结构形式 进行了对比。此后由北京有色冶金设计院、原北京水泥设计院等单位设计出的新型 结构的卧式电除尘器代替了原有的棒帏式和立式电除尘器。为了总结经验、统一结 构、以及降低成本，1 9 7 2 年原一机部、原冶金部和原建筑材料部等部门共同组成了 电除尘器系列化设计小组，在广泛调查的基础上，完成了3 6 0 m 2 电除尘器的系列设 计，这对我国广泛采用电除尘器起到了促进作用。与此同时，伴随着我国电子工业 的发展，高压硅堆已经广泛应用于各工业部门。因此硅整流器逐步取代了过时的机 械整流器。生产硅整流器的工厂也达到十多家。1 9 7 4 年原一机部和原冶金部在郑州醯， 联合召开硅整流器的鉴定会，结果显示不少厂家生产的硅整流器巳达到国家标准所 规定的技术指标。在自动控制方面，采用了饱和电抗器和晶闸管控制两种方式，基 本上达到了火花跟踪和自动调压的要求。 到2 0 世纪7 0 年代中期，我国电除尘器的试验研究工作开始向纵深发展，在常 规电除尘器方面，除了对极板和板线的形式开展研究外，还对电除尘器的气流分布、 清灰振力强度和粉尘比电阻的测试方法以及用喷雾增湿方法对烟气进行调质等方面 进行了大量的试验研究，这些试验对提高电除尘器的性能和保证电除尘器的正常运 行都起到积极的作用。有的研究成果己赶上世界先进水平【6 】。至此粉尘污染比较严重 的工业部门都成立了从事本行业电除尘技术研究和设计的专业机构，其试验手段也 日趋齐全和完善。冶金和电力等行业还装备有电除尘的试验台，这为电除尘器的设 计和选型提供可靠的数据。 从2 0 世纪8 0 年代开始随着我国工业生产的快速发展和对环境保护的要求日 益严格，我国电除尘产业得到了迅猛发展，在我国出现了几十家电除尘器的本体和 供电电源专业工厂，大批专业技术骨干开始从事电除尘器的科研、教学、设计、制 造、安装和调试工作并得到大量研究成果，使我国的电除尘技术的水平得到了迅速 提高。据统计，截止到2 0 0 0 年，我国现有电除尘器总通流面积约为3 5 x 1 0 6 r n 2 ，处 理气体量达1 7 x 1 0 9 m 3 h 以上。 进入2 1 世纪以后，由于电除尘器的大用户电力业出现了短期紧缩，整个电除尘 器市场出现了十分激烈的竞争，优胜劣汰现象明显，电除尘行业的集中度也愈来愈 河北科技大学硕士学位论文 高。从国内的1 3 个除尘器生产骨干企业2 0 0 0 年到2 0 0 4 年的发展状况，可以大概了 解我国电除尘器行业的发展情况，见表1 1 。 表1 - 1电除尘行业1 3 个主要骨干企业2 0 0 0 - 2 0 0 4 年的经营状况 t a b 1 1 m a n a g e m e n tp o s i t i o no f1 3m a i ne l e e t r o s t a t i ep r e c i p i t a t o re n t e r p r i s e sb e t w e e n2 0 0 0 - 2 0 0 4 年度工业产值( 万元)销售收入( 万元)出口额( 万元) 2 0 0 01 3 9 2 1 5 5 6 5 2 5 6 5 2 2 0 0 1 2 1 3 0 1 71 7 5 1 6 54 6 8 6 2 0 0 22 8 7 9 0 82 1 4 6 9 8 37 7 4 5 2 0 0 33 3 5 2 8 82 5 3 1 0 27 8 2 5 2 0 0 44 6 8 2 4 64 0 2 6 9 81 1 3 1 0 5 从上表可以看出，进入2 1 世纪后，我国电除尘器的工业产值、销售收入和出口 额都在逐年增加，而且增幅明显。整个行业2 0 0 4 年合同额突破了1 0 0 亿元大关。这 主要得益于6 0 万千瓦、8 0 万千瓦、1 0 0 万千瓦等超临界大机组的大批上马。据统计， 近年签订的6 0 万一1 0 0 万千瓦机组的电除尘合同项目已超过1 8 0 台，同时，水泥等工 第1 章绪论 尘器始终处于较高的电压和电流状念下运行：另外，电除尘器一旦发生故障，供电 电源能迅速提供必要的保护，对i 人j 络、拉弧和过流信号快速鉴别和作出反直。 1 3 课题选题的背景及意义 进入新世纪以来，环境污染同趋严重，能源消耗也逐年增高，针对这种现状， 我国政府提出节能减排的号召并制定了长期规划。但能源消费结构的调整并非朝夕 之间能够完成。目前，电除尘器供电电源主要有工频高压电源和高频脉冲电源两种。 传统的工频( 5 0 h z ) 高压开关电源技术，在国内已经使用多年，其缺点己逐渐暴露出来： 工作频率低，转换效率低至7 5 以下，耗费电能；变压器和滤波器体积大，重量重， 耗费大量的铜和铁；纹波大，稳定性差，导致除尘效果不高。因此，传统的供电电 源已不能满足社会节能减排的要求。因此设计能耗低，体积小，控制性能好的高频 电源已成为必须解决的问题。 1 4 论文的的选题及主要工作 1 4 1 论文的选题 鱼 在铸钢生产及机械加工过程中，大型铸件冒口的切削及零件的加工，由于材质 硬度大，需要用高压油冷却。高压油受热挥发造成车间烟雾弥漫，严重影响铸工健 康。采用电除尘方法去除油雾是一种行之有效的方法。本课题为横向课题“油雾电除 冬 尘用高频高压电源的设计”，用于除去车间油雾，要求电源产生稳定的高压小电流直 流电，体积小、重量轻、稳定度高、效率高。本电源也可以在如静电喷涂静电应用 的其它领域应用。 ：。 1 4 2 论文的主要工作 在上述论述的基础上本文设计出一台高压开关电源，电源具体指标为： 输入电压：a c 2 2 0 v 输出电压( 额定) ：d c l 2 k v 输出电流：2 - 5 m a ； 电能转换效率：8 0 ； 纹波：不大于0 5 丌关频率：2 0 k h z ； 具有过压，过流保护 质量：5 5 k g ； 河北科技大学硕十学位论文 第2 章电除尘基本原理 电防尘器是利用直流高压电源产生的强电场使气体电离、产生电晕放电，进而 使悬浮尘粒荷电，并在电场力的作用下，将悬浮尘粒从气体中分离出来并加以捕集 的除尘装置。它由两个极性相反的电极组成：电晕极产生电晕放电，集尘极收集荷 电粉尘。在两电极之间通以直流高压电，两电极之间就形成非均匀电场，在电晕极 附近便产生电晕放电，使电极间气体电离，电离生成的带电离子在驱向电晕极( 负极 性) ，集尘极( 正极性并接地) 的运动中与悬浮于气体中的粉尘微粒相碰撞并附着在上 面，即形成粉尘荷电，荷电的粉尘在电场力的作用下会被驱往集尘极并沉积在上面， 实现对粉尘的捕捉。最后由清灰装置定时清理。如图2 1 所示。 电垣 电离子 ， 巷 集尘板 图2 - 1 静电除尘原理图 f i g 2 1 p r i n c i p l eo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o n 2 1 静电除尘过程分析 从电除尘的原理分析可知，电除尘的基本过程【1 0 , 1 1 】分4 个阶段： ( 1 ) 气体的电离阶段 在电除尘器的电晕极线和收尘极板问施加高电压，使电晕极发生电晕产生大量 的电子和以及f 离子。电子在电场力作用下向电晕外区移动，而f 离子则向电晕极 移动。电子不断积累能量，并且由于活性比较大而在前进过程中依附在分子及粒子 上形成负离子，或者与分子及粒子碰撞从而产生f 离子和新的电子。 ( 2 ) 粉尘荷电阶段 在电场力作用下，在电晕极附近的电晕区内，f 离子立即被电晕极表面吸引失 第2 章 电除尘基本原理 去电荷；自由电子和负离子因受电场力的驱使和扩散作用向集尘电极移动，于是在 两极之间的大部分空问内都存在着自由电子和负离子，含尘气流通过这部分空间时， 自由电子，负离子与粉尘碰撞而结合在一起，实现了粉尘荷电。 ( 3 ) 收尘阶段 在电场力的作用下，荷电粉尘移向集尘极，经过一段时间后，到达集尘极表面， 释放出所带电荷并沉集并沉积其上，逐渐形成一层粉尘薄层。 ( 4 ) 清灰阶段 当收尘极板表面的粉尘达到一定量时，要用以振打或其它方法将粉尘清除至狄 斗输出。若捕捉的是液体油雾，则自然流下，采用其它方法收集。 采用静电除尘，既需要存在使粉尘荷电的电场，也要有使荷电粉尘颗粒分离的 电场。一般的静电除尘器采用荷电电场和分离电场合一的方法，也有采用两个电场 的，叫做双区供电方式。 2 2 电除尘的重要参数 ( 1 ) 起晕电压 起晕电压是开始产生电晕放电时的电压。起晕电压可以通过调整电晕极的几何 尺寸来实现。一般来说，电晕线越细，起晕电压越低。根据不同的需要可以将电晕 线设计成圆形，星形，锯齿形，芒刺形等不同的形状。其中，芒刺形型电晕线是依 靠芒刺尖端进行放电，在同样的工作电压下，芒刺形电晕极线的电晕电流要比星形 的要大，这有利于捕集高浓度的微小尘粒，因此适用于含尘浓度高的烟气。有的电 除尘器在第一、二电场均采用芒刺形电晕线，要注意芒刺式电晕极尖端避免积尘， 以免影响放电。 ( 2 ) 击穿电压 击穿电压是电除尘器达到火花击穿时的电压。击穿电压的大小除了与电晕极的 形式有关外，还取决于正、负电极间的距离和电极的极性。电除尘器中的电场是不 均匀电场，一般不会产生两极之间的击穿。如果两极间击穿，电压将会降至极低的 值，电流则瞬间陡增，功率损耗耗很大，但同时由于两极间电压很小，电场中的气 体不能被电离，即不能产生带电电荷，因此粉尘不能在电场力的作用下向集尘极移 动，达不到除尘的目的，所以不能让两电极长时| 白j 处于击穿状态。般电除尘器都 采用火花跟踪技术将火花率控制在一个较佳的值附近。 ( 3 ) 驱进速度 对电除尘器内的颗粒运动和捕集进行理论分析，依赖于气体流动模型。最简单的 情况是假设气体在电除尘器内作层流运动，在这种情况下粉尘的移动可根掘经典力 气和电学的定律求得。 在饱和状态下粉尘荷电量可按下式计算： 河：i 匕科技人学硕十学位论文 州砜c 是，譬e ， 式中 0 真空介电常数，o = 8 8 5 x 1 0 1 2 c n m 2 d 粒径( m ) e ，放电极周围的电场强度( v m ) 。尘粒的相对介电常数 荷电尘粒在电场力的作用下沿水平方向向收尘极运动时， 的影响，此时尘粒在电场中受到的静电力为： f = q e 式中i 收尘极周围电场强度( vim ) ( 2 - 1 ) 可不考虑重力对运动 ( 2 - 2 ) 尘粒在电场内横向运动时受到空气的阻力为： p ；3 ：r 。( 2 - 3 ) 式中尘粒与气流横向相对运动时的速度( v m ) 当静电力等于空气阻力时，作用在尘粒上的外力之和等于零，尘粒在横向作等 速运动。这时尘粒的运动速度称为驱进速度： = 瓦q e s ( 2 4 ) c u = 一 l z 一4 l j 万“口 ( 4 ) 除尘效率 除尘器的除尘效率是衡量除尘器性能的主要指标之一，影响除尘效率的因素很 多，如气体的流速、尘粒的比电阻、电场的伏安特性、介电常数和密度、温度和湿 度以及收尘极的表面状态等。1 9 2 2 年多依奇( d e u t s c h ) 在对作出基本假设的情况下推 导出电除尘器的除尘效率公式： 印= 1 一e - ( 爿v )( 2 5 1 式中a 一集尘极的面积 v 一烟气的流量 一荷电尘粒在电场中集尘极的驱进速度 2 3 本章小结 静电除尘器的工作原理是：带正电的集尘极和带负电的电晕极之间形成的高压 电场将电场中的气体电离，形成了带电粒子。当粉尘或烟气通过电场时，这些带电 粒子吸附在粉尘颗粒的周围，从而使粉尘荷电。荷电的粉尘颗粒在电场力的作用下 移向集尘极，并吸附在集尘极上，最好靠重力或者振打等方法将这些粉尘从集尘极 上清理下来并进行收集，最终实现除尘的目的。电除尘的主要参数有，起晕电压， 击穿电压，驱进速度和除尘效率等。电除尘器的供电电压应高于起晕电压低于击穿 电压，供电电压和驱进速度的大小都会影响到电除尘器的除尘效率。 第3 章火花检测和数字化控制 第3 章火花检测和数字化控制 3 1电除尘火花控制 火花控制在电除尘器高压电源中有着极其重要的意义。一般来说，电压越高， 除尘效率越高，但是放电极和集尘极之间的电压过大，会使两极板之f b j 的空气电离， 发生击穿，放出火花甚至出现拉弧。这时相当于两极被短路。电压会迅速降低，粉 尘也会无法吸附电荷。从而无法实现除尘。因此，提高除尘效率不能一味地增加电 压。实践证明，如果能够控制极板电压长时间处于临界放电的状态，即临界火花放 电状态，除尘器会取得很好的除尘效果，这样也有利于节约电能。 为了实现火花控制，必须首先检测火花放电的现象。当产生火花放电时，会引 起二次电流的大幅度增加，可以利用这一特性进行火花放电的检测。检测到的信号 反馈到除尘电源的控制端用于输出电压的调节。 目前对供电电源的实时控制已有多种方式，按其控制特性可以分为火花跟踪、 最高平均电压和可调间歇供电等控制方式。实际生产中使用的电除尘器往往包含多 种控制方式，既可以设计智能的闭环控制使电除尘根据电场状况自动控制，也可以 人为设定控制量，一般要根据具体的情况进行选择【1 7 15 1 。 3 1 1 火花跟踪控制 除尘器电场的电晕放电可视为电流通过。个有负载的电流通道，这个负载实际 上就是电场中的离子化气体。从本质上讲，每排电晕极与集尘极相当于一个容量很 大的电容器，供电电源不断对这个电容器进行充电，每次集尘极与电晕极之间发生 闪络，电容器内的电能全部通过接地线跑掉。这等同于一次短路。在这种情况下， 供电电源必须在最短时间内对电容器重新进行充电，也就是让电场的二次电压和电 流按照一定的速率攀升。 电除尘器的电压工作范围介于临界电晕放电电压和临界击穿电压之间，这个工 作范围的宽度和粉尘烟气的特性、电晕极的结构等都有密切的关系。从前面的分析 可知，除尘效率主要取决于电除尘器两极间电场强度的大小，而电场强度又是由输 入电极的电压和电除尘器所消耗的电晕功率决定的。实际运行过程中，诸多原因都 在影响虎场强度的大小，比如气体的流量、工作温度、湿度、含尘量、尘粒大小等， 因此电场的临界电晕电压和击穿电压也都在不断变动。 根掘实验研究，极板间理想的运行电压是非常接近于击穿电压的一个数值，如 何实现或逼近这样一种理想的运行电压而又防止击穿，是电除尘器需要研究的一个 问题。为了实现这一目的，火花跟踪的原理是：以火花放电时的电压为标准，重新 计算设定调压控制系统的反馈量，实现闭环控制输出电压，因此火花放电的准确判 河北科技人学硕十学何论文 断和处理对于除尘器的除尘效率起着至关重要的作用。首先，要做到既不误检也不 漏检。如果误检将产生假火花现象，导致除尘器电场的电压偏低，从而降低电除尘 器的除尘效率；漏检则导致电场电弧放电时不能得到控制，同样会使除尘效率降低。 因此，供电电源的闭环控制最首要的工作就是火花及闪络的准确判断。 3 1 2火花及闪络检测 在设备运行过程中，电除尘器控制系统要连续对二次电压和二次电流进行采样， 得出电压和电流的变化波形，根据波形的变化检测出火花或闪络，判定火花和闪络 的条件如下1 1 6 ，1 。7 j 当二次电压的变化特性有负跳变，同时二次电流的幅值有大的正跳变，即检 测电压和电路满足某一等级的火花判定标准时，即可判定火花或闪络的发生。 电弧放电的过程与火花放电是一样的。当检测到的电压谷值持续超过一定周 期( 可根掘情况设定具体数量，一般可设为4 。1 0 1 ，都满足电弧的判断标准等级时， 就可以认为产生了已经发生电弧放电现象而立即采取灭弧措施。 基于以上分析，火花检测的条件基本上就是火花发生后高压变压器二次电流的 升高及二次电压的降低，然而对于不同的工况和电除尘器运行状态，其二次电流火 花值与二次电压火花值并不相同。为了提高除尘电源的工况适用范围，在进行软件 设计时要将这两个值作为系统参数，根据具体情况不同而设定不同的值。在烟尘成 分复杂、电场干扰严重的情况下，设定的二次电流的火花值可以高一点，二次电压 的火花值也需要相应提高；同理，当烟尘成分相对简单，电场干扰较少时，可以将 火花设定值设小一些，这要可以提高火花检测的灵敏度和准确度。 另外还应该注意到，只有当除尘器的电压大于粉尘介质的击穿电压时才火花放 电才有可能发生，所以要补充的一点是：电路中升压变压器的二次电压一定要大于 粉尘的击穿电压，否则很容易火花误检。在不同的工况条件下，同一粉尘介质的击 穿电压也不尽相同，因此，在进行控制电路软件时也要将粉尘介质击穿电压设为一 个系统参数，其值要根据具体情况人为设定。 火花放电后，极板间的绝缘介质将被击穿，绝缘强度需要一定的时间才能恢复， 恢复时间与火花放电强度和电场的风速有关，恢复过程中，电压与时问的函数即为 介质恢复曲线。据此设计控制方法为：随着电场介质绝缘强度逐渐恢复到j 下常值的 曲线，电场也从较低的电压值丌始重新升压，并逐渐逼近火花放电电压，直到下一 次闪络火花放电的出现，这个过程周而复始。电除尘器的控制系统根据介质恢复曲 线逐渐调节电压随着介质绝缘强度恢复而升高的自动控制过程，就是电压的跟踪控 制，相应的控制过程曲线即为电压跟踪曲线。 电压跟踪曲线尽量逼近介质恢复曲线是最理想的情况，这样电场两极间电压就 可以在不发生闪络和拉弧自，j 提下，尽快恢复至电晕电压的水平。 1 0 第3 章火花检测和数字化控制 根据电场放电强度的不同，可将火花放电分成三个等级：小火花放电、i 、人j 络放 电和拉弧放电。针对不同的放电等级要设计不同的处理过程： 小火花放电这种情况下，极板间介质绝缘特性能在下一次火花放电之前恢复 到阻断状态，其间不需加入任何封锁时间。 闪络放电发生闪络放电后，需要加入一定周波的封锁时间或降低脉冲输入的 时间以等待板i 日j 介质绝缘特性恢复到阻断状态，对于晶闸管为主控器件的电源来说， 下一个触发脉冲要在数个周波之后再由控制器发出。 拉弧放电当检测到发生拉弧时，立即封锁可控硅直到闪络放电的影响消除， 这需要数个周波，具体值可以试验测出。 3 1 3 二折线火化率控制算法 目前除尘电源总经常采用二折线火花率控制算法。除尘器一旦发生火花放电， 迅速关断开关器件，这就使除尘电压迅速下降，除尘器本体电场不再处在打火状态。 同时，记忆采样信号的电压值。然后分成二段计算开关器件再次触发导通时的恢复 除尘电压，首先，快速升压段使除尘器电压以原来脉宽2 5 得比