LCC-SPRC高压高频大功率电除尘电源的理论分析与功率参数设计

【摘要】：电除尘电源新技术能够显著提高除尘效率,在环境保护中发挥着越来越重要的作用,随着节能减排政策的深化和大气污染排放标准的日益严格,目前已经成为一个重要的研究领域。尽管国内外企业关于高压高频大功率电除尘电源的产品逐渐进入市场,应用也越来越广泛,但普遍缺乏对高压高频大功率电除尘电源基础共性问题的研究,尚未涉及谐振变流器和高压高频变压器一体化设计的方法。 高压高频大功率电除尘电源属于特种电源范畴,涉及多种学科内容,具有一定研究难度。本文从高压高频大功率电除尘电源的基础问题和特殊性出发,论述了断续电流模式串并联谐振变流器(DCM LCC-SPRC)在高压高频大功率电除尘电源中的应用优势,在DCM LCC-SPRC的数学描述和设计方法方面开展了较为系统深入的研究。 首先,较为全面地给出了对DCM LCC-SPRC的数学描述。DCM LCC-SPRC设计的前提是获得电路的数学描述。目前常用的基于数值计算和仿真的描述方法计算量大,电路参数之问的内在关系表达不明确,难以用于优化设计。基于此,论文第二章推导了反映DCM LCC-SPRC电路特性的归一化解析表达式,其形式简单,仅含有等效电压增益和并联谐振电容与串联谐振电容比值两个参数。在此基础上,本论文还较为全面地给出了对DCM LCC-SPRC的数学描述,并通过大量实验数据验证了其正确性。该部分研究成果揭示了电路参数之间的内在联系,为DCM LCC-SPRC的进一步研究和设计奠定了基础。 其次,提出了DCM LCC-SPRC和高压高频大功率变压器一体化设计方法。本论文所讨论的高压高频大功率DCM LCC-SPRC一个非常重要的特点是：采用高压高频大功率变压器的寄生参数作为谐振元件。因此,DCM LCC-SPRC和变压器是紧密联系在一起的一个整体。现有文献往往把两者分开考虑,忽视两者的内在联系,其结果是难以实现整体的优化设计。论文第三章提出了DCMLCC-SPRC和高压高频大功率变压器一体化的设计思想和方法。通过基准值变换和寄生参数折算到变压器高压侧等方法,成功解决了变压器匝比和寄生参数对一体化设计的相关性问题,使一体化设计方法具有实际可操作性。论文第三章还进一步提出了电源系统分别在简易控制和优化控制下的一体化设计方案,并给出了实例,包括设计步骤、仿真、实验结果和两种控制方案的对比。其中,简易控制具有控制策略简单的优点；优化控制具有更高的电流输出能力、更高的工作频率和更低的电流应力等优异性能。在一体化设计的基础上,论文讨论了变压器寄生参数对电路特性的影响,为变压器的设计提供了理论指导。 论文进行了DCM LCC-SPRC系统扩容研究。采用变压器低压侧并联、高压侧串联的结构可有效地提高输出电压；采用变压器低压侧并联、高压侧并联的结构可有效地提高输出电流,并采用上述两种方法分别实现了95kV和1.2A的高压大电流输出。 DCM LCC-SPRC和高压高频大功率变压器一体化设计方法的研究成果具有很强的工程应用价值,系统扩容研究为高频电除尘电源在更高输出电压和电流场合的应用奠定了基础。 再次,给出了较为完整的高压高频大功率变压器设计实例。作为特种电源中的关键部件,高压高频大功率变压器的设计涵盖多种学科技术知识,不仅具有理论深度,而且直接和工程应用紧密相关联。其设计方法与常规变压器不同,现有文献缺乏对72kV/1A/(10kHz)输出等级的高压高频大功率变压器详细设计过程的相关报道。论文第四章紧紧围绕高压高频大功率变压器的特殊性,提出指导原则,在讨论相关问题的过程中完成了高压高频大功率变压器的构建。论文还对变压器寄生参数值的理论计算结果和实验精确提取结果进行了对比,发现理论计算值具有良好的工程应用价值。本章的研究成果丰富了高压高频大功率变压器的设计方法,同时为高频电除尘电源稳定可靠运行提供了保障。 最后,建立了DCM LCC-SPRC的大信号模型。由工作特性决定,电除尘电源频繁地出现闪络重启动。为了准确地分析电路启动特性,需要建立电路模型。目前谐振变流器常用的是基于广义平均法和基波分量的建模方法,该方法难以直接应用于谐振电流波形严重偏离正弦波且存在断续的DCM LCC-SPRC。针对这种情况,论文第五章建立了控制量和输出状态量的微分方程关系式,消除了与谐振状态量的耦合；同时还建立了单一谐振元件状态量和输出状态量的关系式,不存在与控制量的耦合。所建立的DCM LCC-SPRC大信号模型形式简单,通过仿真研究发现,其非常好地描述了电路启动的暂态过程,并具有仿真速度快的优点,同时避免了电路收敛性问题。 论文较为系统地研究了DCM LCC-SPRC高压高频大功率电除尘电源,其结果不但丰富了高压高频大功率电除尘电源的研究,同时为DCM LCC-SPRC电源的工程应用打下了良好的基础。