高压静电（精选八篇）
高压静电 篇1
1 静电除尘用高压电源分类与原理
一般, 静电除尘用高压电源大致可分为三类:工频电源、高频电源、脉冲高压电源。
1.1 工频电源
工频电源采用晶闸管-工频变压器-高压工频整流桥的模式。原理是单相工频220 V交流电输入到可控硅, 通过调整可控硅的触发角来调节变压器的输入电压, 再经过工频变压器升压后输入高压硅堆整流桥电路得到幅值可调的直流高压。由于结构和控制都非常简单, 存在诸如:体积大, 重量大, 除尘效率低, 闪络冲击大差等问题[2]。因此, 目前工频电源已逐渐被淘汰掉。
1.2 高频电源
高频电源的核心思想是首先通过三相整流器把三相工频电转变成直流电, 然后再经过逆变器将直流电逆变成高频交流加以控制, 通过高频变压器的升压作用, 输入给高压整流器得到直流高压, 其原理框图如图1所示[2]。较工频电源提高了除尘效率, 但仍属于恒流电源, 易引起反电晕现象。然而, 高频电源是当今国际上应用最广泛的静电除尘用高压电源。
1.3 脉冲高压电源
脉冲高压电源供电属于间歇供电, 其原理框图如图2所示[3], 高压脉冲和高压直流经过耦合电容和滤波电感加载到静电除尘器 (ESP) 两端。此电源能有效抑制反电晕现象, 提高除尘效率, 减小ESP体积和重量。
脉冲高压电源技术是近两年被提出的最新技术, 在国外也只有丹麦的史密斯公司和韩国的浦项公司已研发出脉冲高压电源产品, 正在投入应用;我国目前还没有脉冲高压电源成品, 正处于研发阶段。
本文提出了一种新型脉冲高压电源的设计方法, 着重研究了其中高压脉冲电路的建模与分析, 并通过理论分析公式得到设计参数。
2 脉冲高压电源总体设计与构成
静电除尘用脉冲高压电源是建立在高频电源的基础上的, 其基本原理是在高频电源提供ESP高压直流的基础上, 叠加微秒级脉宽的高压脉冲。脉冲高压电源系统总体结构框图如图3所示, 包括电源主电路和电源控制系统两大部分, 其中电源控制系统包括对电源主电路输出电压的闭环控制、火花率控制、温度过高处理和故障处理。
设计脉冲高压电源主电路如图4所示, 开关控制三相电源供电的断开与闭合;高压直流电路原理与高频电源原理相同, 这里采用LCC串并联谐振式软开关技术, 输出幅值为-Udc的高压直流;高压脉冲电路包括直流电路和脉冲发生电路:直流电路与高压直流电路原理相同, 输出幅值为+Ups的直流, 而脉冲发生电路采用RLC串联谐振软开关技术, 产生高压脉冲;耦合电路起到耦合高压直流与高压脉冲的作用。
3 高压脉冲电路建模与分析
脉冲高压电源主电路中, 高压直流电路和高压脉冲电路中的直流电路都采用高频电源主电路, 这里不作详细介绍, 研究的重点是高压脉冲电路中的脉冲发生电路。
3.1 脉冲发生电路原理
如图4所示, 在脉冲发生电路中, 脉冲变压器一次侧采用两个相同的并联支路可以更好的处理静电除尘器火花现象, 降低一次侧电流。其中, Dcl1、Ccl1、Rcl1和Dcl2、Ccl2、Rcl2分别构成的保护电路可以在发生火花时保护IGBT器件不受高压损坏[4]。
初始时, 开关IGBT1和IGBT2断开, 直流+Ups经过电感Lps1和电阻Rps1、电感Lps2和电阻Rps2分别给电容Cs1、Cs2充电, 高压直流-Udc经过电感Ldc给电容Cc充电。当开关IGBT1和IGBT2闭合时, 分别与并联的反向二极管D1和D2构成闭合线路, 闭合回路中电容Cs1和Cs2分别与脉冲变压器漏感Ls1和Ls2、脉冲变压器电阻Rs1和Rs2、电容Cc、ESP中的电容C0构成两个并联的RLC串联谐振回路, 产生正弦波形电流, 经过脉冲变压器的升压用, 在ESP两端形成余弦波形的高压电即负值脉冲高压[5];一个脉冲周期即谐振周期T0后将开关IGBT1和IG-BT2断开, 谐振回路断开, 电路中电流为零, 加载到ESP两端的无脉冲电压, 只有高压直流-Udc即基础电压;直到一个脉冲重复周期T后, 再次将开关IGBT1和IGBT2闭合, 重复以上过程。从而在ESP两端形成高压直流叠加高压脉冲, ESP两端电压和通过两个IGBT开关的电流如图5所示[4]。
为了便于分析脉冲发生电路RLC谐振原理, 用一个等效支路代替脉冲变压器一次侧两个并联支路, ESP等效为电容C0和电阻R0的并联电路, 不考虑保护电路, 可把脉冲发生电路等效为如图6所示的电路图。
图6中, Lps=1/2Lps1=1/2Lps2;Rps=1/2Rps1=1/2Rps2;Cs=2Cs1=2Cs2;Rs=1/2Rs1=1/2Rs2;Ls=1/2Ls1=1/2Ls2。
3.2 脉冲变压器一次侧等效电路分析
进一步简化脉冲发生电路, 将脉冲变压器等效为T型电路[6], 忽略脉冲变压器的杂散电容, 脉冲变压器二次侧电路等效到一次侧, 得到RLC串联谐振回路如图7所示。其中, 电容Cs为一次侧的储能电容, 电感Lu为脉冲变压器励磁电感, 电阻Rs包含脉冲变压器绕组和线路的杂散电阻, 电感Ls为脉冲变压器漏感, 电容Cc1为二次侧电容Cc折算到一次侧的等效电容, 电容C1和电阻R1串联电路为二次侧电容C0和电阻R0的并联电路折算到一次侧的等效电路。
设脉冲变压器变比为1:n, 则有
由于脉冲变压器铁心饱和时, 励磁电感数值很大, 因此在计算过程中把励磁电感Lu所在支路看作开路, 等效图7中所有电容和电阻, 最后可简化为如图8所示的RLC串联谐振回路。
当时, 产生阻尼振荡, 利用电路KVL原理, 可求得电容C两端电压uC和回路中电流i1。
谐振周期为
一次侧电流峰值可近似表示为[7]
于是, 可求得简化前图7中电容C1两端电压, 即近似ESP两端电压。
可推导图7中脉冲变压器一次侧电压:
3.3 脉冲变压器二次侧电路分析
图6中IGBT闭合时脉冲变压器二次侧部分电路如图9所示, 根据RLC谐振电路的原理, 在IGBT闭合的一个振荡周期T0内, ESP两端电压为移位的余弦脉冲, 可设ESP等效并联电路两端的电压为
则脉冲变压器二次侧电流为
式 (8) 中,
可计算得到脉冲变压器二次侧电压:
研究的脉冲高压电源系统主要针对的ESP等效电容为115 p F、电阻为80 k V左右, 为了达到更好的除尘效果, 脉冲高压电源的目标是在高压直流为60 k V的基础上叠加幅值为80 k V左右的高压脉冲, 其脉宽为75μs左右, 脉冲重复频率取200 Hz。
综合以上对脉冲发生电路的分析, 利用式 (8) 、式 (9) 可计算出部分脉冲变压器的设计参数。结合脉冲变压器求解结果和式 (3) 、式 (4) 、式 (5) 、式 (7) , 可计算得到图6电路中Cs、Cc、Ls、Rs, 从而设计脉冲变压器其他参数以及其他元件参数值。最后, 可推断出图4电路中对应参数值, 见表1。
表1中, U2m是脉冲变压器二次侧电压峰值, PT是脉冲变压器二次侧平均输出功率, f0是脉冲频率, f是脉冲重复频率。
4 脉冲高压电源MATLAB/SIMULINK仿真
由于以上推导的计算公式精确度有限, 所以理论参数值存在一定误差, 具体可在MATLAB/SIMU-LINK仿真时根据仿真结果适当修改。
根据图4中脉冲发生电路进行建模, 将计算得到参数带入仿真加以调整, 得到单个振荡周期T0内的ESP电压uC0、电流i0波形图, 如图10所示。
从图10可以看出, 静电除尘器两端电压uC0峰值达到了-145 k V, 即在高压直流60 k V的基础上叠加了85 k V的高压脉冲, 脉冲宽度为75μs, 脉冲重复频率200 Hz, 基本达到了预期要求, 因此, 此高压脉冲电路设计可行。
同时, 也可测得单个振荡周期T0内脉冲变压器一次侧电压u1、电流i1和二次侧电压u2、电流i2波形图, 如图11所示。
从图11可得到脉冲变压器二次侧峰值达到了92 k V, 计算得到实际变比n约为27, 平均功率PT为142 k W, 比较可得, 脉冲变压器仿真参数与设计的理论参数相近。
本文开展的脉冲变压器理论设计已用于指导镇江天力变压器有限公司对脉冲变压器新产品的研制工作, 目前该企业已研制出静电除尘用新型中频脉冲变压器并开始试用, 其参数见表2, 其中f根据需求设计, 不影响脉冲变压器其他参数的设计。与表1中本文设计的脉冲变压器参数进行比对, 可以看出实际产品参数与设计的理论参数相近。由于推导公式的精确度有限和仿真时的理想化, 导致实际产品和理论设计存在误差, 可以在实际生产中根据结果加以调整, 可以达到预计的效果。
综上所述, 仿真结果表明了高压脉冲电路设计的合理性和推导公式的可行性, 并且天力变压器有限公司研制的脉冲变压器实际产品也验证了脉冲变压器参数理论设计的有效性, 对脉冲高压电源的研制有一定的指导作用。
5 结论
提出了一种新型静电除尘用脉冲高压电源设计方法, 研究了高压脉冲电路的建模与分析, 并通过理论分析公式得到设计参数。最后, 利用MATLAB/SIMULINK仿真高压脉冲电路得到实验结果;并且通过与脉冲变压器实际产品的数据进行比对, 表明了本文设计方法和公式推导的有效性与可行性。由于此电源系统的脉冲电压幅度、频率、重复频率、基础电压均可独立调节, 除尘效果好, 且其中脉冲变压器参数设计方法也简便有效, 对实际生产有一定的指导意义。
摘要：高压电源是静电除尘设备的关键电气部分, 对提高除尘效率和减少电能消耗具有重要作用。提出了一种新型脉冲高压电源设计方法, 采用高压直流叠加高压脉冲构成电源系统;之后, 着重研究了高压脉冲电路的建模与分析, 并通过理论分析公式得到设计参数。最后, 利用MATLAB/SIMULINK仿真新型脉冲高压电源系统得到实验结果;并且通过与脉冲变压器实际产品的数据进行比对, 表明了所设计方法的有效性与可行性, 且对实际研发产品有一定的指导意义。
关键词：静电除尘器,脉冲,高压电源,MATLAB仿真
参考文献
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高压静电 篇2
简
介
电除尘器高压静电整流装置故障处理 篇3
1. 故障现象
某单位焙烧炉配套使用100m2/3卧式静电除尘器，每台炉配置3台电除尘器，电除尘器尾部有1台高压引风机，电场内烟气工作在负压状态。高压静电整流装置(福建龙门电控设备厂生产，图1)以微机控制器作为中心控制部件，一、二次电压电流显示及运行调节均可通过触摸屏实现，可选择火花跟踪、功率跟踪、电压跟踪等多种控制方式，具有二次开路、二次短路、变压器高温等多重保护功能，DCS远程显示二次电压、电流及运行、故障等信号，可远程调节控制电场运行参数。整流装置型号GGAJO2-1.0/72，交流输入U1e=380V、I1e=270A，额定整流电压U2e=72kV，额定整流电流I2e=1000mA，整流方式为单相、桥联，整流变为高阻抗整流变。可控硅、控制器及触摸屏等安装在整流柜。
某天3#炉运行中二电场低压侧进线空气开关QS频繁跳停，触摸屏无任何告警显示。岗位人员反映跳闸时，DCS后台显示电场二次电压、二次电流正常，触摸屏显示电除尘的一次电流约为150A。再次送电电场可运行，但不久空气开关还会跳停。
2. 故障处理
技术人员到现场再次送电后，运行不到10min，进线空气开关再次跳停。感觉进线开关温度高，检查空气开关额定电流为300A, CT变比为300/5。因运行时一次电流显示不大，怀疑进线开关存在问题，更换备用抽屉，再次送电后监护运行，虽然触摸屏运行参数显示正常，但运行中感觉整流柜低压进线电缆温度高且振动。使用钳形表测量低压侧实际运行电流已超过300A，表明此前空气开关跳闸为正常保护动作。
为判断是电场故障还是供电回路故障，决定空载运行变压器，通过两点式隔离开关将变压器输出与电场断开实现。两点式隔离开关具有两个位置，即电场与电源接通的工作位置，以及电场接地的检修位置。设计时，在两点式隔离开关处设置有安全联锁保护，只有当电场在电源位置，相应的联锁接点闭合，整流装置才能工作，否则控制器默认为电场接地状态，整流设备禁止运行。为送电空试供电系统，需将联锁接点短接，模拟电场工作状态。选择就地操作，送电空试变压器，很快报开路跳停进线开关。在触摸屏将可控硅导通角调小后重新送电，一开始没有一次电流，逐步调大可控硅导通角，一、二次电压随导通角增大逐渐增加，触摸屏显示一次侧有50A电流，据此判断变压器内部故障。
取样化验变压器油，无异味、外观清，取样变压器油做色谱分析，结果正常，判断变压器绕组无故障，进一步判断是高压侧硅堆故障。拆除变压器高压侧取样板，使用5000V摇表摇测变压器输出高压侧U2与电流测试端子I2的绝缘。摇表L接I2, G和地接U2，绝缘为无穷大，将摇表G和地接I2, L接U2，摇测绝缘为0.3MΩ，初步判断硅堆无大问题，应是个别硅堆故障。电除尘整流变压器(图2)一般安装在收尘顶部，安装位置高，该部位变压器安装高度25m，将变压器用吊车吊下后送至检修单位抽芯检查，绕组外观未发现异常，阻值测试正常。吊芯后看到变压器二次高压侧共有6个线包，每个线包接一组整流桥(图3), 6个整流桥串联，达到72kV直流输出，平均每个整流桥12kV。
使用5000V摇表摇测I2与U2间每个整流桥正、反向阻值，检查结果最上面第一组整流桥上下两侧，正、反向均通为0，第二组至第六组硅堆桥臂正、反向摇测符合二级管特性，一个方向为无穷大，反向为0.3MΩ。判断故障点是第一个整流桥，单独测量4个桥臂，其中2个桥臂故障。改用万用表检查全部硅堆正、反向均不通，第一组整流桥也都不通。联系厂家购置备件，为确保检修质量，将第一个整流桥的4个桥臂硅堆全部更换后，变压器试验正常，回装运行正常。
3. 故障总结
(1)一次电流显示偏小原因。该套装置未设置外置仪表，一次电流经CT二次侧送至控制器后由触摸屏显示，事后技术人员检查电流互感器CT正常，一次电流显示偏小，应是控制器问题，因不影响使用，暂未更换控制器。
(2)空气开关频繁跳闸原因。从上述故障处理过程可看出，触摸屏显示一次电流不准确，导致一次电流超过额定值未及时发现和保护动作，而空气开关选型恰当、及时动作，避免了故障进一步扩大。
(3)前期测试数据正常原因。变压器高压侧6个整流桥串联，如果仅是某个桥有问题，在未解体前测量，结果仍然正常。
(4)变压器空载运行时一开始看不到一次电流的原因。第一组整流桥硅堆未完全击穿，但由于硅堆耐压能力变差，升压时击穿导通。正好符合导通角小时，变压器空载运行一次侧无电流，而导通角大时一次电流快速上升的现象。
4. 注意事项
(1)电除尘器不能正常工作，判断供电系统是否正常，尤其是变压器是否有故障，最有效的方法是空压器空载试验。空载时变压器一、二次电压正常，电流为零，则变压器正常，一次有电流则说明变压器故障。绝缘检测只能作为辅助手段，变压器油取样化验作为变压器绕组故障和整流桥故障的分析手段，也是变压器试验的一项内容。
(2)变压器空载试验时，一定要将可控硅导通角调小，且由小向大逐步调导通角，否则控制器很快会因二次电压达到80kV报开路保护动作，导致无法看清变压器一次是否有电流。
(3)变压器空载送电时需注意两个联锁。 (1) 引风机工作时，空载送电前，一定要将安全联锁点模拟接通，否则无法运行，这时低压进线开关可以送电，但按启动按钮无反应。 (2) 引风机在停车状态时，设置了引风机联锁保护，引风机停车时，QS无法送电，一送电即脱扣跳停(引风机停车时，电除尘器没必要开，而且这时往往是系统检修，严禁电除尘器送电)，此时需将引风机联锁解除，才能进行空载试验。
(4)设备故障状态时，不能只看显示数据，要使用检测仪器进一步判定数据的真实性。电除尘整流变额定二次电压72kV，检测绕组绝缘及硅堆时，检测仪器不能用万用表，必须用高压摇表。
摘要：介绍电除尘器高压静电整流装置故障处理过程, 进行总结, 提出注意事项。
高压静电发生器设计与负载特性研究 篇4
静电植保机械技术是近些年逐渐发展的高效喷雾技术[1], 高压静电使雾滴带上电荷, 由于静电感应原理, 靶标表面感应出相反电荷。在空间电场, 运动中的雾滴在自身重力和电场力的双重作用下做定向运动而吸附在靶标上[1], 静电喷雾主要是借助电场的加速作用并实现雾滴的环绕效应来提高喷雾效率、雾滴穿透力、靶标表面尤其是反面的覆盖率, 极大改善了喷雾效果, 因此对其研究有重要意义。
高压电源是静电喷雾技术的核心, 由于工作环境为田间, 作为电子产品, 受喷雾负载和环境影响较大, 应保证其输出稳定在一定的范围内。另外, 对于不同作物获得同样的生物效应需要的静电高压电压级别不同, 因此对高压发生器应能输出可调节的电压[2]。目前已有的高压发生器多采用脉宽调制技术, 其由于控制方便、可靠性高等优点, 而被广泛应用于高压发生器电源系统中[3,4], 但这类应用往往产生较高的谐振电流, 且控制电路复杂, 电源质量与体积较大。为了减轻喷雾器的负重量使之能更高效喷雾, 对高压发生器的外形尺寸和质量提出更高的要求。因此, 对这一关键部件, 本文设计带有电压负反馈的电压输出可调节的高压发生装置。
1 主电路设计
该设计由电源 (12 V) 、低压可调稳压电路、变压器自激振荡升压电路、倍压升压电路、高压反馈电路等部分组成, 其框图如图1所示。
它的基本工作原理是:通过控制高压模块的输入来调节高压静电发生器的输出电压。由低压可调电路, 实现高压模块输入电压的大步进调节和连续微调;高压模块使直流电压经过振荡升压以及倍压升压后产生高压, 输出高压经比较放大器以及三极管构成电压反馈电路, 使该电路在负载变化的情况下稳定输出高压, 提高电路的鲁棒性。
1.1 低压可调稳压电路
1.1.1 LM2596
低压可调稳压电路采用LM2596开关电压调节器为主要控制器件。LM2596是降压型集成稳压电路, 输出电流最高达到3 A, 外围电路简单、体积小、线性度好。
1.1.2 X9511WP
该设计采用数字电位器[5], 即数控可编程电阻器。X9511WP为10K阻值的数控芯片, 电阻值共32挡位, 控制方式简单, 可按键控制, 可单片机控制。
可调稳压电路如图2所示。
电路中电阻RP1为X9511, 在电路中通过调节RP1电阻, 调节电路电压步进输出, 由于倍压整流电路输出存在压降, 因此采用可变电阻器RP2并联于RP1两端, 通过调节RP2接入电路电阻值, 对输出电压进行微调[6]。
1.2 高压模块电路
高压模块电路主要完成低压电路的升压及整流功能。电路图如图3所示。升压电路采用变压器自激振荡升压, 此变压器采用EE型磁芯, MXO-2000型铁氧体, 磁导率μ=2 000 H/m, 磁芯漏感小、耦合性能好、绕制方便, 尺寸28 mm×21 mm×8 mm。为解决分布电容大的问题, 高压绕组采用分段骨架。塑封大功率三极管选用3DD880, 低频二极管选用1N4001, 3 W限流电阻选用3 W的43Ω电阻。本变压器初级有一个主绕组和实现自激振荡的反馈绕组。次级绕组输出为直流高压, 实物如图4所示。
经变压器升压的交流高压需经过整流获得所需高压直流电压, 整流电路采用4倍压电路[7]。倍压电路是采用高压储能电容与单向导电二极管搭建的整流电路。倍压整流电路由于结构的不同, 输出电压性能也会有所区别。
1.3 反馈电路
电压反馈电路如图5所示。二极管D1的作用是使电路能够自启动。从电阻R6上获得的输出电压采样信号, 经电阻R7并通过电平移动加到比较放大器LM358的正相输入端, 与加到比较放大器LM358反相输入端的基准分压电位一起控制比较放大器LM358的输出。当输出电压的平均值大于设定值时, 比较放大器U5A的1脚为高电位, 使得Q1集电极电流减小, Q2的基极电流减小, Q2的管压降增大, 输出电压降低。相反, 当输出电压的平均值小于设定值时, 比较放大器LM358的1脚为低电位, 使得Q1集电极电流增大, Q2的基极电流增大, Q2的管压降减小, 输出电压升高[8]。
2 电路参数优化
电路参数优化目的在于使电路达到最佳评价指标。电子元件在生产中其参数与既定值必然存在误差, 并且在使用过程中, 随着环境温湿度等条件及其寿命的影响, 其参数必然发生一定范围内的变动, 即元器件存在容差, 造成电路的实际性能不符合设计要求。因此, 在电路设计中应考虑此误差对电路指标的影响, 在设计阶段进行满足一定指标范围的参数设计。
2.1 统计优化方法
统计优化方法是在电路性能满足设计要求下来设计电路元件参数的方法, 是求解合格率问题。已知电路元器件参数的统计分布特性, 以蒙特卡罗分析 (monte carlo) 为基础[9], 分析元器件参数容差对电路性能指标的影响。
2.2 蒙特卡罗分析的实现
电路的性能指标要求是:电路输出电压Vout在 (39±1) k V之内, 纹波系数<1%, 合格率达90%以上。由于倍压升压由电容充放电实现, 不同位置电容容值影响电路输出电压品质, 因此首先对电路进行灵敏度分析。由原理知C7、C9和C8、C10表示不同位置电容, 对电压品质的输出有不同的影响, 因此分别对其进行容差分析[9]。
图6分别为对C7、C9和C8、C10进行的灵敏度分析。电路元件原始中心值为C7=30 n F、C9=30 n F、C8=30 n F、C10=30 n F, 电容容差为10%, 且电容参数服从正态分布规律。抽样次数N取为20, 应用multisim的monte carlo模块对电路进行蒙特卡罗分析, 得到电路输出的统计特性如下。
由图6可知, 相比C8和C10对输出电压Vout的灵敏度, C7和C9对输出电压Vout的灵敏度较大。容差造成的电压输出在 (-37.68~-41.23) k V, 电压上升时间为15~25 ms, 故选取C7和C9作为待优化参量。优化的内容, 包括电容容差优化和电容容值优化, 按照以上灵敏度结果, C7和C9应具有较低的容差和较高的电容值。因此, 选取C7=C9=40 n F, 电容容差为5%时, 电路性能的统计特性如图7所示。
与优化前相比, 图7容差分析结果显示压输出在-38.98~-40.73 k V, 因此, 参数优化提高了电路鲁棒性, 减小了上升时间, 在电压上升时间内, 电路行为一致性升高。
3 高压发生器负载特性
高压静电喷雾是通过高压发生器使液体带电来实现的, 作为高压发生器的负载, 药液成分和性能的变化, 标志着负载的变化, 影响高压发生器的输出以及输出的稳定性, 从而影响荷电效果。本文以3WBJ-15DB多功能静电喷雾器喷雾系统为试验平台, 通过试验验证高压发生器在喷雾接通瞬间以及喷雾流量变化情况下高压发生器的输出特性。试验过程中液体负载选用4 g/L的胭脂红溶液[10]。
3.1 负载接通瞬间高压发生器输出特性
在喷雾压力0.2 MPa, 流量8 L/h的工况下, 接通喷雾器喷雾。图8给出了喷雾开启前后高压发生器电压输出信号。4组实验喷雾开启前高压发生器输出分别为10、20、30、40 k V。
由图8可知, 喷雾启动后, 高压发生器输出均有所降低, 这是由于加负载后电源内阻分压而使电源输出一定程度电压下降。4种荷电电压下电压下降均在500 V以内, 对比现有静电喷雾器厂家所使用的高压发生器在喷雾前后电压输出下降2 000 V, 带载能力显著提高。
3.2 喷雾压力变化下高压发生器输出特性
荷电电压不变的条件下, 增加喷雾压力至0.3MPa, 流量增加至9 L/h。图9给出了喷雾压力变化时高压发生器电压输出信号。4组实验荷电电压分别为10、20、30、40 k V。
由图9可知, 随着喷雾压力增加, 高压发生器输出变化幅度不大, 这是由于负载增加引起的压降通过反馈电路得以调节, 提高了电路的鲁棒性, 因此喷雾流量变化导致的负载变化对该高压发生器的输出影响甚微。
高压发生器输出性能测试主要是对电压调节功能和电压输出功能在电路功能实现上的验证, 试验验证结果表明数字电阻器实现了对输出电压的步进调节, 电路参数的成功选取保证了电压输出具有较高的评价指标。负载特性主要是对电压反馈电路功能的验证[11]。
4 结论
4.1 本文通过对静电喷雾所采用高压电源进行需求分析, 提出了带有反馈电路的电压输出可调高压发生装置。详细介绍了低压可调稳压电路, 高压升压电路, 反馈电路的详细电路设计和原理, 进行了参数的优化设计。
4.2 进行了高压发生器输出特性实验和负载特性试验。对可调高压发生器在输出电压10、20、30、40k V条件下进行测试。以3WBJ-15DB多功能静电喷雾器喷雾系统为试验平台, 在接通负载和负载变化情况下测定高压发生器的输出。试验结果表明, 所设计高压发生装置能稳定地输出电压, 在喷雾条件变化情况下, 也能稳定高效地输出电压。
参考文献
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高压静电 篇5
高压静电场处理种子技术是近年发展起来的一项新的农业技术。高压静电技术应用原理是利用静电现象使物质带电,荷电物质在电场中受电场力作用而发生力学现象。电场作为一种刺激因子对生物体从电子、分子到细胞和代谢的各个层次都可以施加影响。随着生物物理学及生物化学的发展,电场生物效应的研究越来越深人,国内外许多学者在动物、植物、微生物等方面开展了试验研究工作,已取得了大量的研究成果。静电技术在种子分级分选、生物学效应等方面发挥着越来越重要的作用。
1 作物种子处理装置研究
高压静电技术在作物种子处理中的日益广泛应用,离不开高压静电处理装置这一关键电子设备。康敏等人研制了一种高压静电发生器,该高压发生器由电源、振荡、功率放大、高压升压与倍压整流、恒流自动控制等部分组成,可输出0～880kV连续可调电压,恒流控制范围可设定在50～100uA[1]。李晓光等人设计了由单片机构成的自动控制多功能农用静电处理装置。该装置包括电极板、机械传动、电气自动控制等,具有自动操作、自动调压、自动定时、电场均匀、场强连续可调(最高可达10kV/cm)等特点,且用途广泛,适用于多种农作物种子处理[2]。张凤阁等人研究
2 高压静电在作物种子处理中的应用
2.1 高压静电选种研究
静电分选是利用静电现象来进行种子的分级分选的一种技术。它利用物质的摩擦特性、导电特性、介电常数差异,使静电力、重力、离心力等有效地作用在所有粒子上面而实施分选。种子静电分选是利用它们的电导率和介电常数的差异来实现的。
李东江等人利用滚筒式静电选种机实现种子分级的机理,并推导出种子在选种机中的理论运动轨迹,说明了静电分选的可能性[4]。1998年,康敏等人研制了复合式种子静电清选分级机,在其基础上又研制了一种新型的静电-风-筛复台式静电清选分级装置,并分析了利用静电进行清选分级的机理。利用滚筒式静电选种机对水稻种子进行的清选和分级,并进行了室内试验和田间生产试验[5,6,7]。蔡兴旺等人对香葱种子经高压静电场选种进行了初步研究;对萝卜种进行电场选种,进行种子的电场处理和播种试验,建立了相关的数学模型,找出了萝卜种处理的适宜参数;对茄子种高压电场分选的粒重分布进行了试验与分析,得出高压静电场可作为植物种子微粒按质量分选的有效方法之一[8,9,10]。董怡为通过极化型静电分级机的结构介绍及种子在静电场中的运动学特性分析,提出了有关种子和静电场的假说,建立了种子在静电场中的运动方程[11]。
2.2 高压静电生物学效应研究
静电场作用有利于种子多种酶的活化和生长。静电场的作用能够引起细胞内外物质扩散,提高扩散通量,有利于种子吸水吸肥,提早萌发和生长;高压静电场空气击穿产生NO和臭氧,与水反应生成亚硝酸和硝酸,腐蚀种子外壳,促进种子萌发;另外,静电场产生电晕放电,可促进植物的光合作用,使植物生长快、开花早、花期长,从而实现高产。
内蒙古大学梁运章采用静电场处理甜菜种子,其含糖量提高0.6度,产量提高7%左右,创经济效益近亿元[12]。康敏等人采用10kV/cm的正静电场处理番茄及小青菜种子,可使番茄出苗数增加30% ,产量增加了99.1%;小青菜出苗数增加33.4% ,产量增加了18.3%[13]。蔡兴旺等人利用高压静电场对茄子种子进行选种,并通过均匀设计安排试验,进行不同时间和电场强度的高压静电场处理,测定茄子种的发芽势、发芽率、根长、苗高、叶面积、干鲜重、电导率和SOD 值等指标,并对结果进行了回归分析和讨论,找出处理时间和电场强度的较佳取值组合[14]。白亚乡等人应用高压静电场对农作物种子进行处理,然后通过对其处理及对照组进行自由基含量的测定来探讨静电场处理农作物种子的生物效应的原发机制[15]。
3 结论
高压静电 篇6
1 高压静电水处理概述
1.1 方法:
采用纯物理方法, 对工业用水和生活用水进行电场的极化处理, 能有效清除各种系统广泛存在的结垢、管道腐蚀等问题, 是当今国际上最先进的水处理技术。通过高压静电场的直接作用, 改变水分子的物理结构, 使水中所含的阳离子不致于趋向器壁, 从而达到防垢的目的。由于静电场的作用, 在结垢系统中能破坏分子之间的结合, 改变晶体结构、促使硬垢疏松, 增加水的偶极距, 提高了水垢的溶解速率, 使已生成的水垢逐渐剥离、脱落、达到除垢的目的。
1.2 工作原理:
经静电处理的水获得能量, 产生活性氧, 它对无垢系统中的金属表面产生一层耐腐蚀很强的氧化黑膜, 而减少金属进一步腐蚀。活氧还具有很强的杀灭微生物作用, 对持续使用离子棒的循环水体, 可有效杀灭细菌及藻类, 同时抑制其生长。
1.3 功能特点:
除垢防垢、杀菌灭藻、缓蚀防腐。性能稳定, 保证持久功效。电缆连接件, 保证连接自如, 可靠的密封性能保护控制箱电路不受温度及腐蚀气体的侵蚀。使用安全, 高压静电场, 但仅是微安级电流, 绝不伤及人身安全。
1.4 优点。
1.4.1 高压静电水处理器能使系统的腐蚀率降到最低, 只相当于化学药剂清洗后的预膜钝化时的腐蚀率。
因此, 大大的提高了设备的使用寿命。
1.4.2 提高工况带来的经济效益。
高压静电水处理设备的作用就是使凝汽器的热交换效率恢复到或者最大限度的恢复到接近设计值。就是说, 在提高了热交换效率后, 给各个企业带来的效益是不一样的。
1.4.3 由于高压静电水处理器代替了化学药剂, 就大大减少了
排污, 而且可以适当的提高浓缩倍率, 产生的直接后果就是节水, 还有就是节约了化学药剂。由于提高了热交换效率, 还可能带来降低流量等等的情况, 所以, 也会节电。
1.4.4 节能环保带来的巨大的社会效益。
尽管目前是符合国家的排污标准的, 但是, 随着国家的可持续发展观的逐渐加强, 排污标准的提高, 以及对节能环保的重视, 可能在不远的将来, 能源的价格还会逐渐上升, 加药剂产生的排污费用也会直线上升。
2 冷冻站循环水装置情况介绍
电化厂某车间冷冻装置为氨制冷系统, 循环水装置水循环量为1200m3/h。系统中使用循环水的设备为氨冷凝器, 其作用是用循环冷却水将气氨冷凝为液氨。吸收气氨热量的冷却水经凉水塔降温回到水池, 通过循环水泵加压, 冷却水进入氨冷凝器与气氨进行热交换, 如此循环往复。因氨冷凝器总换热面积是定值, 气氨系统的压力及气氨的液化量主要与循环水温及循环水量有关, 对运行一定时间后的氨冷凝器, 因设备结垢, 换热效果变差, 在负荷不变或增加的情况下, 为保证气氨系统的压力及气氨的液化量, 需增加循环水量或降低循环水温度。特别是夏季, 气温高, 凉水塔降温能力有限, 通过增加循环水量仍不能满足生产要求, 只能通过直接补充低温新鲜水来降低氨系统压力、保证气氨液化量, 保证制冷效率。
3 高压静电水处理器的组成及原理
3.1 组成结构。
高压静电水处理器是一种水处理设备, 主要由探头和电控箱组成。电控箱将380V的交流电变换为18000V以上的直流电, 水中的探头周围产生一个高压静电场, 以维持对水的持续处理。
3.2 阻垢原理。
按照水分子具有极性的特性, 自然状态下的水分子是无序排列的, 但在高压静电场中, 水分子发生有规则的排列。利用这一原理和设备, 可将水体中的阳离子 (Ca2+、Mg2+) 、阴离子 (Cl-和SO42-) 包围起来, 阻止其化学反应的发生, 并且在水分子和设备间形成电位差, 束缚离子向设备聚集的能力, 起到阻止结垢的作用。
3.3 除垢原理。
在高压静电场中水垢分子间的电子结合力被破坏, 改变了其晶体结构, 促使其疏松, 并加大水分子的偶极距, 增强与盐类分子的水合能力, 使水垢逐渐剥蚀、脱落。
3.4 防腐蚀原理。
在高压静电场的作用下, 水体中还能生成一定量的臭氧 (O3) , 臭氧具有很强的氧化能力, 能在设备内壁生成Fe3O4致密保护膜, 起到保护层作用, 延缓设备的腐蚀。
3.5 高压静电水处理器的杀菌原理。
在高压静电场的作用下, 水体生成的臭氧还具有很强的杀灭微生物的作用, 能迅速杀灭微生物, 高压静电场还改变了水中衍生的细菌和藻类的生物场, 抑制代谢, 在这些综合作用下, 能迅速有效地杀灭水体中的微生物。
4 应用效果
4.1 在每年大修氨冷凝器拆开检查时, 水侧管程结垢严重, 特别是实施两年一次大修后, 结垢更严重, 须请专业清洗公司进行清洗。
安装了高压静电处理器两个后, 氨冷凝器检查发现管程无明显结垢, 且管板光洁。
4.2 氨冷凝器进出水温差:查历史数据, 投用前进出氨冷凝器冷却水温差在4~5℃。投用后温差在5~8℃。
4.3 水耗比较:一个月消耗水量为103570吨, 一年35859吨, 同比下降了67711吨。
5 效益评价
从设备结垢情况来看, 高压静电水处理器除垢效果明显, 运行数据上也显示提高了设备的换热效率。
5.1 使用高压静电水处理器后, 氨冷凝器的换热冷却水进出口
温差逐渐从4℃左右上升至7℃左右, 液氨冷凝温度降低1℃左右, 按每下降1℃, 冰机耗电量下降3.1%计算, 氨系统冰机全年用电量为640万千瓦时, 电价按0.45元千瓦时计, 年可节约电费:640×3.1%×0.45=8.9 (万元/年)
5.2 使用高压静电水处理器后, 在高温季节, 氨循环水系统至少可以节约用水10万吨左右, 按水价0.
75元/吨计, 年可节约费用
10×0.75=7.5 (万元/年)
5.3 使用高压静电水处理器后, 可年节约氨冷凝器的清洗费用, 按每台每年1万元计, 共3台, 可节约清洗费3万元/年。
5.4 高压静电水处理器运行费用为每小时耗电40W, 年运行费用极低, 可忽略不计。
6 结论
高压静电水处理器在循环水的装置上安装使用后阻垢、除垢效果明显, 有效提高了设备的换热效果, 节约了大量水资源, 又不产生污染排放物, 同时设备属免维护型, 不需类似加药装置一样配备加药泵及贮槽等, 仅消耗清洁的电能, 运行成本管理成本低, 达到节能减排的目的, 相比较加药装置无水体环境污染问题, 值得在化工行业特别是氯碱行业中推广使用。
摘要：本文主要阐述新型水处理设备高压静电水处理器的概述, 原理, 组成, 在氯碱厂循环水装置中的应用分析。
高压静电 篇7
1 振打传动系统结构介绍
高压静电除尘器阴极振打传动系统结构见图1, 主要由减速器、绝缘磁轴和振打轴组成。绝缘磁轴两侧用万向节与减速器输出轴以及振打轴连接。振打轴长度约10m, 振打轴本身允许存在一定的挠度。在运转过程中, 减速器输出轴和振打轴之间的角度相对位置经常发生变化, 靠万向节弥补此角度偏差, 以保证振打轴平稳运转。
万向节结构见图2, 由十字轴、万向节叉和滚针轴承组成。主动轴转动时, 从动轴既可随之转动, 又可绕十字轴中心任意方向摆动。为了润滑轴承, 十字轴设计为中空轴, 润滑油从注油嘴注入十字轴内腔, 油路通向轴颈。为了提高密封性能, 多采用橡胶油封。
2 万向节损坏机理
万向节安装在电除尘器内部, 在平时的运行中无法进行有效的润滑, 除尘器内部工作条件恶劣, 高温、高粉尘, 导致橡胶油封老化损坏, 轴承早期失油, 粉尘进入轴承体, 造成轴承滚针折断损坏卡死, 在运转中万向节无法调整角度偏差, 扭矩增加, 造成万向节损坏和绝缘磁轴断裂现象。
3 万向节的自制及应用
根据现场实际情况调查, 我们决定设计一种类似于万向节的连接方式以代替原万向节, 其结构见图3。材质选用45号钢, 在设计上取消了滚针轴承, 改为轴、孔配合的滑动轴承, 该万向节由万向节叉和方形铁、销轴组成, 主要是在上、下和左、右方向上的调整, 也可满足生产要求。为了满足其他方向上微量调整的需要, 在设计上轴、孔的配合选用较大的间隙配合, 使之在其他方向也可做微量的调整, 以弥补由于振打轴存在挠度引起两轴之间的倾斜。由于间隙很大, 不需要再加油润滑, 在检修过程中也便于检查轴孔磨损状况。
4 效果
高压静电 篇8
为了获得一定的除尘效率, ESP电源控制器需要让电场在一定的火化率状态下运行。而火花的准确判断是HVESP控制器的核心功能。受除尘本体各环节参数以及负载特性的影响, 本体回路会呈现出不同的电气特性。其中主要包括:过阻尼状态、临界阻尼状态和欠阻尼状态[4]。他们区别主要表现在本体火花放电时刻。在过阻尼状态下, 本体二次侧信号单调衰减, 不存在震荡, 信号特征明显;临界阻尼状态下, 火花一旦发生, 二次侧信号将出现等幅震荡且不衰减, 工业应用中不允许出现;欠阻尼状态下, 二次侧在火花产生时会产生震荡衰减的二次电压信号, 该状态在工业应用中经常遇到。欠阻尼状态下二次侧信号震荡幅值过大会导致控制器DSP采样数据的错误, 对后续信号处理也带来极大的影响。
为了过滤信号, 滤波电路一般会被设计成低通滤波器、高通滤波器或者带通滤波器。与常规滤波电路不同, 高压静电除尘二次侧震荡信号不能归类成干扰信号。该滤波电路设计的难点在于:保证静电除尘故障诊断依据的完整性, 火花放电时刻二次电压震荡的时域和频域特征需要有效保留, 而震荡幅度需要得到有效的限制, 以便控制器正确地分析和判断。到目前为止, 工业应用上对该震荡信号的处理缺乏重视, 针对欠阻尼态下控制器采样信号滤波电路设计的文献并不多。本文采用了一种基于高压静电场本体火花放电时刻二次电压信号震荡时频特征分析的电路设计方法进行二次侧电压采样电路的设计, 最后通过电场实验检验了其正确性。
1 欠阻尼状态下的高压静电除尘主回路分析
HVESP主电路原理如图1 (b) 所示, 根据基尔霍夫电压回路电压定律, 列出该电路的微分方程:
将式 (1) 常量部分简化, 令
可得
根据等式 (3) 可列出该二阶微分方程的特征方程
该特征方程存在着特征根
根据式 (5) 根号部分分析, 这里存在3种情况, 当
1) 当 (L+RRLC) 2>4LCRL (R+RL) 时, 方程存在两个不同的实根, 电路呈现过阻尼状态;如图3 (a) 所示。
2) 当 (L+RRLC) 2=4LCRL (R+RL) 时, 方程存在两个相同的实根, 电路呈现临界阻尼状态;
3) (L+RRLC) 2<4LCRL (R+RL) 时, 方程存在两个共轭虚根, 电路呈现欠阻尼状态;如图3 (b) 所示。
当系统主回路中的等效参数L、R、RL、C满足过阻尼条件, 高压静电场发生火花放电瞬间并不会产生震荡, 波形见图3 (a) 。另一方面, 当系统主回路满足欠阻尼条件时, 高压静电场发生火花放电瞬间ESP呈现出欠阻尼震荡, 波形见图3 (b) 。对图3 (b) 震荡信号进行傅里叶变换分析, 可以得到震荡的特征频率在3 500 Hz附近。由于高压除尘本体的阻尼电阻、等效电感、电场等效电容的参数在除尘器工作过程中是相对稳定的, 变化较大的是回路的负载电阻RL。该震荡信号的特征频率及其变化情况 (变化趋势、超调量和稳定时间) 都能有效反映出负载电阻RL的变化情况, 可作为高压静电场本体故障诊断的有效依据。正因为这一特征频率包含着重要的运行状态信息, 因此将其作为二次电压信号采样滤波电路设计的重要参考依据。
高压静电场主电路的欠阻尼震荡是由除尘本体等效参数决定的, 在实际工业应用的高压电场中经常出现。由于电场参数设计差异、设备采购和供应商的差异以及电场安装参数等的影响都可能会导致在电场运行时出现欠阻尼态。出于成本的考虑, 电场主回路元器件不可能随便更换。
这种存在震荡特点的二次电压信号对于传统的基于dv/dt的火花判据带来了不能忽略的影响。其主要原因在于震荡的信号会持续到下一个半波周期。由于震荡幅度比较大, 即使下一个半波周期没有火花的产生, HVESP控制器也会因为二次电压的dv/dt条件满足而产生误判。从而导致系统连锁动作, 将高压静电场的极间电压拉低, 直接降低了除尘的效率。
2 有源滤波电路关键参数设计
基于上面的分析, HVESP对高压静电场二次电压信号的滤波提出了较高的要求。首先, 要防止震荡信号给控制器火花识别带来的误判, 其次要保留震荡信号的绝大部分特征。由于特征频率变动范围偏低, 在滤波系统设计可采用二阶有源低通滤波器———Sallen-Key低通滤波器[5,6]。
该低通滤波器采用了图5所示二级运放结构。第一级采用高精度高共模抑制比差分放大器INA117, 该运放放在第一级主要起到信号驱动能力放大, 且因为运放电源与输入信号电源不共地, 在信号处理上起到一定的信号隔离作用。第一级运放的信号放大比例为1∶1, 由运放芯片内部电路决定。第二级运放为该滤波电路的核心, 采用OP177实现了Sallen-Key低通滤波器接法。根据电路基尔霍夫定律, 可以求得图5所示滤波电路的传递系统函数为:
式 (6) 中K=R3/R4, 根据实际电场采样输入信号图3 (b) 可得电路滤波性能优化目标为信号幅值衰减不低于-8 d B, 相位滞后不超出90°。采用参数试验法[7], 可以得到表1所示三组不同滤波性能。图6是表1中的3组不同参数组合在Matlab环境下分析得到的滤波电路频率特性。
3 实验结果与分析
本文实验采用第3组参数选择器件制作滤波电路。示波器检测点放在图5所示电路的Vout处。采样电路在50 k V放电实验中测得图7所示信号波形。控制器使用二次电压dv/dt火花判据, 火花灵敏度30 k V/ms。由实验结果可得, 当火花击穿发生时控制器能准确捕获, 下一个10 ms周期导通角适当减小后打开。震荡衰减信号的峰峰值测得1.1 V, 符合DSP采样AD的输入允许范围。震荡衰减信号的频率特征能够有效保留。
4 结语
通过对高压静电除尘主回路的定性分析, 说明了火花击穿时二次电压震荡信号的存在对于ESP的控制既有帮助, 同时也存在着不利的影响。本文基于欠阻尼态下ESP二次侧工作信号的频域特征, 对控制器二次电压信号采样滤波电路参数进行针对性设计与选型, 对于该震荡信号实现一定的强度抑制, 从而提高系统控制的准确性。通过50k V电场实验分析, 本论文所设计的控制器滤波电路能有效满足实际应用需求, 能明显提高除尘系统的稳定性和火花识别正确率。为控制器后续进行在线故障诊断提供了硬件基础。
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