高压静电吸发器的设计与研究设计说明书及开题
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学生姓名班级指导教师论文(设计)题目高压静电吸发器的研究与设计目前已完成任务1.基本上把与本设计相关的参考论文找到并做了参考阅读,理解了它们的高压直流电源设计原理,参考他们的设计方法,画出了本设计所需要的电路原理图。2.吸尘头装置的草图正在构思之中,工厂企业中的吸尘头装置不适合在家庭中使用。是否符合任务书要求进度:符合尚需完成的任务直流高压电压测试及吸尘头装置的研制能否按期完成论文(设计):能够按期完成论文存在问题和解决办法存在问题直流高压电源电压及功率是否足够,吸尘头装置采用平板式还是圆筒式拟采取的办法遇到棘手问题及时向指导老师反映,在老师的指导下和同学的帮助下解决问题,设计过程中,多向经验丰富的同学请教,遇到有争议的地方共同讨论后再作出合理决定,确保设计的合理性、科学性、实用性以及资料来源的权威性。 指导教师签 字日期 年 月 日教学院长(系主任)意 见 签字: 年 月 日中期进展情况检查表(设计)任务书题目名称 高压静电吸发器的研究与设计学生姓名所学专业学号指导教师姓名所学专业职称完成期限 20XX年12月22日 至 20XX年6月5日一、论文(设计)主要内容及主要技术指标1.主要内容在分析工厂企业中使用的除尘器装置的基础上研究和设计一种能用于家庭使用的高压静电吸发器,主要用于清理地板上的毛发等灰尘。采用直流高压电源,要求电源稳定可靠,整个装置使用轻便,所用电路尽量简单易懂,选用的元器件要常见易得,适合家庭标准。2.技术指标(1)直流高压电源产生的电压要足够高;(2)高压电源要有保护电路;(3)整个装置功率要达到吸起毛发的标准;(4)整个装置尽量小巧轻便。二、 毕业论文(设计)的基本要求1.毕业设计(论文)一份:有400字左右的中英文摘要,正文后有10篇左右的参考文献。论文字数在6000字以上;2.有不少于2000汉字的与本课题有关的外文翻译资料;3.毕业设计总字数在10000字以上;三、毕业论文(设计)进度安排1.2008年12月22日-2009年1月9日,下达毕业设计任务书;寒假期间完成英文资料翻译和开题报告。2. 2009年2月16-2月27日(第1-2周),指导教师审核开题报告、设计方案和英文资料翻译。3. 2009年3月2日-4月24日(第3-10周),毕业设计单元部分设计。4. 2009年4月26日-5月1日(第10=11周),毕业设计中期检查。5. 2009年5月4日-5月22日(第12-14周),设计仿真、程序调试、线路板制作调试,整理、撰写毕业设计报告。6. 2009年5月25-6月5日(第15-16周)上交毕业设计报告,指导教师、评阅教师审查评阅设计报告,毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩,学生修改整理设计报告。1 绪论 在空气干燥的季节,当你开门时偶尔会有电击的感觉,这就是静电放电()。当你感觉电击时,你身上的静电电压已超过伏!当你看到放电火花时你身上的静电已高达伏!当你听到放电声音时,你身上的静电已高达伏!但是现代许多高速超大规模集成电路碰到仅几十伏或更低的静电就会遭到损坏。也就是说当你接触这些电路时,你既没有感觉到又没有看到更没有听到静电放电时,这块电路就已部分损伤或完全损坏,而你可能还在找其硬件或软件的原因。你可能还没有意识到是静电这个“幽灵”。在上个世纪中叶以前,静电现象就如同科技馆中的表演,只是一种有趣的物理现象;然而现在,静电已成为高科技现代化工业的恐怖主义者。国内外近年发生了多起因静电造成的重大人员死亡事故。在军工企业部门,静电放电使火箭(弹)产生意外爆炸;在石化工业中静电放电多次使汽油着火爆炸;在电子工业中损坏电子元器件,仅美国每年因静电对电子工业所造成的损失就达几百亿美元。静电危害的另一种形式是静电力的危害,静电力的吸尘作用会影响产品质量,在大规模集成电路生产中由于静电使芯片成品率大大降低。印刷过程中由于静电吸引力使纸张难以对齐,降低生产效率。另外静电放电还产生很强的电磁干扰,其频率非常宽,从低频至几千兆赫兹以上。这种强电磁场作用时间短但其强度远比手机辐射的电磁场强,会干扰一些设备的正常工作。静电有很多危害,静电是否也能利用呢?答案是肯定的,利用静电能给人类造福。大家了解得最多的是静电复印现在得到广泛使用。静电除尘,具有效率高的优点,现在很多空气净化器就是利用静电能吸除空气中的很小的尘埃,使空气净化。在农业中,利用静电喷雾能大大提高效率和降低农药的使用,既经济又有利环境保护。静电还有很多应用,如静电处理的种子抗病能力强,病害发生减少,而且发芽率高,产量得到提高;静电放电产生的臭氧是强化剂,有很强的杀菌作用;经过静电处理的水,既能杀菌又不易起水垢。带有静电的驻极体膜还能治疗各种软组织损伤,它有活血化瘀、消炎消肿的作用。静电还可用于喷涂,用静电喷涂家用电器如洗衣机、电冰箱的外壳非常均匀。除尘是除去或减少空气中的灰尘或烟雾。在自然环境遭到破坏的今天,大气层中的灰尘越来越多,许多工业生产,科学实验日常生活常常需要除尘处理,高压静电除尘是应用得最广泛的一种,它有四个过程:电晕放电,尘粒荷电,带电尘粒从烟气中分离,整打清灰。本文介绍的是一种由低压直流电源供电的高压静 电除尘装置,结构简单使用方便。在设计由低压直流电供电的高压除尘装置时,首先要根据直流电压转换的原理设计出高压静电发生器产生几十千伏的高压,然后分析电场分布的物理模型。带电尘粒在电场中的运动规律及吸附在极板上的条件,得出电极的几何形状和有关参数,从而设计出高压静电除尘装置。目前,市场上出售的吸尘器基本上是真空吸尘器,静电技术在工农业生产中的日益广泛,如农业方面的静电喷雾、静电选种、静电促进植物生长和工业方面的静电喷漆、粉末静电喷涂等,这些应用都离不开高压静电发生器这一关键电子设备。本文设计了一种具有恒流自动控制功能的高压静电发生器,它可有效地防止在使用过程中产生高压“打火”现象,从而使操作更加安全,同时对元器件具有更好的保护作用。该仪器用于实际,效果良好。 2 高压静电发生器的设计与研制 目前产生高压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法,另一种是数字方法。前者的稳压电路、调节电路和显示电路均采用模拟电路控制,而后者则是通过数字电路进行自动控制。传统的高压电源一般通过调整十圈电位器和波段开关预置所需电压。电压值由电压表头指示,这种手工控制和指示方式有很多缺点:调整麻烦,不能很快获得所需电压,指针读数不精确,也不能在大负载和其他异常情况下自动监测和自身保护。另外,实验室中的仪器或设备,有些同学难免会乱动旋钮和开关,造成下次开机时因电压过高而损坏仪器。下面简要介绍目前几种比较常用的高压静电产生电路的工作原理。方案一: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(如图1所示)。其工作原理为:电网220V10%电源加入变压器输入端,次级两个绕组提供+12V直流稳压电源和+1.25+27V直流稳压电源。+12V直流电源作为振荡电路的工作电压,产生15kHz左右的脉冲方波信号。+1.25+27V直流稳压电源是功率转换的主要能源,高压静电是通过脉冲高压经倍压整流而获得,基脉冲信号由振荡电路产生,经功率放大电路放大后,在高频脉冲变压器的升压下,最终输出12kV左右的高压信号,经8倍压整流使输出电压可达-80kV。恒流自动控制取样高压回路的静电工作电流,在恒流时,其负载加大不会引起工作电流的上升,这是因为静电电流上升引起+12.5+27V稳压电源输出电压下跌,造成高压变压器输出的脉冲的幅值减小,使倍压整流电压降低,从而导致静电工作电流的下降而使工作电流恒定于某一数值。3 电路分析 图2为装置的电路原理图,下面对各部分电路进行分析。1.1振荡电路振荡电路的原理图如图2所示,电路采NE555定时器接成的多谐振荡器来产生所需一定大小的方波信号。从图中可以看到:R2、R3、C2是振荡电路的定时元件,调节它们可以得到不同的振荡频率;C1的作用是防止干扰电压对电路的影响。 振荡电路原理图3.1 电源 电源变压器经过降压,在两个次级绕组上分别产生13V和23V的交流电,用于供给+12V和+1.25+27V稳压源电路。 (1)13V交流电经桥堆V2整流和由3端固定稳压器N2及C5、C6、C7组成的稳压电路稳压后,输出稳定电压+12V。电路中的C5为主滤波电容,C6和C7用以消除可能产生的高频自激振荡。 (2)23V交流电经桥堆V1整流和由3端可调稳压器及N1及C1、C2、C3、C4、R1、R2、V3、V5组成的稳压电路稳压后,输出稳定可调电压+1.25+27V。电路中的C为主滤波电容,C和C1 2 4用以消除高频自激振荡,V和V用于防止输入、输3 5出端意外短路而损坏集成块。调节电位器R可改变2输出电压U,它与R的关系为。电路中的4为一大功率三级管,用于扩展电源的输出电流。3.2 振荡及放大电路 振荡电路由555集成定时器N3及外围元件R4、R5、R6、R7、C8、C9和V6组成,输出占空比和频率均可调的脉冲方波。其输出方波的频率由下式确定式中:R4-2代表集成电路N3的4脚和2脚之间外接电阻的阻值。而该脉冲方波的占空比则由比值R 4-7/R7-2确定,R4-7和R7-2含义同R4-2。从电路原理图可知,调节R5可改变输出脉冲的频率,而调节R6可改变输出脉冲的占空比,功率放大由功率三级管V9完成。由于555定时器的输出电流最大可达200mA,因而可直接驱动功率管V9。 3.3 高压升压及倍压整流 高压升压由高压升压变压器T1完成。一般升压后,高压输出能达12kV以上。倍压整流则由C13C20及V11V18组成的8倍压电路完成。如图2所示,设高压变压器T1次级输出的电压幅值为U。当次级信号为上正下负时,则对C13充电至电压值U;当信号为上负下正时,则由C13上电压加U值一起对C14充电至2U。第2个周期开始时,以电压2U对C充电至电压值2U。以此类推,直到C16,C17、C18、C19和C20上都充满2U电压为止。这样从C20上输出的电压就是高压变压器次级输出电压的8倍,一般可大80kV以上。 3.4 恒流自动控制电路 恒流自动控制电路由L1、R10、R9、V7和V8等元件组成。实际工作时,电流经电流表头、L1、R10回地。随着高压负载的加大,流过R10的电流亦增大,到一定值(可通过调节R10设定)时,三级管V7和V8导通,原流经R1的电流将部分地通过R3和V7回地,从而导致R1上的电压降减小,即集成块N1的3脚电位下降,其输出端2脚电压亦下降,使功放管V4输出电压下降,高压输出电压降低,静电电压下降,最终导致静电电流恒定在某一事先调整好的电流值上。该高压静电发生器可输出0880kV连续可调电压,恒流控制范围可设定在50100A。经用于粉末静电喷涂和静电选种等多种场合,效果良好。由于高压电源电路开关管与升压变压器工作于振荡状态,因此电路中会产生大量的高频高次谐波,为了防止这些有害的干扰影响振荡电路的工作,必须采用严格的隔离和滤波。隔离的方式有许多种,其中效果较为明显的主要有两种,一种是变压器隔离,一种是光电隔离。结合本系统,前者的优点是可以作为开关管的前级推动变压器,使开关管获得足够的推动功率,从而可以减小开关管的损耗,但是,由于其体积较大,市场上很难买到符合要求的变压器,相比之下,后者体积小,价格便宜,因而得到了广泛的应用。本系统采用光电隔离技术,试验证明,光耦隔离可以有效的防止干扰脉冲影响振荡电路的工作。 电路采用电压比较器作为驱动电路,它能产生一组幅度相等、相位相反的脉冲信号,分别加到两个开关管基极,很好的满足电路的要求。这种方式具有电路简单、驱动功率大、输出波形好的特点,从而避免了采用体积较大而笨重且绕制繁琐的压器驱动。隔离与驱动电路原理图如图3所示。方案二本电路产生的高压静电,输出直流电压为1OOkV,可用于粉末涂料生产及高压静电喷塑。下面简要分析该电路工作原理该高压静电发生器电路由振荡升压电路和倍压整流电路组成,如图8-116所示。振荡升压电路由电阻器Rl-R3、电容器Cl-C3、晶闸管VTl-VT3、二极管VDl-VD6和升压变压器Tl-T3组成。倍压整流电路由二极管VD7-VDl6和电容器C4-Cl3组成。接通电源开关S后,ELA亮,Cl-C3开始充电,在Tl-m的一次绕组中产生充电电流,二次绕组中产生感应高压。当Cl-C3充满电时,VTl-VT3受触发导通,Cl-C3通过Tl-T3的一次绕组对VTl-VT3放电,使VTl-VT3截止,然后Cl-C3又开始充电,使VTl-VT3间歇导通,以上充、放电振荡过程周而复始地进行,即可在Tl-T3的二次绕组上产生近万伏脉冲高压。此脉冲高压经l0倍压整流 (VD7-VD9和C4、C8、C9为3倍压整流;VDlO-VDl2和C5、ClO、Cl1为3倍压整流;VDl3-VDl6和C6、C7、Cl2、C13为4倍压整流)后,产生1OOkV的直流高压。高压发生器工作后,在放电间隙(司隙可调)产生放电火花,这样既可限制输出电压过高,又可以指示高压的有无。整个电路安装完毕后,应用环氧树脂封装或浸在变压器油中,防止对空气放电。元器件选择Rl-R3均选用1/2W金属膜电阻器。Cl-C3均选用耐压值为630V的CBB电容器;C4-C13均选用耐压值为lkV的高压瓷介电容器。VDl-VD6均选用1N4007型硅整流二极管;VD7-VDl6均选用耐压值为2OkV的高压整流硅堆。VTl-VT均选用3A、800V的晶闸管。Tl-T3使用14in黑白电视机的行输出变压器改制:一次绕组用0.41mm的高强度漆包线绕50匝,二次绕组使用原行输出变压器的高压包,安装时,二次绕组应与高压包拉开距离,可安装在高压包另一侧磁柱上。S选用5A、220V的双极开关。EL选用220V、2OOW的白炽灯泡。方案三:该高压静电发生器以555为核心,配以升压变压器和高反压二极管及放电刷(针),555和R1,R2,C2组成无稳态多谐振荡器,振荡频率f=1.44/(R1+2R2)C2,图示参数约在20kHz左右,经升压变压器T1升压后,在T1的次级可得到20kHz的近10kV的高压,经D1整流后得到近7kV的电压,负载电流可达50uA。方案四本例介绍的高压静电发生器,采用交流220V电源供电,能产生近100kV的直流高压,可用于粉末涂料的生产及静电喷塑等场合,代替高压静电喷涂机的高压发生器电路。电路工作原理该高压静电发生器电路由电源开关S、电源变压器T、整流二极管VD1VD9、电容器C1C9、电阻器R1R4、电压表PV和电流表PA组成,如图所示。接通电源开关S,交流220V电压经电源变压器T升压及VD1VD9和C1C9组成9倍压整流电路,倍压整流后,产生100kV左右的直流高压,一路经R4限流后输出,另一路经R1R3限流后,通过PV显示出输出电压值。电路元器件安装完毕后,应使用环氧树脂进行封灌处理,以防止各元器件之问放电。元器件选择:R1R4均选用1W的高压电阻器。C1C9均选用耐压值为30kV的高压瓷介电容器。VD1VD9选用耐压值为30kV的高压整流硅堆(也可用两只耐压为1820KV的整流硅堆串联代替),例如2CGL30、2DGL30等型号。PA选用0100A的电流表。T选用成品升压变压器(二次电压为12kV左右)也可使用14in黑白电视机的分离式行输出变压器改制。S选用220V、触头电流容量大于5A的双极开关。方案五:本电路如下图所示,该电路以12V只留电源供电,可获得10000V直流电压的输出。直流/直流变换器把它的输出送入一个十级的高压倍增器而产生10000V的直流输出电压。IC(CD1458施密特六反相器)。门电路IC-1用作方波脉冲发生器,它产生很纯净的方波(脉冲式直流)输出。再把IC-1的输出送往IC-2至IC-6的输入端,这些反相器并联起来以驱动电流。并联的门电路输出脉冲送往VT1的基极,是VT1随着IC1的震荡而开关工作。VT1的集电极与T1的初级线圈串联。T1的初级线圈的另一端接+12V的电源,并通过C1接地去耦合。加在VT1的脉冲信号引起开关作用,造成VT1(小铁氧体磁芯升压变压器)初级线圈中的电磁场起伏,在T1的次级线圈中诱导出极性相反的脉冲信号。把T1次级线圈的脉冲直流输出(在800V-1000V之间)加10级电压倍增器电路,此电路含有VD1-VD10以及C2-C11,倍增器电路把电压提高到十倍,产生的输出电压可达10000V直流电压。通过二极管VD1-VD10和电容C2-C11的反复充放电,倍增器输出将是倍增器中所有电容的一连串相加的和。为了是电路能有效的工作,必须考虑方形波的频率以及加在倍增器的信号。R4,RP和C12的数值规定振荡器IC-1的输出频率(规定数值大约为15kHz)。电位器RP用来微调振荡器的输出频率。振荡器的频率越高,倍增器的容抗越低。发光二极管VD11作输出功率的指示器,而氖灯HL则指示T1次级线圈的输出。要获得倍增器最大的最好办法是把示波器连接倍增器的高压输出,通过高压探针,调节电位器RP而取得高电压的输出,如果没有合是的测试工具,可以把倍增器的输出导线与地线相隔1cm而造成火花,调节RP以获得最大的火花输出为佳。应当注意因倍增器的输出高压将引起强烈的电击,要注意即使把倍增器关闭之后,各电容仍然存储着电荷,如果没有充分放电触及这输出仍会有危险,把这输出短路接地可以清楚这些电荷。IC是CMOS器件,对静电很敏感。仅能承受15V直流电压超过了这个临界,IC就会损坏,二极管VD12用来防止输入电压极性相反。从电压倍增器的角度来看,二极管和电容必须能承受输入电压的两倍以上,所以,如果输入是1000V,所有的二极管和电容必须能承受至少2000V。由于这种额定电压的二极管很难找到和价钱昂贵,实际上VD1VD10每个都是两个串联的1A/1000V整流二极管。,安装时要注意以下五点:1:该装置可以安装在,一块自制的电路板上,VT1必须装上合适的散热器,否则会迅速过热而损坏。2:倍增器必须组装可以防止任何离子漏电。如果高压源末端是尖的,电荷密度就会集中到这点上,而造成离子漏电。所以在焊接倍增器时要使用足够的锡焊焊成平滑的球型焊点,这点非常重要。3:应该把倍增器焊接面绝缘,以防止任何金属物体接触。可以使用高压绝缘复合材料,也可以使用耐高压油灰。4:电路的输出要屏蔽的很好的导线,和用于电视显像管阳极高压的屏蔽线一样。这样导线可以安全处理的电压在1.5万伏至2万伏之间,并有助于防止电荷漏电。5:在倍增器电路各级取分路,所以输出电压范围从1000直流电压到10000直流电压。例如VD2,VD6的阴极可得到20V和6000V的电压。吸尘头装置的设计与研制: 静电除尘装置的设计以常见的静电除尘装置有圆筒式和平行板式两种, 下面以圆筒式为例设计装置的相关参数.圆筒式除尘装置结构如图3 所示。中心电极为正极(圆柱形) 其半径为Ra ;圆筒壁为负极,内径为 可以把它看成圆柱形电容器。电容大小为:式中0为空气介电常数,L为圆柱筒高。将高压静电发生器的输出U0 加在正负极上, 圆筒中产生径向电场E。极板上电荷Q及单位长度电荷密度为电场内距轴心r处的场强Er(RarRb)。Er的方向垂直于轴线呈辐射状,它是一个与r成反比的变化电场圆筒内r柱面的电势Ur与轴心电势UA之差值为:当带有灰尘的空气以轴向速度V1进入圆筒时,尘粒受到电场力重力和空气对它的粘滞阻力的作用。设尘粒所带电荷为q,电场强度为Er,则荷电尘粒所受的电场力Fc因尘粒半径很小(约 1-10um),尘粒主要由碳素、碳的化合物、植物的纤维素、硅酸盐类、黄土、 水泥、 沙尘、等组成 其密度在1-3x103 kg/m3, 若尘粒近似球状,可知其所受的重力Mg约为10-5 N数量级。球形尘粒在气体中所受的粘滞阻力FD与球的半径和速度v有关。式中,T为速度变化的时间常数。由于m很小,所以T是很小的,以微粒为10um的球形尘埃为例,当它的密度为1x103kg/m3时有:而尘粒到达集尘极的时间要比T大得多。所以,可以略去(10)式的指数项(即忽略粒子的加速过程)。认为尘粒已进入圆筒便达到了以稳定的趋进速度vr,尘粒以vr趋向筒壁,到达的时间t2=Rb/vr。当进入圆筒的气流速度为v1时,穿越整个筒体的时间为t1=L/v1。只有当t2=t1时,尘粒才能被吸附到集尘极上。当r=Rb时,电势差UA-Ur=UA-UB=Ue,Ue为高压电源输出电压。因此,当高压电源Ue满足(12)式,尘粒可被集尘极吸附,达到除尘的目的。此式为除尘装置设计的理论方程。圆柱筒的L、Rb选择主要依据被除尘粒的特点(尘粒半径、种类、环境及气流速度等)来确定。Ue还与v1、q有关,从理论上考虑Ue越高除尘效果越好,但由于受电源装置绝缘性能和空气击穿等安全条件的限制,Ue不宜太高,一般小于几十千伏。例如要设计的一个实际的圆筒式除尘器,取Rb=0.05m,L=0.4m,中心轴线电晕极半径Ra=0.01m。对110um的尘粒,电荷q=10-1710-16C,随着v1=0.5m/s的气流进入除尘圆筒。有式(12),尘粒被吸附所需要的高压电源Ue为:当除尘装置的几何尺寸和高压电源电压Ue确定后,除尘装置的捕集效率主要取决于尘粒所带电荷量q,增大q可以提高除尘装置的捕集效率。实验证明,在设计参数选择恰当时,此装置有很好的除尘效果。梳妆电极,除尘装置的连接由以上结论,对高压静电除尘,当所加Ue一定,q越大,尘粒沿轴向行程越短,即越易被集尘极吸附。临界电荷q0为:即尘粒需荷一定数量的基本电荷才能被吸附。 尘粒电荷的获得, 一是由于空气中的正负离子, 自由电子与尘粒相互碰撞得到电荷, 这种电荷是扩散电荷,数量是很少的; 二是让尘粒处在强电场中,在强电场的电极附近产生电晕而得到电荷,尘粒在电晕的作用下可获得大量电荷。为此,可将尘粒先经过梳状电极“充电”即将气流先通过梳状电极电场作用的“笼”使尘粒得到较多的电荷,再进入除尘器中,提高除尘效率。梳状电极由一组并列的,长短错开的尖端组成,尖端弯成一定角度,成一条尖端长链,卷成一圆筒状,形成如图5所示的梳状电极“笼”因为导体表面各处的电荷分布与导体的曲率半径有关,曲率半径愈小(即愈尖的地方)电荷密度愈大,尖端附近电场愈强。当在电极上通电,梳状电极两端产生较强的电场,使流过此处的空气分子电离,若电极为正,电离后的电子被电极吸附,而正电荷的尘粒随气流进入下一级,并达到尘粒电量+q增多的目的。例如,若尘粒半径r0=1um, 认作孤立导体的电容C=10-16F,当Us=10kV,得q=10-14-10-12C。这个数值远远超过除尘器对尘粒电荷q0的临界值。可以更好地保证除尘效果,提高捕集效率。对圆筒式除尘装置,由(4)式,(5)式联立解之得,为达到好的除尘效果Er=104105V/m较为合适。另外,除尘器的半径不能做得过大,0.1m左右较合适。因高压静电除尘装置的电压很高,绝缘及防雷击的问题 以及耐高温的问题需要另行设计解决。限于本人能力及设计时间有限没有做深入的设计。参考文献:1 Gordeev,PG,etalVZP550 HighVoltage Charging ConverterJPribTekhEksp,1990,(2)2 解广润 高压静电除尘 m 北京 水利电力出版社 1993.50-533 库兹明科 孙琦译 晶体管直流电压变换器的设计M北京 人民邮电出版社4 梁显鉴 宽范围可调高压电源j 电子技术,1997,(4);1765 董玉振,等 微型数控高压电源的研究j 高电压技术,1994,20(4);236 李爱文 现代逆变技术及应用 m 北京:科学技术出版社,20007 沙占友等编特种集成电源最新应用技术M北京:人民邮电出版社,20008 戴晓明,李振国。新型高压开关电源的研制。原子能科学技术,2000,34(2):125-1271 Pasic H, Bayless D, and Alam K, Prudich M. Development of a Membrane-Based Wet ESP. 2 Pasic H, Alam K, and Bayless D, et al. Further Development of the Membrane Electrostatic Precipitator. http:/www.odod.state.oh.us/tech/coal/html/projects.asp.3 Pasic H, et al. US 6,231,643. MEMBRANE ELECTROSTATIC PRECIPITATOR.4 Pasic H, Bayless D, Alam K, et al. Using Membrane Wet ESP for Captureof Fine Particulate. 5 Pasic H, Alam K, and Bayless D. Capture of Air Toxics by Membrane Electrostatic PrecipitatorHigh Voltage Power Supplies for Electrostatic ApplicationsCliff Scapellati, Vice President of EngineeringAbstract High voltage power supplies are a key component in electrostatic applications. A variety of industrial and scientific applications of high voltage power supplies are presented for the scientist, engineer, specifier and user of electrostatics. Industrial processes, for example, require significant monitoring of operational conditions in order to maximize product output, improve quality, and reduce cost. New advances in power supply technology provide higher levels of monitoring and process control. Scientific experiments can also be influenced by power supply effects. output accuracy, stability, ripple and regulation are discussed.Contributing effects such as output accuracy, stability, ripple and regulation are discussed.I.IntroductionThe use of high voltage in scientific and industrial applications is commonplace. In particular, electrostatics can be utilized for a variety of effects. Broadly stated, electrostatics is the study of effects produced by electrical charges or fields. The applications of electrostatics can be used to generate motion of a material without physical contact, to separate materials down to the elemental level, to combine materials to form a homogeneous mixture and other practical and scientific uses. By definition, the ability of electrostatic effects to do work requires a difference in electrical potential between two or more materials. In most cases, the energy required to force a potential difference is derived from a high voltage source. This high voltage source can be a high voltage power supply. Todays high voltage power supplies are solid state, high frequency designs, which provide performance and control unattainable only a few years ago. Significant improvements in reliability, stability, control, size reductions, cost and safety have been achieved. By being made aware of these improvements, the user of high voltage power supplies for electrostatic applications can benefit. Additionally, unique requirements of high voltage power supplies should be understood as they can affect the equipment, experiments, process or product they are used in. II.Operational Principles of High Voltage Power SuppliesA simplified schematic diagram of a high voltage power supply is shown in Fig.1.The input voltage source may have a wide range of voltage characteristics. AC sources of 50Hz to 400Hz at 100 megOhms are common. (This is to reduce power dissipation in the circuit and reduce the effects of temperature change due to self heating). The large resistance and the high voltage rating requires unique technology specific to high voltage resistors. The unique high voltage resistor must be paired with a low value resistor to insure ratio tracking under changes of temperature, voltage, humidity and time. In addition, the high value of resistance in the feedback network means a susceptibility to very low current interference. It can be seen that currents as low as 1 X 10-9 amps will result in 100ppm errors. Therefore, corona current effects must seriously be considered in the design of the resistor and the resistor feedback network. Also, since much of the resistor technology is based on a ceramic core or substrate, piezoelectric effects must also be considered. It can be demonstrated that vibrating a high voltage power supply during operation will impose a signal, related to the vibration frequency, on the output of the power supply.IV. Auxiliary Functions Involves With the High Voltage Power SupplyIn many applications of high voltage, additional control functions may be required for the instrument. The power supply designer must be as familiar with the electrostatics application as the end user. By understanding the application, the power supply designer can incorporate important functions to benefit the end process. A typical feature that can be implemented into a high voltage power supply is an ARC Sense control. Fig. 3 shows a schematic diagram of an arc sense circuit. Typically, a current sensing device such as a current transformer or resistor is inserted in the low voltage side of the high voltage output circuits. Typically, the arc currents are equal to: I = (E/R)(1)where I = Arc current in amperes. E = Voltage present at high voltage capacitor. R = Output limiting resistor in ohms. The arc current is usually much greater than the normal dc current rating of the power supply. This is due to keeping the limiting resistance to a minimum, and thereby the power dissipation to a minimum. Once the arc event is sensed, a number of functions can be implemented. Arc Quench is a term which defines the characteristic of an arc to terminate when the applied voltage is removed.Fig. 4 shown a block diagram of an arc quench feature.If shutdown is not desired on the first arc event, a digital counter can be added as shown in Fig.5.Shutdown or quench will occur after a predetermined number of arcs have been sensed. A reset time must be used so low frequency arc events are not accumulated in the counter. Example: A specification may define an arc shutdown if eight arcs are sensed within a one minute interval. A useful application of the arc sense circuit is to maximize the applied voltage, just below the arcing level. This can be accomplished by sensing that an arc has occurred and lowering the voltage a small fraction until arcing ceases. Voltage can be increased automatically at a slow rate.(Fig. 6)Another feature which can be found in the high voltage power supply is a highly accurate current monitor circuit. For generic applications this monitor feature may only be accurate to milliamperes, or microamperes. However, in some electrostatic applications accuracy down to femtoamperes may be required. This accuracy can be provided by the high voltage monitoring circuits. However, the user of the power supply usually must specify this requirement before ordering.V. Generating Constant Current SourcesIn many electrostatic applications, a constant current created by corona effects is desirable. This can be accomplished in a number of unique ways. A constant current source can be broadly defined as having a source impedance much larger than the load impedance it is supplying. Schematically it can be shown as in Fig. 7:Practically stated, as R2 changes impedance there is negligible effect on the current through R1. Therefore, R1 and R2 have a constant current. In a single power supply application, this can be accomplished two ways. The first is to provide an external resistor as the current regulating device. The second is to electronically regulate the current using the current feedback control as shown in Fig. 2. In applications where multiple current sources are required, it may not be practical to have multiple power supplies. In this case, multiple resistors can be used to provide an array of current sources. This is typically used where large areas need to be processed with the use of electrostatics. Fig. 8 shows this scheme.VI. ConclusionThis paper presented information useful to electrostatic applications using high voltage power supplies. The high voltage power supply has concerns which differentiate it from conventional power supplies. The designer of high voltage power supplies can be a key resource for the user of electrostatics. Significant control features can be offered by the high voltage power supply. In addition, safety aspects of high voltage use requires important attention. High voltage sources can be lethal. The novice user of high voltage should be educated on the dangers involved. A general guideline for safety practices is found in IEEE standard 510-1983 Recommended Practices for Safety in High Voltages and High Power Testing 4.References:1 C. Scapellati, High Voltage Power Supplies for Analytical Instrumentation, Pittsburgh Conference, March 1995.2 D. Chambers and C. Scapellati , How to Specify Todays High Voltage Power Supplies, Electronic Products Magazine, March 1994.3D. Chambers and C. Scapellati, New High Frequency, High Voltage Power Supplies for Microwave Heating Applications, Proceedings of the 29th Microwave Power Symposium, July 1994.4IEEE Standard 510-1983, IEEE Recommended Practices for Safety In High Voltage and High Power Testing.高压静电电源应用Cliff Scapellati,工程副总裁摘要高压电源供应的关键组成部分是静电应用。各种工业和科学应用的高电压电源供应器以供科学家,工程师,规范和用户的静电。工业生产过程,例如,需要大量的监测作业条件,以便最大限度地扩大产品产量,改善品质,并降低成本。新进展供电技术提供更高水平的监测和过程控制。科学实验还可以影响电力供应的影响。促进效果,如输出精度,稳定,纹波和管理进行了讨论。一。导言使用高电压的科学及工业应用是司空见惯。特别是,静电可用于不同的影响。从广义上说,是研究静电效应所产生的电气费或领域。静电的应用可用于产生运动的材料,无需身体接触,分离材料到元素水平,结合材料,形成均匀的混合物和其他实际和科学用途。根据定义,静电的能力的影响,需要做的工作不同电位两个或两个以上的材料。在大多数情况下,所需的能量,迫使潜在的区别是来自高压电源。这种高电压源可以是一个高压电源应用。今天的高电压电源供应器是固态,高频设计,提供性能和控制无法实现的仅在几年前。显着提高的可靠性,稳定性,控制,减少大小,成本和安全已经实现。通过了解这些改进,用户的高压静电电源的应用中受益。此外,作为独特的要求,高压电源供应器应被理解为他们可以影响到设备,实验,过程或产品。二。高压电源供应器的操作原理图1 一种简化的高压电源一种简化的高压电源如图1。输入电压的来源可能有广泛的电压特性。交流电源50至400Hz在24V到480V是常见的。直流电源从5V至300V也可以找到。关键是用户要了解输入电压的要求,因为这会影响整个系统的使用和设计。监管机构,如美国保险商实验室,加拿大标准协会,国际电工技术委员会及其他具有高度参与任何电路连接到电网。除了主要的逆变电源电路的电源,输入电压源也可以用于辅助电源控制电路和其他辅助电源要求。输入滤波平台提供输入电压源。这种调节通常的形式,整顿和过滤交流渠道,并附加的滤波直流来源。超载保护,EMI,EMC和监控电路也可以找到。输出输入的过滤器通常是直流电压源。这个直流电压提供了能量来源逆变。逆变阶段的直流电源转换为高频交流信号。电力供应中存在许多不同的逆变器拓扑结构。高压电源供应器具有独特的因素,可能会决定逆变器的最佳办法。该逆变器产生高频交流信号是加紧了高压变压器的原因,高频产生是为了提供提供高性能与缩小规模和减少磁存储电容器的纹波。一个变压器具有高加强比例时,高变频器就会被加倍。加强高比率反映了一种寄生电容在主要的高电压互感器,这反映为(Nsec:Npri)第二功能。这种大的寄生电容出现在主要的变压器必须是隔离的逆变器开关设备。如果没有,异常高脉冲电流将会出现在逆变器之中。常见的高电压电源供应器的另一个参数是一种广泛的负荷运作。由于存在高电压,绝缘击穿是司空见惯。该逆变器的稳定性和控制回路的特点,必须负责几乎与任何开路,短路和业务负载相结合的条件。这些问题以及可靠性和成本,必须在高压电源逆变器拓扑结构之中解决。高频逆变器输出的是适用于主要高电压升压变压器。适当的高电压变压器的设计需要大量的理论和实际工程。了解这个有吸引力的设计必须应用材料和过程控制。许多具体的专门知识涉及大量的二级轮流,较高的次级电压。由于这些因素,核心几何,绕组绝缘方法和技术有很大不同,比传统变压器的设计。一些令人关切的领域是:伏特/反过来评级二次线,绝缘层层评级,绝缘材料损耗因数,绕组几何,因为它关注的是寄生电容和次级漏磁,浸渍绝缘漆,以缠绕层,电晕水平和几乎所有其他常规的问题,如热利润率,以及总成本。高电压倍增电路负责整顿和乘法的高电压互感器二次电压。这些电路使用高压二极管和电容器在“电荷泵”电压倍增器的连接。与高电压变压器,高电压倍增器设计需要特定的专门知识。此外,以整顿和乘法,高压电路中使用的过滤器的输出电压,并在监测电压和电流反馈控制。输出阻抗可能故意添加,以防止放电电流从电源的存储电容。这些高电压绝缘部件通常是从地面水平,以防止电弧了。绝缘材料的差别很大,但是典型的材料是:空气,SF6气体,绝缘油,固体胶囊型(RTV,环氧树脂等)。对于一个可靠的高电压设计而言,绝缘材料的选择和过程控制可能是最重要的方面。控制电路使所有的电源一起工作。电路的复杂性可从一个模拟IC到大量的集成电路,甚至一个微处理器控制和监测的所有方面的高压电源。但是,基本的要求,每个控制电路必须满足是精确调节输出电压和电流的负载,输入功率,决定和命令的规定。这是最好的反馈控制回路。图2显示了如何利用反馈信号来调节输出的电压。常规调控电压和电流可通过监测输出电压和电流分别。这是比较理想的(参考)输出信号。差额(错误)之间的反馈和参考将导致改变逆变器控制装置,这将导致改变权力交付输出电路。图2 电源供应控制环此外,电压和电流调节,其他参数可精确调节。控制输出功率很容易完成了XY=Z功能(即VI=W),和比较理想的输出功率范围。事实上,任何变量内发现欧姆定律可以调节(电阻,电压,电流和功率)。此外,最终的工艺参数可调节的影响,如果他们的高压电源(即涂料,流量等)。三。高电压调节必须有一个规范的高电压和/或恒流对于大多数应用中,涉及静电。变化的输出电压或电流可以直接影响最终结果,因此,必须充分理解为一种错误来源。在高压电源供应器,用于项目所需输出电压参数可以消除的一个重大错误来源是使用高度稳定的集成电路。典型规格优于5ppm/C是常规的。同样模拟集成电路(运算放大器,模数和数模转换器,等等)可以消除的一个重要错误来源是慎重挑选你所使用设备。独特的高电压电源供应器还有一个部分,这将是稳定的错误主要来源:高电压反馈分压器。正如图1,高电压反馈分压器由一个电阻分压器网络。这个网络将输出电压足够低的水平来处理的控制电路的问题,稳定在这个网络结果从大阻力的反馈电阻。阻值高于100百万欧姆的电阻是常见的(这是为了降低功耗和减少电路的影响,以及温度变化而产生的自热)。大阻力和高电压等级,需要独特的技术,具体到高电压电阻器。独特的高电压电阻必须“配对”,以低价值的电阻率跟踪,以确保根据温度变化,电压,湿度和时间。此外,高附加值的抵抗的反馈网络是指易感性非常低电流的干扰。可以看出,电流低至110-9放大器将导致“100ppm错误。因此,电晕电流的影响,必须认真加以考虑的设计,电阻和电阻反馈网络。此外,由于许多电阻技术是基于核心或陶瓷基板,压电效应,还必须考虑。它可以证明,振动高压电源在运行期间将实施一个信号,相关的振动频率,在输出的电力供应。四。高压电源需要的辅助功能在许多应用中的高电压,增加控制功能是可能需要的工具。电源设计者必须熟悉的静电应用的最终用户。通过了解应用,电源设计人员可以把重要的职能,以造福于结束进程。一个高压电源典型功能是可以实现一种“电弧识别”的控制,如图3所示。通常情况下,电流感应装置,如电流互感器或电阻插入“低压侧”的高电压输出电路。通常情况下,电弧电流等于:I= (E/R)I=电弧电流安培。E=高压电容器电压。R =输出限制电阻。图3 电弧识别电路电弧电流通常远远大于正常的直流电流额定值的电力供应。这是因为保持阻力限制到最低限度,从而功耗到最低限度。一旦弧事件感觉到,一些功能能够得到执行。“灭弧”一词的特点是电弧终止时电压被消除。图4显示了灭弧功能的框图。图4 灭弧原理如果不想要关闭的第一个弧事件,数字反相器可以添加在所显示的图5。关机或灭弧后会出现预定数目弧线已被识别到。复位时必须使用的低频弧事件不是积累的反相器。例如:如果一分钟内有8个电弧就可以进行一个弧形关机。图5 弧计数电路一个有用的应用识别弧电路能最大限度地施加电压略低于电弧水平。这可以通过遥感,一个弧已经发生和降低电压的一小部分直至电弧停止。电压可以缓慢自动增加(图6)。图6 自动减缓电压框图另一个特点是可以在高电压电源供应器是一种高度准确的电流监测电路。通用应用这一监测功能只能精确到毫安或微安。然而在一些静电应用精度下降到毫微微安倍可能需要。这种精度可提供高电压监控电路,然而用户的电力供应通常必须在订购之前指定这个要求。 五。生成恒流源 在许多静电应用,恒流电晕造成的影响是可取的。这可以在一些独特的方式。恒流源可大致定义为源阻抗远远大于负载阻抗是供应。它显示在图7中。图7 实用恒流源实际上指出,作为R2的阻抗变化的影响是微不足道的,电流通过电阻R1。因此R1和R2有一个恒定电流。在单电源应用,这可以从两方面入手。首先是提供一个外部电阻器的电流调节器。第二是目前的电子监管中使用电流反馈控制如前述图2所示。在应用中经常需要多个电流源,而多个电源可能不够实际。在这种情况下,多个电阻可用于提供一系列的电流源。这通常是大面积使用在需要处理的使用静电。图8显示这项计划。图8 多电流源实现方法六。结论本文介绍了有益的静电应用高压电源。高压电源的关注,区别于传统的电力供应。设计师高电压电源供应器可以是一个关键资源为用户静电。重要的控制功能,可提供的高压电源。此外,高电压使用需要重要关注安全。高电压源可致命,初学者高压的教育应该是所涉及的危险。一般准则的安全做法是在IEEE标准510-1983 “安全高电压,高功率测试的推荐做法 4”。参考文献: 1C.Scapellati,“高压电源分析仪器”,匹兹堡会议,1995年3月。2D.Chambers and C. Scapellati,“如何说明今天的高电压电源供应器”,电子产品杂志,1994年3月。3D.Chambers and C.Scapellati,“新的高频率,高电压电源供应器的微波加热应用”议事第29次微波功率研讨会,1994年7月。4IEEE标准510-1983,符合IEEE安全的高电压和高功率测试建议操作15
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