1、，左向東，李，(西安理工大學、自動化與信息電氣工程系，陜西西安 710048)摘要：設計一種基于減小空氣污染的家用或特殊敏感區域使用的小功率直流高壓靜電除塵電源，根據電源小功率、高電壓的特點設計以反激變換器為主的電源主電路，并考慮該除塵電源的電磁干擾（EMI）；利用開關電源的混沌行為，基于混沌載波控制模式對EMI進行抑制。本文建立直流高壓靜電除塵電路及混沌開關控制系統模型，研究混沌控制的最優策略，在設計的高壓靜電除塵電源具有高精度、多路輸出、適應性好的同時設計混沌控制降低電源傳導EMI 提高電源性能。：直流高壓；除塵電源；特種電源；混沌控制Household dust removal of c

2、haotic controler supply EMI supprestechnology researchZHANG Xingxia, JI Junpeng, Zuo Xiangdong, LI Jingang, KANG Yuanrong(School of Automation and Information Engineering, Xian University of Technology, 710048, China)Abstract: Design based on reduce the air pollution of household or spe l sensitive

3、area to use smaller DCer supply high voltage electros ic dust re-moval. According to the features of the lower, high voltageer supply design is given priority to with fly-backer main circuit, and considered the dustcontroler supply of electromagnetic erference (EMI); Using the chaotic behavior of sw

4、itcher supply, control scheme based on chaoticcarrier forEMI suppres. his pr, a DC high voltage electros ic dust collection circuit and chaotic switch control system m, studies the optimal strategy of chaoticcontrol, the design of high voltage electros ic dust removaler source has high accuracy and

5、multichannel output,gooptability design chaoticcontrol at the same time reduce theer conduction EMI increaseerformance.Keywords: DC high voltage; Dustinger; Spe ler supply; Chaotic control氣環境保護的重要內容。引言目前，人們采用各種除塵裝置來控制粉塵對大氣的隨著社會經濟的飛速發展，空氣污染現象也日趨嚴污染，國外對靜電除塵器研究主要集中在：利用流體力重，電力、冶金、煉油、化工等行業都是空氣污染物的學對除塵器的氣

6、流進行模擬和對電除塵過程進行過程模排放源，其排放的大量工業粉塵污染空氣、危害健擬實驗，從實驗中總結規律，以提高除塵器的除塵效率。康。因此，對空氣中的粉塵進行有效的控制與防治是大基金項目：2016 年大學生創新創業訓練計劃項目；陜西省教育廳專項科研計劃（16JK1559）；2015 西安市碑林區科技計劃項目(GX1508)Project Supported by Innovation and entrepreneurship training program of Shaanxi provin l student in 2016; Scientific research spe l projec

7、t ofEducation Department of Shaanxi Provin l(GX1508).ernment (16JK1559) Science and technology planning of Beilin District of Xian in 2015國內目前關于靜電除塵電源的研究，大多集中頻電源的技術改進，諸如ESP 閃絡方法的研究、ESP控制算法的研究和基頻 ESP 的脈沖電源的研究等等1。根據除塵機理的不同，常見工業除塵方法有：旋風除塵法、沉降除塵法、高壓靜電除塵法等。在除塵電源中，圖 1 電除塵器高壓供電裝置示意圖Fig. 1 Cottrell high vol

8、tageer supply device為了獲得較高的除塵效率，要求靜電除塵電源能夠根據除塵器工況而自動調節輸出電壓和電流，使電除塵器在較高的電壓和電流狀態下運行。此外，電除塵器還需對閃絡、拉弧和過流等信號能快速做出判斷和保護，以便其更加安全的適用于家庭或其他特殊敏感區域。目前除塵電源工作的高頻化使得其產生的 EMI 問題圖 2 電暈放電日益嚴重，現有開關電源傳導 EMI 抑制技術，主要采取Fig. 2 Electric corona濾波和措施，即在電源前端加有源或無源濾波器2-5，1.2 靜電除塵過程及相關參數分析屬于路徑上抑制 EMI 的技術。而從開關電源本身出靜電除塵器實質是由兩個極性相

9、反的電極組成，產發，混沌控制信號具有偽隨機、連續頻譜的特性6，可通過混沌控制實現傳導EMI 的抑制技術7。生電暈放電的電暈極和收集荷電粉塵的集塵極，在兩極間通以直流高壓電非均勻電場，在電暈極附近產生本文根據直流高壓靜電除塵特性設計適應于家用的電暈放電(見圖 2），進而使粉塵荷電，荷電粉塵在電場小功率高電壓靜電除塵電源，同時在該除塵電源設計中力的作用下被驅往集塵極，最后由清灰裝置定時，利用混沌控制信號偽隨機、連續頻譜的特性，設計混沌即氣體電離、粉塵荷電、收塵、振打脫落粉塵四個階段，控制的家用高壓除塵電源，在總體設計上不需附加外部如圖 2 所示。硬件電路，從而減小體積，在提高適應性的同時減少成1）

10、起暈、擊穿電壓本。開始產生電暈放電及電除塵器達到火花擊穿的電1 小功率高壓除塵電源壓，根據不同需要可通過調整放電極的幾何尺寸來實現；1.1 除塵電源供電裝置擊穿電壓除與放電極的形式和正、負電極間的距離、放電極極性有關。在除塵設備中，高壓供電裝置是整個設備的關鍵部2）驅進速度分，圖 1 是典型的采用硅整流器設計的靜電除塵電源高假設氣體在電除塵器內作層流運動，根據飽和狀態壓供電裝置。粉塵荷電量、靜電力、阻力及近似有：傳統靜電除塵供電方式動態響應速度慢，會產生大量諧波；高頻靜電除塵電源能通過對特定工況提供最合Ef Ej U B Ep（1）適的電壓波形來提高除塵效率；因此，開發先進的高頻 dE 2（2

11、） 0 p c p k c靜電除塵電源技術具有良好的科技與市場前景。( p 2 ) 其中 Ef、B、kc、dc、p、Ep、 分別為放電極周圍的反激電路廣泛應用于輸出功率為數瓦數十瓦的小電場強度、電暈極至集塵極的間距、庫寧漢滑動修正系功率開關電源中，電路拓撲簡單，輸入輸出電氣，數、離子的直徑、塵粒的相對介電常數、電暈除塵器平升/降壓范圍廣，多用于多路輸出電源中。其變壓器還能均電場強度、氣體動力粘度。做輸出濾波電感，不需要增加額外輸出電感，在多路輸則有工作電壓 U、B、E 以及動力粘度均會影響塵出電源的情況下能有效降低成本并減小體積。粒的驅使進度 使其增大或減小。3 靜電除塵電源控制及EMI 抑制

12、的設計3）除塵效率L3.1 控制方式選擇 1 exp( )（3）s開關電源控制方式分為電壓模式控制和電流模式L、s、v 為電場長度、電暈線與集塵板距離、氣流控制兩大類，電壓控制系統中僅有一個電壓反饋控制速度。一般除塵器效率可達到 95%到 99.9%。環，電流控制系統中還存在電流反饋控制內環。電流模2 高壓靜電除塵電源主電路拓撲設計式控制下系統穩定性增強、動態特性改善，具有快速限2.1 電源主電路選擇制電流的能力，如：UC3842 是一種定頻高性能控制芯片，引腳少、電路簡單；頻率穩定度及穩定性與電壓調針對各種常用的供電電源設計，單相供電功率因數整率、負載調整率好，有過壓過流等保護。低，供電電壓

13、脈動大，平均值電壓低，除塵效率低；三在家用電源工作過程中，為解決實際應用過程中的相工頻供電存在系統不切斷電源供給等狀況；三EMI 問題，本文利用混沌控制電源主電路，使得除相高頻供電系統的動態響應速度高，輸出電壓的波紋小。塵電源具有低EMI。根據高電壓、小功率的電源系統要求，設計體積小、穩定性好、響應速度快等特點的高壓特種電源模塊，并3.2 混沌控制的高壓除塵電源抑制電源的傳導EMI，使其在應用方面達到最佳性能。電磁干擾研究特性表明，若能使電磁干擾能量均2.2 反激變換器主電路設計勻分布在整個頻譜，可削弱電磁干擾峰值，使開關電源 EMI 得到抑制。非線性系統表明混沌具有均勻分布根據本設計要求設計

14、家用小功率高壓低電磁干擾除頻譜的功能，可利用混沌從分散諧波能量著手解決電塵電源的主電路拓撲。源傳導 EMI 問題。3.2.1 混沌擴頻調制開關變換器的擴頻控制基本原理是使開關電源的工作頻率并非固定，而是以某一設定的頻率為中心，上下小范圍地變化。其頻率控制策略表達式可由式（4）表示：f t fs f k1vs k2v2（4）圖 3 220VAC 單端反激主電路式中： f s 為基準開關頻率； f為附加Fig. 3 220VAC single-ended flyback main circuit信號頻率；vs 為決定基準開關頻率的固定電壓；v2 為擴頻信號電壓。由式（4）： f =0為定頻控制；

15、f 周主電路特點：期變化時，系統為周期擴頻控制；當f 混沌變化時，系統為混沌擴頻控制。由式（4）可看出：采用擴頻調制技術，開關頻率由固定頻率 fs 變成隨f 的變化有規律地在中心頻率fs 左右變動的頻率，并產生一個混沌信號。其混沌圖 6 混沌信號發生器電路模型控制電路的擴頻控制原理如圖4所示。擴頻控制頻譜Fig.6 Chaotic signal generator circuit m能量分布示意圖如圖5所示。圖 7 非線性電阻 Rn 伏安特性Fig.7 Nonlinear resistors Rn volt-ere characteristics圖 4擴頻控制原理GbuR Ga - Gb Eu

16、R E，Fig. 4spread spectrum control principlei f u （5） E，G uuRRa RRG u G G uR EE bRab式中， Ga 和Gb 分別表示伏安特性之內外折線段的斜率，E為折點電壓。電路的數學模型用下式（6）表示。圖 5 擴頻控制頻譜能量分布示意圖 di1dt uL 2Fig.5spread spectrum control principle（6） du21i G(u u )由于開關頻率僅在固定頻率左右小范圍變動，噪聲21dtC2 du 11 能量一定。當頻域中各諧波頻點增多時，對應主開關頻G (u u ) i dtC21R率點的最大頻

17、域噪聲能量降低，使 EMI 水平下降到容許1（6）式中u1 、u2 ，分別為電容C1 、C2 兩端電壓；i 分別為流過電感 L 的電流； f x1 為流過非線性電阻 Rn的電流，R 為0 5k 可調電阻作為電路的主要控制參量之一，該電路到混沌起著關鍵作用。限度以下，將噪聲頻譜能量分散在噪聲頻帶上，從而使整個頻帶上噪聲的幅值減小，從而達到抑制EMI 的目的。3.2.2 混沌信號發生器本文根據非線性電路產生混沌信號的原理，圖6、74 仿真模型搭建及分析所示為混沌信號發生器的電路及其非線性負載的伏安特性。4.1 仿真電路搭建4.1.1 反激變換器主電路仿真模型圖 8 開環仿真電路Fig.8 Open

18、- loop simulation circuit（a） 重載時輸出(a) Over load output voltage圖 9 閉環仿真電路Fig.9 Closed-loop simulation circuit4.1.2 反激變換器混沌控制仿真模型（b） 輕載時輸出圖 10 為混沌控制電路，利用采樣得到混沌信號(b) Light load output voltage圖 12 動態特性圖調制反激變換器，使其運行于混沌模式。Fig.12 Dynamic characteristics of figure給負載電阻接一個開關，在 0.5s 時給開關一個階躍信號來控制開關的閉合，進而改變負載大

19、小，測得的動態均能達到動態穩定。4.3 小功率高壓除塵電源EMI 測試驗證4.3.1 測試模型的建立圖 10 混沌控制電路特種電源中高頻開關電源的差模（DM）和共模Fig10 Chaoticcontrol circuit(CM)EMI 電流的路徑、LISN 仿真等效電路如圖 13 所4.2 小功率高壓低EMI 除塵電源輸出特性示；共模干擾和差模干擾的電壓公式推導過程如下：4.2.1 反激變換器靜態特性圖13 LISN 共差模干擾電流的路徑圖圖 11 反激開環電路雙電壓輸出Fig. 13 LIommon and differentialerference current propa-gation

20、 path diagramFig11 Flyback open loop circuit double voltage output設計的反激變換器電路能穩定的輸出除塵電源 4kV、由圖 13 有式（7）、（8）的 LISN 測試電壓關系式，整理得到式（9）的關系，將式（10）的共模電流關系代入，且設 ICMP=ICMN 得到共差模電壓、電流關系式（11）、（12）。8kV 的雙電壓，且穩定性能較好。4.2.2 反激變換器動態特性 R1 ICMPIDM V1（7）（8）（9）(dB) S2.VdmVdmV R I I12022CMNDM60V 1 V 2 I I0CMPCMNRR12I CMP

21、 I CMN 2-60（10）I CM-1201 V1V 2 1 V1V 2（11）1000Frequency (KHz)100002 R1I CMI DM2 R1R 2 R 2 圖17不同擴頻方式下開環電路差模干擾U 1 V V U 1 V V （12）CM12DM12Fig. 17 Different ways of spread spectrum the open loop circuit dif- ferential-modeerference由圖 16 和圖 17 可知，混沌擴頻控制開環主電路共224.3.2 EMI 仿真gate分析0.8模干擾和差模干擾均比使用鋸齒波擴頻控制時小，

22、即混0.6沌控制效果更好。0.40.2(dB) S2.VcmVcm060020000400006000080000100000Frequency (Hz)0圖 14 混沌擴頻Fig.14 Chaotic spread spectrumgate（線性坐標）(linear coordinates)-60-120-1801100010000Frequency (KHz)0.10.01圖 18 不同擴頻方式下閉環控制主電路共模干擾0.0010.0001Fig.18 Different ways of spread spectrum the close loop circuit com-mon-mode

23、erference020000400006000080000100000Frequency (Hz)圖 15 混沌擴頻（對數坐標)(dB) S2.VdmVdmFig.15 Chaotic spread spectrum(logarithmic coordinates)120由圖 14 和圖 15 可知，混沌擴頻信號性狀600態已有一定的頻率擴展，且在對數坐標圖中看到起混沌-60頻譜信號比傳統信號有更加的連續性，頻譜擴展到-1201000Frequency (KHz)10000整個頻帶上。(dB) S2.VcmVcm圖19 不同擴頻方式下閉環控制電路的差模干擾60Fig.19 Different

24、 ways of spread spectrum the close loop circuit dif- ferential-modeerference由圖 18 和圖 19 可知，混沌擴頻控制閉環主電路共0-60-120-180模干擾和差模干擾均比使用鋸齒波擴頻控制時小，即混1000Frequency (KHz)10000沌控制效果更好。圖 16 不同擴頻方式下開環電路共模干擾Fig.16 Different ways of spread spectrum the open loop circuit com- mon-modeerference由以上各種分析可知，本文使用混沌擴頻控制除塵電源

25、主電路時，可以穩定的輸出電源所需電壓，且在抑制電源 EMI 時比其他控制方法效果都要好。3Tarateeraseth, V. EMI Filter Design Part III: Selection of Filter Topologyfor Optimal PerformanceJ. IEEE Tranions on EMC Magazine, 2012,5結論1(2): 60-73.4,等. 一種調整共模噪聲源阻抗并優化EMI 濾本文設計基于家用靜電除塵的高壓低 EMI 直流特波器性能的方法J. 中國電機工程學報, 2014, 34(6), 993-1000.種電源，在以反激電路為主的電

26、路拓撲設計中，保證系Wang Peikang, Zheng Feng,Xiaoyu et al. A Method for Adjusting統有效輸出多路高電壓情況下，利用混沌控制對系統Common Mode Noise Impedance and Optimizing EMI FiltersJ. Pro-EMI 進行抑制。得到以下結論：ceedings of the CSEE, 2014, 34(6): 993-1000.（1）設計的家用除塵電源系統能實現小功率高電壓5,. 電力有源濾波器的共模電壓抑法研究J. 電氣的多路輸出，且對輸出具有自適應性；技術, 2015, 16(3), 30-33.（2）將常規閉環控制與混沌擴頻控制進行對比，Lv Zhaorui, Hu Wenbiao. Common-voltage Reduction Research for得出混沌控制下基波及諧波幅度明顯降低，能量被APFJ. Electrical Engineering, 2015, 16(3): 30-33.擴散；6Hong Li, Zhong Li, Bo Zhang, Guanrong Chen.yzing Chaotic（3）混沌控制能更好地降低諧