50混沌控制的家用高压除尘电源传导emi抑制技术研究

1、，左向东，李，(西安理工大学、自动化与信息电气工程系，陕西西安 710048)摘要：设计一种基于减小空气污染的家用或特殊敏感区域使用的小功率直流高压静电除尘电源，根据电源小功率、高电压的特点设计以反激变换器为主的电源主电路，并考虑该除尘电源的电磁干扰（EMI）；利用开关电源的混沌行为，基于混沌载波控制模式对EMI进行抑制。本文建立直流高压静电除尘电路及混沌开关控制系统模型，研究混沌控制的最优策略，在设计的高压静电除尘电源具有高精度、多路输出、适应性好的同时设计混沌控制降低电源传导EMI 提高电源性能。：直流高压；除尘电源；特种电源；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气环境保护的重要内容。引言目前，人们采用各种除尘装置来控制粉尘对大气的随着社会经济的飞速发展，空气污染现象也日趋严污染，国外对静电除尘器研究主要集中在：利用流体力重，电力、冶金、炼油、化工等行业都是空气污染物的学对除尘器的气

6、流进行模拟和对电除尘过程进行过程模排放源，其排放的大量工业粉尘污染空气、危害健拟实验，从实验中总结规律，以提高除尘器的除尘效率。康。因此，对空气中的粉尘进行有效的控制与防治是大基金项目：2016 年大学生创新创业训练计划项目；陕西省教育厅专项科研计划（16JK1559）；2015 西安市碑林区科技计划项目(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国内目前关于静电除尘电源的研究，大多集中频电源的技术改进，诸如ESP 闪络方法的研究、ESP控制算法的研究和基频 ESP 的脉冲电源的研究等等1。根据除尘机理的不同，常见工业除尘方法有：旋风除尘法、沉降除尘法、高压静电除尘法等。在除尘电源中，图 1 电除尘器高压供电装置示意图Fig. 1 Cottrell high vol

8、tageer supply device为了获得较高的除尘效率，要求静电除尘电源能够根据除尘器工况而自动调节输出电压和电流，使电除尘器在较高的电压和电流状态下运行。此外，电除尘器还需对闪络、拉弧和过流等信号能快速做出判断和保护，以便其更加安全的适用于家庭或其他特殊敏感区域。目前除尘电源工作的高频化使得其产生的 EMI 问题图 2 电晕放电日益严重，现有开关电源传导 EMI 抑制技术，主要采取Fig. 2 Electric corona滤波和措施，即在电源前端加有源或无源滤波器2-5，1.2 静电除尘过程及相关参数分析属于路径上抑制 EMI 的技术。而从开关电源本身出静电除尘器实质是由两个极性相

9、反的电极组成，产发，混沌控制信号具有伪随机、连续频谱的特性6，可通过混沌控制实现传导EMI 的抑制技术7。生电晕放电的电晕极和收集荷电粉尘的集尘极，在两极间通以直流高压电非均匀电场，在电晕极附近产生本文根据直流高压静电除尘特性设计适应于家用的电晕放电(见图 2），进而使粉尘荷电，荷电粉尘在电场小功率高电压静电除尘电源，同时在该除尘电源设计中力的作用下被驱往集尘极，最后由清灰装置定时，利用混沌控制信号伪随机、连续频谱的特性，设计混沌即气体电离、粉尘荷电、收尘、振打脱落粉尘四个阶段，控制的家用高压除尘电源，在总体设计上不需附加外部如图 2 所示。硬件电路，从而减小体积，在提高适应性的同时减少成1）

10、起晕、击穿电压本。开始产生电晕放电及电除尘器达到火花击穿的电1 小功率高压除尘电源压，根据不同需要可通过调整放电极的几何尺寸来实现；1.1 除尘电源供电装置击穿电压除与放电极的形式和正、负电极间的距离、放电极极性有关。在除尘设备中，高压供电装置是整个设备的关键部2）驱进速度分，图 1 是典型的采用硅整流器设计的静电除尘电源高假设气体在电除尘器内作层流运动，根据饱和状态压供电装置。粉尘荷电量、静电力、阻力及近似有：传统静电除尘供电方式动态响应速度慢，会产生大量谐波；高频静电除尘电源能通过对特定工况提供最合Ef Ej U B Ep（1）适的电压波形来提高除尘效率；因此，开发先进的高频 dE 2（2

11、） 0 p c p k c静电除尘电源技术具有良好的科技与市场前景。( p 2 ) 其中 Ef、B、kc、dc、p、Ep、 分别为放电极周围的反激电路广泛应用于输出功率为数瓦数十瓦的小电场强度、电晕极至集尘极的间距、库宁汉滑动修正系功率开关电源中，电路拓扑简单，输入输出电气，数、离子的直径、尘粒的相对介电常数、电晕除尘器平升/降压范围广，多用于多路输出电源中。其变压器还能均电场强度、气体动力粘度。做输出滤波电感，不需要增加额外输出电感，在多路输则有工作电压 U、B、E 以及动力粘度均会影响尘出电源的情况下能有效降低成本并减小体积。粒的驱使进度 使其增大或减小。3 静电除尘电源控制及EMI 抑制

12、的设计3）除尘效率L3.1 控制方式选择 1 exp( )（3）s开关电源控制方式分为电压模式控制和电流模式L、s、v 为电场长度、电晕线与集尘板距离、气流控制两大类，电压控制系统中仅有一个电压反馈控制速度。一般除尘器效率可达到 95%到 99.9%。环，电流控制系统中还存在电流反馈控制内环。电流模2 高压静电除尘电源主电路拓扑设计式控制下系统稳定性增强、动态特性改善，具有快速限2.1 电源主电路选择制电流的能力，如：UC3842 是一种定频高性能控制芯片，引脚少、电路简单；频率稳定度及稳定性与电压调针对各种常用的供电电源设计，单相供电功率因数整率、负载调整率好，有过压过流等保护。低，供电电压

13、脉动大，平均值电压低，除尘效率低；三在家用电源工作过程中，为解决实际应用过程中的相工频供电存在系统不切断电源供给等状况；三EMI 问题，本文利用混沌控制电源主电路，使得除相高频供电系统的动态响应速度高，输出电压的波纹小。尘电源具有低EMI。根据高电压、小功率的电源系统要求，设计体积小、稳定性好、响应速度快等特点的高压特种电源模块，并3.2 混沌控制的高压除尘电源抑制电源的传导EMI，使其在应用方面达到最佳性能。电磁干扰研究特性表明，若能使电磁干扰能量均2.2 反激变换器主电路设计匀分布在整个频谱，可削弱电磁干扰峰值，使开关电源 EMI 得到抑制。非线性系统表明混沌具有均匀分布根据本设计要求设计

14、家用小功率高压低电磁干扰除频谱的功能，可利用混沌从分散谐波能量着手解决电尘电源的主电路拓扑。源传导 EMI 问题。3.2.1 混沌扩频调制开关变换器的扩频控制基本原理是使开关电源的工作频率并非固定，而是以某一设定的频率为中心，上下小范围地变化。其频率控制策略表达式可由式（4）表示：f t fs f k1vs k2v2（4）图 3 220VAC 单端反激主电路式中： f s 为基准开关频率； f为附加Fig. 3 220VAC single-ended flyback main circuit信号频率；vs 为决定基准开关频率的固定电压；v2 为扩频信号电压。由式（4）： f =0为定频控制；

15、f 周主电路特点：期变化时，系统为周期扩频控制；当f 混沌变化时，系统为混沌扩频控制。由式（4）可看出：采用扩频调制技术，开关频率由固定频率 fs 变成随f 的变化有规律地在中心频率fs 左右变动的频率，并产生一个混沌信号。其混沌图 6 混沌信号发生器电路模型控制电路的扩频控制原理如图4所示。扩频控制频谱Fig.6 Chaotic signal generator circuit m能量分布示意图如图5所示。图 7 非线性电阻 Rn 伏安特性Fig.7 Nonlinear resistors Rn volt-ere characteristics图 4扩频控制原理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 分别表示伏安特性之内外折线段的斜率，E为折点电压。电路的数学模型用下式（6）表示。图 5 扩频控制频谱能量分布示意图 di1dt uL 2Fig.5spread spectrum control principle（6） du21i G(u u )由于开关频率仅在固定频率左右小范围变动，噪声21dtC2 du 11 能量一定。当频域中各谐波频点增多时，对应主开关频G (u u ) i dtC21R率点的最大频

17、域噪声能量降低，使 EMI 水平下降到容许1（6）式中u1 、u2 ，分别为电容C1 、C2 两端电压；i 分别为流过电感 L 的电流； f x1 为流过非线性电阻 Rn的电流，R 为0 5k 可调电阻作为电路的主要控制参量之一，该电路到混沌起着关键作用。限度以下，将噪声频谱能量分散在噪声频带上，从而使整个频带上噪声的幅值减小，从而达到抑制EMI 的目的。3.2.2 混沌信号发生器本文根据非线性电路产生混沌信号的原理，图6、74 仿真模型搭建及分析所示为混沌信号发生器的电路及其非线性负载的伏安特性。4.1 仿真电路搭建4.1.1 反激变换器主电路仿真模型图 8 开环仿真电路Fig.8 Open

18、- loop simulation circuit（a） 重载时输出(a) Over load output voltage图 9 闭环仿真电路Fig.9 Closed-loop simulation circuit4.1.2 反激变换器混沌控制仿真模型（b） 轻载时输出图 10 为混沌控制电路，利用采样得到混沌信号(b) Light load output voltage图 12 动态特性图调制反激变换器，使其运行于混沌模式。Fig.12 Dynamic characteristics of figure给负载电阻接一个开关，在 0.5s 时给开关一个阶跃信号来控制开关的闭合，进而改变负载大

19、小，测得的动态均能达到动态稳定。4.3 小功率高压除尘电源EMI 测试验证4.3.1 测试模型的建立图 10 混沌控制电路特种电源中高频开关电源的差模（DM）和共模Fig10 Chaoticcontrol circuit(CM)EMI 电流的路径、LISN 仿真等效电路如图 13 所4.2 小功率高压低EMI 除尘电源输出特性示；共模干扰和差模干扰的电压公式推导过程如下：4.2.1 反激变换器静态特性图13 LISN 共差模干扰电流的路径图图 11 反激开环电路双电压输出Fig. 13 LIommon and differentialerference current propa-gation

20、 path diagramFig11 Flyback open loop circuit double voltage output设计的反激变换器电路能稳定的输出除尘电源 4kV、由图 13 有式（7）、（8）的 LISN 测试电压关系式，整理得到式（9）的关系，将式（10）的共模电流关系代入，且设 ICMP=ICMN 得到共差模电压、电流关系式（11）、（12）。8kV 的双电压，且稳定性能较好。4.2.2 反激变换器动态特性 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 图17不同扩频方式下开环电路差模干扰U 1 V V U 1 V V （12）CM12DM12Fig. 17 Different ways of spread spectrum the open loop circuit dif- ferential-modeerference由图 16 和图 17 可知，混沌扩频控制开环主电路共224.3.2 EMI 仿真gate分析0.8模干扰和差模干扰均比使用锯齿波扩频控制时小，

22、即混0.6沌控制效果更好。0.40.2(dB) S2.VcmVcm060020000400006000080000100000Frequency (Hz)0图 14 混沌扩频Fig.14 Chaotic spread spectrumgate（线性坐标）(linear coordinates)-60-120-1801100010000Frequency (KHz)0.10.01图 18 不同扩频方式下闭环控制主电路共模干扰0.0010.0001Fig.18 Different ways of spread spectrum the close loop circuit com-mon-mode

23、erference020000400006000080000100000Frequency (Hz)图 15 混沌扩频（对数坐标)(dB) S2.VdmVdmFig.15 Chaotic spread spectrum(logarithmic coordinates)120由图 14 和图 15 可知，混沌扩频信号性状600态已有一定的频率扩展，且在对数坐标图中看到起混沌-60频谱信号比传统信号有更加的连续性，频谱扩展到-1201000Frequency (KHz)10000整个频带上。(dB) S2.VcmVcm图19 不同扩频方式下闭环控制电路的差模干扰60Fig.19 Different

24、 ways of spread spectrum the close loop circuit dif- ferential-modeerference由图 18 和图 19 可知，混沌扩频控制闭环主电路共0-60-120-180模干扰和差模干扰均比使用锯齿波扩频控制时小，即混1000Frequency (KHz)10000沌控制效果更好。图 16 不同扩频方式下开环电路共模干扰Fig.16 Different ways of spread spectrum the open loop circuit com- mon-modeerference由以上各种分析可知，本文使用混沌扩频控制除尘电源

25、主电路时，可以稳定的输出电源所需电压，且在抑制电源 EMI 时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结论1(2): 60-73.4,等. 一种调整共模噪声源阻抗并优化EMI 滤本文设计基于家用静电除尘的高压低 EMI 直流特波器性能的方法J. 中国电机工程学报, 2014, 34(6), 993-1000.种电源，在以反激电路为主的电

26、路拓扑设计中，保证系Wang Peikang, Zheng Feng,Xiaoyu et al. A Method for Adjusting统有效输出多路高电压情况下，利用混沌控制对系统Common Mode Noise Impedance and Optimizing EMI FiltersJ. Pro-EMI 进行抑制。得到以下结论：ceedings of the CSEE, 2014, 34(6): 993-1000.（1）设计的家用除尘电源系统能实现小功率高电压5,. 电力有源滤波器的共模电压抑法研究J. 电气的多路输出，且对输出具有自适应性；技术, 2015, 16(3), 30-33.（2）将常规闭环控制与混沌扩频控制进行对比，Lv Zhaorui, Hu Wenbiao. Common-voltage Reduction Research for得出混沌控制下基波及谐波幅度明显降低，能量被APFJ. Electrical Engineering, 2015, 16(3): 30-33.扩散；6Hong Li, Zhong Li, Bo Zhang, Guanrong Chen.yzing Chaotic（3）混沌控制能更好地降低谐