大功率靜電除塵用高頻高壓電源的研制

廖谷然，楊北革，薛 輝，呂玉祥*

(1.太原理工大學物理與光電工程學院，太原030024;2.山西省電力公司大同供電分公司，山西 大同037008)

空氣污染直接嚴重危害人體健康。而火力發(fā)電廠、鋼鐵、冶金、造紙、水泥、輕紡、化工等工業(yè)領域生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣是空氣污染的主要來源，因此這些煙氣在排放到大氣之前必須對其進行除塵處理。20 世紀90 年代大氣污染物排放標準200 mg/m3，2004 年起實施的更加嚴格的排放標準則是50 mg/m3［1］，而從2012 年1 月1 日起實施的新的火電廠大氣污染排放標準中燃煤鍋爐的煙塵排放標準是30 mg/m3［2］。靜電除塵器是國際上使用廣泛的除塵設備，具有效率高，處理煙氣量大，運行成本低，維護方便等優(yōu)點。利用靜電除塵器能夠有效地收集粉塵，使得排放達到標準。從20 世紀八十年代至今，靜電除塵器高壓供電電源普遍采用工頻可控硅電源。隨著環(huán)保排放要求的不斷提高，這種供電方式逐漸顯示出一些缺點。比如:(1)工作頻率為50 Hz，轉(zhuǎn)換效率低，耗電量大，變壓器體積大，需大量鋼材和銅材。(2)采用工頻相位控制調(diào)壓方法，使得功率因數(shù)低，且對電網(wǎng)干擾大。(3)晶閘管是半控型器件，對閃絡放電等實際狀況響應速度慢，延時長，不能立即調(diào)整輸出電壓。(4)輸出電壓脈動大，使得電暈電壓低，無法適合高比電阻的粉塵［3-5］。因此，研制高性能的靜電除塵用高壓直流電源勢在必行。

隨著新一代功率電子器件的發(fā)展，比如IGBT等全控型器件的出現(xiàn)和數(shù)字控制技術的發(fā)展，高頻逆變技術在工業(yè)上的應用越來越廣泛也越來越成熟。基于高頻逆變技術的靜電除塵器供電電源越來越受到人們的重視，是靜電除塵器供電電源的發(fā)展方向［6-7］。由于制造和控制技術上的難度，目前國內(nèi)從事靜電除塵用高頻電源的公司研發(fā)的產(chǎn)品輸出功率都不高。而國內(nèi)絕大多數(shù)主流靜電除塵設備要求配套的電源功率在60 kW ～100 kW［8］。本文分析了靜電除塵用高頻高壓電源的工作原理，提出了采用雙串聯(lián)諧振回路并聯(lián)的新的拓撲結(jié)構(gòu)，研制了72 kV/1.6 A 大功率靜電除塵用高頻高壓電源。工作頻率為1 kHz ～30 kHz。為了減小調(diào)頻時IGBT 的開關損耗，采用串聯(lián)諧振軟開關技術［9］，使得IGBT在零電流下開通和關斷。

1 電源設計方案

電源結(jié)構(gòu)框如圖1 所示，輸入為380 V、50 Hz的工頻電壓通過三相整流，電解電容濾波后得到530 V 直流母線電壓。再經(jīng)過IGBT 高頻全橋逆變，高頻整流變壓器升壓和二次整流后得到直流高壓，為靜電除塵器本體供電。

圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖

在人機界面中，可以設置IGBT 的開關頻率、脈沖寬度、報警邏輯等參數(shù)，并實時顯示電源工作時電壓電流的大小、實時溫度、故障和報警顯示等。

DSP 控制器負責全橋逆變的驅(qū)動脈沖，電壓、電流、溫度的采樣，以及短路、開路、過熱保護等控制。

2 工作原理分析

雙串聯(lián)諧振高頻高壓直流電源的拓撲電路圖如圖2 所示。其中靜電除塵器本體根據(jù)型號不同可等效為大小為20 kΩ ～10 mΩ 電阻和大小為5 000 pF ～100 000 pF 的電容并聯(lián)［10］。

圖2 中兩個諧振回路的參數(shù)完全相同，IGBT 的開關狀態(tài)也完全一樣，因此只對其中一回路進行分析。并推導出電流波形圖。根據(jù)IGBT 開關頻率和諧振頻率的關系，該電路有3 種工作方式。當IGBT 工作在斷續(xù)工作狀態(tài)下，IGBT 零電流導通，零電流零電壓關斷。采用此軟開關技術大大減小了開關損耗。

圖2 雙串聯(lián)諧振高頻高壓電源拓撲電路圖

設通過諧振電感L 的電流為i，諧振電容C 兩端的電壓為U，負載電容折算到變壓器原邊的電壓為U1。假設在逆變過程中母線電壓Uin基本保持不變。電源一個諧振周期可分為4 個工作模式。其等效電路如圖3 ～圖6 所示。

圖3 開關模式1

圖4 開關模式2

圖5 開關模式3

圖6 開關模式4

開關模式1:等效電路圖3 所示。在t0時刻，i(t0)=0，U(t0)=0，U1(t0)=0。可以求出諧振回路的諧振電感上的電流和諧振電容兩端的電壓如下:

式(1)、式(2)中，ωr=，因此諧振周期Tr為等效阻抗。t0時刻Q1、Q4開通，電流正向流動，過Tr時間，i 過零，U 達到最大，電路進入開關模式2。

開關模式2:t1時刻，電流i 反向，流過反并聯(lián)二極管D1、D4，等效電路圖4 所示。初始條件為:i(t1)=0，U(t1)=2Uin，U1(t1)＞0。諧振電感上的電流和諧振電容兩端的電壓如下:

開關模式3:t4時刻，Q2、Q3導通，諧振電流i 增加，實現(xiàn)軟開通，等效電路圖5 所示。初始條件為:i(t4)=0，U(t4)= 2U1(t3)，U1(t4)= U1(t3)。諧振電感上的電流和諧振電容兩端的電壓如下:

t4時刻Q2、Q3開通，電流反向流動，過Tr時，i 過零，電路進入開關模式4。

開關模式4:t5時刻，D2、D3導通，等效電路如圖6 所示。初始條件為i(t5)= 0，U(t5)= -2Uin，U1(t5)=U1(t4)。諧振電感上的電流和諧振電容兩端的電壓如下:

過Tr時間到達t7時，i 到零，D2、D3自然關斷，開關模式4 結(jié)束。在t5與t7中間的t6時刻關斷Q2、Q3，因為此時流過Q2、Q3的電流為0，所以實現(xiàn)了零電流關斷，減小了關斷損耗。

上述公式我們可以得到電流斷續(xù)工作方式的主要波形如圖7 所示。

圖7 諧振電感電流斷續(xù)工作時的波形圖

由諧振電流波形圖可知，當增加IGBT 的開關頻率時，電流有效值隨之增大，因此通過改變IGBT 開關頻率來改變諧振電流的有效值，供給除塵器本體。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)采用DSP 數(shù)字信號處理器和ARM9的雙32 bit CPU。DSP 采用德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F2812，該芯片具有處理能力強，響應速度快，精度高，可靠性好等優(yōu)點。DSP 事件管理器產(chǎn)生的PWM 波經(jīng)過光纖隔離到驅(qū)動模塊后驅(qū)動IGBT 工作，通過脈沖頻率調(diào)節(jié)方式來改變IGBT 的開關頻率。

DSP 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對母線電壓，輸入的一次電壓和一次電流，輸出的二次電壓和二次電流進行采樣并做數(shù)據(jù)處理。DSP 根據(jù)采樣到的二次電壓和二次電流的具體數(shù)值來調(diào)節(jié)PWM 波頻率以使得加到電場本體的電壓電流達到最佳工作狀態(tài)。

ARM9 主要負責控制系統(tǒng)與上位機及手操器的通信，上位機與手操器均可顯示電源的實時工作狀態(tài)以及對電源進行實時操作。

整個控制系統(tǒng)能具有完備的檢測功能，完善的故障保護和報警功能。能及時顯示故障或報警信息，快速對故障做出響應和處理。

4 實驗結(jié)果及分析

電源額定輸出電壓為72 kV，電流為1. 6 A，IGBT 采用英飛凌公司的FZ900R12KS4，其額定電流為900 A，最大耐壓為1 200 V，IGBT 驅(qū)動模塊采用西門康公司的2SD315AI，該模塊具有短路和過流保護、欠壓監(jiān)測等功能［11］。諧振電容取為0.7 μF，諧振電感使用變壓器漏感，脈沖寬度為22 μs，工作頻率為30 kHz。實際工作時的二次電流波形圖如圖9所示。

圖9 IGBT 開關頻率為30 kHz 的二次電流波形圖

實際二次電流波形圖與理論分析推導出的圖7相符，電源接入靜電除塵器本體運行一段時間后數(shù)據(jù)記錄如表1，由數(shù)據(jù)表明:電源運行穩(wěn)定，各參數(shù)完全符合設計要求。

5 結(jié)論

本文分析了采用兩個串聯(lián)諧振回路并聯(lián)的新的拓撲結(jié)構(gòu)的靜電除塵用高頻高壓電源的工作原理，研制出了額定輸出為72 kV/1.6 A 的大功率高頻電源。電源實際體積約為3 m3，質(zhì)量約為800 kg，跟相同功率的工頻電源相比，體積及重量大大減小。通過一段時間實際實驗驗證了電源的可行性。為靜電除塵設備新建或改造時電源的選擇提供了更多的選擇。

表1 實驗結(jié)果

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