火電廠電除塵用高頻高壓電源的研究

摘 "要： 根據(jù)火電廠除塵高效節(jié)能的要求，對應(yīng)用于電除塵裝置的高壓電源進(jìn)行研究。分別分析傳統(tǒng)可控硅相控電源和高頻電源的工作機(jī)理和特點(diǎn)。重點(diǎn)對串聯(lián)諧振高頻電源進(jìn)行了分析研究，詳細(xì)介紹了電路結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了基于M57962的驅(qū)動電路，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞： 電除塵; 高壓電源; 可控硅相控電源; 串聯(lián)諧振高頻電源

中圖分類號： TN919?34; TM611 " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2015）02?0149?03

Research of high?frequency high?voltage power supply for electrostatic precipitator in thermal power plant

SUN Hong1， HUA Wei1， QI Jian?min1， YANG Zhi?chao2， CHEN Qiang2

（1. Jiangsu Frontier Electric Technology Co.， Ltd， Nanjing 211102， China;

2. School of Electric Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstact： According to the efficient and energy saving requirements of dust precipitator in thermal power plant， high?vo?

ltage source used for electrostatic precipitator （ESP） is studied. The working principle and characteristics of traditional thyristor phase controlled power supply and high?frequency power supply are analyzed respectively. The series resonant high?frequency power supply is investigated emphatically. The circuit structure and working principle are expounded. The drive circuit based on M57962 is given in this paper. The results of experimental analysis and verification are offered.

Keywords： electrostatic precipitation; high?voltage source; thyristor phase controlled power supply; series resonant high?frequency power supply

0 "引 "言

2012年1月1日起實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB13223?2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求：2014年7月1日起現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐煙塵排放濃度≤30 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)≤20 mg/m3。火力發(fā)電廠在競爭日益激勵的市場經(jīng)濟(jì)條件下，不僅要考慮產(chǎn)出，也要考慮投入，以盡量少的資源投入和環(huán)境代價實(shí)現(xiàn)盡可能大的產(chǎn)出，切實(shí)做到節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。

采用高電壓技術(shù)的電除塵器能有效脫除電廠排放煙氣中的灰塵，具有除塵效率高、損耗小的優(yōu)點(diǎn)，目前正逐步得到廣泛應(yīng)用。電除塵器是機(jī)電一體化設(shè)備，由電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)體組成，本文主要研究電氣部分，即高壓電源。為提高除塵效率，除塵過程中會出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，需要電源能有較好的閃絡(luò)特性及保護(hù)功能。高比電阻粉塵會引起反電暈影響除塵效率，因此除塵電源還需要變占空比的脈沖供電方式。除塵電源往往放置于除塵器頂部，由于工作環(huán)境惡劣，需要有較高的防護(hù)等級和抗干擾特性，并能長時間在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

1 "傳統(tǒng)可控硅相控電源

可控硅相控電源如圖1所示，采用可控硅相控整流電路，通過變壓器升壓然后整流成高壓直流電，這是比較傳統(tǒng)的靜電除塵方式。

可控硅相控電源是目前國內(nèi)外傳統(tǒng)的電除塵供電方式，具有功率大、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。但可控硅是半控型器件，動態(tài)響應(yīng)慢，閃絡(luò)下火花放電或短路時難以快速調(diào)整輸出電壓，通常要關(guān)閉可控硅，這樣會導(dǎo)致可控硅導(dǎo)通角的減小，在火花放電較重的情況難以輸出大功率，當(dāng)電場中存在高比電阻粉塵時會產(chǎn)生反電暈現(xiàn)象，這將導(dǎo)致除塵電場的火花增大，導(dǎo)致輸出功率的快速下降[1]。可控硅相控電源輸出會疊加100 Hz的脈動電壓，電壓的峰值為平均值的1.3倍，因此平均電壓無法達(dá)到擊穿電壓，限制了輸出電壓的提高，平均電壓及電場強(qiáng)度的下降會導(dǎo)致除塵效率下降，影響除塵效果，而且工頻變壓器體積較大且價格昂貴[2]。

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圖1 可控硅相控電源電路原理圖

2 "高頻電源

隨著全控型功率器件的發(fā)展，尤其是高壓大電流的IGBT的快速發(fā)展，電除塵器高頻電源近年發(fā)展起來，具有優(yōu)異性能的新一代的電除塵器供電裝置。電除塵器高頻電源采用逆變方式，可提供脈沖寬度為微秒級的電流脈沖給電除塵器供電，可增加粉塵的荷電效果，有效提高電除塵器除塵效率，可減少煙塵排放40%～70%，并且可減少電除塵器供電功率50%～80%，甚至更高。其特點(diǎn)為：高頻電源可增大電暈功率，提高粉塵荷電強(qiáng)度，提高除塵效率;高頻電源的火花控制特性好，因火花而損失能量很小，電場恢復(fù)快。高頻電源的控制方式靈活，可根據(jù)電除塵器的工況提供最合適的電壓波形;高頻電源高效節(jié)能，其本身電能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上，自身損耗小;高頻電源的體積小、重量輕，可高度集成，總重量只有工頻電源的[14];高頻電源安裝更方便，輔助設(shè)備更少，節(jié)省配電室空間、電纜與安裝費(fèi)用;高頻電源采用三相平衡電源，對電網(wǎng)影響小，無缺相損耗，無電網(wǎng)污染[3]。高頻電源目前有2種形式，一種是PWM關(guān)高頻電源;一種是用串聯(lián)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的高頻電源，本文介紹串聯(lián)諧振高頻電源。

2.1 "工作原理

PWM高頻電源為串聯(lián)諧振高頻電源具有損耗小、頻率較高、耐沖擊、電磁兼容性較好的優(yōu)點(diǎn)。串聯(lián)諧振高頻電源是將PWM移相控制與諧振變換控制相結(jié)合，通過兩橋臂之間移相角的控制來調(diào)節(jié)輸出電壓，通過恒頻控制實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的零電壓零電流軟開關(guān)，大大減小了開關(guān)損耗和噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，并具有類似恒流源的特性，能有效抑制除塵電場火花的大電流沖擊，并快速熄滅火花并恢復(fù)電場的能量。圖2為串聯(lián)諧振高頻電源電路原理圖。

圖2中，D1～D6構(gòu)成三相整流橋，Q1～Q4組成全橋電路，Cr為諧振電容與變壓器分布電容折合到變壓器原邊的等效電容，Lr為諧振電感與變壓器漏感串聯(lián)得到的等效電感。整個電路的諧振頻：

[fr=12πLrCr] " " " " " （1）

功率管的驅(qū)動信號如圖3所示，Q1與Q2的驅(qū)動信號相位相差 180°，中間有死區(qū);Q3和Q4之間相差也是 180°，中間有死區(qū)。只有在Q1、Q4同時導(dǎo)通或Q2、Q3同時導(dǎo)通時，逆變器橋才能通過變壓器向副邊傳遞能量。通過改變移相角，就可以改變Q1、Q4及Q2、Q3的導(dǎo)通時間，通過調(diào)整這2組驅(qū)動信號脈沖之間的相位移θ ，就可以改變輸出功率。由于Q3和Q4相對于Q1和Q2先通斷，所以Q3和Q4為為超前臂，Q1和Q2為滯后臂[4]。

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圖2 串聯(lián)諧振高頻電源電路原理圖

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圖3 驅(qū)動信號及逆變橋輸出電壓

電路的工作過程：t0～t1時段Q1和Q4導(dǎo)通，t0時刻開通Q1，實(shí)現(xiàn)Lr和Cr的諧振，諧振電流Ir為正弦波;

t1～t2是超前臂關(guān)斷過程，t1時刻關(guān)斷Q4，電容C4的電壓不能突變實(shí)現(xiàn)Q4的零電壓關(guān)斷，t1至t2時間段變壓器原邊諧振電流通過C4進(jìn)行充電達(dá)到電容C的電壓VC，同時C3的電壓從VC放電至零，達(dá)到Q3的零電壓導(dǎo)通條件;

t2～t3是續(xù)流階段，t2時刻開通Q3，原邊諧振電流通過Q1和Q3的體內(nèi)二極管續(xù)流，t3時刻下降到零;

t3～t4是滯后臂的關(guān)斷過程，諧振電流保持為零，t3時刻關(guān)斷Q1，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，t4時刻開通Q2，實(shí)現(xiàn)零電流開通;

t4之后負(fù)半周開始，分析和前面相同。

串聯(lián)諧振高頻電源僅通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)的電壓抬升是不足以滿足電除塵的電壓等級要求，因此需要進(jìn)行整流電路的電壓抬升。

圖4為變壓器倍壓整流電路，整流電路所用二極管一般為高壓硅堆。

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圖4 變壓器倍壓整流電路

2.2 "驅(qū)動電路

Q1～Q4的采用厚膜集成電路 M57962組成驅(qū)動電路。M57962內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，是由三菱公司生產(chǎn)的一款驅(qū)動模塊，在內(nèi)部集成了耐壓高達(dá)2 500 V的高頻光電耦合器，并具有過流保護(hù)功能，具有封閉性短路保護(hù)功能。

圖6為采用M57962的驅(qū)動電路。采用VCC1和VCC2兩路電源，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓關(guān)斷，提高了可靠性，采用兩個穩(wěn)壓二極D1和D2反向串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對開通和關(guān)斷電壓的限壓。D3為穩(wěn)壓二極管，改變IGBT的短路檢測的CE極電壓閥值，避免了出現(xiàn)嚴(yán)重過流導(dǎo)致IGBT性能下降甚至損壞。U2實(shí)現(xiàn)故障信號的隔離檢測，將故障信號送至控制系統(tǒng)。G極驅(qū)動電阻采用電阻并聯(lián)結(jié)合二極管的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)IGBT的快速導(dǎo)通和相對緩慢的關(guān)閉，降低了IGBT關(guān)斷C極和E極之間電壓尖峰，增加?xùn)艠O電阻會增加功率管的開關(guān)損耗，因此需要合理選取。

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圖5 M57962內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

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圖6 采用M57962的驅(qū)動電路

3 "實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)本文原理設(shè)計了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，圖7為逆變橋驅(qū)動信號波形，VCC1為15 V電源，VCC2為9 V電源，開關(guān)頻率為20 kHz。

圖8為根據(jù)本文方案設(shè)計樣機(jī)的原邊諧振電流波形，從圖中可看出波形和理論分析一致。

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圖7 逆變橋驅(qū)動信號波形

4 "結(jié) "論

本文對傳統(tǒng)可控硅相控電源和串聯(lián)諧振高頻電源的工作機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析研究，根據(jù)電除塵現(xiàn)場工況的特殊要求，串聯(lián)諧振高頻電源最為符合除塵電源的性能要求。分析串聯(lián)諧振高頻電源的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，并給出實(shí)驗(yàn)波形。

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圖8 變壓器原邊諧振電流波形

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