三相mpps與等效電容負(fù)載的匹配性研究

謝友金

（廈門綠洋電氣有限公司 福建 廈門 361101）

三相mpps與等效電容負(fù)載的匹配性研究

謝友金

（廈門綠洋電氣有限公司 福建 廈門 361101）

在超低排放協(xié)同治理電除塵器的提效改造中，由于場地空間的限制，在現(xiàn)役電除塵比集塵面積不變的條件下，提高輸出平均電壓和峰值電壓，是電除塵提效改造的關(guān)鍵。文章將通過幾種常用高壓電源。在等效電容負(fù)載狀態(tài)下的匹配性比較分析，證明三相mpps（毫秒級(jí)脈沖）與等效電容負(fù)載的匹配性及其應(yīng)用效果。

高壓電源；等效電容；mpps;upps;負(fù)載匹配性；峰值響應(yīng)電壓

1 前言

以低低溫電除塵器和濕法電除塵器為核心的超低排放協(xié)同治理技術(shù)路線，得到廣泛應(yīng)用。由于場地空間的限制，在現(xiàn)役電除塵比集塵面積不變的條件下，提高輸出平均電壓和峰值電壓，是電除塵提效改造的關(guān)鍵。本文將通過幾種常用高壓電源。在等效電容負(fù)載狀態(tài)下的匹配性比較分析，證明三相mpps與等效電容負(fù)載的匹配性及其應(yīng)用效果。

2 電除塵提效改造機(jī)理

電除塵選型機(jī)理，依據(jù)多依奇效率公式：

其中：

A—電除塵集塵總面積，m2；

Q—處理煙氣量，m3/h；

ω—粉塵驅(qū)進(jìn)速度，m/s；

α —電除塵指數(shù)系數(shù)；

S—比集塵面積，m2；

Ea—平均場強(qiáng)，kV/cm；

Ep—峰值場強(qiáng)，kV/cm。

由電除塵多依奇效率公式推導(dǎo)可知，在電除塵本體結(jié)構(gòu)和煙氣工況一定的條件下，影響除塵效率的因素，主要取決于粉塵驅(qū)進(jìn)速度ω。粉塵驅(qū)進(jìn)速度ω與平均場強(qiáng)Ea和峰值場強(qiáng)Ep的乘積成正比，即與高壓電源施加到等效電容負(fù)載的平均電壓和峰值電壓的乘積成正比。

高壓電源提效改造，關(guān)鍵在于如何提高施加到等效電容負(fù)載的平均電壓和峰值電壓。前級(jí)電場的粉塵濃度大，閃絡(luò)擊穿電壓較低，需要更大的平均電壓，用以克服高濃度粉塵可能產(chǎn)生的電暈封閉。后級(jí)電場粉塵濃度低，粉塵顆粒更細(xì)，比電阻更高，閃絡(luò)擊穿電壓更高，粉塵荷電更難，需要提供更高的峰值電壓，用以提高高比電阻細(xì)微粉塵的荷電效率，克服反電暈。

理想的高壓電源及供電模式，既能為前級(jí)電場提供更大的平均電壓，又能為后級(jí)電場提供更高的峰值電壓，滿足提效改造的要求。

3 額定輸出電壓與額定輸出平均值電壓的比較分析

3.1 額定輸出電壓≠額定輸出平均值電壓

電除塵用高壓電源額定輸出電壓是根據(jù)極間距和電源特性選型的，額定輸出電流是根據(jù)集塵面積和極配的電流密度換算的。由于電除塵負(fù)載是一個(gè)典型電容性負(fù)載，是非線性的，額定輸出電壓為有效值，與額定輸出平均值電壓沒有直接關(guān)系，所以：

額定輸出電壓≠額定輸出平均值電壓；

額定輸出電流≠額定輸出平均值電流。

3.2 額定輸出電壓與額定輸出平均值電壓的關(guān)系

（1）單相電源

基本原理：單相交流輸入→單相移相調(diào)壓→單相變壓器升壓整流輸出，施加到電除塵負(fù)載上。從電路拓?fù)渖匣咀裱也ǖ挠?jì)算方法，如圖1所示。

圖1 單項(xiàng)電源電路拓補(bǔ)圖

其中：Up—值電壓，kV；

Ue—有效值電壓（額定輸出電壓），kV；

Ua—最大平均電壓，kV。

額定輸出電壓與額定輸出平均值電壓都是通過峰值電壓換算出來的。由于電除塵負(fù)載是非線性的，負(fù)載閃絡(luò)擊穿電壓≠額定輸出峰值電壓，以400mm、額定輸出電壓選型72kV為例，額定輸出峰值電壓為102kV，最大平均值電壓為64.8kV。在粉塵介質(zhì)狀態(tài)下，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，負(fù)載閃絡(luò)擊穿電壓明顯低于額定輸出峰值電壓，可控硅導(dǎo)通角一般運(yùn)行開度在70%～85%之間，實(shí)際運(yùn)行平均值電壓在45～55kV之間，對(duì)應(yīng)的閃絡(luò)擊穿峰值電壓≤95kV。

（2）高頻電源

基本原理：三相交流整流成母線直流電壓→單相高頻逆變→單相高頻變壓器升壓后整流輸出→施加到負(fù)載上。本質(zhì)上屬于單相電源特性，其峰值電壓與平均值電壓和有效值電壓的關(guān)系，與單相電源特性一致，電路如拓?fù)鋱D2。

圖2 高頻電源電路拓補(bǔ)圖

雖然高頻電源的輸出波形特性與單相電源一致，但由于等效電容負(fù)載的濾波作用，99%的高頻峰值電壓被濾除，除了前級(jí)電場的高濃度粉塵可能觸發(fā)閃絡(luò)放電外，后級(jí)電場一般不觸發(fā)閃絡(luò)放電，其實(shí)際運(yùn)行平均值電壓在55～65kV之間，接近最大平均值電壓，比單相電源提高5～10kV。

（3）三相電源

基本原理：Ua、Ub、Uc三相交流同步輸入→三相同步升壓→Ua、Ub、Uc三相交替疊加整流輸出→施加到負(fù)載上。電路拓?fù)渖匣咀裱嗾也ǖ挠?jì)算方法，如圖3所示：

圖3 三項(xiàng)電源電路拓補(bǔ)圖

其中：U3p—三相峰值電壓，kV；

U3e—三相有效值電壓（額定輸出電壓），kV；

U3a—三相平均值電壓，kV。

由上述計(jì)算公式可知，三相輸出是由Ua、Ub、Uc三相正弦波交替疊加形成的。對(duì)于同極距400mm，與單相電源額定輸出電壓72kV比較，三相電源的額定輸出電壓U3e=1.35×72=97.2kV，三相電源的峰值電壓U3p=97.2×1.05=102kV（與單相電源峰值電壓一致），三相電源的額定輸出平均值電壓U3a=0.951×Up=97kV，由于粉塵介質(zhì)閃絡(luò)擊穿電壓比額定輸出峰值電壓低，設(shè)定閃絡(luò)擊穿電壓95kV，則三相電源的額定輸出有效值電壓U3e取90kV，實(shí)際運(yùn)行的輸出平均電壓為70～75kV，可比單相電源提高15～20kV，比高頻電源提高10～15kV。

4 三相mpps與等效電容負(fù)載匹配性的比較分析

4.1 等效電容負(fù)載能量與額定輸出功率的匹配性

電除塵器是典型的電容性負(fù)載，根據(jù)實(shí)測和理論計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，每平米集塵面積的等效電容為30pF，假設(shè)某電場集塵面積為2500m2，對(duì)應(yīng)等效電容值=2500×30=75nF，設(shè)定負(fù)載閃絡(luò)擊穿峰值電壓值=95kV。則等效電容負(fù)載所需能量：

單相電源電流密度一般取0.4mA/m2，2500m2單相電源選型規(guī)格為1.0A/72kV，額定輸出功率P=1.0×72000=72kW，整流輸出頻率100Hz，輸出波形脈寬t=10ms。高頻電源和三相電源的電流密度可取0.4～0.5mA/m2，為計(jì)算方便，高頻電源選型規(guī)格為1.2A/80kV，額定輸出功率P=1.2×80,000=96kW，整流輸出頻率20kHz，輸出波形脈寬t=50μs；三相電源選型規(guī)格為1.2A/90kV，額定輸出功率P=1.2×90,000=108kW，整流輸出頻率300Hz，輸出波形脈寬t=3.3ms。由此可計(jì)算出三種電源的額定輸出能量。

（1）單相電源的額定輸出能量W1

（2）高頻電源的額定輸出能量WG

（3）三相電源的額定輸出能量W3

如果將三種高壓電源的額定輸出能量除以負(fù)載所需能量，換算成%，則：

（1）單相電源

單相電源的額定輸出能量是等效電容性負(fù)載所需能量的213%，在實(shí)際應(yīng)用中，意味著可控硅導(dǎo)通角達(dá)到50%時(shí)，就可能觸發(fā)火花閃絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們常常采用變換整流變壓器中間抽頭，降低輸出電壓等級(jí)（66kV或60kV），來提高可控硅導(dǎo)通角開度，使實(shí)際運(yùn)行平均值電壓工作在45～55kV之間，對(duì)應(yīng)的峰值電壓在64～78kV之間。

（2）高頻電源

高頻電源的額定輸出能量只有負(fù)載所需能量的0.7%，在實(shí)際應(yīng)用中，99%的峰值電壓被負(fù)載等效電容濾除，除前級(jí)電場高濃度粉塵介質(zhì)，后級(jí)基本不觸發(fā)閃絡(luò)放電，峰值電壓等于額定平均電壓，以400mm同極距為例，正常運(yùn)行平均值電壓=峰值電壓在55～65kV之間。

（3）三相電源

三相電源的額定輸出能量為負(fù)載所需能量的105%，與負(fù)載基本匹配。在實(shí)際應(yīng)用中，Ua、Ub、Uc設(shè)計(jì)導(dǎo)通角120°時(shí)，以同極距400mm為例，正常運(yùn)行平均值電壓在70～75kV之間，對(duì)應(yīng)峰值電壓74～80kV。三相電源的峰值電壓比單相電源提高2～10kV，比高頻電源提高10～15kV。

4.2 三相mpps脈沖和upps（微秒級(jí)脈沖）脈沖供電模式在等效電容性的匹配性比較分析

后級(jí)電場粉塵濃度小，粉塵更細(xì)，比電阻更高，閃絡(luò)擊穿電壓更高，粉塵荷電更難，需要更高的峰值電壓，這是普遍共識(shí)。mpps和upps脈沖節(jié)能供電模式，為后級(jí)電場的高比電阻細(xì)微粉塵，提高除塵效率和節(jié)約能耗創(chuàng)造了條件，是電源供電技術(shù)的發(fā)展方向。

mpps和upps中文意思分別是毫秒級(jí)脈沖和微秒級(jí)脈沖。mpps主要是指單相電源和三相電源的間歇脈沖供電模式；upps主要是指高頻電源和脈沖電源的間歇脈沖供電模式。

單相電源mpps的脈沖寬度t=10ms，三相電源mpps的脈沖寬度t=3.3ms，高頻電源upps的脈沖寬度t=50μs，脈沖電源upps的脈沖寬度t=100μs。mpps和upps兩者基本區(qū)別在于輸出脈沖電壓波形的寬度和瞬態(tài)輸出脈沖功率。

以上述集塵面積2500m2，負(fù)載等效電容75nf，電場負(fù)載所需的能量W=338J為例。根據(jù)能量守恒定律，無論選用哪種脈沖供電模式，W=P×t的關(guān)系是應(yīng)相匹配的，換言之，mpps或upps瞬態(tài)輸出脈沖功率必須與負(fù)載所需能量相匹配。

根據(jù)上述比較分析可知，單相電源的額定輸出能量W=720J，高頻電源的額定輸出能量W=4.2J，三相電源的額定輸出能量W=356.4J。

脈沖電源要想獲得更高的脈沖電壓，其瞬態(tài)輸出脈沖功率：

設(shè)定負(fù)載閃絡(luò)脈沖擊穿電壓95kV，則脈沖電源的瞬態(tài)輸出脈沖電流：

由此證明，對(duì)于相同的等效電容性負(fù)載，脈沖電源要想有效提高粉塵荷電效率，瞬態(tài)輸出脈沖功率應(yīng)≥3380kW，瞬態(tài)輸出脈沖電流應(yīng)≥35.58A。如果脈沖電源的瞬態(tài)輸出功率≤3380kW，就無法證明脈沖電源比三相mpps脈沖供電模式具有更好的除塵效率。

5 三相全波連續(xù)供電和mpps脈沖供電模式的實(shí)際應(yīng)用

5.1 三相全波連續(xù)供電模式提效改造后電除塵指數(shù)評(píng)估

（1）采用三相電源改造單相電源的電除塵指數(shù)對(duì)比分析

如上述分析，以同極距400mm，異極距d=20cm為例，Ea=Ua/d，Ep=Up/d，單位：kV/cm。單相電源和三相電源的電除塵指數(shù)對(duì)比分析如表1所示。

（2）采用三相電源改造高頻電源電除塵指數(shù)評(píng)估

如上述分析，以同極距400mm為例，Ea=Ua/d，Ep=Up/d，單位：kV/cm，其中d=20cm。單相電源和三相電源實(shí)際運(yùn)行輸出平均值電壓如表2所示。

表1 單項(xiàng)電源和三相電源的電除塵指數(shù)對(duì)比分析表

表2 高頻電源和三相電源的除塵指數(shù)對(duì)比分析表

電除塵指數(shù)提高40%，代入多依奇效率公式，等效于比集塵面積提高40%，在本體參數(shù)不變的條件下，采用三相高效mpps電源改造后，可等效于增加了半電場的收塵效率。

5.2 三相mpps脈沖節(jié)能供電模式下的實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)上述分析，三相高效mpps脈沖節(jié)能電源：采用Ua、Ub、Uc三相同步升壓變壓器交替疊加整流輸出。對(duì)于相同極間距，可比單相電源和高頻電源獲得更高的平均值電壓，是顯而易見的。三相高效mpps脈沖供電模式：三相mpps的脈沖寬度為3.3ms，與等效電容性負(fù)載匹配性好。導(dǎo)通角可100%強(qiáng)行輸出，具有峰值電壓高，瞬態(tài)脈沖電流大，平均電壓/電流低的特點(diǎn)。可有效克服末極電場“反電暈”現(xiàn)象，提高細(xì)微粉塵荷電效率。

6 結(jié)語

如圖4所示，上方波形為三相mpps供電模式的二次電壓波形，下方為三相mpps供電模式的二次電流波形。圖5上方波形為三相全波供電模式的二次電壓波形，下方為三相全波供電模式的二次電流波形。圖4具有典型的峰值電壓高，平均電壓和平均電流低的供電特征。是一種在等效電容負(fù)載下比較理想的節(jié)能供電模式，特別適合高比電阻細(xì)微粉塵的供電要求。圖5 具有典型的高電壓，大電流純直流的供電特征。這說明如果三相電源沒有mpps脈沖供電模式，升級(jí)改造后的電耗可能比原單相電源提高50%以上，很容易被理解為是一種高能耗的設(shè)備。采用三相高效mpps脈沖供電技術(shù)后，在滿足達(dá)標(biāo)排放的條件下，可降低電耗30%以上，是一項(xiàng)很有競爭優(yōu)勢的供電控制技術(shù)。三相電源，特別是新型三相高效mpps脈沖節(jié)能電源，對(duì)于現(xiàn)役電除塵的單相電源和高頻電源的提效改造，具有大幅提高平均電壓和峰值電壓的技術(shù)優(yōu)勢。采用高效mpps脈沖節(jié)能供電模式，施加到負(fù)載的峰值電壓可得到大幅度地提高，對(duì)于提高高比電阻細(xì)微粉塵的荷電效率，具有顯著效果。

Matching Research on Three-phase mpps and Equivalent Capacitance Load

XIE You-jin

圖4 三相mpps模式現(xiàn)場記錄電壓/電流波形

圖5 三相全波模式現(xiàn)場記錄電壓/電流波形

X701

A

1006-5377（2017）01-0027-04