具有恒流特性的中頻高壓電源

陳軍律

（浙江連成環保科技有限公司，浙江 金華 321000）

1 背景及意義

隨著社會的發展和人類的進步，人們對生態環境和空氣質量也越來越關注。如今，我國現代工業飛速發展，空氣污染嚴重，粉塵排放越來越嚴格，已經從原先的50 mg/m3到現在的5 mg/m3以下，除塵設備已成為每個工廠的必備。

目前，靜電除塵設備是國際公認的高效除塵裝置，其中高壓電源裝置系統是該設備的主要電氣部分，輸出電壓直接影響靜電除塵器的工作效果，是能量傳遞的關鍵。電除塵的基本工作原理是在兩個曲率半徑相差比較大的金屬陽極和陰極（一對電極）上，通過高壓直流電，維持一個足以使氣體電離的靜電場，將氣體電離后產生的電子、陰離子以及陽離子吸附在通過電場的粉塵上，從而使粉塵獲得電荷（粉塵荷電）。荷電粉塵在電場的作用下向與其電極極性相反的電場運動，并沉積在電場上以達到粉塵和氣分離的目的。電極上的積灰經振打、卸灰、清出本體外，再經輸灰系統傳輸到灰場或者便于利用儲存的裝置中去，凈化后的氣體從所配的煙囪中排除，擴散到大氣中[1]。

單相工頻電源采用工頻單相380 V交流輸入，利用雙向可控硅移相調壓技術，先控制一組雙向可控硅導通角的大小實現調壓，再經單相交流變壓器升壓，最后經全橋整流后輸出直流高壓。單相工頻電源實質上是屬于調壓源的一種最常見的高壓電源，且具有不怕開路的特性，但由于工頻電源采用可控硅作為主要功率元器件，因此存在功率因素不高和轉換效率低下等缺點。

電力電子器件及電磁性材料的快速發展給高頻高壓電源的主要功率元器件帶來了新的活力。在此基礎上，可靠的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作為主要功率元器件在電力、建筑以及能源等領域的應用越來越廣泛。由IGBT逆變橋、諧振電容以及諧振電感組成串聯LC諧振逆變電路，逆變成高頻交流電壓組成的恒流源高壓電源。雖然恒流源高壓具有不怕短路、紋波系統小以及輸出電壓高等各種優點和優勢，但不能做開路，這是恒流源的通病[2]。

目前，中頻高壓電源存在以下幾個問題。一是單相工頻電源的可控硅通過過零檢測實現導通角開關，在出現閃絡時，二次電流沖擊大，難以適用于工況復雜的靜電除塵器除塵。二是市場上存在的體量比較大，如果全部替換成高頻電源，則替換成本過高。三是恒流源高壓電源由于串聯LC諧振的恒流源特性，具有不怕短路與拉弧、怕輸出開路的特點。

針對上述問題，通過在原變壓器高壓輸出端增加開路保護功能，更換原先控制柜的方法，采用由開關頻率可調的IGBT作為主要功率元器件組成的串聯LC諧振電路新控制柜，實現恒流電源輸出的中頻高壓電源改造。

2 研究設計內容

2.1 主要研究內容

具有恒流特性的中頻高壓電源把兩相輸入電源380 V交流供電改成三相電源380 V交流供電，具有三相平衡的特點。改造之前工頻電源主要采用可控硅作為主要功率元器件，改造后的中頻高壓電源采用4只IGBT作為主要控制回路中的功率元器件。由IGBT逆變橋、諧振電容以及諧振電感組成的串聯LC諧振逆變電路，逆變成高頻交流電壓組成的主回路安裝在控制柜內。變壓器輸出端增加一個容性負載，實現開路試驗等特點[3]。

2.2 設計內容

2.2.1 中頻基準占比任意可調技術

采用IGBT作為具有串恒流特性中頻除塵高壓電源的主要功率元器件，具有變頻功能。利用原先變壓器與新增控制柜內的電容和IGBT組成串聯LC諧振逆變主回路，由于利用原先變壓器電感參與對諧振頻率和硅堆整流橋的限制，因此主回路的基準頻率不宜過高。利用具有功率MOSFET的高速開關性能和雙極型晶體管的高電壓以及大電流處理能力的半導體元件IGBT，作為串聯LC諧振逆變主回路的主要功率元器件。具體實現方法如下，串聯LC諧振逆變電路共由4只IGBT組成，前端各一只控制主回路的中頻基準（中頻基準≤300 Hz），產生圖1中的A和C波形，后端各一只控制主回路的高頻脈沖（高頻控制≤20 kHz），產生圖1中的B和D波形。

圖1 脈沖觸發控制圖

2.2.2 超大風量自然風冷降溫特殊風道設計

具有恒流特性的中頻高壓電源發熱量有兩部分產生，一部分是IGBT，另一部分是三相整流橋。其中，IGBT是大功率的元器件，其發熱量主要由兩部分產生，開關損耗由其開關特性決定，與其集-射極間電壓Vce和集電極電流Ic有關。損耗計算公式如下所示。

開通損耗為：

關斷損耗為：

式中，Pon為開通損耗，Poff為關斷損耗，ton為開通時間，toff為關斷時間，vce(·)為集-射極間電壓，ic(·)為集電極電流。

散熱結構如圖2所示，IGBT固定在鋁板上，在IGBT后面裝一塊散熱片，如圖2中間所示。三相整流橋安裝在IGBT上端，兩者安裝在同一塊散熱片上，集中散熱。散熱片上部和下部分別與進風喇叭口和出風喇叭口相連，增大吸收和吸出的散熱面，增加散熱效果。此外，散熱片底部安裝有強力風扇，電源工作時，啟動強力風扇（由下往上吹）與外界換熱。通過上述方法將產生的熱量及時散發出去，從而保證各元器件和柜子的長久穩定運行，不會因為過熱引起各種故障[4]。

圖2 散熱結構示意圖

2.2.3 滿載滿頻開路保護技術

滿載滿頻開路保護技術利用了恒流源的串聯LC諧振逆變特性，具有不怕輸出短路和拉弧等特點，但恒流源具怕輸出開路。具體實現方法如下，在具有恒流特性的中頻高壓電源的變壓器輸出端接上一假負載。假負載主要由特制電容組成，其中推導公式為：

式中，C為電容，Q為電量，U為電壓，I為電流，T為周期。將式（3）代入式（4）得：

由于高頻電源二次電流輸出類似于正弦波，所以在一個周期內的所需要的時間通過積分所得，即：

式中，t0為起始時間，t1為終止時間，f為頻率。將式（5）代入式（6）得：

代入相關的已知電流、電壓、頻率以及周期時間等，通過式（7）可得輸出負載具體電容值。假如二次側負載由于某種原因，突然斷開U，即突然輸出開路，電源由于增加了假負載，二次側電壓不會瞬間升高電壓，且采用32位雙核高速數字化CPU，采集到相關檢測到的數據異常變化，快速實時保護，從而保證了的高壓電源正常運行[5]。

2.2.4 控制系統采用模塊化設計和光電隔離抗強電干擾技術

控制系統由主控制板、接口板以及驅動轉接板組成。其中主控制板與驅動板觸發脈沖信號通過光纖連接，使主控板與驅動轉接板徹底隔離。主控板上的32位高速CPU驅動原始TCP/IP以太網與外接設備高速通信。自主設計硬件設計部分包含模擬量光耦高速隔離模塊、PWM控制高速隔離模塊以及輸入輸出DI/DO光耦隔離模塊。在閃絡控制上，硬件上增加二次電流硬件保護電路，保證了恒流源電源的可靠性和穩定性[6]。

軟件部分先采用Proteus仿真和編程驗證，樣機做出來后，恒流源各功能在實物上驗證，從而大大加快了開發的進度[7-10]。現場設備示意如圖3所示，具有恒流特性的中頻高壓電源更換原工頻電源的控制柜如圖3左邊所示，增加變壓器輸出保護電路。上述方法具有工作量小，安裝簡單等特點。

圖3 現場設備示意圖

3 結 論

具有恒流特性的中頻高壓電源具有節約成本、開關頻率可調、損耗低以及效率高等特點，而且擁有各種保護功能，可以做完整開路。本產品在高壓電源改造時，具有改造工作量小和安裝簡單等特點，豐富了公司的產品系列，有助于促進當地經濟結構調整和產業升級，增加財政收入與就業機會，還可以廣泛運用在煙氣工況比較惡劣靜電除塵行業。