淺談電除塵高頻電源技術(shù)

廖佳榮

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

ESP供電裝置的性能對(duì)除塵效率影響極大。傳統(tǒng)的基于可控硅控制的工頻電源的二次電壓紋波大，會(huì)引起病態(tài)閃絡(luò)，導(dǎo)致ESP電暈功率小，電場(chǎng)強(qiáng)度低，影響ESP效率。為提升ESP的性能，在提效的同時(shí)節(jié)能降耗，20世紀(jì)90年代，國外多家研究機(jī)構(gòu)開始將目光放在高頻電源的開發(fā)方面[1]。高頻電源能在不改動(dòng)本體的情況下，就可以大幅提高電除塵的除塵效率，其為ESP提供了平滑、無紋波的直流二次電壓/電流，從而提高了ESP電暈功率和ESP效率。

高頻電源提供紋波為0的二次電壓，即ΔU2=0的充要條件，關(guān)鍵在于保持二次電流恒定，即ΔI2=0，使二次電流始終為直流。由此，分支出2種流派的高頻電源技術(shù)路線：1） 通過諧振震蕩形成正弦波，再將二次電壓/電流正弦波高頻化，基于該技術(shù)所開發(fā)的高頻電源被稱為諧振型高頻電源。瑞典阿爾斯通公司和美國NWL公司在20世紀(jì)90年代開發(fā)這種高頻電源，并逐漸推向市場(chǎng)。2） 通過調(diào)制手段將二次電壓/電流平直化，即將二次電流調(diào)制為直流，基于該技術(shù)所開發(fā)的高頻電源被稱為調(diào)制型高頻電源。德國西門子公司大約在1992年開始向市場(chǎng)推廣這種高頻電源。

1 諧振型與調(diào)制型高頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)比

2種電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是變壓器一次側(cè)的IGBT逆變電路拓?fù)涞牟煌?。其中，諧振型高頻電源為了實(shí)現(xiàn)諧振開關(guān)，必須在變壓器一次側(cè)的IGBT逆變電路中添加諧振電容，而調(diào)制型高頻電源則無須諧振電容。

諧振型與調(diào)制型高頻電源都是將三相交流電經(jīng)斷路器、接觸器、整流器以及濾波電容等整流濾波后輸出直流電源，通過IGBT全橋逆變產(chǎn)生高頻交變電流，再由高頻變壓器升壓傳輸至高壓整流器，最后整流輸出直流負(fù)高壓給除塵器。不同之處是諧振型高頻電源是利用變壓器的漏感L，選擇合適的諧振電容C，使電感與電容形成諧振，諧振頻率，一般諧振型高頻電源諧振頻率在40kHz。調(diào)制型高頻電源高壓一次側(cè)無諧振電容，只根據(jù)電流大小進(jìn)行PWM調(diào)制，其工作狀態(tài)受頻率影響極小。

圖 1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 諧振型與調(diào)制型高頻電源工作原理分析

諧振型高頻電源提高平均電流的方法是提高二次電流頻率，如圖2所示，在同樣的10 ms（0.01 s）時(shí)間內(nèi)，隨著頻率的增大，其電流半波數(shù)越多，平均電流越大，當(dāng)頻率無窮大時(shí)，其波形趨近直線，平均電流最大。調(diào)制型高頻電源提高平均電流的方法是盡量使二次電流平直化，如圖3所示，采用PWM調(diào)制方法，使每個(gè)周期電流均趨近于直線，只在換相過程中有短暫的關(guān)斷，當(dāng)然頻率越高，換相越快，其波形越接近直線。

圖2 諧振型高頻電源二次電流波形

圖3 調(diào)制型高頻電源二次電流波形

電除塵器的負(fù)載變化范圍特別大，且會(huì)頻繁出現(xiàn)閃絡(luò)，為達(dá)到更好的除塵效果，高頻電源必須實(shí)時(shí)檢測(cè)閃絡(luò)點(diǎn)的二次電壓，并調(diào)整二次電壓的輸出值，使高頻電源在閃絡(luò)點(diǎn)附近運(yùn)行。諧振型高頻電源采用串聯(lián)諧振拓?fù)潆娐罚?dāng)負(fù)載穩(wěn)定且不發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，可以按其設(shè)計(jì)值輸出穩(wěn)定的波形，如圖4所示，當(dāng)在設(shè)計(jì)諧振頻率下工作時(shí)，可以獲得最高的平均電流，當(dāng)然二次電壓也最高，當(dāng)需要降低二次電壓時(shí)，通過降低脈沖頻率來降低二次電流，其實(shí)質(zhì)是在單位頻率下降低觸發(fā)脈沖的有效占空比，通過縮短開通時(shí)間、加大關(guān)斷時(shí)間來降低輸出二次電流，從而降低二次電壓，由于該高頻電源是利用高頻變壓器的漏感組成的高頻諧振式逆變電路，因此當(dāng)開關(guān)頻率降低到一定程度時(shí)，電路無法諧振，模塊在硬開關(guān)狀態(tài)下工作，失去原有設(shè)計(jì)特性，變壓器阻抗降低，電流沖擊幅度大，電能轉(zhuǎn)換效率低，調(diào)壓效果不好，且高頻電源在非諧振頻率運(yùn)行，變壓器嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，直接影響變壓器的使用壽命。

圖4 諧振型高頻電源調(diào)節(jié)輸出電流示意圖

調(diào)制型高頻電源根據(jù)電流大小進(jìn)行PWM調(diào)制，固有的電流限制特性使其具有恒流特性，調(diào)制型高頻電源調(diào)節(jié)二次電流輸出示意圖如圖5所示，當(dāng)二次電流幅值為額定電流的50%及100%時(shí)，其調(diào)制頻率穩(wěn)定在變壓器的設(shè)計(jì)頻率上，不管二次電流輸出幅值的大小，其波形均很平直，對(duì)工況惡劣、閃絡(luò)頻繁的場(chǎng)合來說，當(dāng)將二次電壓降至接近閃絡(luò)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，由于其平直的二次電流及穩(wěn)定的二次電壓，因此仍可以輸出穩(wěn)定的電暈功率，并且不會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響。綜上所述，對(duì)工控惡劣、閃絡(luò)頻繁的場(chǎng)合來說，調(diào)制型高頻電源性能更高，可以為各種工況的電場(chǎng)提供盡可能高的電暈功率，最大限度地激發(fā)電場(chǎng)的收塵潛能，實(shí)現(xiàn)除塵器高效運(yùn)行的目標(biāo)。

圖5 調(diào)制型高頻電源調(diào)節(jié)輸出電流示意圖

3 諧振型與調(diào)制型高頻電源使用情況對(duì)比

某電廠預(yù)電除塵器之前采用常規(guī)工頻電源，已對(duì)其進(jìn)行諧振式高頻電源改造，但客戶反應(yīng)改造后仍不能符合預(yù)期除塵效果。由于該項(xiàng)目之前改造時(shí)有保留工頻電源的整流變壓器，因此調(diào)制型高頻電源可以調(diào)制出50 Hz的信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)工頻變壓器，某公司項(xiàng)目研發(fā)初期專門開發(fā)了移動(dòng)式的試驗(yàn)柜，可以提供先試后改服務(wù)，試驗(yàn)效果滿意再進(jìn)行改造，這就提供了一次難得的對(duì)比2種技術(shù)路線高頻電源性能的機(jī)會(huì)?，F(xiàn)諧振型高頻電源運(yùn)行參數(shù)見表1。更換某公司調(diào)制型高頻試驗(yàn)柜，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，其運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2 調(diào)制型高頻電源——2#爐運(yùn)行參數(shù)

如果只比較二次電壓數(shù)據(jù)，那么調(diào)制型高頻電源優(yōu)勢(shì)不太明顯，在2-1、2-2電場(chǎng)上的二次電壓更低，但根據(jù)電除塵器高壓電源效率計(jì)算公式（電源效率=輸出功率÷輸入功率）可知，高頻電源效率通常為0.8～0.9。根據(jù)能量守恒定律可知，任何電源的效率絕不可能大于或等于1，由表1可知，諧振型高頻電源的效率為1.01～1.07，這有悖于科學(xué)常識(shí)，因此可判定有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)不具科學(xué)性，由于輸入電流為直接測(cè)量，一般無法隨意調(diào)整，因此可以認(rèn)定數(shù)據(jù)真實(shí)有效，根據(jù)輸入功率進(jìn)行對(duì)比，調(diào)制型高頻電源提供的輸入功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧振型高頻電源，按0.8～0.9的效率計(jì)算，輸入的電暈功率高，除塵效率也高。

表1 諧振型高頻電源——2#爐運(yùn)行參數(shù)

4 結(jié)語

在穩(wěn)定的工況下，無論是諧振型高頻電源，還是調(diào)制型高頻電源，由于均可以提供平直的二次電壓及二次電流，因此都可以提高電除塵器的性能。而在工況惡劣、閃絡(luò)頻繁的場(chǎng)合中，諧振型高頻電源的性能比調(diào)制型高頻電源低，從現(xiàn)場(chǎng)使用情況來看，驗(yàn)證了調(diào)制型高頻電源的性能更高的結(jié)論。調(diào)制型高頻電源在各種工況下均能輸出更多的電暈功率，因此能帶來更高的除塵效率，為滿足趨嚴(yán)的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)提供了便捷、經(jīng)濟(jì)且高效的手段。