電除塵器電源的發(fā)展方向

1、電除塵器電源的發(fā)展方向高頻化和數(shù)字化發(fā)表時間：2007-7-29 張谷勛 蔣云峰 來源：電源世界網關鍵字：電源 高頻開關電源 系統(tǒng)控制器 全數(shù)字控制 信息化調查找茬投稿收藏評論好文推薦打印社區(qū)分享本文以電除塵電源的發(fā)展方向高頻化和數(shù)字化為題，從理論和實踐上說明了IGBT高頻開關電源能克服傳統(tǒng)SCR相控電源的缺點，能提高除塵效率，采用全數(shù)字控制能同時解決電除塵器系統(tǒng)控制問題。高頻開關電源是典型的環(huán)保節(jié)能降耗產品，是新建和改造電除塵器的首選供電設備。文章還提供了電除塵器用高頻開關電源的線路和控制方案及設計原則。 一、低頻整流電源T/R的缺點 從上世紀八十年代至現(xiàn)在，環(huán)保領域電除塵器所使用的高壓供電

2、電源基本上都是采用輸入為兩相的可控硅工頻相控電源，其間人們也對此做了不少改進，比如研制了將輸入改為三相的可控硅工頻相控電源,調幅式LC恒流源等，在系統(tǒng)控制方面也做了許多工作，比如把反饋控制量由電壓改成電流，電源調節(jié)采用了單片機等等?？v觀其上，都是跟不上環(huán)保標準不斷提高和節(jié)能降耗、可持續(xù)發(fā)展的客觀要求，其核心問題是電源的工作頻率是工頻50HZ，造成電源的功率變壓器和濾波電感器電容器體積龐大，耗能耗材，耗費空間，并影響除塵效率的提高。 歸納起來，電除塵器的這種傳統(tǒng)的低頻整流電源T/R主要有五大缺點：一是工作頻率低，轉換效率低至75以下，耗費電能；二是工作頻率低，變壓器和濾波器體積大，重量重，耗費大

3、量的銅和鐵，不符合可持續(xù)發(fā)展，同時價格又高，性價比低；三是電源輸入為兩相380v交流工頻電源，又是工頻相位調節(jié)，致使輸入功率因數(shù)低至0.7以下，對電網造成很大的電磁干擾，電磁兼容性差，不符合自然和諧發(fā)展；四是體積龐大的電源控制調節(jié)機箱和隔離升壓用的工頻變壓器分居兩處，耗費空間，增加基建費用；五是輸出紋波大，致使電暈電壓低下，波形又是單一的工頻波，使得無法適應高比電阻的工況，達不到環(huán)保領域粉塵排放標準的新要求（2004年我國火力電廠粉塵排放標準由原來90年代的200毫克/立方米降低至50毫克/立方米）。 二、高頻開關電源SIR能克服低頻相控電源的缺點 圖1是電除塵器一般的高頻開關電源主電路拓撲框

4、圖。 圖1 高頻開關電源SIR主電路拓撲框圖 假定電除塵器所需供電電源為70kv高壓直流電源。輸入三相380v50HZ或60HZ交流電源，經三相整流濾波成約520v直流電壓，再經IGBT模塊高頻20KHZ逆變，高頻變壓整流為70kv，經限流電阻R0供給電除塵器極板。輸出電流、電壓、反饋至DSP控制器改變脈沖工作頻率或脈沖寬度經隔離驅動器送給IGBT全橋高頻逆變器以對輸出電流輸出電壓進行調節(jié)。輸出開路保護、短路保護、變壓器油和IGBT的過熱保護、輸出閃絡控制和處理等均由數(shù)字信號處理器DSP控制器一并實現(xiàn)。 電除塵器ESP可等效為R、C并聯(lián)電路，如圖2所示。R為電暈電流的等值電阻，隨粉塵濃度、顆粒

5、大小、粉塵性質、化學成分、溫度、濕度等變化，同時與電除塵器類型、結構、大小、風速等都有關系，變化范圍很大，20k10M.C是電極間的等值電容，一般較為恒定，大小隨極間距離，極板面積和級間粉塵而有不同，一般范圍是5000pFpF。 圖2 電除塵器等值電路 圖3是一般的中低比電阻比如火力發(fā)電廠工況下的電除塵器高頻開關電源SIR和可控硅相控整流電源T/R的輸出直流電壓波形。 圖3 高頻開關電源SIR和可控硅相控整流電源T/R的輸出電壓波形 舉兩個例子：武漢國測數(shù)字技術有限公司研制了400mA/70kv高頻開關電源，其中使用在湖北新冶鋼公司二煉鐵廠的一臺輸出120mA/60kv7.2kw,而相同工況下

6、，原來常規(guī)的可控硅工頻相控電源輸出50mA/40kv、2kw；使用在武漢高新熱電公司的一臺輸出54kv/283mA,15.28kw,而在相同工況下，原可控硅工頻電源輸出48kv156mA、7.5kw,高頻開關電源比原可控硅工頻電源輸出功率提高1倍以上，因而通過了環(huán)保測試，達到了新的環(huán)保排放標準。 從圖3可以看出：常規(guī)的電除塵器可控硅工頻相控整流電源T/R產生的輸出谷值電壓，比高頻開關電源SIR產生的輸出直流電壓要低25。谷值電壓在靜電除塵器電場中觸發(fā)火花。電火花能抑制電離，顯著的限制了加在電極上的平均電壓，嚴重影響電除塵器的除塵效率。高頻開關電源SIR工作在20KHZ以上，同常規(guī)的T/R相比，

7、高頻開關電源SIR提供了幾乎無波動的直流輸出，這使的靜電除塵器能夠以火花發(fā)生點電壓運行。高頻開關電源SIR提高了靜電除塵器的供電電壓和電流，對于細而低比電阻的灰塵，電除塵器粉塵排放濃度顯著降低。如果按25來計算，則在上述相同工況下，高頻開關電源SIR輸出功率比可控硅工頻相控整流電源T/R要高出56，從而減少了粉塵排放濃度，提高了除塵效率。 此外，對于高比電阻的工況，高頻開關電源容易得到各式各樣的能提高除塵效果的供電波形，常規(guī)電源T/R則因波形單一，無法提高除塵效率。加上系統(tǒng)控制，SIR比T/R可減少粉塵排放量3080。上述著重說明了高頻開關電源能提高除塵效率，減少粉塵排放量。SIR克服常規(guī)的工

8、頻可控硅整流電源T/R的前述四個缺點則是顯而易見的：（1）SIR的轉換效率可高達95以上，節(jié)電20；（2）SIR功率因數(shù)達0.9以上，比T/R提高0.2；（3）SIR體積重量比T/R減為1/5以下；（4）SIR控制柜和變壓器集成為一體，比T/R省去了控制室。 三、電除塵器提高除塵效率的根本途徑是系統(tǒng)控制 電除塵器是一個系統(tǒng)，包括電除塵器本體、電源設備、振打設備、清灰設備、加熱器、系統(tǒng)控制器等。欲提高除塵效率，減少粉塵排放，以達到新的環(huán)保標準,除了擴大和改進電除塵器本體之外，更經濟實用的辦法應當說是注重系統(tǒng)，找出薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)最佳控制。曾有一個電廠，原來除塵效果很差，想了許多辦法都沒有解決，后來

9、將振打設備和供電電源一起同步控制之后問題解決了。還有許多例子：將供電電源由常規(guī)的T/R更換成高頻開關電源SIR之后，粉塵排放量減少了50，達到了新的環(huán)保標準。有的天氣特別寒冷的地區(qū)，除塵系統(tǒng)無法正常工作，需要預先啟動加熱器對除塵設備和電源設備實行預加熱。有的除塵設備因為鍋爐燃煤改變、工況改變需要調整電除塵器極板電源電壓才能實現(xiàn)最佳除塵效果等等。這就是說，要將電除塵器系統(tǒng)的各個設備的工作有機連接起來，協(xié)調工作，以實現(xiàn)最佳控制，就需要有一個系統(tǒng)控制器，這個系統(tǒng)控制器自然是采用電子計算機，實現(xiàn)數(shù)字化，而不是模擬控制器。 四、高頻開關電源SIR需要數(shù)字控制器 電源設備和其他電子設備一樣，已由模擬控制轉

10、入數(shù)字控制。中、大功率開關電源已更多的采用了數(shù)字控制，電除塵器用高頻開關電源通常都是30千瓦100千瓦以上，屬于大功率開關電源。采用30MHZ300MHZ工作頻率的數(shù)字信號處理器DSP做下位機，實現(xiàn)20KHZ50KHZ大功率逆變的實時控制是經濟可行的。另一方面，電除塵器電源一般不是一臺，而是多至3臺8臺甚至10臺以上，電除塵器高頻開關電源實現(xiàn)了控制柜和變壓器一體化，一般都安裝在電除塵本體旁邊，遠離控制室。為了實現(xiàn)群控和遙控，需要上位機。 電除塵器高頻開關電源采用全數(shù)字控制即上位機和下位機控制，相對模擬控制具有如下優(yōu)點：（1）數(shù)字化控制可采用先進的控制方法（如自適應用控制）和智能控制策略，使得電

11、除塵器ESP的自動化程度更高；（2）控制靈活，系統(tǒng)升級方便，可以在線設置、修改運行參數(shù)，遠程開啟和關閉電源；（3）可以在同一個硬件系統(tǒng)中實現(xiàn)兩種不同原理的控制，比如可以在以調頻為主的同時實現(xiàn)某些特定情況下的調寬控制；（4）數(shù)字傳輸比模擬量傳輸可靠性更高，進一步提高了電源的可靠性，易于標準化；（5）系統(tǒng)維護方便；（6）系統(tǒng)一致性好，成本低，中斷程序和分支程序的使用省去了許多硬件電路，生產制造方便；（7）易于組成并聯(lián)運行系統(tǒng)，擴大電源容量，滿足大功率電除塵器的需求；（8）可以兼?zhèn)潆姵龎m器設備系統(tǒng)的系統(tǒng)控制功能。 五、高頻開關電源SIR的全數(shù)字控制能同時實現(xiàn)電除塵器的系統(tǒng)控制 前面第三節(jié)說了電除塵器

12、需要一個系統(tǒng)控制器，以實現(xiàn)最佳的除塵效率控制。第四節(jié)說了電除塵器高頻開關電源SIR需要數(shù)字控制器上位機和下位機。顯然，第三節(jié)和第四節(jié)可以結合起來，電除塵器系統(tǒng)控制功能可以通過開關電源SIR的上位機和下位機來實現(xiàn)，這是一個經濟實惠可行的最佳方案和決策。自然，從事該項工作的工程師不能只是電源工程師，而也需要系統(tǒng)工程師參加，而且今后將成為電除塵器研究的重點課題之一了。 六、電除塵器高頻開關電源SIR的線路和控制方案 總體控制方案，前面已經說了，可以采用模擬控制和數(shù)字控制兩種，以數(shù)字控制為好。數(shù)字控制又有兩種：（1）由上位機數(shù)字控制，和電源本身由模擬電子專用芯片控制相結合的半數(shù)字控制；（2）上位機實現(xiàn)

13、遙控和群控，下位機實現(xiàn)電源本身的實時獨立控制，即所謂全數(shù)字控制。上位機對下位機和電源的網絡控制見圖4。主電路形式是多種多樣的，控制形式也是多種多樣的，如果兩者結合起來，線路形式不勝枚舉，但其宗旨是共同的：（1）提高除塵效率；（2）提高轉換效率；（3）提高功率因數(shù)；（4）降低成本；（5）增加電源對電除塵器的適用性；（6）提高可靠性，減少維修等。 圖4 遠程網絡控制 為了提高輸出功率，最好采用IGBT全橋逆變。 為了提高轉換效率，最好采用軟開關。 主電路形式主要有兩種： （1）一個有源功率變換環(huán)節(jié)，圖1就是其中一個例子。 （2）兩個有源功率變換環(huán)節(jié)，圖5就是其中一個例子。 圖5 高頻開關電源SIR

14、的另一種主電路拓撲框圖圖1的工作原理前面已經說過了。圖5是電除塵器高頻開關電源主電路的另一種拓撲。有源功率轉換環(huán)節(jié)有兩個：一個是斬波器，將三相整流后的直流輸入電壓520v斬波降壓穩(wěn)定在某一電壓比如DC400v,一個是IGBT全橋逆變器，將直流電壓比如400v逆變成高頻方波交流電壓送給高頻升壓變壓器，斬波器和逆變器全由DSP控制，斬波器可以根據工況需要調節(jié)輸出電壓，IGBT全橋逆變器可以根據工況要求調節(jié)輸出電流。圖1輸出電流和電壓全由IGBT逆變器調節(jié)實現(xiàn)，因此圖1的轉換效率比圖5高。 電除塵器輸出電流、電壓的調節(jié)原理和方法主要有兩種： （1）調頻 圖6為逆變器電流波形。顯然，頻率低的圖(b)，

15、其電除塵器平均電流小于頻率高的圖(a)的平均電流。 圖6 逆變電流波形 （2）調寬 圖7為逆變器電壓波形，圖(a)與圖(b)頻率相同。顯然，脈沖窄的圖(b)，其電除塵器的平均電壓要低于脈沖寬的圖(a)的平均電壓。 圖7 逆變器調寬電壓波形 七、高頻開關電源是新建和改造電除塵器的首選供電設備 1、新的環(huán)保要求給電除塵器和供電電源提出了新的課題。十多年來我國環(huán)保形勢已發(fā)生了巨大的變化，作為大氣污染治理的主戰(zhàn)場火力發(fā)電廠裝機容量增加了三倍，單機機組由300、600Mw發(fā)展到900、1000Mw；粉塵允許排放濃度由200mg/m3降到50mg/m3；電站脫硫技術迅速發(fā)展，尤其是干法脫硫后要處理的粉塵濃

16、度高達8002000g/m3，這就要求電除塵器的除塵效率在99.99以上，這些都給電除塵器本體和供電電源以及振打裝置等提出了新的課題。 2、電除塵器（ESP）是國際上公認的高效率除塵設備，具有運行可靠、維護方便及電耗低等優(yōu)點，過去、現(xiàn)在和將來在火力發(fā)電廠、鋼鐵、冶金、造紙、水泥、輕紡、化工等領域都是除塵的主要手段。電除塵器是環(huán)保設備，凡是電除塵器都需要供電電源配套。 3、高頻開關電源是電除塵器電源發(fā)展的趨勢。正如上世紀八十和九十年代電子計算機、通信和電力操作等領域開關電源取代了可控硅相控電源那樣，二十一世紀其他工業(yè)領域特別是環(huán)保領域開關電源將逐步取代可控硅高頻相控電源。 4、高頻開關電源可作為新建電除塵器的首選電源配套設備，這樣就一勞永逸了。否則，如果新建的電除塵器仍選用了原有的可控硅工頻相控電源為供電電源，過不了兩三年，電源又要被