基于中頻調(diào)幅調(diào)壓的電除塵用脈沖電源的研究

蔣允輝，李 甲，蔣云峰，陳 煒

（1.北京信實(shí)德電氣設(shè)備有限公司，北京 100081；2.武漢大學(xué)，武漢 430071）

基于中頻調(diào)幅調(diào)壓的電除塵用脈沖電源的研究

蔣允輝1，李 甲1，蔣云峰2，陳 煒2

（1.北京信實(shí)德電氣設(shè)備有限公司，北京 100081；2.武漢大學(xué)，武漢 430071）

介紹了電除塵（ESP）用脈沖高壓電源的一種技術(shù)方案。分析了其工作原理、技術(shù)方案和特性。應(yīng)用結(jié)果表明，ESP供電采用脈沖電源與高頻電源組合方式，具有節(jié)能及減排的雙重效果，脈沖電源采用中頻調(diào)幅調(diào)壓具有優(yōu)良的控制特性。

電除塵（ESP）；脈沖高壓電源；中頻調(diào)幅調(diào)壓；供電特性

序言

脈沖高壓電源（簡稱脈沖電源）是電除塵（簡稱ESP）最新一代電源（第一代：SCR電源；第二代：高頻電源；第三代：脈沖電源）的供電裝置，是脈沖功率技術(shù)（慢充快放）新的應(yīng)用領(lǐng)域。大量應(yīng)用表明，ESP采用脈沖電源供電時(shí)，不僅能提高ESP收塵效率，同時(shí)脈沖電源加基礎(chǔ)電源的總能耗只有純直流供電時(shí)的1/5～1/2，并且脈沖供電比直流供電能更好地處理高比電阻粉塵及超細(xì)微粉塵，因此采用脈沖供電是當(dāng)今ESP供電技術(shù)的發(fā)展方向。

隨著國內(nèi)脈沖電源技術(shù)的不斷成熟，元器件產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成，脈沖電源的可靠性及性價(jià)比不斷提高，脈沖電源的推廣培育了市場，其應(yīng)用市場已逐步形成。目前，常用的電源有SCR電源、高頻電源、脈沖電源，其運(yùn)行特性為：

（1）SCR電源。單/三相工頻交流、移相調(diào)壓，低頻SCR開關(guān)，工頻變壓器，輸出電壓紋波大（紋波波動(dòng)頻率：單相為100Hz；三相為300Hz）；連續(xù)供電+間隙供電（模擬脈沖：ms級(jí)）。

（2）高頻電源。高頻諧振PFM調(diào)壓，高頻IGBT開關(guān)（n～20kHz），高頻變壓器，輸出電壓紋波極?。y波波動(dòng)頻率：nkHz）；連續(xù)供電+間隙供電（模擬脈沖：ms級(jí)）。

（3）脈沖電源。調(diào)幅調(diào)壓，高壓IGBT脈沖開關(guān)，脈沖變壓器，輸出可調(diào)幅電壓脈沖；脈沖頻率可調(diào)（0～200Hz）；基礎(chǔ)電壓可調(diào)（可用SCR電源、高頻電源作為基礎(chǔ)電壓源）。脈沖供電（脈沖：μs級(jí)）電壓的幅度、頻率、基礎(chǔ)電壓均可獨(dú)立調(diào)節(jié)。

目前，國內(nèi)脈沖電源采用的方案是丹麥FLSmidth公司的第四代Coromax電除塵用脈沖電源（低壓側(cè)脈沖+脈沖變壓器）結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)型：主要是改進(jìn)了脈沖充電回路的結(jié)構(gòu)形式（如采用三相交流移相調(diào)壓、中頻調(diào)幅調(diào)壓、高頻PFM調(diào)壓），優(yōu)化了脈沖電源與基礎(chǔ)電源的匹配關(guān)系，基于國內(nèi)ESP狀況改進(jìn)了控制算法等。

本文提出了一種采用中頻調(diào)幅調(diào)壓原理的脈沖電源方案。

1 脈沖電源的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

脈沖電源采用AC→DC→AC→DC→脈沖的變流工作方式，實(shí)現(xiàn)脈沖電壓、電流的輸出。

單相單極性二電平SPWM逆變，產(chǎn)生200Hz中頻可調(diào)幅電壓，實(shí)現(xiàn)輸出可調(diào)幅電壓脈沖。

脈沖頻率可調(diào)（10～200Hz）；基礎(chǔ)電壓可調(diào)（SCR電源、高頻電源作為基礎(chǔ)電壓源，可工作在連續(xù)方式或間隙方式）。脈沖電壓的幅度、頻率、基礎(chǔ)電壓均可獨(dú)立調(diào)節(jié)（真實(shí)脈沖：70～100μs級(jí)）。

1.2 創(chuàng)新點(diǎn)

采用中頻調(diào)幅調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)脈沖輸出電壓的調(diào)節(jié)。與其它脈沖電源調(diào)壓方式相比，具有調(diào)節(jié)方便穩(wěn)定、線性度好、充電電源體積小等特點(diǎn)；采用專門設(shè)計(jì)的高壓IGBT開關(guān)緩沖電路，實(shí)現(xiàn)了高壓IGBT開關(guān)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行；采用專門設(shè)計(jì)的脈沖電壓、電流采樣電路，實(shí)現(xiàn)了高精度的采樣；采用軟、硬件結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)了脈沖波形（峰值）的檢測及閃絡(luò)處理；基于高速DSPs的分析、計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)脈沖電源的精確控制及脈沖參數(shù)、電場參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算與顯示；基礎(chǔ)電壓源可工作在連續(xù)方式或間隙方式，其中，采用間隙方式時(shí)，脈沖電源能自動(dòng)跟蹤間隙峰值，實(shí)現(xiàn)最大電壓供電?；A(chǔ)電源工作在間隙供電情況下，可使脈沖電源系統(tǒng)節(jié)能效果更明顯。

2 脈沖電源的工作原理

2.1 三相整流，濾波環(huán)節(jié)

三相交流AC400V經(jīng)整流橋D1，濾波電路Lf0、Cf0，得到550V直流電壓，送至IGBT逆變電路。

2.2 單相中頻逆變環(huán)節(jié)

直流電壓經(jīng)IGBT逆變電路（PWM控制），產(chǎn)生基波為200Hz交流電壓，送到中頻變壓器ZB。

2.3 中頻升壓、整流環(huán)節(jié)

基波為200Hz交流電壓，經(jīng)中頻變壓器ZB升壓、整流得到2.3kV直流電壓為脈沖發(fā)生器供電。

2.4 脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)

通過電感Lf及脈沖變壓器原邊，2.3kV直流電壓為脈沖發(fā)生器的儲(chǔ)能電容Cs供電；當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，儲(chǔ)能電容Cs對(duì)脈沖變壓器放電，形成電壓脈沖，再經(jīng)脈沖變壓器升壓，形成高電壓脈沖；經(jīng)耦合電容Cc進(jìn)入ESP與基礎(chǔ)電壓疊加。

變流、調(diào)壓的控制原理：通過PWM（SPWM）可實(shí)現(xiàn)輸出脈沖電壓的調(diào)節(jié)。具體為：通過調(diào)節(jié)200Hz中頻正弦波的幅值，調(diào)節(jié)脈沖輸出電壓；脈沖電壓的頻率由高壓脈沖開關(guān)的工作頻率決定。

脈沖電源部分與基礎(chǔ)電源部分采用分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)立安裝，通過高壓開關(guān)箱進(jìn)行連接（如圖1），兩部分均由電源機(jī)柜、變壓器油箱、散熱系統(tǒng)組成，便于設(shè)備的檢修和維護(hù)。

圖1 脈沖電源部分與基礎(chǔ)電源部分連接圖

3 脈沖電源的結(jié)構(gòu)

脈沖電源的充電回路如圖2；脈沖電源的脈沖形成電路如圖3；部分脈沖電源控制柜見圖4；脈沖電源變壓器油箱見圖5。

圖2 脈沖電源充電回路圖

圖3 脈沖電源脈沖形成電路圖

圖4 脈沖電源控制柜部分圖

圖5 脈沖電源變壓器油箱圖

4 脈沖電源LCD控制及顯示

脈沖電源由DSP進(jìn)行控制，并由LCD觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及顯示，二者通過MODBUS協(xié)議進(jìn)行通信，LCD同時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行通信。觸摸屏界面包括：主界面、通道校準(zhǔn)界面、保護(hù)參數(shù)設(shè)定界面、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定界面、故障告警界面。

4.1 主界面（如圖6所示）

圖6 主界面圖

LCD的主界面顯示包括：1）電源運(yùn)行狀態(tài)。紅燈表示運(yùn)行，綠燈表示停止?fàn)顟B(tài)；2）電源運(yùn)行的各種參數(shù)。脈沖電壓、電流峰值趨勢圖（黃線表示脈沖電壓峰值，綠線表示脈沖電流峰值）；3）故障狀態(tài)。紅燈閃爍表示有故障，綠燈表示無故障。

4.2 通道校準(zhǔn)界面（如圖7所示）

通道校準(zhǔn)界面用于執(zhí)行各個(gè)模擬通道的參數(shù)校準(zhǔn)。

圖7 通道校準(zhǔn)界面圖

4.3 保護(hù)參數(shù)設(shè)定界面（如圖8所示）

圖8 保護(hù)參數(shù)設(shè)定界面圖

4.4 運(yùn)行參數(shù)設(shè)定界面（如圖9所示）

圖9 運(yùn)行參數(shù)設(shè)定界面圖

4.5 故障告警界面（如圖10所示）

圖10 故障告警界面圖

圖10界面顯示的是故障類型。紅燈表示對(duì)應(yīng)的故障發(fā)生，綠燈表示對(duì)應(yīng)的故障未發(fā)生。此界面的上部設(shè)有“故障復(fù)位”按鈕，按此按鈕，清除故障記錄及故障動(dòng)作后，便可重新啟動(dòng)電源。

5 脈沖電源的應(yīng)用

5.1 ESP配置情況

本脈沖電源應(yīng)用現(xiàn)場為1臺(tái)330MW熱電機(jī)組的ESP。ESP為四室四電場，其中，一、二電場同極距為400mm，配置8臺(tái)高頻電源；三、四電場同極距為455mm，配置8臺(tái)高頻電源（作為基礎(chǔ)電源）+8臺(tái)脈沖電源。ESP電場等值電容為0.08～0.09μF。經(jīng)電場改造及更換高頻、脈沖電源，設(shè)計(jì)ESP出口粉塵為25mg/m3。

5.2 電源運(yùn)行情況

第一、二電場的同極距為400mm，高頻電源電壓40～45kV/電流700～800mA；第三、四電場的同極距為455mm：高頻電源（基礎(chǔ)電源）電壓30～35kV/電流200～300mA；脈沖電源：峰值電壓30～40kV/峰值電流100～200A，輸入功率小于5kW。

運(yùn)行表明：基礎(chǔ)電源電流200～400mA較合適（既滿足收塵要求，又節(jié)能）；脈沖頻率可以適當(dāng)降低（100～200Hz），可減少開關(guān)和脈沖變壓器的損耗，進(jìn)而減少電源溫升。

5.3 脈沖電源的特性

本脈沖電源既可開路運(yùn)行，也可短路運(yùn)行；實(shí)時(shí)顯示脈沖電壓、脈沖電流的峰值、脈沖電源輸入有功功率、脈沖輸出視在功率、脈沖寬度及電場負(fù)載電容；可直接設(shè)定脈沖充電電壓、脈沖電壓、脈沖電流的峰值。

5.4 ESP出口粉塵

ESP的實(shí)際出口粉塵從原來的接近100mg/Nm3，下降到26mg/Nm3。

5.5 脈沖電源運(yùn)行圖

脈沖電源的上位機(jī)控制界面如圖11所示。

圖11 脈沖電源上位機(jī)控制界面

脈沖電源的上位機(jī)控制界面可對(duì)脈沖電源進(jìn)行控制及運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)的顯示。

脈沖電源的安裝圖及參數(shù)顯示見圖12、圖13。脈沖電源實(shí)際測量波形如圖14、圖15。

圖12 脈沖電源及高頻電源安裝圖

圖13 脈沖電源參數(shù)顯示儀表圖

圖14 脈沖電源中頻逆變波形圖

圖15 脈沖輸出電壓、電流波形圖

6 結(jié)論

理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖電源采用中頻調(diào)幅調(diào)壓具有優(yōu)良的控制特性?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，ESP供電采用脈沖電源與高頻電源組合的方式，具有節(jié)能及減排雙重效果。

本脈沖電源在現(xiàn)場應(yīng)用調(diào)試中也遇到諸多問題，如與基礎(chǔ)電源的配合問題、脈沖電源控制算法的優(yōu)化、脈沖多種參數(shù)設(shè)定等。

脈沖電源的應(yīng)用是脈沖電源面臨的一個(gè)新課題，需要在設(shè)計(jì)、選型、現(xiàn)場應(yīng)用等方面進(jìn)行深入研究，掌握其規(guī)律，才能保證脈沖電源穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，真正發(fā)揮脈沖電源應(yīng)有的性能。

[1] 郭俊.試論脈沖電源的實(shí)用化問題[Z].

[2] 陳穎，郭俊，等.電除塵高頻電源的研制與應(yīng)用[C]. 第十二屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.

[2][3] 劉琰.電除塵器脈沖供電的基礎(chǔ)研究[D].上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

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Research on Pulse Power Source Adopted by Electrostatic Precipitation Based on Intermediate Frequency, Amplitude Modulation and Pressure Adjustment

JIANG Yun-hui1, LI Jia1, JIANG Yun-feng2, CHEN Wei2
(1.Beijing TRUSTEK Electrical Equipment Co., Ltd, Beijing 100081; 2 Wuhan University, Wuhan 430071, China)

The paper indicates that the electrostatic precipitation (ESP) adopts a technical program of pulse and high voltage power source, analyzes its working principle, technical program and characteristic. The application result shows that ESP power supply adopts the assembled mode of pulse power source and high frequency power source and has double effects of energy saving and emission reduction, the pulse power source which adopts intermediate frequency, amplitude modulation and pressure adjustment has a excellent control characteristic.

ESP; pulse & high voltage power source; intermediate frequency, amplitude modulation and pressure adjustment; characteristic of power supply

X701

A

1006-5377（2017）02-0025-04