電除塵高頻電源裝置原理與故障排除研究

陳正輝，王文豪

（浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325609）

某電廠電除塵器為采用公司生產(chǎn)的JHGP型高頻電源裝置。在運行過程中會遇到“IGBT故障”“高壓整流故障”“二次短路”等情況，僅通過報警信息不能確定準確的故障元件，在消缺過程中往往采用替換法，效率較低且易造成其他元件損壞，特別是高頻電源油箱內(nèi)的元件，需吊芯才能完成更換。本文通過高頻電源裝置原理研究，結(jié)合波形分析，對高頻電源裝置內(nèi)部的初級整流橋、IGBT逆變橋，以及高壓整流橋在設(shè)備不解體吊芯情況下在線波形分析，提高高頻電源故障元器件判斷的準確性，減少消缺工作量。

1 高頻電源工作原理分析

JHGP型高頻電源主要由初級整流電路、IGBT逆變電路、串聯(lián)諧振電路，高壓整流變等組成。初級整流電路功能是將三相電源經(jīng)輸入電抗器和高頻濾波器后供給初級整流電路，再經(jīng)直流濾波電容產(chǎn)生一個直流電壓。理論電壓值U≈1.35×380V=513V。初級整流電路主要將三相交流電壓轉(zhuǎn)換成較為穩(wěn)定的直流電，供給IGBT逆變回路。直流電壓的值需要與后級電路參數(shù)配合，保證產(chǎn)生所需輸出二次電流。初級整流波形回路自高頻電源無故障時即開啟全觸發(fā)模式，而高壓整流為二極管不可控整流橋。因此，高頻電源的核心控制在全橋逆變電路與串聯(lián)諧振電路，其中真正可控部分為IGBT模塊，接下來就把全橋逆變電路與串聯(lián)諧振電路組成的串聯(lián)諧振變換器進行分析。

如圖1所示的串聯(lián)諧振變換器，該電路為典型的具有容性濾波的LC串聯(lián)諧振電路。其中T1～T4為開關(guān)管，D1～D4為反并聯(lián)在IGBT開關(guān)管上的續(xù)流二極管，在IGBT模塊中自動集成。C3為諧振電容，L1為諧振電感，TR1為高頻變壓器和整流硅堆，即高頻整流變。ESP為靜電除塵器。假設(shè)高頻變壓器的一、二次變比為1:n，Vo為最終二次側(cè)輸出至電除塵器的輸出電壓，Ve為該二次電壓等效至整流變一次側(cè)的值，依據(jù)變壓器理論，則有Ve=-Vo/n，Ve、Vo符號相反是因為整流變中的整流橋方向反向，使輸出反向。高頻電源連接的是靜電除塵器的陰極線，陽極板直接接地，為形成正向電場，故高頻電源必須輸出負高壓，確保形成正確的收塵電場方向，故Vo＜0。ir為諧振電流，圖示方向默認為諧振電流正方向。SAl為高壓隔離開關(guān)。高頻電源運行時將其切換至連接狀態(tài)，停運時將其切換至接地狀態(tài)(圖中未示意出)。假設(shè)圖所示器件均工作于理想狀態(tài)。

圖1

LC串聯(lián)諧振變換器的開關(guān)頻率為fs，即為IGBT開關(guān)的開關(guān)頻率。諧振固有頻率設(shè)為fr，根據(jù)fs與fr之間的關(guān)系，可使該串聯(lián)諧振變換器在三種不同的模式下工作。

（1）感性工作模式。此時fs>fr。諧振電流連續(xù)，IGBT管開通時為零電壓零電流狀態(tài)，而關(guān)斷時為大電流狀態(tài)。

（2）容性工作模式。此時0.5fr＜fs＜fr,諧振電流連續(xù)，IGBT管在大電流時開通，零電壓零電流狀態(tài)下關(guān)斷。開通瞬間，通過IGBT模塊內(nèi)部的反并聯(lián)二極管進行續(xù)流，保證諧振回路的正常運行。因二極管經(jīng)常工作于正反壓狀態(tài)，對二極管的反向恢復(fù)能力有較大要求。

（3）電流斷續(xù)模式。fs＜0.5fr,，IGBT管工作于零電壓開通，零電壓零電流關(guān)斷。

串聯(lián)諧振變換器工作在電流斷續(xù)模式，時間區(qū)間t0～t1：IGBT開通前，因電路處于斷續(xù)工作模式，故諧振電流ir為零。t0時刻IGBT管T1、T3開通，因電壓為正向電壓，故諧振電流ir方向與圖所示方向相同，電流通路為電源正極->T1->C3->TR->低壓側(cè)->L1->T3->電源負極。此時有能量從一次側(cè)向二次側(cè)傳輸，二次側(cè)高壓硅堆相應(yīng)通路自然導(dǎo)通。因IGBT管開通時，ir=0，故其是零電流開通。由電路理論可知，諧振電流ir波形為正弦波形式，當諧振電流諧振回0時，記為tl時刻，此時諧振電流ir為零，各導(dǎo)通的硅堆自然關(guān)斷，這一階段結(jié)束。諧振電流為：

時間區(qū)間t1-t2:t1時刻電流反向，ir＜0,由于IGBT管反向阻抗較大，故反向電流絕大部分從反并聯(lián)二極管流過。諧振電流通路為電源負極_-->D3-->L1-->TRl低壓側(cè) -->C3-->D1-->電源正極。在該時間段內(nèi)控制IGBT關(guān)斷最理想，此時IGBT開關(guān)管 就能實現(xiàn)零電流零電壓關(guān)斷。此時間區(qū)間內(nèi)，高壓硅堆相應(yīng)側(cè)自然導(dǎo)通，能量從負載側(cè)向變壓器原邊傳輸。至諧振電流ir諧振回零時，此階段結(jié)束，結(jié)束時刻，記為t2。t2時刻，高壓硅堆自然關(guān)斷，諧振電流為：

時間區(qū)段t2～t3：從t0～t2時刻這一區(qū)間，意味著一個諧振周期完成，能量從電源側(cè)向負載傳輸一次。t2時刻起，諧振電流ir保持為零，IGBT管和各二極管均未導(dǎo)通，也沒有能量傳輸，所有元件狀態(tài)均維持原樣，輸出電壓由靜電除塵器本身的等效電容維持，電壓會有一定程度下降，但靜電除塵器的時間常數(shù)較大，在下一個諧振周期來臨之間，電除塵器上的電壓降很小。t3為下一個諧振周期開始的時刻。

t3時刻后的工作狀態(tài)與前一個周期類似，唯一不同的是導(dǎo)通的IGBT管變?yōu)門2、T4，諧振電流方向為先反向，后正向。

2 實測波形驗證

因高頻電源裝置工作頻率較高，采用采樣頻率200MHz的示波儀對經(jīng)過該裝置進行波形分析，驗證上述工作原理。

高壓整流后t1～t2的諧振電流波形，從負翻轉(zhuǎn)為正，實測高頻電源工作時，二次電流波形如圖2（3A8干電火花率，電流20mA，電壓32kV）。

原邊諧振電流t0～t2波形，經(jīng)過整流，與實測整流后的二次電流波形特征相符。根據(jù)實測波形顯示串聯(lián)諧振固有頻率為1/25μs=40kHz。ir(t0-t1)與ir(t1-t2)幅值差即為：

實測高頻電源短路試驗波形如圖3所示。

圖3 顯示刻度為5μs

二次電壓V0為0，故ir(t0-t1)與ir(t1-t2)幅值差為0,波形特征相符。

由此可知，電流波形兩個波頭之間的幅值差與 二次電壓成正相關(guān)。二次電壓越大，兩個波頭幅值差越大，二次電壓為零時，兩個波頭幅值也就完全一致。

3 高頻電源不同模式下的實錄波形分析

3.1 火花率控制模式

火花率控制模式下二次電流20mA，開關(guān)頻率fs=1/1400μs電流波形見圖4。

圖4 顯示刻度為20μs

火花率控制模式下二次電流538mA，開關(guān)頻率fs=1/100μs電流波形見圖5。

圖5 顯示刻度為100μs

通過對比火花率模式下，不同二次電流的波形，得出以下結(jié)論，高頻電源串聯(lián)諧振固定一直頻率不變，通過提高開關(guān)頻率fs來增加高頻電源輸出二次電壓、二次電流。

3.2 脈沖模式

由圖6、圖7可知：

圖6 脈沖方式下的高能頻率顯示刻度為200μs

圖7 脈沖方式下的低能頻率顯示刻度為50μs

高能頻率輸出時，開關(guān)頻率：

低能頻率輸出時，開關(guān)頻率：

以上實測結(jié)果與高頻電源控制液晶屏所設(shè)定高能頻率、低能頻率的參數(shù)一致。

通過分析可知，脈沖方式下，脈沖寬度對應(yīng)高能頻率的輸出時間；一個脈沖周期內(nèi)除高能頻率輸出時間之外，即為低能頻率輸出時間。

即高能頻率輸出-低能頻率輸出構(gòu)成了一個脈沖周期。即可對脈沖周期占空比即可對輸出調(diào)節(jié)。

4 錄波分析在實際消缺中的應(yīng)用

4.1 案例1

某電廠3A7干電高頻電源運行中二次電壓較低，無法達到設(shè)定值，檢查電壓回路相關(guān)接線緊固，測量二次電壓確實偏低，對高頻電源進行空升試驗，二次電壓可升至額定值。

后對二次電流進行錄波，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)兩個波頭有明顯幅值差，而液晶屏顯示僅5kV。錄取其他正常運行高頻電源二次電流波形進行對比（液晶屏顯示值為30kV），基本與圖10波頭幅值差基本一致，判斷該高頻電源二次電壓測量失準。對該高頻電源油箱進行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)油箱內(nèi)部二次電壓接線端子較松，緊固后，試投正常。

圖8 顯示刻度為10μs

4.2 案例2

某電廠2B6干電高頻電源脈沖方式下電流偏大1200mA左右，同工況電場脈沖方式電流約為200mA左右。切至火花率方式運行，電流正常受控。

后對脈沖方式下二次電流進行錄波發(fā)現(xiàn)波形已紊亂（如圖9所示）。后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該裝置高頻電源PLC低能頻率模擬量通道（0～10V）輸出固定為1.9V左右，不隨設(shè)定值變化，而高能頻率設(shè)定值為1500Hz，模擬量通道（0～10V）輸出為0.9V左右，判斷為低能頻率模擬量通道輸出失控造成波形紊亂，電流偏大。而對應(yīng)而因火花率方式下低能頻率不起作用，因此能在火花率方式下正常工作。

圖9 顯示刻度為5μs

將該PLC送至廠家檢測，發(fā)現(xiàn)PLC模擬量通道內(nèi)部電容長時間運行老化，導(dǎo)致模擬量輸出不可控。

5 結(jié)語

本文通過高頻電源裝置工作原理的分析，總結(jié)了一套通過高采樣頻率示波儀進行波形分析方法，對電除塵用高頻電源裝置進行故障元件定位，減輕了高頻電源裝置解體吊芯的工作量，提高了消缺工作的效率和準確性。