全面推動(dòng)我國(guó)電除塵器ESP電源的高頻化進(jìn)程

1、全面推動(dòng)我國(guó)電除塵器（ESP）電源的高頻化進(jìn)程張谷勛武漢國(guó)測(cè)數(shù)字技術(shù)有限公司 武漢江夏區(qū)國(guó)測(cè)科技工業(yè)園 430223摘要：文章通過電除塵器（ESP）工頻、中頻、高頻三種電源的比較，說明了電除塵器高頻開關(guān)電源是一個(gè)典型的節(jié)能減排降耗產(chǎn)品。文章進(jìn)一步提出了如何把高頻開關(guān)電源的功率做大，并且提供和分析了一種大功率實(shí)用電路拓?fù)洌╇姵龎m器領(lǐng)域科技工作者共同研究。關(guān)鍵詞：電除塵器（ESP） 節(jié)能減排降耗 串聯(lián)諧振變換器1、 前言 我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)煤大國(guó)，燃煤是我國(guó)的主要能源之一，因此我國(guó)也是粉塵排放大國(guó)。燃煤、石油、天然氣等資源是有限的。因此節(jié)能減排保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡是各行各業(yè)的重要任務(wù)，也是衡量各個(gè)企業(yè)制

2、造出來的產(chǎn)品性能價(jià)格比的重要指標(biāo)。高壓靜電除塵器是除塵減排的主要設(shè)備，它需要直流高壓電源供電，一般需要100mA/72kv2000mA/72kv直流電源，而且今后的發(fā)展趨勢(shì)是火力發(fā)電廠向“大”發(fā)展，電除塵器和供電電源也是向“大”發(fā)展，大多需要2000mA/72kv高壓直流電源。2004年我國(guó)電除塵委員會(huì)統(tǒng)計(jì)我國(guó)電除塵設(shè)備年產(chǎn)超過100億元大關(guān)，其中高壓電源占1/101/8，即10億元12.5億元。我國(guó)是個(gè)電除塵器大國(guó)。我國(guó)電除塵器使用的電源過去和現(xiàn)在基本上都是工頻50HZ可控硅相控電源，效率低，輸出紋波大，不利于節(jié)能減排，消耗大量銅和鐵，不利于可持續(xù)發(fā)展。高頻開關(guān)電源能夠克服上述缺點(diǎn)，發(fā)達(dá)國(guó)家

3、如美國(guó)、法國(guó)、瑞典、德國(guó)等都已采用高頻開關(guān)電源給電除塵器供電。因此，全面推動(dòng)我國(guó)電除塵器（ESP）電源的高頻化進(jìn)程，為節(jié)能減排做貢獻(xiàn)是擺在我國(guó)電源界的科技工作者，特別是電除塵領(lǐng)域的科技工作者面前的首要任務(wù)。2、 電除塵器高頻開關(guān)電源是典型的節(jié)能減排降耗產(chǎn)品電除塵器供電電源，前面說了，要采用高壓直流電源，一般電壓很高，達(dá)70kv以上，電流較大，大部分為800mA2000mA，功率大，大部分為50kw150kw。實(shí)現(xiàn)上述高壓直流電源可以采用工頻（50HZ）調(diào)壓，中頻（400HZ）逆變和高頻（20KHZ）開關(guān)三種辦法。于是就產(chǎn)生了三種電源工頻可控整流電源、中頻逆變整流電源和高頻開關(guān)電源。工頻、中頻和

4、高頻三種調(diào)節(jié)均可采用單相或者三相調(diào)節(jié)，也可采用恒流調(diào)節(jié)或者恒壓調(diào)節(jié)，因此就出現(xiàn)了各色各樣的電路。我們僅就單相工頻，單相中頻和單相高頻三種調(diào)節(jié)方式在節(jié)能減排降耗方面做一比較。2.1節(jié)能方面電源的節(jié)能主要體現(xiàn)在它的轉(zhuǎn)換效率上，工頻電源效率一般為75，中頻電源效率一般可做到85，高頻開關(guān)電源效率可做到95，高頻電源比工頻電源節(jié)電20，如果是2000mA/70kv，每天節(jié)約672度電，每年按300天計(jì)算，節(jié)約201600度電，假定每度電1元，則每年可節(jié)省20萬元。2.2降耗方面大家知道，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變壓器的匝數(shù)與頻率成反比，即頻率愈高，變壓器匝數(shù)愈少，體積重量愈小，耗銅和鐵愈少。一般來講，工頻、

5、中頻、高頻三種電源變壓器耗銅耗鐵耗油耗空間的比為6：3：1。2.3減排方面高頻開關(guān)電源相對(duì)工頻相控整流電源為什么能減少粉塵排放呢？原因有兩條：第一、電除塵器相當(dāng)于一個(gè)RC并聯(lián)等效電路，其中電阻R隨工況變化很大，而電容C相對(duì)比較恒定，一般為20000PF40000PF。這樣數(shù)值的電容對(duì)低頻50HZ來說，濾波作用較小，而對(duì)20KHZ來說，則濾波作用就很明顯了。就工頻50HZ電源來說，峰值電壓和平均電壓相差很大，如果在谷點(diǎn)電壓閃絡(luò)，則輸出電流大大減小。20KHZ高頻開關(guān)電源的輸出峰值電壓和直流平均電壓基本上是一個(gè)數(shù)值，供電電壓高，輸出電流自然就大，除塵效果自然就好。第二、采用工頻相控整流電源只能獲得

6、單一的50HZ或100HZ波形，對(duì)電除塵器高比電阻粉塵的工況除塵減排效果很差。高頻開關(guān)電源，如果采用計(jì)算機(jī)控制，可根據(jù)不同需要，獲得各式各樣的電流和電壓波形，對(duì)電除塵器高比電阻粉塵的工況除塵減排的效果非常明顯。如果以工頻50HZ電源為基數(shù)，高頻開關(guān)電源可減少粉塵排放量3080，一般講為50。中頻電源為20。表1為工頻（50HZ）、中頻（400HZ）和高頻（20KHZ）三種電源節(jié)能減排降耗數(shù)據(jù)的比較。表1 工頻、中頻、高頻三種電源節(jié)能，減排降耗比較 指標(biāo)電源減少粉塵排放量節(jié)能降低銅鐵油空間消耗工頻（50HZ）000中頻（400HZ）201040高頻（20KHZ）5020803、 怎樣才能把電除塵

7、器用高頻開關(guān)電源功率做大電除塵器都在向大容量發(fā)展，其供電電源自然向大功率發(fā)展，比如現(xiàn)在2000mA/72kv高壓直流電源的市場(chǎng)容量特別大。電源向高頻化發(fā)展自然必須同時(shí)解決向大功率發(fā)展的問題。要解決ESP高頻高壓直流電源的大功率問題辦法有兩條：第一，將單機(jī)容量做大，比如將單機(jī)容量由30kw增大至60kw；第二，將幾個(gè)功率單元迭加起來，比如單機(jī)容量為60kw，若能將三個(gè)功率單元迭加起來，則可做成180kw?，F(xiàn)在我公司可以做出150kw以上功率的ESP高頻開關(guān)電源，我們已經(jīng)成功解決了功率單元的迭加問題，并已申請(qǐng)了發(fā)明專利。如何把單機(jī)容量做大？首要的是要把高頻逆變單元的功率做大。電除塵器的等值電路是電

8、阻電容的并聯(lián)電路。要能良好地解決ESP電源的閃絡(luò)跟蹤處理和獲得很高的收塵效率，最好采用串聯(lián)負(fù)載串聯(lián)諧振變換器。要增大輸出功率，必須將諧振電感Lr和諧振電容Cr的數(shù)值增大，而且必須讓其電感電流工作在連續(xù)工作狀態(tài)，也就是脈沖調(diào)寬狀態(tài)，而不是調(diào)頻狀態(tài)。合理選取Lr和Cr非常重要，諧振電路必須滿足兩個(gè)條件，且這兩個(gè)條件都和儲(chǔ)存在諧振電感中的能量有關(guān)。兩個(gè)條件是：諧振電路中必須存儲(chǔ)足夠的能量，從而使諧振電容上的電壓反轉(zhuǎn)極性；轉(zhuǎn)換過程必須在指定的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)完成。如果兩個(gè)條件不滿足，必將導(dǎo)致非ZVS或非ZCS狀態(tài)的出現(xiàn)，無法實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，損耗很大。目前我國(guó)ESP高頻開關(guān)電源絕大多數(shù)是采用調(diào)頻原理實(shí)現(xiàn)輸出電流電

9、壓和功率的調(diào)節(jié)，其實(shí)這種做法不僅變壓器體積大，而且輸出功率也很難做大，因?yàn)檎{(diào)頻工作狀態(tài)電感電流必然是工作在斷續(xù)工作狀態(tài)，開關(guān)頻率fsfr諧振頻率，假定取開關(guān)頻率fs=20KHZ,則fr40KHZ,即Tr25s, Tr=2 25s，25/24，LrCr16,這里L(fēng)r單位是微亨，Cr單位是微法。假定取Cr2f,則Lr8H。經(jīng)我們的實(shí)驗(yàn)證明：采用調(diào)頻原理，單機(jī)功率只能做40kw以下。從上可知：要將單機(jī)功率做大，必須使諧振電路的開關(guān)工作頻率大于諧振頻率即fsfr，諧振電感電流工作在連續(xù)工作狀態(tài)。4、 ESP高頻開關(guān)電源的電路拓?fù)潆姵龎m器的等值電路相當(dāng)于電阻電容的并聯(lián)電路，電阻隨電除塵器結(jié)構(gòu)及工況變化很

10、大，電容數(shù)值比較恒定，一般為20000PF40000PF。電除塵器供電電源的電壓電流功率由電除塵器決定，電壓一般72kv最多，電流有各種等級(jí)，如100mA,200mA,400mA,800mA,1200mA,1600mA,2000mA等，功率分別為7.2kw,14.4kw,28.8kw,57.6kw,86.4kw,115.2kw,144kw等。開關(guān)電源功率在10kw以上就可稱為大功率了，因此ESP開關(guān)電源屬大功率開關(guān)電源，一般都采用IGBT做開關(guān)器件。為了減少開關(guān)損耗，最好采用LC諧振電路。為了實(shí)現(xiàn)高的除塵效率和閃絡(luò)跟蹤處理以及各種保護(hù)，最好采用串聯(lián)負(fù)載串聯(lián)諧振變換器。圖1是ESP開關(guān)電源的拓?fù)?/p>

11、電路圖1.ESP開關(guān)電源拓?fù)潆娐穲D1中，Vin由市電三相380v50HZ整流濾波得到，V0輸出給ESP，R0和C0是ESP的等值電阻電容。Q1、Q2、Q3、Q4為開關(guān)模塊IGBT。Lr為諧振電感，Cr為諧振電容。T1為升壓變壓器。用虛線表示的C1、C2、C3、C4是開關(guān)模塊兩端吸收電容，暫不考慮。400mA以下的ESP開關(guān)電源可采用調(diào)頻方式，工作頻率fsfr諧振頻率，電感電流斷續(xù)，這里不作介紹。這里重點(diǎn)討論諧振參數(shù)Cr和Lr較大，工作頻率fsfr諧振頻率，變換器為電流連續(xù)工作方式的情況。圖2是電流連續(xù)工作方式，fsfr時(shí)的主要波形。 圖2 電流連續(xù)工作方式（fsfr）的主要波形在一個(gè)開關(guān)周期中

12、，變換器有四種開關(guān)模態(tài)。1、 開關(guān)模態(tài)1t0,t1工作模態(tài)圖為圖3（a）所示，二極管D1.D4導(dǎo)通，Q1.Q4處于零電壓狀態(tài)，Q1、Q2、Q3、Q4均截止。諧振電感電流iLr(t)=-ILr1 (t-t0)+ 諧振電容電壓2、 開關(guān)模態(tài)2t1、t2工作模態(tài)圖為圖3（b）所示，IGBTQ1、Q4導(dǎo)通，二極管D1、D2、D3、D4均截止。圖3 工作模態(tài)圖上述四個(gè)公式中，Vin是直流輸入電壓，V0是直流輸出電壓，是升壓變壓器初級(jí)與次級(jí)繞組的匝比，Cr是諧振電容，Lr是諧振電感， 是諧振回路的特征阻抗，是角頻率。在t1時(shí)刻，諧振電感電流iLr上升到零，即iLr(t)=0,此時(shí)開通Q1和Q4，為零電壓/

13、零電流開通。在t2時(shí)刻關(guān)斷Q1時(shí)，諧振電感電流iLr通過Q1、Q4，因此Q1、Q4是硬關(guān)斷，存在關(guān)斷損耗。用與上類似方法可以得到開關(guān)模態(tài)3t2,t3，工作模態(tài)圖3（c）和開關(guān)模態(tài)4t3,t4，工作模態(tài)圖3（d）。工作模態(tài)3t2,t3中，D2,D3導(dǎo)通，Q1、Q2、Q3、Q4截止。工作模態(tài)4t3,t4中，Q2,Q3導(dǎo)通， D1、D2、D3、D4均截止。在t3時(shí)刻，諧振電感電流iLr下降到零，即ILr(t3)=0,此時(shí)開通Q2和Q3，為零電壓/零電流開通。在t4時(shí)刻關(guān)斷Q2、Q3時(shí)，諧振電感電流iLr流過Q2、Q3，因此Q2、Q3是硬關(guān)斷，存在關(guān)斷損耗。從上面的分析可以看出，當(dāng)fsfr時(shí)，諧振電感

14、電流連續(xù)工作。IGBT為零電壓/零電流開通，但關(guān)斷為硬關(guān)斷。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)模塊IGBT的零電壓關(guān)斷，可以在四個(gè)IGBT模塊的集射間并聯(lián)吸收電容C1、C2、C3和C4，如圖1虛線所示。在開關(guān)模塊導(dǎo)通時(shí)，電容電壓為零。當(dāng)開關(guān)模塊關(guān)斷時(shí)，其電流轉(zhuǎn)移到并聯(lián)電容上，電容限制了開關(guān)模塊兩端電壓的上升率，電壓從零慢慢上升，從而實(shí)現(xiàn)了開關(guān)模塊的零電壓關(guān)斷，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了反并二極管的零電壓開通。上述這種開關(guān)模態(tài)，諧振電感電容數(shù)值較大，開關(guān)工作頻率fs諧振頻率fr,諧振電感電流是連續(xù)的，輸出電流電壓和功率的調(diào)節(jié)主要是通過調(diào)節(jié)開關(guān)模塊導(dǎo)通寬度來實(shí)現(xiàn)的。假定截止時(shí)間規(guī)定為一個(gè)固定數(shù)，導(dǎo)通時(shí)間在改變，從而工作頻率也在變化，但是這種頻率變化與諧振電感電流斷續(xù)，fsfr時(shí)的調(diào)頻是完全不同的：fsfr時(shí)，負(fù)載電流I0加大時(shí)頻率降低，fsfr時(shí)，負(fù)載電流I0加大時(shí)頻率升高。這種開關(guān)工作模式，關(guān)鍵是關(guān)斷時(shí)的軟開關(guān)，即并聯(lián)電容的大小，這樣才能實(shí)現(xiàn)高的轉(zhuǎn)換效率。參考文獻(xiàn)：1 阮