高频开关电源PowerPlus在湿式静电除尘器IWS中的应用

吕 馨 郭金光

(1.中国天辰工程公司上海分公司，上海 200233；2.上海顺朝信息技术有限公司，上海 200335)

高压静电除尘器(ESP)被长期广泛地应用于工业生产中，技术成熟、除尘效率高、处理烟气量大且运行维护费用低，是有效的大气污染治理方法之一。具有专利技术的湿式高压静电除尘器(Ionizing Wet Scrubber，IWS)采用循环水连续喷淋法冲洗电晕极、集电极和填料，有效杜绝了干式除尘器产生的二次扬尘，提高了静电除尘器的除尘效率，并且可以去除PM2.5级的细粉尘，对于酸/碱性气体及恶臭等都有很好的去除效果[1]。ESP的电源作为IWS的重要组成部分，对于其除尘效率和能耗都有很大影响，以往的ESP多采用单项晶闸管自动控制硅整流变压控制系统(Thyristor Transformer and Rectifier set，TR-set)，将工频50Hz的480V(AC)经升压和整流后转换至-30kV(DC)后送入ESP。随着技术方面的改进，开始采用三相可控硅整流变压装置，但是仍然无法克服输出电压纹波率高及功率因数低等缺陷[2，3]。在此，笔者介绍一款具有专利技术的开关电源(Switching Power Supply System，SMPS)PowerPlus，其频率高达25kHz，从根本上解决了输出电压的纹波问题，同时显著提高了静电除尘器的除尘效率，降低了静电除尘器的功率消耗。

1 TR-set①

早期的ESP电源TR-set的结构如图1所示，TR-set由晶闸管电压自动控制系统、电流限制因子和高压硅变压整流器3部分组成[4]，这3个部分可以就近安装在一起，也可以根据用户的要求分别安装在不同位置。晶闸管电压自动控制系统采用480V(AC)中的某一个线电压，经整流变压后产生的高频直流电送到ESP的电场中。CLR是一个电感器，位于变压器的一次回路中，其主要功能是减少整流变压器一次回路的电压和电流的脉动，较小型的静电除尘装置的CLR安装在控制柜或变压整流设备内部，不作为单独的部件安装，所以从外部看只有控制柜和变压整流设备两部分；晶闸管自动控制系统的主要设备是控制器，在控制器的面板上可以对各参数进行设置，如变压器二次电流、二次电压及晶闸管的导通角范围等。同时，变压器的一次侧和二次侧各有一个电压变送器和电流变送器，将共计4个值，即一次侧电压AC(V)、一次侧电流值AC(A)和二次侧电压DC(kV)、二次侧电流值DC(mA)，送入晶闸管电压自动控制系统TR-set的控制器中进行处理。

图1 TR-set的组成部件

图2 SCR的组成和输入/输出电压波形

2 开关电源PowerPlus

如图3所示，开关电源PowerPlus主要分为4个模块，第一个AC/DC模块将输入电压480V三相交流电进行整流滤波后再输出一个相对比较平滑的约650V的直流电压进行输出；DC/AC模块包括了一个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)全波整流桥电路，可以把直流电转换为高频交流电；共振容器(The Resonant Tank)模块包括了后面的AC/DC部分，内含整流单元，将高频交流电的频率进一步提高至25kHz，然后通过AC/DC单元整流为高压直流电，最后把高压直流电输送到ESP中。需要说明的是，这个AC/DC高频模块整体是浸泡在装有绝缘的矿物油容器中的，并且有良好的接地。

图3 PowerPlus拓扑

从图3可以看出，PowerPlus与TR-set相比，体积要小得多，而且其内部结构是一体化的，各部分必须紧凑地安放在一个小的封闭结构中，外部的接线和安装也很简单；而后者可以把电源的几部分就近安装，也可以分隔一定距离安装，所需的安装空间较大，如果现场的场地狭窄会使安装不便；而且在现场时，与TR-set相比，PowerPlus的外部接线和调试工作要少并且简单得多，这样就提高了电源的可靠性，减少了现场调试和后期的维修工作量。

3 PowerPlus和TR-set对比

3.1 性能指标

ESP可等效为电晕电流的等值电阻R和电极间的等值电容C的并联电路，如图4所示。R会随粉尘浓度、粉尘性质、颗粒大小、化学成分、温度及湿度等变化，同时与电除尘器的类型、结构、大小及风速等都有关系，其值变化范围很大(20kΩ～10MΩ)。C值一般较为恒定，大小随极间距离、极板面积和极间粉尘而有所不同，一般在5～100nF[3]。

图4 电除尘器ESP的等值电路

ESP等效电容为100nF的TR-set和PowerPlus的性能指标对比见表1，PowerPlus的各项指标都要优于TR-set。首先，前者的输入功率(即消耗功率)比后者要小52.42kW；而在输入功率小的情况下，前者的二次输出电压反而要比后者高出6.5kV，对于ESP而言，二次输出电压越高除尘效果越好[1]，这说明PowerPlus的除尘效率明显比TR-set要高；同时，前者的输出功率比后者要大6.5kW，即PowerPlus所消耗的电能比普通TR-set要少，同时输出的二次电压更高，功率也更大。

表1 二者各项性能指标和能耗

造成以上差别的原因有三：

a. 输入功率是输出功率和变压器自损两部分电压和电流值的矢量和，TR-set本身需要消耗大量的功率，而开关电源则几乎没有这部分的功率损耗，因为在普通TR-set电源中，由于有电感元件的存在，造成了电流的滞后，同时有部分电能被损耗；普通TR-set电源中晶闸管元件包SCR会造成电压波形失真，减小了有效输出电压，这使得输入/输出功率的比例也较高。

b. TR-set中的SCR的工作原理是基于调整输入电压的导通角，即按照一定时间间隔开/关输入电源，这使得电源系统受电感影响更大，进一步降低了变压器系统的功率因数。

c. PowerPlus的频率高达25kHz，其中的IGBTs比工频50Hz单项输入电压TR-set中的SCR的开关速度要快250倍，这就使得开关电源的二次电压的波动远小于普通TR-set装置。

因此，在满负荷时TR-set的功率因数只能达到0.63，但是一般情况下ESP不在满负荷下运行，这时的功率因数只会更低；而开关电源的功率因数在半负荷到满负荷时都可以高达0.92～0.94，效率远较前者要高，所以能耗要小得多。

本研究中参与干预监测的研究对象共255人，其中男学龄儿童139人(占54.5%)；女学龄儿童116人(占45.5%)。年龄7～11岁之间，平均年龄10.2±0.1岁。

3.2 高压电场发生电弧时的各项性能指标

发生电弧时，PowerPlus消耗的功率等于短路电流的二次方与有效电阻值和电弧的持续时间之积。电弧消耗的功率J=Isc2·R_arc·T，其中Isc为发生电弧时的短路电流，R_arc为电弧阻抗，T为电弧持续时间。

高压电场中发生电弧时，PowerPlus和TR-set的技术参数对比见表2，由于TR-set发生电弧的时间是PowerPlus的上千倍，短路电流也是后者的两倍，所以当高压电场中发生电弧时，PowerPlus在电弧上消耗的功率只有传统TR-set的千分之一。通过二者参数的比较可以明显地看出：在ESP控制系统中，使用PowerPlus比起普通的变压器和控制器TR-set，在湿式静电除尘器ESP高压电场发生电弧时，前者的功率因数要高很多，而能耗却低得多。

表2 发生电弧时PowerPlus和TR-set的技术参数对比

3.3 ESP满负荷工作时的性能对比

在静电除尘器满负荷工作的情况下，TR-set和开关电源PowerPlus的性能比较曲线如图5所示，其中Opacity是废气中未被收集的颗粒占总颗粒的百分比。对于同一个湿式ESP，将TR-set改为PowerPlus后，输入功率Pri.KVA(即消耗功率)明显减小，电源输出功率Sec.KW增加，同时废气中未被收集的颗粒占总颗粒的百分比Opacity由改造前的7.5%降低到3.4%，除尘效率提高了。

图5 全负荷下TR-set和PowerPlus操作性能指标

当设备运行时，大部分情况下不是满负荷运行，这时两者性能指标差异更大。如，根据用户实际的运行参数，在达到67%kV(DC)和100%mA(DC)的情况下，TR-set的输入功率是98.4kVA，输出功率是37.2kW；而PowerPlus的输入功率是50.7kVA，输出功率是44.0kW。后者比前者的消耗功率减少了50%之多，节能效果非常明显。

3.4 外形尺寸

二次电流都为1A的IWS的PowerPlus(25kHz)和TR-set(60Hz)的外形尺寸对比见表3，PowerPlus的外形尺寸、重量和占地面积都比TR-set要小得多，这样不但节省了运输费用，而且可以直接安装在设备入口处的法兰上，节省了安装场地。通过以上各项性能指标的比较可以看出，PowerPlus几乎在各项性能指标上都远优于TR-set，而且结构比后者更为紧凑，体积也小得多。

表3 外形尺寸对比

3.5 全负荷下不同额定功率的PowerPlus的性能

全负荷下不同额定功率的PowerPlus的性能对照见表4，PowerPlus的输入电压在400～480V(AC)之间变化时，输出电压在70～83kV之间变化，相应的输出电流也在一定范围内变化，输出电流越大则输出功率也越大。不同功率的PowerPlus的功率因数、纹波电压、输出电源的频率及发生电弧的时间等性能指标都在同一范围内，没有差别。

表4 全负荷下不同额定功率的PowerPlus的技术参数

4 PowerPlus各项性能的理论分析

按照多依奇集尘效率公式[5]，有η=1-e-(A/V)·ω，其中η为静电除尘器的收集效率；A为静电除尘器的有效收集面积；V为废气通过静电除尘器的速率；e为自然对数；ω为粒子的迁移速度。从这个公式可以看出，提高粒子收集效率的关键是提高荷电粒子在除尘器高压电场中向集尘极的迁移速度ω，ω=(a/2πθ)EoEp，a为粒子半径；θ为气体的粘度或摩擦阻力系数；Eo为粒子被荷电电场的强度，即峰值电压kVpeak；Ep为粒子被收集的电场的强度，即平均电压kVdc。因为a/2πθ是由静电除尘器的工艺条件决定的，对于特定的静电除尘器来说其值为常数，这样ω≈K2(kVdc)(kVpeak)，其中K2=a/2πθ，对于某个特定的湿式静电除尘器来说，K2是一个常数。可以看出，提高除尘效率的关键是进一步提高(kVdc)·(kVpeak)的乘积，由于PowerPlus的平均电压(kVdc)非常接近峰值电压(kVpeak)，所以(kVdc)·(kVpeak)的乘积也非常接近于最大值(kv_arclevel)2，kv_arclevel是变压器发生电火花时的电压，这也是变压器所能达到的最高电压。

因为IWS发生电火花时的电压是由峰值电压kv_arclevel决定的，平均电压的值始终低于峰值电压。为了提高IWS的除尘效率，要尽可能升高二次电压，因为二次电压越高，IWS的除尘效率越高，但同时二次电压要略低于发生电弧时的电压，因为一旦发生电弧，IWS的高压电场就会在瞬间被击穿，产生短路电流，电压将大幅下降[4]。

由于PowerPlus特定的拓扑结构和高频性能，其输出电源电压的波动幅度在3%～5%，而传统的SCR电源的二次电压的波动幅度在35%～45%，PowerPlus的输出电压的波动幅度只有传统TR-set的十分之一，输出电压波形很平稳；同时，在输入电压相同的情况下，如果传统的TR-set电源达到55kV(DC)，PowerPlus的输出电压比传统的SCR电源高出10～15kV(DC)，甚至可以达到70kV(DC)。由上述参数可以看出，PowerPlus的(kVdc)·(kVpeak)的值要远高于TR-set的。这也就使得PowerPlus控制的IWS高压电场中粒子的迁移速率ω比TR-set要高得多，从而显著提高除尘效率。

5 结束语

通过对TR-set和PowerPlus两种电源在不同工况下各项性能指标的对比和理论分析，证实PowerPlus作为新一代的湿式静电除尘器高频开关电源，具有除尘效率高、耗能低、输出电压平稳、功率因数高、占地面积小、体积小及安装调试简单方便等诸多优点，而且经过国内外长期的工程实践，证明高频开关电源适合于在环境工程领域中进一步推广应用，是湿式静电除尘器电源的未来发展方向。