基于中频调幅调压的电除尘用脉冲电源的研究

蒋允辉，李 甲，蒋云峰，陈 炜

（1.北京信实德电气设备有限公司，北京 100081；2.武汉大学，武汉 430071）

基于中频调幅调压的电除尘用脉冲电源的研究

蒋允辉1，李 甲1，蒋云峰2，陈 炜2

（1.北京信实德电气设备有限公司，北京 100081；2.武汉大学，武汉 430071）

介绍了电除尘（ESP）用脉冲高压电源的一种技术方案。分析了其工作原理、技术方案和特性。应用结果表明，ESP供电采用脉冲电源与高频电源组合方式，具有节能及减排的双重效果，脉冲电源采用中频调幅调压具有优良的控制特性。

电除尘（ESP）；脉冲高压电源；中频调幅调压；供电特性

序言

脉冲高压电源（简称脉冲电源）是电除尘（简称ESP）最新一代电源（第一代：SCR电源；第二代：高频电源；第三代：脉冲电源）的供电装置，是脉冲功率技术（慢充快放）新的应用领域。大量应用表明，ESP采用脉冲电源供电时，不仅能提高ESP收尘效率，同时脉冲电源加基础电源的总能耗只有纯直流供电时的1/5～1/2，并且脉冲供电比直流供电能更好地处理高比电阻粉尘及超细微粉尘，因此采用脉冲供电是当今ESP供电技术的发展方向。

随着国内脉冲电源技术的不断成熟，元器件产业链已经形成，脉冲电源的可靠性及性价比不断提高，脉冲电源的推广培育了市场，其应用市场已逐步形成。目前，常用的电源有SCR电源、高频电源、脉冲电源，其运行特性为：

（1）SCR电源。单/三相工频交流、移相调压，低频SCR开关，工频变压器，输出电压纹波大（纹波波动频率：单相为100Hz；三相为300Hz）；连续供电+间隙供电（模拟脉冲：ms级）。

（2）高频电源。高频谐振PFM调压，高频IGBT开关（n～20kHz），高频变压器，输出电压纹波极小（纹波波动频率：nkHz）；连续供电+间隙供电（模拟脉冲：ms级）。

（3）脉冲电源。调幅调压，高压IGBT脉冲开关，脉冲变压器，输出可调幅电压脉冲；脉冲频率可调（0～200Hz）；基础电压可调（可用SCR电源、高频电源作为基础电压源）。脉冲供电（脉冲：μs级）电压的幅度、频率、基础电压均可独立调节。

目前，国内脉冲电源采用的方案是丹麦FLSmidth公司的第四代Coromax电除尘用脉冲电源（低压侧脉冲+脉冲变压器）结构形式的改进型：主要是改进了脉冲充电回路的结构形式（如采用三相交流移相调压、中频调幅调压、高频PFM调压），优化了脉冲电源与基础电源的匹配关系，基于国内ESP状况改进了控制算法等。

本文提出了一种采用中频调幅调压原理的脉冲电源方案。

1 脉冲电源的技术特点

1.1 技术特点

脉冲电源采用AC→DC→AC→DC→脉冲的变流工作方式，实现脉冲电压、电流的输出。

单相单极性二电平SPWM逆变，产生200Hz中频可调幅电压，实现输出可调幅电压脉冲。

脉冲频率可调（10～200Hz）；基础电压可调（SCR电源、高频电源作为基础电压源，可工作在连续方式或间隙方式）。脉冲电压的幅度、频率、基础电压均可独立调节（真实脉冲：70～100μs级）。

1.2 创新点

采用中频调幅调压，实现脉冲输出电压的调节。与其它脉冲电源调压方式相比，具有调节方便稳定、线性度好、充电电源体积小等特点；采用专门设计的高压IGBT开关缓冲电路，实现了高压IGBT开关的可靠、稳定运行；采用专门设计的脉冲电压、电流采样电路，实现了高精度的采样；采用软、硬件结合方式，实现了脉冲波形（峰值）的检测及闪络处理；基于高速DSPs的分析、计算，可以实现脉冲电源的精确控制及脉冲参数、电场参数的实时计算与显示；基础电压源可工作在连续方式或间隙方式，其中，采用间隙方式时，脉冲电源能自动跟踪间隙峰值，实现最大电压供电。基础电源工作在间隙供电情况下，可使脉冲电源系统节能效果更明显。

2 脉冲电源的工作原理

2.1 三相整流，滤波环节

三相交流AC400V经整流桥D1，滤波电路Lf0、Cf0，得到550V直流电压，送至IGBT逆变电路。

2.2 单相中频逆变环节

直流电压经IGBT逆变电路（PWM控制），产生基波为200Hz交流电压，送到中频变压器ZB。

2.3 中频升压、整流环节

基波为200Hz交流电压，经中频变压器ZB升压、整流得到2.3kV直流电压为脉冲发生器供电。

2.4 脉冲发生环节

通过电感Lf及脉冲变压器原边，2.3kV直流电压为脉冲发生器的储能电容Cs供电；当IGBT导通时，储能电容Cs对脉冲变压器放电，形成电压脉冲，再经脉冲变压器升压，形成高电压脉冲；经耦合电容Cc进入ESP与基础电压叠加。

变流、调压的控制原理：通过PWM（SPWM）可实现输出脉冲电压的调节。具体为：通过调节200Hz中频正弦波的幅值，调节脉冲输出电压；脉冲电压的频率由高压脉冲开关的工作频率决定。

脉冲电源部分与基础电源部分采用分离结构设计独立安装，通过高压开关箱进行连接（如图1），两部分均由电源机柜、变压器油箱、散热系统组成，便于设备的检修和维护。

图1 脉冲电源部分与基础电源部分连接图

3 脉冲电源的结构

脉冲电源的充电回路如图2；脉冲电源的脉冲形成电路如图3；部分脉冲电源控制柜见图4；脉冲电源变压器油箱见图5。

图2 脉冲电源充电回路图

图3 脉冲电源脉冲形成电路图

图4 脉冲电源控制柜部分图

图5 脉冲电源变压器油箱图

4 脉冲电源LCD控制及显示

脉冲电源由DSP进行控制，并由LCD触摸屏进行参数设定及显示，二者通过MODBUS协议进行通信，LCD同时与上位机进行通信。触摸屏界面包括：主界面、通道校准界面、保护参数设定界面、运行参数设定界面、故障告警界面。

4.1 主界面（如图6所示）

图6 主界面图

LCD的主界面显示包括：1）电源运行状态。红灯表示运行，绿灯表示停止状态；2）电源运行的各种参数。脉冲电压、电流峰值趋势图（黄线表示脉冲电压峰值，绿线表示脉冲电流峰值）；3）故障状态。红灯闪烁表示有故障，绿灯表示无故障。

4.2 通道校准界面（如图7所示）

通道校准界面用于执行各个模拟通道的参数校准。

图7 通道校准界面图

4.3 保护参数设定界面（如图8所示）

图8 保护参数设定界面图

4.4 运行参数设定界面（如图9所示）

图9 运行参数设定界面图

4.5 故障告警界面（如图10所示）

图10 故障告警界面图

图10界面显示的是故障类型。红灯表示对应的故障发生，绿灯表示对应的故障未发生。此界面的上部设有“故障复位”按钮，按此按钮，清除故障记录及故障动作后，便可重新启动电源。

5 脉冲电源的应用

5.1 ESP配置情况

本脉冲电源应用现场为1台330MW热电机组的ESP。ESP为四室四电场，其中，一、二电场同极距为400mm，配置8台高频电源；三、四电场同极距为455mm，配置8台高频电源（作为基础电源）+8台脉冲电源。ESP电场等值电容为0.08～0.09μF。经电场改造及更换高频、脉冲电源，设计ESP出口粉尘为25mg/m3。

5.2 电源运行情况

第一、二电场的同极距为400mm，高频电源电压40～45kV/电流700～800mA；第三、四电场的同极距为455mm：高频电源（基础电源）电压30～35kV/电流200～300mA；脉冲电源：峰值电压30～40kV/峰值电流100～200A，输入功率小于5kW。

运行表明：基础电源电流200～400mA较合适（既满足收尘要求，又节能）；脉冲频率可以适当降低（100～200Hz），可减少开关和脉冲变压器的损耗，进而减少电源温升。

5.3 脉冲电源的特性

本脉冲电源既可开路运行，也可短路运行；实时显示脉冲电压、脉冲电流的峰值、脉冲电源输入有功功率、脉冲输出视在功率、脉冲宽度及电场负载电容；可直接设定脉冲充电电压、脉冲电压、脉冲电流的峰值。

5.4 ESP出口粉尘

ESP的实际出口粉尘从原来的接近100mg/Nm3，下降到26mg/Nm3。

5.5 脉冲电源运行图

脉冲电源的上位机控制界面如图11所示。

图11 脉冲电源上位机控制界面

脉冲电源的上位机控制界面可对脉冲电源进行控制及运行状态、数据的显示。

脉冲电源的安装图及参数显示见图12、图13。脉冲电源实际测量波形如图14、图15。

图12 脉冲电源及高频电源安装图

图13 脉冲电源参数显示仪表图

图14 脉冲电源中频逆变波形图

图15 脉冲输出电压、电流波形图

6 结论

理论分析及实验结果表明，脉冲电源采用中频调幅调压具有优良的控制特性。现场应用表明，ESP供电采用脉冲电源与高频电源组合的方式，具有节能及减排双重效果。

本脉冲电源在现场应用调试中也遇到诸多问题，如与基础电源的配合问题、脉冲电源控制算法的优化、脉冲多种参数设定等。

脉冲电源的应用是脉冲电源面临的一个新课题，需要在设计、选型、现场应用等方面进行深入研究，掌握其规律，才能保证脉冲电源稳定、可靠地运行，真正发挥脉冲电源应有的性能。

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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