除尘用变频电源的研制与应用

陈 颖，谢小杰，黄炬彩

(福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000)

除尘用变频电源的研制与应用

陈 颖，谢小杰，黄炬彩

(福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000)

除尘用高压整流电源是除尘器的重要组成部分，当前主流产品为工频电源和高频电源。为满足更低的排放标准，进一步提高除尘效率和节能指标，业内研制出了一种新型的除尘用变频高压整流电源。据此简要描述该变频电源的工作原理，并讨论变频控制策略及应用方法。通过模拟电场测试，验证了变频电源具有效率和功率因数高的特性；对比分析国外同类电源产品及与主流除尘用高压电源产品，发现变频电源具有良好的提效节能特点。工程案例表明变频电源为现有工频电源改造的优选方案，具有非常良好的应用前景。

变频电源；电除尘器；研制；应用；提效节能

0 引言

变频电源按除尘高压电源工作频率分类属于中频电源，采用SPWM硬开关控制技术，具有调频调压和调幅调压二种控制方式[1]，具备输出直流电压纹波系数低、效率和功率因数高的节能特性，可实时关断火花并快速恢复电场供电[2]，间歇脉冲供电灵活可调；相比其他固定频率的除尘高压电源，控制柜输出至变压器原边电压频率是可变的，可实现更为新颖的智能化供电应用。近年来，变频电源逐步在各类除尘器中应用，满足1000MW燃煤发电机组及冶金、化工、建材行业电除尘器全电场应用的要求。

1 变频电源的研制

1.1变频电源基本原理

如图1所示，变频电源采用三相交流380V进线，经整流电路V1整流、滤波电路LC滤波后得到约510V的直流电压，经IGBT组成的H桥变换器变频逆变为不超过500Hz的交流电压，输入整流变压器T1升压整流输出负直流高压提供给电除尘器电场。变频电源采用SPWM逆变控制技术。

图1 变频电源主回路原理

1.2变频电源柜体设计

变频电源结构采用控制柜与变压器分离的形式，使得控制柜防护要求、生产工艺和周期相比高频电源可大大降低。变频控制柜设计可采用常用规格尺寸；变压器采用单相进线方式，可使用工频变压器或中频变压器，采用低阻抗技术，设计为全密封、免吊芯结构。变频电源温升、成本和体积均低于除尘行业内前期推出的三相中频电源。

1.3变频控制策略

变频电源相比其他直流高压电源，其工作频率在50～500Hz范围内可调，可根据电场工况自动调整变频电源工作频率和调制度，输出阻抗实时跟踪电场运行工况动态变化，实现与电除尘器电场阻抗的动态最佳匹配，使电除尘器电场获得最高的电晕功率和最佳的供电效果[3-4]。

变频控制策略主要为同步调节工作频率和调制度，改变设备阻抗和运行参数，总体策略如下：升压阶段，设备为最低阻抗；电场闪络时，设备为最高阻抗；无闪络且存在反电晕，设备为较高阻抗；电场无闪络且无反电晕，采用自适应阻抗；负载开路时，减小调制度以防止过压运行；负载短路时，减小调制度并提高输出频率。

2 试验测试

变频电源采用型号为VFTR-2.4A/80kV；电源负载为模拟电场，同极距为420mm，阳极板为BE板、C型板、ZT24板的组合，阴极线为RS线和V15线的组合，模拟电场容量为2.4A/80kV。采用功率分析仪对变频电源三相进线电压、电流进行测量，测试变频电源视在功率、有功功率和无功功率情况；将电流表并入变压器二次回路，测量二次电流值；通过高压静电表测量二次电压值。

变频电源VFTR-2.4A/80kV纯直流供电达到额定输出功率时，测得二次直流电压U2=82.5kV、二次直流电流I2=2390mA。

测得变频电源视在功率S为235.6kVA，三相有功功率P为216.1，无功功率Q为-93.9kVA。功率因数为0.917电源效率为91.3%。

3 国外同类产品应用情况

西门子公司从20世纪80年代开始与鲁奇公司合作研制同类电源产品，至今已研制数代产品并完成了相关测试，发现变频电源具有三相进线均衡、功耗小、闪络检测极快、闪络恢复快、可增大除尘电晕功率、性价比高且脉冲宽度和脉冲电流均可单独调整，并且在较短的脉冲持续时间内达到更高的电压峰值等优点，适用于细小粉尘烟气收尘、高浓度粉尘烟气场合、低粉尘排放要求场合、湿式电除尘器等，可明显提高除尘器的收尘效率，在某些情况下全电场使用可降低排放50%以上[5]。

Redkoh/Ador Powertron公司同类产品应用于电除尘器电场对比工频电源发现：变频电源可提高电场输入电晕电压并降低闪络次数；配套常规50Hz工频变压器在100、200、300、400Hz下工作时，闪络响应更快且运行正常，变压器未出现过热等不稳定现象。变频电源应用于第一电场时，可降低粉尘排放约20%。变频电源相比三相可控硅电源，可节能15%～20%，并可提高8%～10%的电晕功率；在低于满额定功率的情况下，变频电源和三相可控硅电源的功耗差距更加明显。例如，在67%额定二次电压和100%额定二次电流情况下，三相可控硅电源输出功率为37.2kW，变频电源输出功率44.0kW，但三相可控硅电源输入功率为90kVA，变频电源的输入功率为50.7kVA，相比于三相变压器，输入功率减少近44%[6]。

4 变频电源与主流电源产品对比

4.1变频电源与工频电源对比

变频电源为三相均衡负载，功率因数和效率都较高，可很好的解决工频电源存在的对电网的污染问题及功率因数和效率低的问题。变频电源输出二次电压纹波系数与高频电源纯直流供电时差距很小，远好于工频电源35%～45%的纹波系数，可提高电场的电晕功率，减少闪络的产生，提高电场除尘效率，对电场工况适应能力好于工频电源。

三相电源虽然解决了单相工频电源输出电压纹波大、输入三相不平衡、相电流大等问题，并提高了输出平均电压，但与变频电源相比仍存在整流变压器体积较大，耗材损耗增加、闪络控制困难、电流冲击大、成本较高等缺点[7-8]。现阶段三相电源间歇供电采用与工频电源类似的控制方式，对于中高比电阻粉尘工况适应能力与变频电源相比较差。

4.2变频电源与高频电源对比

由于高频电源成本较高且逆变控制回路与变压器不可分离，使控制柜基本放置在室外；而变频电源结构与工频电源类似——控制柜放置在控制室内，整流变放置在本体顶部，结构设计、散热风道设计和防护等要求都远低于高频电源，相比于高频电源具有产品开发周期短、输出功率提升容易和改造用户接受度高等优势。

表1 变频电源与主流除尘电源性能参数对比

5 变频电源应用实例

5.1项目概况

华新水泥公司4000t水泥熟料生产线窑头电除尘器型号34/12.5/3×10/0.45，为单室三电场结构、比收尘面积76.1m2/m3/s，电场风速0.84m/s，同极距为450mm，阳极板为ZT24板，阴极线为V15，电除尘器于2009年12月建成并完成调试投产，主要处理水泥生产过程中产生的粉尘污染。本次改造的原因为三电场单相工频电源1.8A/72kV运行参数稳定性较差、闪络频繁达到100次/min，造成出口粉尘排放不稳定，易超标。

5.2改造方案

经现场查看电源运行参数和工况等参数后，与厂方沟通现场无法停炉改造，我们认为用同容量变频电源替代单相工频电源改造潜力大，并制定了改造方案：采取利旧使用工频硅整流变压器，在工频控制柜旁边重新安置变频控制柜，将进出动力电缆、二次参数取样线和其他控制信号线从工频电源控制柜拆至变频控制柜安装的方法。

5.3效果分析

本次改造准备充分且分工明确，三电场电源停电改造接线、校对及调试等工作均在半小时内完成。改造后，电场输入电晕功率提高60%、电晕电压由50kV提高至58kV，闪络次数降至10次/min以内，粉尘排放稳定在18mg/m3，达到20mg/m3排放标准限值规定，同时我们测试了在相同输出功率时，变频电源比单相工频电源节电约23%。在电场稳定运行一段时间后，我们开启了智能变频功能，实现电源与电除尘器电场阻抗的动态匹配，变频电源输出二次电压值有一定提高，闪络时二次运行参数无明显下降。

6 结语

变频电源改造单相工频电源可利旧使用工频变压器或采用中频变压器而无需重新敷设控制柜与变压器连接电缆，具有改造成本低和改造工期短等优势；变频电源替代单相工频电源应用，单电场可实现减排30%以上、节能20%以上。

采用控制柜与变压器分离的结构型式，不仅运行环境好，稳定性高，且运行维护方便，在除尘电源改造市场上具有极佳的灵活性和便利性，对单相工频电源全电场改造以达到新排放标准，为现阶段电源改造最为经济的方案。变频电源具有电源效率和功率因数高的特点，具有良好的自身节能特性。采用变频控制以全新的智能控制方式和控制策略，实现设备阻抗匹配，提高运行参数，降低粉尘排放。因此，变频电源在除尘行业值得大力推广。

[1]汪引红,蒋云峰,刘卫平. 电除尘器变频高压电源的仿真研究[C].第十五届中国电除尘学术会议论文集.2013.

[2]汪引红,刘卫平,Hank Del Gatto,等.采用PWM模块升级改造SCR电源为SMPS电源[C].第十五届中国电除尘学术会议论文集,2013.

[3]汪引红,蒋云峰,刘卫平. 电除尘器用变频高压电源的试验研究[C].第十五届中国电除尘学术会议论文集.2013.

[4]沈小俊.高频电源在国电永福电厂300MW机组电除尘器改造中的应用[J].电力科技与环保,2012,28(1):48-49.

[5]Kloeckner M,Grass N. More than 20 years practical experience with Switched mode power supplies in modernization projects[C].ICESP. 2011.

[6]Ford P,Kumar M. Abatement of particulate emission with only charges in ESP Energization with case studies across the globe[C].ICESP. 2016.

[7]尹连庆,唐志鹏,刘 佳.湿式电除尘器技术分析[J].电力科技与环保,2015,31(3):18-20.

[8]蒋云峰. 关于ESP电源现状及未来发展的探讨[C].第十三届中国电除尘学术会议论文集.2009.

Development and application of variable frequency power supply for ESP

High-voltage rectifier power supply is an important part of the electrostatic precipitator(ESP), at present the mainstream high-voltage products are thyristor controlled single-phase power supply and high-frequency power supply. To meet the lower emission standards, further improve the dust removal efficiency and energy efficiency indicators, the new type variable frequency power supply was developed for ESP. By the simulated electric field testing,it is verified that variable frequency power supply has the characteristics of high efficiency and high power factor. Compared with other mainstream high-voltage power supplies for ESP, it can be found that variable frequency power supply has a good effect.The project case shows that upgrading from thyristor controlled single-phase power supplies to variable frequency power supplies is the optimal scheme of the renovation projects, and it has a good application prospect.

variable frequency power supply(VFPS);electrostatic precipitator(ESP);development;application；emission reduction and energy conservation

X701.2

：B

：1674-8069(2017)04-042-03

2016-12-10；

：2017-02-20

陈 颖(1970-)，男，福建龙岩人，高级工程师，研究方向为除尘电控技术。E-mail：13950880939@139.com