具有恒流特性的中频高压电源

陈军律

（浙江连成环保科技有限公司，浙江 金华 321000）

1 背景及意义

随着社会的发展和人类的进步，人们对生态环境和空气质量也越来越关注。如今，我国现代工业飞速发展，空气污染严重，粉尘排放越来越严格，已经从原先的50 mg/m3到现在的5 mg/m3以下，除尘设备已成为每个工厂的必备。

目前，静电除尘设备是国际公认的高效除尘装置，其中高压电源装置系统是该设备的主要电气部分，输出电压直接影响静电除尘器的工作效果，是能量传递的关键。电除尘的基本工作原理是在两个曲率半径相差比较大的金属阳极和阴极（一对电极）上，通过高压直流电，维持一个足以使气体电离的静电场，将气体电离后产生的电子、阴离子以及阳离子吸附在通过电场的粉尘上，从而使粉尘获得电荷（粉尘荷电）。荷电粉尘在电场的作用下向与其电极极性相反的电场运动，并沉积在电场上以达到粉尘和气分离的目的。电极上的积灰经振打、卸灰、清出本体外，再经输灰系统传输到灰场或者便于利用储存的装置中去，净化后的气体从所配的烟囱中排除，扩散到大气中[1]。

单相工频电源采用工频单相380 V交流输入，利用双向可控硅移相调压技术，先控制一组双向可控硅导通角的大小实现调压，再经单相交流变压器升压，最后经全桥整流后输出直流高压。单相工频电源实质上是属于调压源的一种最常见的高压电源，且具有不怕开路的特性，但由于工频电源采用可控硅作为主要功率元器件，因此存在功率因素不高和转换效率低下等缺点。

电力电子器件及电磁性材料的快速发展给高频高压电源的主要功率元器件带来了新的活力。在此基础上，可靠的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作为主要功率元器件在电力、建筑以及能源等领域的应用越来越广泛。由IGBT逆变桥、谐振电容以及谐振电感组成串联LC谐振逆变电路，逆变成高频交流电压组成的恒流源高压电源。虽然恒流源高压具有不怕短路、纹波系统小以及输出电压高等各种优点和优势，但不能做开路，这是恒流源的通病[2]。

目前，中频高压电源存在以下几个问题。一是单相工频电源的可控硅通过过零检测实现导通角开关，在出现闪络时，二次电流冲击大，难以适用于工况复杂的静电除尘器除尘。二是市场上存在的体量比较大，如果全部替换成高频电源，则替换成本过高。三是恒流源高压电源由于串联LC谐振的恒流源特性，具有不怕短路与拉弧、怕输出开路的特点。

针对上述问题，通过在原变压器高压输出端增加开路保护功能，更换原先控制柜的方法，采用由开关频率可调的IGBT作为主要功率元器件组成的串联LC谐振电路新控制柜，实现恒流电源输出的中频高压电源改造。

2 研究设计内容

2.1 主要研究内容

具有恒流特性的中频高压电源把两相输入电源380 V交流供电改成三相电源380 V交流供电，具有三相平衡的特点。改造之前工频电源主要采用可控硅作为主要功率元器件，改造后的中频高压电源采用4只IGBT作为主要控制回路中的功率元器件。由IGBT逆变桥、谐振电容以及谐振电感组成的串联LC谐振逆变电路，逆变成高频交流电压组成的主回路安装在控制柜内。变压器输出端增加一个容性负载，实现开路试验等特点[3]。

2.2 设计内容

2.2.1 中频基准占比任意可调技术

采用IGBT作为具有串恒流特性中频除尘高压电源的主要功率元器件，具有变频功能。利用原先变压器与新增控制柜内的电容和IGBT组成串联LC谐振逆变主回路，由于利用原先变压器电感参与对谐振频率和硅堆整流桥的限制，因此主回路的基准频率不宜过高。利用具有功率MOSFET的高速开关性能和双极型晶体管的高电压以及大电流处理能力的半导体元件IGBT，作为串联LC谐振逆变主回路的主要功率元器件。具体实现方法如下，串联LC谐振逆变电路共由4只IGBT组成，前端各一只控制主回路的中频基准（中频基准≤300 Hz），产生图1中的A和C波形，后端各一只控制主回路的高频脉冲（高频控制≤20 kHz），产生图1中的B和D波形。

图1 脉冲触发控制图

2.2.2 超大风量自然风冷降温特殊风道设计

具有恒流特性的中频高压电源发热量有两部分产生，一部分是IGBT，另一部分是三相整流桥。其中，IGBT是大功率的元器件，其发热量主要由两部分产生，开关损耗由其开关特性决定，与其集-射极间电压Vce和集电极电流Ic有关。损耗计算公式如下所示。

开通损耗为：

关断损耗为：

式中，Pon为开通损耗，Poff为关断损耗，ton为开通时间，toff为关断时间，vce(·)为集-射极间电压，ic(·)为集电极电流。

散热结构如图2所示，IGBT固定在铝板上，在IGBT后面装一块散热片，如图2中间所示。三相整流桥安装在IGBT上端，两者安装在同一块散热片上，集中散热。散热片上部和下部分别与进风喇叭口和出风喇叭口相连，增大吸收和吸出的散热面，增加散热效果。此外，散热片底部安装有强力风扇，电源工作时，启动强力风扇（由下往上吹）与外界换热。通过上述方法将产生的热量及时散发出去，从而保证各元器件和柜子的长久稳定运行，不会因为过热引起各种故障[4]。

图2 散热结构示意图

2.2.3 满载满频开路保护技术

满载满频开路保护技术利用了恒流源的串联LC谐振逆变特性，具有不怕输出短路和拉弧等特点，但恒流源具怕输出开路。具体实现方法如下，在具有恒流特性的中频高压电源的变压器输出端接上一假负载。假负载主要由特制电容组成，其中推导公式为：

式中，C为电容，Q为电量，U为电压，I为电流，T为周期。将式（3）代入式（4）得：

由于高频电源二次电流输出类似于正弦波，所以在一个周期内的所需要的时间通过积分所得，即：

式中，t0为起始时间，t1为终止时间，f为频率。将式（5）代入式（6）得：

代入相关的已知电流、电压、频率以及周期时间等，通过式（7）可得输出负载具体电容值。假如二次侧负载由于某种原因，突然断开U，即突然输出开路，电源由于增加了假负载，二次侧电压不会瞬间升高电压，且采用32位双核高速数字化CPU，采集到相关检测到的数据异常变化，快速实时保护，从而保证了的高压电源正常运行[5]。

2.2.4 控制系统采用模块化设计和光电隔离抗强电干扰技术

控制系统由主控制板、接口板以及驱动转接板组成。其中主控制板与驱动板触发脉冲信号通过光纤连接，使主控板与驱动转接板彻底隔离。主控板上的32位高速CPU驱动原始TCP/IP以太网与外接设备高速通信。自主设计硬件设计部分包含模拟量光耦高速隔离模块、PWM控制高速隔离模块以及输入输出DI/DO光耦隔离模块。在闪络控制上，硬件上增加二次电流硬件保护电路，保证了恒流源电源的可靠性和稳定性[6]。

软件部分先采用Proteus仿真和编程验证，样机做出来后，恒流源各功能在实物上验证，从而大大加快了开发的进度[7-10]。现场设备示意如图3所示，具有恒流特性的中频高压电源更换原工频电源的控制柜如图3左边所示，增加变压器输出保护电路。上述方法具有工作量小，安装简单等特点。

图3 现场设备示意图

3 结 论

具有恒流特性的中频高压电源具有节约成本、开关频率可调、损耗低以及效率高等特点，而且拥有各种保护功能，可以做完整开路。本产品在高压电源改造时，具有改造工作量小和安装简单等特点，丰富了公司的产品系列，有助于促进当地经济结构调整和产业升级，增加财政收入与就业机会，还可以广泛运用在烟气工况比较恶劣静电除尘行业。