浅谈电除尘高频电源技术

廖佳荣

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

0 引言

ESP供电装置的性能对除尘效率影响极大。传统的基于可控硅控制的工频电源的二次电压纹波大，会引起病态闪络，导致ESP电晕功率小，电场强度低，影响ESP效率。为提升ESP的性能，在提效的同时节能降耗，20世纪90年代，国外多家研究机构开始将目光放在高频电源的开发方面[1]。高频电源能在不改动本体的情况下，就可以大幅提高电除尘的除尘效率，其为ESP提供了平滑、无纹波的直流二次电压/电流，从而提高了ESP电晕功率和ESP效率。

高频电源提供纹波为0的二次电压，即ΔU2=0的充要条件，关键在于保持二次电流恒定，即ΔI2=0，使二次电流始终为直流。由此，分支出2种流派的高频电源技术路线：1） 通过谐振震荡形成正弦波，再将二次电压/电流正弦波高频化，基于该技术所开发的高频电源被称为谐振型高频电源。瑞典阿尔斯通公司和美国NWL公司在20世纪90年代开发这种高频电源，并逐渐推向市场。2） 通过调制手段将二次电压/电流平直化，即将二次电流调制为直流，基于该技术所开发的高频电源被称为调制型高频电源。德国西门子公司大约在1992年开始向市场推广这种高频电源。

1 谐振型与调制型高频电源拓扑结构的对比

2种电源的基本拓扑结构的主要区别是变压器一次侧的IGBT逆变电路拓扑的不同。其中，谐振型高频电源为了实现谐振开关，必须在变压器一次侧的IGBT逆变电路中添加谐振电容，而调制型高频电源则无须谐振电容。

谐振型与调制型高频电源都是将三相交流电经断路器、接触器、整流器以及滤波电容等整流滤波后输出直流电源，通过IGBT全桥逆变产生高频交变电流，再由高频变压器升压传输至高压整流器，最后整流输出直流负高压给除尘器。不同之处是谐振型高频电源是利用变压器的漏感L，选择合适的谐振电容C，使电感与电容形成谐振，谐振频率，一般谐振型高频电源谐振频率在40kHz。调制型高频电源高压一次侧无谐振电容，只根据电流大小进行PWM调制，其工作状态受频率影响极小。

图 1 拓扑结构

2 谐振型与调制型高频电源工作原理分析

谐振型高频电源提高平均电流的方法是提高二次电流频率，如图2所示，在同样的10 ms（0.01 s）时间内，随着频率的增大，其电流半波数越多，平均电流越大，当频率无穷大时，其波形趋近直线，平均电流最大。调制型高频电源提高平均电流的方法是尽量使二次电流平直化，如图3所示，采用PWM调制方法，使每个周期电流均趋近于直线，只在换相过程中有短暂的关断，当然频率越高，换相越快，其波形越接近直线。

图2 谐振型高频电源二次电流波形

图3 调制型高频电源二次电流波形

电除尘器的负载变化范围特别大，且会频繁出现闪络，为达到更好的除尘效果，高频电源必须实时检测闪络点的二次电压，并调整二次电压的输出值，使高频电源在闪络点附近运行。谐振型高频电源采用串联谐振拓扑电路，当负载稳定且不发生闪络时，可以按其设计值输出稳定的波形，如图4所示，当在设计谐振频率下工作时，可以获得最高的平均电流，当然二次电压也最高，当需要降低二次电压时，通过降低脉冲频率来降低二次电流，其实质是在单位频率下降低触发脉冲的有效占空比，通过缩短开通时间、加大关断时间来降低输出二次电流，从而降低二次电压，由于该高频电源是利用高频变压器的漏感组成的高频谐振式逆变电路，因此当开关频率降低到一定程度时，电路无法谐振，模块在硬开关状态下工作，失去原有设计特性，变压器阻抗降低，电流冲击幅度大，电能转换效率低，调压效果不好，且高频电源在非谐振频率运行，变压器严重偏离设计工作点，直接影响变压器的使用寿命。

图4 谐振型高频电源调节输出电流示意图

调制型高频电源根据电流大小进行PWM调制，固有的电流限制特性使其具有恒流特性，调制型高频电源调节二次电流输出示意图如图5所示，当二次电流幅值为额定电流的50%及100%时，其调制频率稳定在变压器的设计频率上，不管二次电流输出幅值的大小，其波形均很平直，对工况恶劣、闪络频繁的场合来说，当将二次电压降至接近闪络点运行时，由于其平直的二次电流及稳定的二次电压，因此仍可以输出稳定的电晕功率，并且不会对设备造成影响。综上所述，对工控恶劣、闪络频繁的场合来说，调制型高频电源性能更高，可以为各种工况的电场提供尽可能高的电晕功率，最大限度地激发电场的收尘潜能，实现除尘器高效运行的目标。

图5 调制型高频电源调节输出电流示意图

3 谐振型与调制型高频电源使用情况对比

某电厂预电除尘器之前采用常规工频电源，已对其进行谐振式高频电源改造，但客户反应改造后仍不能符合预期除尘效果。由于该项目之前改造时有保留工频电源的整流变压器，因此调制型高频电源可以调制出50 Hz的信号直接驱动工频变压器，某公司项目研发初期专门开发了移动式的试验柜，可以提供先试后改服务，试验效果满意再进行改造，这就提供了一次难得的对比2种技术路线高频电源性能的机会。现谐振型高频电源运行参数见表1。更换某公司调制型高频试验柜，经过一段时间运行后，其运行参数见表2。

表2 调制型高频电源——2#炉运行参数

如果只比较二次电压数据，那么调制型高频电源优势不太明显，在2-1、2-2电场上的二次电压更低，但根据电除尘器高压电源效率计算公式（电源效率=输出功率÷输入功率）可知，高频电源效率通常为0.8～0.9。根据能量守恒定律可知，任何电源的效率绝不可能大于或等于1，由表1可知，谐振型高频电源的效率为1.01～1.07，这有悖于科学常识，因此可判定有关运行数据不具科学性，由于输入电流为直接测量，一般无法随意调整，因此可以认定数据真实有效，根据输入功率进行对比，调制型高频电源提供的输入功率远远大于谐振型高频电源，按0.8～0.9的效率计算，输入的电晕功率高，除尘效率也高。

表1 谐振型高频电源——2#炉运行参数

4 结语

在稳定的工况下，无论是谐振型高频电源，还是调制型高频电源，由于均可以提供平直的二次电压及二次电流，因此都可以提高电除尘器的性能。而在工况恶劣、闪络频繁的场合中，谐振型高频电源的性能比调制型高频电源低，从现场使用情况来看，验证了调制型高频电源的性能更高的结论。调制型高频电源在各种工况下均能输出更多的电晕功率，因此能带来更高的除尘效率，为满足趋严的环保排放标准提供了便捷、经济且高效的手段。