电除尘高频电源装置原理与故障排除研究

陈正辉，王文豪

（浙江浙能乐清发电有限责任公司，浙江 温州 325609）

某电厂电除尘器为采用公司生产的JHGP型高频电源装置。在运行过程中会遇到“IGBT故障”“高压整流故障”“二次短路”等情况，仅通过报警信息不能确定准确的故障元件，在消缺过程中往往采用替换法，效率较低且易造成其他元件损坏，特别是高频电源油箱内的元件，需吊芯才能完成更换。本文通过高频电源装置原理研究，结合波形分析，对高频电源装置内部的初级整流桥、IGBT逆变桥，以及高压整流桥在设备不解体吊芯情况下在线波形分析，提高高频电源故障元器件判断的准确性，减少消缺工作量。

1 高频电源工作原理分析

JHGP型高频电源主要由初级整流电路、IGBT逆变电路、串联谐振电路，高压整流变等组成。初级整流电路功能是将三相电源经输入电抗器和高频滤波器后供给初级整流电路，再经直流滤波电容产生一个直流电压。理论电压值U≈1.35×380V=513V。初级整流电路主要将三相交流电压转换成较为稳定的直流电，供给IGBT逆变回路。直流电压的值需要与后级电路参数配合，保证产生所需输出二次电流。初级整流波形回路自高频电源无故障时即开启全触发模式，而高压整流为二极管不可控整流桥。因此，高频电源的核心控制在全桥逆变电路与串联谐振电路，其中真正可控部分为IGBT模块，接下来就把全桥逆变电路与串联谐振电路组成的串联谐振变换器进行分析。

如图1所示的串联谐振变换器，该电路为典型的具有容性滤波的LC串联谐振电路。其中T1～T4为开关管，D1～D4为反并联在IGBT开关管上的续流二极管，在IGBT模块中自动集成。C3为谐振电容，L1为谐振电感，TR1为高频变压器和整流硅堆，即高频整流变。ESP为静电除尘器。假设高频变压器的一、二次变比为1:n，Vo为最终二次侧输出至电除尘器的输出电压，Ve为该二次电压等效至整流变一次侧的值，依据变压器理论，则有Ve=-Vo/n，Ve、Vo符号相反是因为整流变中的整流桥方向反向，使输出反向。高频电源连接的是静电除尘器的阴极线，阳极板直接接地，为形成正向电场，故高频电源必须输出负高压，确保形成正确的收尘电场方向，故Vo＜0。ir为谐振电流，图示方向默认为谐振电流正方向。SAl为高压隔离开关。高频电源运行时将其切换至连接状态，停运时将其切换至接地状态(图中未示意出)。假设图所示器件均工作于理想状态。

图1

LC串联谐振变换器的开关频率为fs，即为IGBT开关的开关频率。谐振固有频率设为fr，根据fs与fr之间的关系，可使该串联谐振变换器在三种不同的模式下工作。

（1）感性工作模式。此时fs>fr。谐振电流连续，IGBT管开通时为零电压零电流状态，而关断时为大电流状态。

（2）容性工作模式。此时0.5fr＜fs＜fr,谐振电流连续，IGBT管在大电流时开通，零电压零电流状态下关断。开通瞬间，通过IGBT模块内部的反并联二极管进行续流，保证谐振回路的正常运行。因二极管经常工作于正反压状态，对二极管的反向恢复能力有较大要求。

（3）电流断续模式。fs＜0.5fr,，IGBT管工作于零电压开通，零电压零电流关断。

串联谐振变换器工作在电流断续模式，时间区间t0～t1：IGBT开通前，因电路处于断续工作模式，故谐振电流ir为零。t0时刻IGBT管T1、T3开通，因电压为正向电压，故谐振电流ir方向与图所示方向相同，电流通路为电源正极->T1->C3->TR->低压侧->L1->T3->电源负极。此时有能量从一次侧向二次侧传输，二次侧高压硅堆相应通路自然导通。因IGBT管开通时，ir=0，故其是零电流开通。由电路理论可知，谐振电流ir波形为正弦波形式，当谐振电流谐振回0时，记为tl时刻，此时谐振电流ir为零，各导通的硅堆自然关断，这一阶段结束。谐振电流为：

时间区间t1-t2:t1时刻电流反向，ir＜0,由于IGBT管反向阻抗较大，故反向电流绝大部分从反并联二极管流过。谐振电流通路为电源负极_-->D3-->L1-->TRl低压侧 -->C3-->D1-->电源正极。在该时间段内控制IGBT关断最理想，此时IGBT开关管 就能实现零电流零电压关断。此时间区间内，高压硅堆相应侧自然导通，能量从负载侧向变压器原边传输。至谐振电流ir谐振回零时，此阶段结束，结束时刻，记为t2。t2时刻，高压硅堆自然关断，谐振电流为：

时间区段t2～t3：从t0～t2时刻这一区间，意味着一个谐振周期完成，能量从电源侧向负载传输一次。t2时刻起，谐振电流ir保持为零，IGBT管和各二极管均未导通，也没有能量传输，所有元件状态均维持原样，输出电压由静电除尘器本身的等效电容维持，电压会有一定程度下降，但静电除尘器的时间常数较大，在下一个谐振周期来临之间，电除尘器上的电压降很小。t3为下一个谐振周期开始的时刻。

t3时刻后的工作状态与前一个周期类似，唯一不同的是导通的IGBT管变为T2、T4，谐振电流方向为先反向，后正向。

2 实测波形验证

因高频电源装置工作频率较高，采用采样频率200MHz的示波仪对经过该装置进行波形分析，验证上述工作原理。

高压整流后t1～t2的谐振电流波形，从负翻转为正，实测高频电源工作时，二次电流波形如图2（3A8干电火花率，电流20mA，电压32kV）。

原边谐振电流t0～t2波形，经过整流，与实测整流后的二次电流波形特征相符。根据实测波形显示串联谐振固有频率为1/25μs=40kHz。ir(t0-t1)与ir(t1-t2)幅值差即为：

实测高频电源短路试验波形如图3所示。

图3 显示刻度为5μs

二次电压V0为0，故ir(t0-t1)与ir(t1-t2)幅值差为0,波形特征相符。

由此可知，电流波形两个波头之间的幅值差与 二次电压成正相关。二次电压越大，两个波头幅值差越大，二次电压为零时，两个波头幅值也就完全一致。

3 高频电源不同模式下的实录波形分析

3.1 火花率控制模式

火花率控制模式下二次电流20mA，开关频率fs=1/1400μs电流波形见图4。

图4 显示刻度为20μs

火花率控制模式下二次电流538mA，开关频率fs=1/100μs电流波形见图5。

图5 显示刻度为100μs

通过对比火花率模式下，不同二次电流的波形，得出以下结论，高频电源串联谐振固定一直频率不变，通过提高开关频率fs来增加高频电源输出二次电压、二次电流。

3.2 脉冲模式

由图6、图7可知：

图6 脉冲方式下的高能频率显示刻度为200μs

图7 脉冲方式下的低能频率显示刻度为50μs

高能频率输出时，开关频率：

低能频率输出时，开关频率：

以上实测结果与高频电源控制液晶屏所设定高能频率、低能频率的参数一致。

通过分析可知，脉冲方式下，脉冲宽度对应高能频率的输出时间；一个脉冲周期内除高能频率输出时间之外，即为低能频率输出时间。

即高能频率输出-低能频率输出构成了一个脉冲周期。即可对脉冲周期占空比即可对输出调节。

4 录波分析在实际消缺中的应用

4.1 案例1

某电厂3A7干电高频电源运行中二次电压较低，无法达到设定值，检查电压回路相关接线紧固，测量二次电压确实偏低，对高频电源进行空升试验，二次电压可升至额定值。

后对二次电流进行录波，如图8所示，发现两个波头有明显幅值差，而液晶屏显示仅5kV。录取其他正常运行高频电源二次电流波形进行对比（液晶屏显示值为30kV），基本与图10波头幅值差基本一致，判断该高频电源二次电压测量失准。对该高频电源油箱进行开盖检查，发现油箱内部二次电压接线端子较松，紧固后，试投正常。

图8 显示刻度为10μs

4.2 案例2

某电厂2B6干电高频电源脉冲方式下电流偏大1200mA左右，同工况电场脉冲方式电流约为200mA左右。切至火花率方式运行，电流正常受控。

后对脉冲方式下二次电流进行录波发现波形已紊乱（如图9所示）。后经检查发现，该装置高频电源PLC低能频率模拟量通道（0～10V）输出固定为1.9V左右，不随设定值变化，而高能频率设定值为1500Hz，模拟量通道（0～10V）输出为0.9V左右，判断为低能频率模拟量通道输出失控造成波形紊乱，电流偏大。而对应而因火花率方式下低能频率不起作用，因此能在火花率方式下正常工作。

图9 显示刻度为5μs

将该PLC送至厂家检测，发现PLC模拟量通道内部电容长时间运行老化，导致模拟量输出不可控。

5 结语

本文通过高频电源装置工作原理的分析，总结了一套通过高采样频率示波仪进行波形分析方法，对电除尘用高频电源装置进行故障元件定位，减轻了高频电源装置解体吊芯的工作量，提高了消缺工作的效率和准确性。