恒流高压直流电源

§1 恒流高压直流电源
§1.1 恒流源供电的理论基础
对电除尘器采用恒流源供电，是八十年代中期开始的，虽然它采用了大量的无源元件：电抗器、电容组成L－C变换网络，但却改变了一种供电方式，采用电流源供电。

作为一个供电回路，一般由电源和负载组成，其表征参量为三个，电压、电流和阻抗，以电压作为电源的形式供电（电压源），则电流随负载变化；以电流作为电源的形式供电（电流源），则电压随负载变化。

无论是较早的磁饱和放大器电源，还是现在的可控硅电源，均是电压源的特性，一种方式是改变回路的阻抗，进行限流，一种是改变输出电压的平均值（波形），虽然均可以做到“恒压” ，“恒流” 运行，但均是通过控制调整电压来达到的，其主变量，即能直接控制、调整的是电压μ，如图一所示：i=f(u)。

而恒流源是一种电流源的概念，能直接控制、调整的是电流i，如图二所示：u＝f(i)，通过控制和调整电流i做到“恒压” ，“恒流” 、“最佳火花率”等工作状态下运行。

图1 电压源供电i=f(u) 图2 电流源供电u＝f(i)
除尘器电场某一局部由电晕放电向火花击穿过渡是需要时间和功率，不论哪一种电源供电，电场处在电晕放电状态，电源所提供的电流则电晕电流，当电场处在火花放电状态，则电源所提供的电流为火花电流，因此在用恒流源供电时，由于电晕放电向火花放电过渡时，放电通道的等效电阻R随电离强度的增加而减小，这样注入到放电通道的功率P＝I2（t）R减小，P也减小，抑制了放电的进一步发展，这相当于一个负反馈的物理过程，因此火花击穿的临界电压明显提高，
也就是说使除尘器的伏安特性的正阻区得到了大幅度的延伸，延伸的幅值取决于除尘器的状态和工况条件，一般含尘浓度大、电阻率高的烟尘，除尘器机械缺陷较大的，其伏安特性延伸幅值也大，而且延伸是在r=du/di→0附近，也就是说电压增加几千伏，电流成倍地增加。

从图一、图二的伏安特性可以看出，由于除尘器是具有气体放电特性的一个非线性特性，特别是曲线的后半段具有负阻特性，因此对于同一个电压值，电流可能是多值的，而对同一个电流值来说，电压是单值的，即在某一时刻，除尘器的工作电压是其电流的单值函数，因此，简单地从非线性电路平衡状态的稳定性来考虑，以恒流源来供电时，电压不会发生跳跃，可以稳定工作在r=du/di→0附近，即工作在高的电压和电流下，因为一个电流值，只有一个电压所对应，而电流值是由设备所决定的，因此这种稳定的工作状态不需要反馈控制回路来支撑，而且是本身回路所具有的。

所以，用恒流源供电，可以使除尘器工作在较高的功率水平下
.
2
12.211.1I A U A U +=(1)
.
222.
2211.
I A U A I += (2)
式中的A 11、A 12、A 21、A 22为复数系数，跟电网频率、四端网络的元件参数及其连接方式有关，Z H 为四端网络输出端的等效负载阻抗。

考虑到负载上的电压、电流可表示为：
.
2.
2U Z I H = (3)
将(3)式代入(1) 式后，可得： H
Z A A U I 1112.
1
.2+= (4)
由(4)式可知，如果选择四端网络的结构和参数，使得A 11=0,则负载电流便与其阻抗完全无关，而仅仅决定于电网电压和系数A 12。

在含有L、C 的电路中，如果电网输入为Usinωt 时，则负载电流为：
)
1(22
.
1
.
2−+−=LC Z L U j I H ωω (5)
如果根据对电网频率共振的条件ω2LC=1来选择L和C,则（5）式中分母的第二项为0，即：
L
U j
I ω2.
1
.
2−= (6-1) (6-2) 1
1I A U &&=
由(6-1)式可知供给负载的电流与负载本身的大小无关。

这就是本电源“恒流”的含义。

由（6-2）式可知输入电压与输入电流同相，功率因数高，接近1。

作为电流源的一种，L-C 恒流高压直流电源在静电沉积中的应用，使供电水平上升到一个新的高度。

§1.3技术特点
运行稳定，可靠性高，能长期保持沉积效率，能承受瞬态及稳态短路。

能适应工况变化，克服二次扬尘，并有抑制电晕闭塞和阴极肥大的能力。

运行电压高，并能抑制放电，对机械缺陷不敏感。

电源结构简单，采用并联模块化的设计，检修方便，电源故障率低。

功率因数高COSφ≥0.90，而且不随运行功率水平变化,节电效果明显。

输入和输出的波形为完整的正弦波，不干扰电网。

在电除尘器实际运行中，由于工况的不可预见性，使得除尘器热态运行的伏安特性偏离了设计值，如高电压，低电流；频繁闪络，运行电压偏低等不正常的运行状态，通过恒流源供电能改变其运行特性，特别在一些特殊场合，第一电场采用恒流源供电，即能使整个电除尘器的稳定运行，如电子束脱硫后的电除尘器（ESP2），最终达到达标排放。

由于恒流源是多个L-C 恒流变换器并联工作，因此随着容量增加，恒流变换器的个数也线性增加，其制造成本也线性增加。

§1.4产品型号和系列
§1.4.1产品型号
户内（N）或户外（W）
恒流电源S:手动,C:微机,P:PLC,D:DCS
§1.4.2 HLS手动系列恒流高压直流电源
HLS手动系列电源是恒流电源供电的基本型式，充分实现了恒流电源的技术特点，使用了较少的电子元器件，产品操作，维护简单实用，是中小型企业的首选产品系列
§1.4.3 HLC系列微机控制恒流高压直流电源
§1.4.3.1 HLC系列电源的特点
HLC系列电源核心组件是控制单元和操作单元，可独立设定参数自动运行，也可在上位机上设定参数自动运行，同时兼有手动功能。

组态软件是在WINDOWS 或WINNT 4.0平台上进行的，而DCS等控制组态也是在此平台上进行的，因而两者不能互相溶入。

§1.4.3.2 控制单元
控制单元完成HLC型电源的控制整定、数据处理和报警等功能。

§1.4.3.3 操作单元
实现控制现场运行数据的设定、修改及数据、故障显示等操作。

§1.4.3.4 上位机
上位机组态软件可以根据用户需要进行二次开发，运行稳定可靠，经济。

在上位机上可实现画面监视、参数设定、趋势曲线、报表打印及故障报警等功能。

实现组态显示、控制的多台自动运行。

§1.4.3.5 系统基本组成及配置：
下位机控制单元数量理论上可不受限制，从性能上讲最好不超过12个。

系统硬件配置如下：
主机一台：高档PC机或工控机
显示器一台：大屏幕彩显（1024×768×256以上）
打印机一台：通用
系统软件：WINDOWS 2000 PROFESSIONAL 或WINNT 4.0以上版本。

图6 多台HLC型电源连网
§1.4.4 HLP系列 PLC控制恒流高压直流电源
§1.4.4.1 HLP系列电源的特点
PLC及触摸屏都是在大型自动化生产中应用的成熟产品，其具有良好的抗干扰性能，互换性强，工作稳定。

PLC的组成是积木式硬件结构，除CPU外，根据需要还可挂接必须的I/O 模块，更换方便。

§1.4.4.2 单台自动运行
它的核心控制组件是可编程控制器（PLC）和触摸屏。

PLC和触摸屏是大型自动化厂家生产的成熟产品，HLP系列电源利用了这些硬件，而对软件作了很好的编程，完成了HLP系列电源的自动控制功能。

通过触摸屏实现了电源在现场的自动控制操作和简单监视功能。

§1.4.4.3 PLC的功能
PLC是HLP系列电源的控制中心，通过对PLC编程实现了电源的自动运行。

在工作过程中，电场和电源的运行数据以及各个控制量和状态显示的数据不断地被送入PLC中，通过PLC内部处理程序完成电源自动控制功能。

§1.4.4.4 触摸屏的功能
§1.4.4.5 多台自动运行
多台HLP型电源同时运行，由上位机实现集中监控时，根据实际情况，我们提供两种连接方式。

§1.4.4.5.1 上位机选用DCS(图8)
这种方式的选用是用户本身具有DCS控制系统，只要满足一定的通讯协议，就能将HLP系列电源接入系统。

在这种控制方式下，电源既可实现远程自动控制，又具有现场自动控制功能，而且整个系统的扩展性也强。

可实现功能有：控制启停、参数设定修改、画面显示、趋势曲线、报表打印
§1.4.4.5.2 上位机选用大型PLC（图9）
图9 上位机为大型PLC实现多台HLP系列电源连网
§1.4.5 HLD系列 DCS控制恒流高压直流电源
HLD系列电源自动控制功能是通过上位机组态实现的。

它是一种远程自动控制电源。

上位机控制系统的选取是用户根据实际情况决定的。

§1.4.5.1 HLD系列电源的特点
若用户已具有DCS控制系统的，选用HLD系列电源，在DCS上作组态，即可实现电源自动控制。

DCS上可监视到电源的运行数据，趋势曲线及
故障报警等。

HLD系列电源脱离开上位机（DCS或PLC）便失去自动运行功能，还可手动操作运行。

下面有两种典型的控制方式。

§1.4.5.1.1 用DCS实现控制
HLD系列电源自身不带有自动控制单元，它是由变送器将模拟量转变为4-20mA（0-20mA）或1-5V(0-5V)标准信号，连同数字量信号一起送到端子上，由端子引出，在现场接线到DCS控制站。

HLD系列电源通过在DCS上作组态，实现它的自动控制功能。

自动控制功能即在DCS操作站上实现电源远程启动、停止、控制参数设置、修改、各种流程画面、趋势、报表显示，报警及定时打印等功能。

通过对大型PLC编程实现HLD系列电源的自动控制功能。

在这种方式下，HLD 系列电源占用PLC一部分预留的I/O接口，将控制信号接上去，在PLC上编程实现HLD系列电源的自动控制，同样可进行各种操作和画面显示，这种控制方式下，HLD系列电源只是PLC一个很小的控制部分，系统的大部分是用来控制其他设备
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§1.5 静电除尘器高压供电系统连接框图
恒流高压直流电源由恒流控制柜及高压发生器两部件组成。

直流高压输出经阻尼电阻、直流高压隔离开关（或高压隔离开关箱）用高压电缆与沉积电场相连。