静电除尘用高频高压电源

大功率静电除尘用高频高压电源的研制
廖谷然1，杨北革2，薛辉2，吕玉祥1
（1. 太原理工大学物理与光电工程学院，山西太原 030024；2. 山西省电力公司大同供电分公司，山
西大同 037008）
摘要：由于工频可控硅电源在静电除尘器领域中使用时的缺点，高频高压电源势必将取代工频电源成为静电除尘器的供电电源。

而目前国内研制的高频高压电源的功率一般比较小，难以和主流的静电除尘设备相配套。

本文介绍了采用双串联谐振回路并联的新的拓扑结构，设计出了72KV/1.6A的大功率静电除尘用高频高压电源。

通过现场实验验证了72KV/1.6A高频高压电源的可行性。

该电源对静电除尘设备新建或改造时降低成本和维护费用有着实际的意义。

关键词：静电除尘器；高频高压电源；串联谐振；软开关；数字信号处理
Development of a High-power High Frequency and High Voltage Power
Supply for Electrostatic Precipitator
LIAO Gu-ran1，Y ANG Bei-ge2，XUE Hui2，LV Yu-xiang1
（1. College of Physics and Optoelectronics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；
2. Shanxi Datong Electric Power Supply Company，Datong 037008，China)
Abstract: Due to the disadvantage of industrial frequency power supply with SCR used in the field of electrostatic precipitator. The high frequency high voltage power supply will definitely replace industrial frequency power supply as the power supply of electrostatic precipitator. And at present the power of high frequency high voltage power supply is small, and hard to match electrostatic dust removal equipment. This paper introduces a new topology of double series resonance circuit in parallel, designs the 72KV/1.6A high power high frequency and high voltage power supply for electrostatic precipitator. The feasibility of high frequency and high voltage power supply has been verified by testing it in the real electric field. This power supply has a practical significance to reduce cost and maintenance cost of new electrostatic dust removal equipment or renovation project.
Keywords: electrostatic precipitator，high frequency high voltage power supply，series resonance，soft switching，Digital Signal Processing
0 引言
空气污染直接严重危害人体健康。

而火力发电厂、钢铁、冶金、造纸、水泥、轻纺、化工等工业领域生产过程中产生的烟气是空气污染的主要来源。

因此这些烟气在排放到大气之前必须对其进行除尘处理。

20世纪90年代大气污染物排放标准
200mg/m3，2004年起实施的更加严格的排放标准则是50mg/m3[1]，而从2012年1月1日起实施的新的火电厂大气污染排放标准中燃煤锅炉的烟尘排放标准是30mg/m3[2]。

越来越严格的环保要求给除尘设备和供电电源提出了新的要求。

静电除尘器（ESP）是国际上使用广泛的除尘设备，具有效率高，处理烟气量大，运行成本低，维护方便等优点。

利用静电除尘器能够有效地收集粉尘，使得排放达到标准。

从20世纪八十年代至今，环保领域使用的静电除尘器直流高压供电电源普遍采用工频可控硅电源，其电路结构是两相工频电源经过可控硅移相控制幅
度后经整流变压器升压整流后形成100Hz的脉动直流高压。

这种供电电源适用于烟气温度高、压力大的场合。

是国内外传统的静电除尘器供电方式。

但随着环保排放要求的不断提高，此种供电方式也逐渐显示出一些缺点。

比如：1.工作频率为50Hz，转换效率低，耗电量大，变压器体积大，需大量钢材和铜材。

2.采用工频相位控制调压方法，使得功率因数低，且对电网干扰大。

3.晶闸管是半控型器件，对闪络放电等实际状况响应速度慢，延时长，不能立即调整输出电压。

4.输出电压脉动大，使得电晕电压低，无法适合高比电阻的粉尘[3]。

以上几个缺点使得工频电源无法达到环保领域新的排放标准。

因此，研制高性能的静电除尘用高压直流电源势在必行。

随着新一代功率电子器件的发展，比如IGBT等全控型器件的出现和数字控制技术的发展，高频逆变技术在工业上的应用越来越广泛也越来越成熟。

基于高频逆变技术的静电除尘器供电电源越来越受到人们的重视，是静电除尘器供电电源的发展方向[4]，成为国内外除尘行业研究的重点。

由于制造和控制技术上的难度，目前国内从事静电除尘用高频电源的公司研发的产品输出功率都不高。

而国内绝大多数主流静电除尘设备要求配套的电源功率在60-100kW。

本文分析了静电除尘用高频高压电源的工作原理，提出了采用双串联谐振回路并联的新的拓扑结构，研制了72KV/1.6A大功率静电除尘用高频高压电源。

工作频率为1-30KHz。

为了减小调频时IGBT的开关损耗，采用串联谐振软开关技术，使得IGBT在零电流下开通和关断。

1 整体电路框图
图1 整体电路框图
Fig.1 The circuit diagram
由整体电路框图可知，72KV/1.6A静电除尘用高频高压电源主电路由两路三相全桥整流，两路串联谐振高频逆变及高频整流变压器几个部分组成。

输入380V工频电压通过三相整流，再经过电解电容稳压作用得到母线电压。

母线电压通过IGBT高频全桥逆变，经过高频整流变压器升压和二次整流后得到直流高压，为静电除尘器本体供电。

图2为串联谐振高压直流电源的具体拓扑电路图。

其中静电除尘器本体可等效为一个电阻和一个电容并联。

图2串联谐振高压直流电源主电路图
Fig.2 The main circuit diagram of series resonance high voltage DC power supply 2 工作原理分析
图2中两个谐振回路的参数完全相同，IGBT的开关状态也完全对称，因此只对其中一回路进行分析。

并推导出电流波形图。

首先讨论一下基本串联谐振电路：
图3 基本串联谐振电路
Fig.3 Basic series resonance circuit 设通过谐振电感L的电流为i,谐振电容C两端的电压为U，则i和U有如下关系：
in
di
L U U
dt
+=（1）
dU
C i
dt
=（2）由（1）、（2）可以推导出
()()
00
cos
r
i t i w t t
=-+
()
sin
in
r
r
U U
w t t
Z
-
- (3)
()()()
00
cos
in in r
U t U U U w t t
=---+
()
00
sin
r r
Z i w t t- (4)
（3）、(4)两式中
i为
t时刻流过谐振电感L的电
流，
U为
t时刻谐振电容C两端的电压，r
w
LC
=为谐振角频率，
r
L
Z
C
=
在图2中，设IGBT的开关频率为
s
f，谐振频
率为
r
f，根据
s
f与
r
f不同关系，图2电路有三种
不同工作方式。

当
s
f小于
r
f的一半时，谐振回路工作在断续工作状态下，IGBT零电流导通，零电流
零电压关断，大大减小了IGBT 的开关损耗。

两路PWM 波驱动信号互补，即当Q1、Q4导通时，Q2、Q3截止；Q1、Q4截止时，Q2、Q3导通。

设母线电压为in U ，通过谐振电感电流为i ，谐振电容两端电压为U ，负载电容折算到变压器原边的电压为1U 。

图4 开关模式1 图5 开关模式2 Fig.4 Switching Mode 1 Fig.5 Switching Mode 2
图6 开关模式3 图7 开关模式4 Fig.6 Switching Mode 3 Fig.7 Switching Mode 4
(1)开关模式1，0t 时刻，Q1、Q4导通，等效电路图4所示。

在0t 时刻，()00i t =，()00U t =，()100U t =。

利用（3）、（4）可以推导出谐振回路的谐振电感上的电流和谐振电容两端的电压如下：
()()0sin in
r r
U i t w t t Z =
- (5) ()()0cos in in r U t U U w t t =-- (6)
（5）、（6）式中，r w LC =
，因此谐振周期2r T LC =,0t 时刻Q1、
Q4开通，电流正向流动，过1
2
r T 时间，i 过零，U 达到最大，电路进入开关模式2。

(2)开关模式2，1t 时刻，电流i 反向，流过反并联二极管D1、D4, 等效电路图5所示。

开关模式2的初始条件为：()10i t =，()12in U t U =，()110U t >。

利用（3）
、（4）可以推导出谐振回路的谐振电感上的电流和谐振电容
两端的电压如下：
()()11sin in
r r
U U i t w t t Z -=
- (7)
()()()111cos in in r U t U U U U w t t =+--- (8)
过12
r T 时间到达3t 时，i 到零，D1、D4自然关断，开关模式2结束。

在1t 与3t 中间的2t 时刻关断Q1、Q4,因为此时流过Q1、Q4的电流为0，所以实现了零电流关断，减小了关断损耗。

(3)开关模式3,4t 时刻，Q2、Q3导通，谐振电流i 增加，实现软开通，等效电路图6所示。

工作模式3的初始条件为：()40i t =，()()4132U t U t =，()()1413U t U t =。

利用（3）、（4）可以推导出谐振回路的谐振电感上的电流和
谐振电容两端的电压如下：
()1
4()sin in r r
U U i t w t t Z +=-
- (9) ()1in U t U U =-++
()()14cos in r U U w t t +- （10）
4t 时刻Q2、Q3开通，电流反向流动，过1
2
r T 时，i
过零，电路进入开关模式4。

(4)开关模式4，5t 时刻， D2、D3导通，等效电路图7所示。

工作模式4的初始条件为 ()50i t =，()52in U t U =-，()()1514U t U t =。

利用（3）、（4）可以推导出谐振回路的谐振电感上的电流和谐振
电容两端的电压如下：
()1
5()sin in r r
U U i t w t t Z -=- (11) ()1in U t U U =---
()()15cos in r U U w t t -- (12) 过12
r T 时间到达7t 时,i 到零，D2、D3自然关断，
开关模式4结束。

在5t 与7t 中间的6t 时刻关断Q2、
Q3,因为此时流过Q2、Q3 的电流为0，所以实现了零电流关断，减小了关断损耗。

上述公式我们可以得到电流断续工作方式的主要波形如图8所示 图8 谐振电感电流断续工作时的波形图 Fig.8 The current waveform of resonant inductance in discontinuous conduct mode 由谐振电流波形图可知，当增加IGBT 的开关频率时，电流有效值随之增大，因此通过改变IGBT 开关频率来改变谐振电流的有效值，供给除尘器本体。

3 控制系统 控制系统的结构框图如图9所示
图9 控制系统框图
Fig.9 Control system diagram
本电源采用脉冲频率调制的方式，为了减少
IGBT 的开关损耗，开关频率小于谐振频率的一半。

由于电源功率大，主回路采用双串联谐振回路并联
而成。

控制系统采用DSP 数字信号处理器和ARM9的
双32位CPU 。

DSP 采用德州仪器公司生产的TMS320F2812，该芯片具有处理能力强，响应速度快，精度高，可靠性好等优点。

DSP 事件管理器产生的PWM 波经过光纤隔离传输到驱动模块后驱动
IGBT 工作，通过调节脉冲频率来改变IGBT 的开关
频率，从而控制输出电压和输出电流。

DSP 模数转换器对母线电压，输入的一次电压
和一次电流，输出的二次电压和二次电流进行采样并做数据处理。

DSP 根据采样到的二次电压和二次
电流的具体数值来控制PWM 波频率以使得加到电场本体的电压电流达到最佳工作状态。

ARM9主要负责控制系统与上位机及手操器的通信，上位机与手操器均可显示电源的实时工作状态以及对电源进行实时操作。

整个控制系统能具有完备的检测功能，完善的故障保护和报警功能。

能及时显示故障或报警信
息，快速对故障做出响应和处理。

4 实验结果及分析
静电除尘用高频高压电源额定输出电压为
72KV ，电流为 1.6A ，IGBT 采用英飞凌公司的FZ900R12KS4，其额定电流为900A ，最大耐压为1200V ，IGBT 驱动模块采用西门康公司的2SD315AI ，
该模块具有短路和过流保护、欠压监测等功能[5]。

谐振电容取为0.7uF ，谐振电感使用变压器漏感，谐振周期为22us ，工作频率为30KHz 。

实际工作时
的二次电流波形图如下：
图10 二次电流波形图 Fig.10 Second current waveform
实际二次电流波形图与理论分析推导出的图8
相符，电源接入静电除尘器本体运行一段时间后数据记录如表1，由数据表明：电源运行稳定，各参数完全符合设计要求。

6结论
本文分析了采用两个串联谐振回路并联的新的拓扑结构的静电除尘用高频高压电源的工作原理，研制出了额定输出为72KV/1.6A的大功率高频电源。

电源实际体积约为3m3,重量约为800KG,跟相同功率的工频电源相比，体积及重量大大减小。

通过一段时间实际实验验证了电源的可行性。

为静电除尘设备新建或改造时电源的选择提供了更多的选择。

表1 实验结果
Tab.1 The experiment results
测试时间8：30 9：00 9：30 10：00 10：30 11：00 11：30 12：00 12：30 13:00 13：30 14：00 14：30 15：00 谐振频率（us）22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22
一次电流(A)206 204 204 206 203 202 202 200 204 208 204 205 203 205 一次电压(V)361 364 364 366 368 368 368 366 368 373 370 370 370 370 二次电流(mA)1629 1633 1623 1636 1621 1615 1611 1594 1610 1631 1610 1607 1610 1610 二次电压(kV)69.9 69.7 70 70.6 70.8 71 71.1 71.4 72.7 72.2 72.2 72.2 72.4 72.5 实时频率(KHz)30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
参考文献：
[1]胡立强，李鹤鸣，蒋云峰，张谷勋.基于TMS320F2812电除尘用高频高压逆变电的研究[J].宇航计测技术，2007，27（2）：50-54.
HU Li-qiang，LI He-ming，JIANG Yun-feng，ZHANG Gu-xun. Study of High-Frequency and High-V oltage Inverter. Power Supply on TMS3202812 for Electrostatic Precipitator. Journal of A stronautic Metrology and Measurement，2007，27（2）：50-54.
[2]环境保护部.GB 13223-2011[S].北京：中国环境科学出版社，2011.
Ministry of Environmental Protection. GB 13223-2011[S]. Beijing：China Environmental Science Press，2011.
[3]谢小杰.一种串联谐振高频高压电源设计[J].电力电子技术，2007，41（9）：79-81.
XIE Xiao-jie. A High-frequency and High-voltage Power Conversion based on Series Resonant. Power Electronics，2007，41（9）：79-81.
[4]张谷勋.电除尘器电源的发展方向－高频化和数字化[J].电源世界，2007，1：15-18.
ZHANG Gu-xun ，JIANG Yun-feng. Electric Precipitator Power Supply Development Direction High Frequency and Digitization. The World of Power Supply，2007，1：15-18. [5]郑月非，张爱玲.以2SD315AI为核心的IGBT驱动电路的设计与调试[J].电气技术，2010，3：65-67.
ZHENG Yue-fei，ZHANG Ai-ling.Design and Debugging on 2SD315AI Type Driver for IGBT. Electrical Technology，2010，3：65-67.。