新型高频脉冲电源在静电除尘器中的应用展望

新型高频脉冲电源在静电除尘器中的应用展望（字数5693）关键词高频脉冲技术（HFPC），电除尘器（ESP），门隔离场效应晶体管（IGBT），整流电源。

摘要时至今日，用高频（20-50kHz）脉冲电源产生纯净的直流高压为电除尘器供电，已经是被广泛接受的技术。

此种高压开关电源展现了除尘器新的过程技术。

纯净的直流电压对于ESP性能的改善，其结果已经为ESP业界所了解。

此电源的电路运行频率大大高于电网频率。

其主要优势是减小尺寸（降到常规系统的15%），并且改善了ESP的电源控制。

ESP的能量可以被控制在微秒级，而不再依赖于主频率。

受益于纯净的直流电源，改善了由于过高的空间电荷产生电晕闭塞而导致的ESP高排放。

可以得到更高的次级（kV）平均电压和电流。

同样使用纯净的直流电改善了中、低比电阻，包括湿式电除尘器的排放。

实地测试表明ESP性能改善的实现，包含低和高比电阻粉尘条件。

此外，这个高频电源是三相驱动。

三相负载均衡，功率因数接近于1。

本文介绍此新型ESP电源。

报道了在不同过程条件的ESP中采用纯净高频直流电供电的运行基理，以及在国内外的应用和前景。

电除尘器供电电源的发展历史回顾本文的首要目标是来叙述一种基于高频脉冲（HFPC ）技术的新型ESP电源。

首先就要回顾整流电源的演变历史，梳理静电除尘器供电技术的发展脉络。

常规电源（主频率能量转换器）图1，ESP电源，主频整流器工业应用的ESP运行的是负直流高压。

通常运行电压低于负100kV。

这是由电极间距，以及产生电晕电流所需要电场强度的烟气条件所致。

常规电源（主频率）参见图1。

由一个单相变压器产生高压，经过一个全波整流器，输出一个脉动直流高电压到ESP中由电极组成的高压框架。

这些电极——是放电极和接地的收尘电极，之间相当于一个充电电容。

电晕电流波纹频率两倍于主频率（参见图2）。

此系统有两个明显缺点。

其一，除尘器要获得高的平均电压和电流，就希望运行的峰值电压接近于火花水平处。

用现代化的微处理控制器控制主电源和变压器之间的可控硅，可以得到所需要电压/电流水平。

ESP中常用的电流密度是0.1-0.5mA/m2。

传统整理变压器的波纹系数在30——45%，实际的电极间平均电压将低于峰值电压，这意味着电流的减少，也就是电场强度降低。

此结果将降低收尘效率。

图2，ESP电压其二，当ESP工作在高比电阻粉尘时。

为了避免反电晕的产生，我们被迫地降低电流，譬如到0.02 mA/m2。

现在电流密度是不足的（如同图3左图中的a），此时除尘器的表现将恶化（如图3右图中的A）。

图3，（左）发射电极上的电晕发生。

（右）高比电阻降低有效移动速度。

常规电源反复应用2 mA/m2 100µs和0mA/m2 10 ms，也就是电源脉冲的重复频率在100次/秒。

此时平均电流仅为0.02 mA/m2，因此不发生反电晕。

2 mA/m2 100µs脉冲的会使发射极上电流密度分布非常好，如图3左中的b。

通常粉尘随烟气通过除尘器的平均速度在1.5 m/s。

在脉冲的间隔时间（10 ms）内，粉尘将仅移动1.5 cm。

它不可能躲避荷电。

事实上，堆积在灰层表面上的电荷必须通过粉尘泻放；灰层扮演了一个漏电容。

粉尘的电容时间常数是秒级的。

反电晕因此需要秒级时间来发展，对其评估仅仅基于平均电流。

通常采用间隙供电（或者称之谓简易脉冲或半脉冲）的供电方式来克服反电晕的产生。

图3右图反映了温度变化而引起的比电阻变化和烟气趋进速度的对应关系。

通常情况下，随着温度的上升，粉尘比电阻将降低。

这是分子的布朗运动特性所决定的。

但是在常温至150℃间，随着水分的蒸发，比电阻有一个升高的过程。

比电阻的变化导致了趋进速度的变化存在理论（虚线）和实际（实线）的差异。

图中A和B代表了不同充电比时的趋进速度区别。

因此，间隙供电尽管是克服反电晕的有效方法，但除尘器总体的除尘效率趋向更差。

脉冲电源（MPC）为了提高电源的效率，并改善电源的间隙供电，发展了一代新的电源。

此种电源通过开关一个由除尘器电容加上附加的电容和电感（或脉冲变压器）组成的震荡电路产生自激振荡。

所获得的振幅衰减的短脉冲胜于单脉冲。

这称之为MPC——多脉冲概念。

可控硅作为这个开关，能量通过感应传输进ESP。

能量在ESP和储能电容间振荡，直到基本部分被用于ESP。

当储能电容中的能量释放，产生连续脉冲。

脉冲振幅下降对ESP中电晕有用。

短脉冲的意义，ESP的峰值电压高于常规供电，并不导致火花。

结果是更好的电晕电流分布和反电晕的发生被抑制。

图4，脉冲电源（MPC）图4显示这种脉冲电源的主回路框图。

下表是一台典型的MPC的技术数据。

新一代的高频脉冲电源（HFPC）在过去的十多年，高频脉冲电源（HFPC）向高功率水平有了一个飞速的发展。

市场上新型半导体，譬如使用门隔离场效应晶体管（IGBT）使之成为可能，其频率到50kHz，其功率水平已经超过100kW。

图5显示了HFPC电源框图，其变压器的运行频率大大高于主频率（>10kHz）。

由IGBT切换到想要的频率。

这个高频交流电压转变为高压。

输出整流器将交流高电压转换成直流电压，供应给ESP。

输出电流（或电压）是由电源开关的“开”和“关”变化次数控制的。

图5，高频能量转换器方块图在90年代初，第一台使用高频交变技术的ESP供电装臵——开关型集成整流器（Switched Integrated Rectifiers简称SIR）投入商业运行。

SIR的工作频率为50kHz（传统整流变为50或60Hz），变压器尺寸和重量被大大缩小。

一台额定值为70kV、800mA的SIR全部重量仅仅200kg，比传统的整流变压器的控制柜还轻，更别提重达700—1700 kg 的整流变。

当前，最新的SIR4系列产品的最大规格已经达到90KV、2000mA。

重量在480kg，外形尺寸为：高1145 mm、宽840 mm、长1263 mm。

图6，SIR外形图“集成”对于SIR有两个涵义：1.全部电路，如主电源、高频逆变器和整流变压器集成并内臵一个小箱子– SIR之中。

2.“模块化”概念包括，SIR集成了振打装臵的电机组和加热器，以及一个装有ESP优化软件的综合控制器。

SIR全部包含在一个位于高压出线筒之上的立方体之中，通过高压出线筒，或者高压电缆与ESP连接。

选择规格匹配的SIR，适用于所有类型的ESP。

SIR采用的开关变频技术提高了换能效率，一台额定为60kW的SIR总的转换损耗始终低于3kW。

与传统整流变压器比较，SIR通常带来更低的安装成本。

SIR是对称三相供电。

因此，即使当SIR运行在“SIR—脉冲”模式（如下所示），SIR几乎不产生基波干扰和高频干扰。

条件合适，SIR同样可以运行在“SIR—脉冲”（类似于间歇供电，裕度更大）和功率控制振打（PCR）。

对一台250mA的单元，重量是常规系统的15%。

它可以被放在ESP顶部，直接连接到ESP中的电压系统。

这样，没有必需的配电室。

这也同样意味着电缆大量减少。

HFPC电源是三相驱动，功率因数超过0.9，并且没有偶次谐波存在。

HFPC提高ESP除尘效率的基理HFPC增加ESP的电流输入传统整流变压器是控制原边的两个反并联的闸流管。

高压侧的kV和mA是半波“电流脉冲”，而不是平滑的直流电，参见图7。

二次电压kV“波纹”通常以二次电压的峰值和谷底值差异的算术平均值的百分比表示。

典型的波纹系数在30——45%。

在高比电阻应用中，反电晕使波纹系数更高。

图7，传统整流变压器的典型曲线；电流、电压（负）和波纹HFPC运行频率是50kHz，导致ESP中几乎纯的直流电压。

电流能被控制在20μs。

在常规电源中火花一发生，充电就被停止，主频的一个半波就是10ms的响应时间，结果是过长的电压为零时间意味着ESP 失去其收尘能力。

所以，电压的停止时间应该最小。

此外，由于没有了吸附颗粒留在收尘板上的电场力，同样能导致粉尘的二次飞扬。

HFPC产生的kV波纹非常低。

kV算术平均值略高或略低于kV的峰值或谷底值。

用示波器就可以清晰地比较HFPC和传统整流变压器的波形，参见图8。

连续光滑的直流高压基本消除了原先每半个周期的“kV压降”，所以HFPC能输入ESP更高的电流。

HFPC在火花发生前具有更高的电流输入能力——常常能倍增能量，电流密度的增加提高了ESP收尘效率。

图8，HFPC的二次电压波纹（上部曲线）和传统整流变压器的电压波纹（下部曲线）以下是一个常规电源和HFPC电源的运行比较案例，该案例的除尘器收尘面积为216m2，异极间距为125mm，灰分比电阻为中等偏高的1010Ωcm。

图9，ESP电压，常规和HFPC电源，相同电流图9显示当两种电源被调整到相同电流（200mA）时的高电压，并且运行于接近火花极限，但尚未有火花状态。

HFPC的电压接近50kV，比传统电源要高10KV。

图10，ESP电压，常规和HFPC电源，相同的峰值电压图10则显示，峰值电压都调整到相同值，55kV，没有火花。

记录两者电流。

HFPC产生230mA，常规系统仅仅产生110mA。

图11，ESP电压，常规和HFPC电源的通常运行，火花图11显示当两种电源通常运行在电流火花极限时的情形。

记录两者电流。

结果是HFPC 为230mA，常规系统为120mA。

图12，HFPC比传统整流变压器在火花后返回满功率快得多。

火花之后，传统整流变压器只能设臵为关断整个半波来熄灭火花。

对于50Hz/60Hz 运行频率其最小关断时间是10/8.3ms。

对于HFPC，电气上可以极快恢复。

在许多ESP过程中发现2—5ms是合适的火花封锁时间。

某些ESP，高的火花率可以增加ESP收尘效率。

譬如火花率高于100次/分钟。

HFPC在火花熄灭2—5ms后的5—15ms恢复到满功率，几乎感觉不到高压跌落。

这意味着先前不能利用的大量电流现在变得可用。

典型的传统整流变压器花10倍或更长时间来恢复到满功率。

通过多种不同类型的ESP及其应用的观察，SIR改善了ESP的收尘效率。

通过对一台湿式的电捕焦器的测量，其排放从40 mg/Nm³降低到5 mg/Nm³，相当于减少了85—90%。

对更多的其他ESP过程，SIR降低排放30%，有些甚至更好。

值得一提的是ESP的改善仅仅缘于用SIR替代传统整流变压器。

图13，相同供电区传统整流变压器和HFPC的波纹差异，HFPC在火花电流极限时电流高很多。

图14，SIR和传统整流变压器的比较。

KV峰值，kV平均值和kV谷底值——对应于mA曲线。

数据源于一台小型生物体焚烧炉的后级ESP。

（传统曲线的最大电流由于火花极限而终止）。

HFPC更好的脉冲控制用HFPC供电是一种完全不同的高压直流供电方式。

“HFPC—脉冲”（类似间隙供电）改进了脉冲次序的高级控制，带来收尘效率超过传统整流变压器所使用的简易脉冲方式。