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。