大功率靜電除塵用高頻高壓電源的研制

廖谷然，楊北革，薛 輝，呂玉祥*

(1.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，太原030024;2.山西省電力公司大同供電分公司，山西 大同037008)

空氣污染直接嚴(yán)重危害人體健康。而火力發(fā)電廠、鋼鐵、冶金、造紙、水泥、輕紡、化工等工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣是空氣污染的主要來源，因此這些煙氣在排放到大氣之前必須對(duì)其進(jìn)行除塵處理。20 世紀(jì)90 年代大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)200 mg/m3，2004 年起實(shí)施的更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)則是50 mg/m3［1］，而從2012 年1 月1 日起實(shí)施的新的火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)中燃煤鍋爐的煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)是30 mg/m3［2］。靜電除塵器是國(guó)際上使用廣泛的除塵設(shè)備，具有效率高，處理煙氣量大，運(yùn)行成本低，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。利用靜電除塵器能夠有效地收集粉塵，使得排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。從20 世紀(jì)八十年代至今，靜電除塵器高壓供電電源普遍采用工頻可控硅電源。隨著環(huán)保排放要求的不斷提高，這種供電方式逐漸顯示出一些缺點(diǎn)。比如:(1)工作頻率為50 Hz，轉(zhuǎn)換效率低，耗電量大，變壓器體積大，需大量鋼材和銅材。(2)采用工頻相位控制調(diào)壓方法，使得功率因數(shù)低，且對(duì)電網(wǎng)干擾大。(3)晶閘管是半控型器件，對(duì)閃絡(luò)放電等實(shí)際狀況響應(yīng)速度慢，延時(shí)長(zhǎng)，不能立即調(diào)整輸出電壓。(4)輸出電壓脈動(dòng)大，使得電暈電壓低，無法適合高比電阻的粉塵［3-5］。因此，研制高性能的靜電除塵用高壓直流電源勢(shì)在必行。

隨著新一代功率電子器件的發(fā)展，比如IGBT等全控型器件的出現(xiàn)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，高頻逆變技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛也越來越成熟。基于高頻逆變技術(shù)的靜電除塵器供電電源越來越受到人們的重視，是靜電除塵器供電電源的發(fā)展方向［6-7］。由于制造和控制技術(shù)上的難度，目前國(guó)內(nèi)從事靜電除塵用高頻電源的公司研發(fā)的產(chǎn)品輸出功率都不高。而國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)主流靜電除塵設(shè)備要求配套的電源功率在60 kW ～100 kW［8］。本文分析了靜電除塵用高頻高壓電源的工作原理，提出了采用雙串聯(lián)諧振回路并聯(lián)的新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研制了72 kV/1.6 A 大功率靜電除塵用高頻高壓電源。工作頻率為1 kHz ～30 kHz。為了減小調(diào)頻時(shí)IGBT 的開關(guān)損耗，采用串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)［9］，使得IGBT在零電流下開通和關(guān)斷。

1 電源設(shè)計(jì)方案

電源結(jié)構(gòu)框如圖1 所示，輸入為380 V、50 Hz的工頻電壓通過三相整流，電解電容濾波后得到530 V 直流母線電壓。再經(jīng)過IGBT 高頻全橋逆變，高頻整流變壓器升壓和二次整流后得到直流高壓，為靜電除塵器本體供電。

圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖

在人機(jī)界面中，可以設(shè)置IGBT 的開關(guān)頻率、脈沖寬度、報(bào)警邏輯等參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示電源工作時(shí)電壓電流的大小、實(shí)時(shí)溫度、故障和報(bào)警顯示等。

DSP 控制器負(fù)責(zé)全橋逆變的驅(qū)動(dòng)脈沖，電壓、電流、溫度的采樣，以及短路、開路、過熱保護(hù)等控制。

2 工作原理分析

雙串聯(lián)諧振高頻高壓直流電源的拓?fù)潆娐穲D如圖2 所示。其中靜電除塵器本體根據(jù)型號(hào)不同可等效為大小為20 kΩ ～10 mΩ 電阻和大小為5 000 pF ～100 000 pF 的電容并聯(lián)［10］。

圖2 中兩個(gè)諧振回路的參數(shù)完全相同，IGBT 的開關(guān)狀態(tài)也完全一樣，因此只對(duì)其中一回路進(jìn)行分析。并推導(dǎo)出電流波形圖。根據(jù)IGBT 開關(guān)頻率和諧振頻率的關(guān)系，該電路有3 種工作方式。當(dāng)IGBT 工作在斷續(xù)工作狀態(tài)下，IGBT 零電流導(dǎo)通，零電流零電壓關(guān)斷。采用此軟開關(guān)技術(shù)大大減小了開關(guān)損耗。

圖2 雙串聯(lián)諧振高頻高壓電源拓?fù)潆娐穲D

設(shè)通過諧振電感L 的電流為i，諧振電容C 兩端的電壓為U，負(fù)載電容折算到變壓器原邊的電壓為U1。假設(shè)在逆變過程中母線電壓Uin基本保持不變。電源一個(gè)諧振周期可分為4 個(gè)工作模式。其等效電路如圖3 ～圖6 所示。

圖3 開關(guān)模式1

圖4 開關(guān)模式2

圖5 開關(guān)模式3

圖6 開關(guān)模式4

開關(guān)模式1:等效電路圖3 所示。在t0時(shí)刻，i(t0)=0，U(t0)=0，U1(t0)=0。可以求出諧振回路的諧振電感上的電流和諧振電容兩端的電壓如下:

式(1)、式(2)中，ωr=，因此諧振周期Tr為等效阻抗。t0時(shí)刻Q1、Q4開通，電流正向流動(dòng)，過Tr時(shí)間，i 過零，U 達(dá)到最大，電路進(jìn)入開關(guān)模式2。

開關(guān)模式2:t1時(shí)刻，電流i 反向，流過反并聯(lián)二極管D1、D4，等效電路圖4 所示。初始條件為:i(t1)=0，U(t1)=2Uin，U1(t1)＞0。諧振電感上的電流和諧振電容兩端的電壓如下:

開關(guān)模式3:t4時(shí)刻，Q2、Q3導(dǎo)通，諧振電流i 增加，實(shí)現(xiàn)軟開通，等效電路圖5 所示。初始條件為:i(t4)=0，U(t4)= 2U1(t3)，U1(t4)= U1(t3)。諧振電感上的電流和諧振電容兩端的電壓如下:

t4時(shí)刻Q2、Q3開通，電流反向流動(dòng)，過Tr時(shí)，i 過零，電路進(jìn)入開關(guān)模式4。

開關(guān)模式4:t5時(shí)刻，D2、D3導(dǎo)通，等效電路如圖6 所示。初始條件為i(t5)= 0，U(t5)= -2Uin，U1(t5)=U1(t4)。諧振電感上的電流和諧振電容兩端的電壓如下:

過Tr時(shí)間到達(dá)t7時(shí)，i 到零，D2、D3自然關(guān)斷，開關(guān)模式4 結(jié)束。在t5與t7中間的t6時(shí)刻關(guān)斷Q2、Q3，因?yàn)榇藭r(shí)流過Q2、Q3的電流為0，所以實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，減小了關(guān)斷損耗。

上述公式我們可以得到電流斷續(xù)工作方式的主要波形如圖7 所示。

圖7 諧振電感電流斷續(xù)工作時(shí)的波形圖

由諧振電流波形圖可知，當(dāng)增加IGBT 的開關(guān)頻率時(shí)，電流有效值隨之增大，因此通過改變IGBT 開關(guān)頻率來改變諧振電流的有效值，供給除塵器本體。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)采用DSP 數(shù)字信號(hào)處理器和ARM9的雙32 bit CPU。DSP 采用德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F2812，該芯片具有處理能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，精度高，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。DSP 事件管理器產(chǎn)生的PWM 波經(jīng)過光纖隔離到驅(qū)動(dòng)模塊后驅(qū)動(dòng)IGBT 工作，通過脈沖頻率調(diào)節(jié)方式來改變IGBT 的開關(guān)頻率。

DSP 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)母線電壓，輸入的一次電壓和一次電流，輸出的二次電壓和二次電流進(jìn)行采樣并做數(shù)據(jù)處理。DSP 根據(jù)采樣到的二次電壓和二次電流的具體數(shù)值來調(diào)節(jié)PWM 波頻率以使得加到電場(chǎng)本體的電壓電流達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

ARM9 主要負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)與上位機(jī)及手操器的通信，上位機(jī)與手操器均可顯示電源的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)以及對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。

整個(gè)控制系統(tǒng)能具有完備的檢測(cè)功能，完善的故障保護(hù)和報(bào)警功能。能及時(shí)顯示故障或報(bào)警信息，快速對(duì)故障做出響應(yīng)和處理。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

電源額定輸出電壓為72 kV，電流為1. 6 A，IGBT 采用英飛凌公司的FZ900R12KS4，其額定電流為900 A，最大耐壓為1 200 V，IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊采用西門康公司的2SD315AI，該模塊具有短路和過流保護(hù)、欠壓監(jiān)測(cè)等功能［11］。諧振電容取為0.7 μF，諧振電感使用變壓器漏感，脈沖寬度為22 μs，工作頻率為30 kHz。實(shí)際工作時(shí)的二次電流波形圖如圖9所示。

圖9 IGBT 開關(guān)頻率為30 kHz 的二次電流波形圖

實(shí)際二次電流波形圖與理論分析推導(dǎo)出的圖7相符，電源接入靜電除塵器本體運(yùn)行一段時(shí)間后數(shù)據(jù)記錄如表1，由數(shù)據(jù)表明:電源運(yùn)行穩(wěn)定，各參數(shù)完全符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文分析了采用兩個(gè)串聯(lián)諧振回路并聯(lián)的新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靜電除塵用高頻高壓電源的工作原理，研制出了額定輸出為72 kV/1.6 A 的大功率高頻電源。電源實(shí)際體積約為3 m3，質(zhì)量約為800 kg，跟相同功率的工頻電源相比，體積及重量大大減小。通過一段時(shí)間實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電源的可行性。為靜電除塵設(shè)備新建或改造時(shí)電源的選擇提供了更多的選擇。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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