淺談電除塵高頻電源技術

廖佳榮

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

ESP供電裝置的性能對除塵效率影響極大。傳統的基于可控硅控制的工頻電源的二次電壓紋波大，會引起病態閃絡，導致ESP電暈功率小，電場強度低，影響ESP效率。為提升ESP的性能，在提效的同時節能降耗，20世紀90年代，國外多家研究機構開始將目光放在高頻電源的開發方面[1]。高頻電源能在不改動本體的情況下，就可以大幅提高電除塵的除塵效率，其為ESP提供了平滑、無紋波的直流二次電壓/電流，從而提高了ESP電暈功率和ESP效率。

高頻電源提供紋波為0的二次電壓，即ΔU2=0的充要條件，關鍵在于保持二次電流恒定，即ΔI2=0，使二次電流始終為直流。由此，分支出2種流派的高頻電源技術路線：1） 通過諧振震蕩形成正弦波，再將二次電壓/電流正弦波高頻化，基于該技術所開發的高頻電源被稱為諧振型高頻電源。瑞典阿爾斯通公司和美國NWL公司在20世紀90年代開發這種高頻電源，并逐漸推向市場。2） 通過調制手段將二次電壓/電流平直化，即將二次電流調制為直流，基于該技術所開發的高頻電源被稱為調制型高頻電源。德國西門子公司大約在1992年開始向市場推廣這種高頻電源。

1 諧振型與調制型高頻電源拓撲結構的對比

2種電源的基本拓撲結構的主要區別是變壓器一次側的IGBT逆變電路拓撲的不同。其中，諧振型高頻電源為了實現諧振開關，必須在變壓器一次側的IGBT逆變電路中添加諧振電容，而調制型高頻電源則無須諧振電容。

諧振型與調制型高頻電源都是將三相交流電經斷路器、接觸器、整流器以及濾波電容等整流濾波后輸出直流電源，通過IGBT全橋逆變產生高頻交變電流，再由高頻變壓器升壓傳輸至高壓整流器，最后整流輸出直流負高壓給除塵器。不同之處是諧振型高頻電源是利用變壓器的漏感L，選擇合適的諧振電容C，使電感與電容形成諧振，諧振頻率，一般諧振型高頻電源諧振頻率在40kHz。調制型高頻電源高壓一次側無諧振電容，只根據電流大小進行PWM調制，其工作狀態受頻率影響極小。

圖 1 拓撲結構

2 諧振型與調制型高頻電源工作原理分析

諧振型高頻電源提高平均電流的方法是提高二次電流頻率，如圖2所示，在同樣的10 ms（0.01 s）時間內，隨著頻率的增大，其電流半波數越多，平均電流越大，當頻率無窮大時，其波形趨近直線，平均電流最大。調制型高頻電源提高平均電流的方法是盡量使二次電流平直化，如圖3所示，采用PWM調制方法，使每個周期電流均趨近于直線，只在換相過程中有短暫的關斷，當然頻率越高，換相越快，其波形越接近直線。

圖2 諧振型高頻電源二次電流波形

圖3 調制型高頻電源二次電流波形

電除塵器的負載變化范圍特別大，且會頻繁出現閃絡，為達到更好的除塵效果，高頻電源必須實時檢測閃絡點的二次電壓，并調整二次電壓的輸出值，使高頻電源在閃絡點附近運行。諧振型高頻電源采用串聯諧振拓撲電路，當負載穩定且不發生閃絡時，可以按其設計值輸出穩定的波形，如圖4所示，當在設計諧振頻率下工作時，可以獲得最高的平均電流，當然二次電壓也最高，當需要降低二次電壓時，通過降低脈沖頻率來降低二次電流，其實質是在單位頻率下降低觸發脈沖的有效占空比，通過縮短開通時間、加大關斷時間來降低輸出二次電流，從而降低二次電壓，由于該高頻電源是利用高頻變壓器的漏感組成的高頻諧振式逆變電路，因此當開關頻率降低到一定程度時，電路無法諧振，模塊在硬開關狀態下工作，失去原有設計特性，變壓器阻抗降低，電流沖擊幅度大，電能轉換效率低，調壓效果不好，且高頻電源在非諧振頻率運行，變壓器嚴重偏離設計工作點，直接影響變壓器的使用壽命。

圖4 諧振型高頻電源調節輸出電流示意圖

調制型高頻電源根據電流大小進行PWM調制，固有的電流限制特性使其具有恒流特性，調制型高頻電源調節二次電流輸出示意圖如圖5所示，當二次電流幅值為額定電流的50%及100%時，其調制頻率穩定在變壓器的設計頻率上，不管二次電流輸出幅值的大小，其波形均很平直，對工況惡劣、閃絡頻繁的場合來說，當將二次電壓降至接近閃絡點運行時，由于其平直的二次電流及穩定的二次電壓，因此仍可以輸出穩定的電暈功率，并且不會對設備造成影響。綜上所述，對工控惡劣、閃絡頻繁的場合來說，調制型高頻電源性能更高，可以為各種工況的電場提供盡可能高的電暈功率，最大限度地激發電場的收塵潛能，實現除塵器高效運行的目標。

圖5 調制型高頻電源調節輸出電流示意圖

3 諧振型與調制型高頻電源使用情況對比

某電廠預電除塵器之前采用常規工頻電源，已對其進行諧振式高頻電源改造，但客戶反應改造后仍不能符合預期除塵效果。由于該項目之前改造時有保留工頻電源的整流變壓器，因此調制型高頻電源可以調制出50 Hz的信號直接驅動工頻變壓器，某公司項目研發初期專門開發了移動式的試驗柜，可以提供先試后改服務，試驗效果滿意再進行改造，這就提供了一次難得的對比2種技術路線高頻電源性能的機會?，F諧振型高頻電源運行參數見表1。更換某公司調制型高頻試驗柜，經過一段時間運行后，其運行參數見表2。

表2 調制型高頻電源——2#爐運行參數

如果只比較二次電壓數據，那么調制型高頻電源優勢不太明顯，在2-1、2-2電場上的二次電壓更低，但根據電除塵器高壓電源效率計算公式（電源效率=輸出功率÷輸入功率）可知，高頻電源效率通常為0.8～0.9。根據能量守恒定律可知，任何電源的效率絕不可能大于或等于1，由表1可知，諧振型高頻電源的效率為1.01～1.07，這有悖于科學常識，因此可判定有關運行數據不具科學性，由于輸入電流為直接測量，一般無法隨意調整，因此可以認定數據真實有效，根據輸入功率進行對比，調制型高頻電源提供的輸入功率遠遠大于諧振型高頻電源，按0.8～0.9的效率計算，輸入的電暈功率高，除塵效率也高。

表1 諧振型高頻電源——2#爐運行參數

4 結語

在穩定的工況下，無論是諧振型高頻電源，還是調制型高頻電源，由于均可以提供平直的二次電壓及二次電流，因此都可以提高電除塵器的性能。而在工況惡劣、閃絡頻繁的場合中，諧振型高頻電源的性能比調制型高頻電源低，從現場使用情況來看，驗證了調制型高頻電源的性能更高的結論。調制型高頻電源在各種工況下均能輸出更多的電暈功率，因此能帶來更高的除塵效率，為滿足趨嚴的環保排放標準提供了便捷、經濟且高效的手段。