火电厂电除尘用高频高压电源的研究

摘 要： 根据火电厂除尘高效节能的要求，对应用于电除尘装置的高压电源进行研究。分别分析传统可控硅相控电源和高频电源的工作机理和特点。重点对串联谐振高频电源进行了分析研究，详细介绍了电路结构和工作原理，给出了基于M57962的驱动电路，最后进行了实验分析验证。

关键词： 电除尘; 高压电源; 可控硅相控电源; 串联谐振高频电源

中图分类号： TN919?34; TM611 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）02?0149?03

Research of high?frequency high?voltage power supply for electrostatic precipitator in thermal power plant

SUN Hong1， HUA Wei1， QI Jian?min1， YANG Zhi?chao2， CHEN Qiang2

（1. Jiangsu Frontier Electric Technology Co.， Ltd， Nanjing 211102， China;

2. School of Electric Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstact： According to the efficient and energy saving requirements of dust precipitator in thermal power plant， high?vo?

ltage source used for electrostatic precipitator （ESP） is studied. The working principle and characteristics of traditional thyristor phase controlled power supply and high?frequency power supply are analyzed respectively. The series resonant high?frequency power supply is investigated emphatically. The circuit structure and working principle are expounded. The drive circuit based on M57962 is given in this paper. The results of experimental analysis and verification are offered.

Keywords： electrostatic precipitation; high?voltage source; thyristor phase controlled power supply; series resonant high?frequency power supply

0 引 言

2012年1月1日起实施的国家标准GB13223?2011《火电厂大气污染物排放标准》的要求：2014年7月1日起现有火力发电锅炉烟尘排放浓度≤30 mg/m3，重点地区≤20 mg/m3。火力发电厂在竞争日益激励的市场经济条件下，不仅要考虑产出，也要考虑投入，以尽量少的资源投入和环境代价实现尽可能大的产出，切实做到节约发展、清洁发展、安全发展、可持续发展。

采用高电压技术的电除尘器能有效脱除电厂排放烟气中的灰尘，具有除尘效率高、损耗小的优点，目前正逐步得到广泛应用。电除尘器是机电一体化设备，由电气和机械结构体组成，本文主要研究电气部分，即高压电源。为提高除尘效率，除尘过程中会出现闪络现象，需要电源能有较好的闪络特性及保护功能。高比电阻粉尘会引起反电晕影响除尘效率，因此除尘电源还需要变占空比的脉冲供电方式。除尘电源往往放置于除尘器顶部，由于工作环境恶劣，需要有较高的防护等级和抗干扰特性，并能长时间在高温环境下稳定运行。

1 传统可控硅相控电源

可控硅相控电源如图1所示，采用可控硅相控整流电路，通过变压器升压然后整流成高压直流电，这是比较传统的静电除尘方式。

可控硅相控电源是目前国内外传统的电除尘供电方式，具有功率大、结构简单的优点。但可控硅是半控型器件，动态响应慢，闪络下火花放电或短路时难以快速调整输出电压，通常要关闭可控硅，这样会导致可控硅导通角的减小，在火花放电较重的情况难以输出大功率，当电场中存在高比电阻粉尘时会产生反电晕现象，这将导致除尘电场的火花增大，导致输出功率的快速下降[1]。可控硅相控电源输出会叠加100 Hz的脉动电压，电压的峰值为平均值的1.3倍，因此平均电压无法达到击穿电压，限制了输出电压的提高，平均电压及电场强度的下降会导致除尘效率下降，影响除尘效果，而且工频变压器体积较大且价格昂贵[2]。

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图1 可控硅相控电源电路原理图

2 高频电源

随着全控型功率器件的发展，尤其是高压大电流的IGBT的快速发展，电除尘器高频电源近年发展起来，具有优异性能的新一代的电除尘器供电装置。电除尘器高频电源采用逆变方式，可提供脉冲宽度为微秒级的电流脉冲给电除尘器供电，可增加粉尘的荷电效果，有效提高电除尘器除尘效率，可减少烟尘排放40%～70%，并且可减少电除尘器供电功率50%～80%，甚至更高。其特点为：高频电源可增大电晕功率，提高粉尘荷电强度，提高除尘效率;高频电源的火花控制特性好，因火花而损失能量很小，电场恢复快。高频电源的控制方式灵活，可根据电除尘器的工况提供最合适的电压波形;高频电源高效节能，其本身电能转换效率高达90%以上，自身损耗小;高频电源的体积小、重量轻，可高度集成，总重量只有工频电源的[14];高频电源安装更方便，辅助设备更少，节省配电室空间、电缆与安装费用;高频电源采用三相平衡电源，对电网影响小，无缺相损耗，无电网污染[3]。高频电源目前有2种形式，一种是PWM关高频电源;一种是用串联谐振电路实现软开关的高频电源，本文介绍串联谐振高频电源。

2.1 工作原理

PWM高频电源为串联谐振高频电源具有损耗小、频率较高、耐冲击、电磁兼容性较好的优点。串联谐振高频电源是将PWM移相控制与谐振变换控制相结合，通过两桥臂之间移相角的控制来调节输出电压，通过恒频控制实现功率开关管的零电压零电流软开关，大大减小了开关损耗和噪声干扰，实现较高的开关频率，并具有类似恒流源的特性，能有效抑制除尘电场火花的大电流冲击，并快速熄灭火花并恢复电场的能量。图2为串联谐振高频电源电路原理图。

图2中，D1～D6构成三相整流桥，Q1～Q4组成全桥电路，Cr为谐振电容与变压器分布电容折合到变压器原边的等效电容，Lr为谐振电感与变压器漏感串联得到的等效电感。整个电路的谐振频：

[fr=12πLrCr] （1）

功率管的驱动信号如图3所示，Q1与Q2的驱动信号相位相差 180°，中间有死区;Q3和Q4之间相差也是 180°，中间有死区。只有在Q1、Q4同时导通或Q2、Q3同时导通时，逆变器桥才能通过变压器向副边传递能量。通过改变移相角，就可以改变Q1、Q4及Q2、Q3的导通时间，通过调整这2组驱动信号脉冲之间的相位移θ ，就可以改变输出功率。由于Q3和Q4相对于Q1和Q2先通断，所以Q3和Q4为为超前臂，Q1和Q2为滞后臂[4]。

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图2 串联谐振高频电源电路原理图

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图3 驱动信号及逆变桥输出电压

电路的工作过程：t0～t1时段Q1和Q4导通，t0时刻开通Q1，实现Lr和Cr的谐振，谐振电流Ir为正弦波;

t1～t2是超前臂关断过程，t1时刻关断Q4，电容C4的电压不能突变实现Q4的零电压关断，t1至t2时间段变压器原边谐振电流通过C4进行充电达到电容C的电压VC，同时C3的电压从VC放电至零，达到Q3的零电压导通条件;

t2～t3是续流阶段，t2时刻开通Q3，原边谐振电流通过Q1和Q3的体内二极管续流，t3时刻下降到零;

t3～t4是滞后臂的关断过程，谐振电流保持为零，t3时刻关断Q1，实现零电流关断，t4时刻开通Q2，实现零电流开通;

t4之后负半周开始，分析和前面相同。

串联谐振高频电源仅通过高频变压器实现的电压抬升是不足以满足电除尘的电压等级要求，因此需要进行整流电路的电压抬升。

图4为变压器倍压整流电路，整流电路所用二极管一般为高压硅堆。

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图4 变压器倍压整流电路

2.2 驱动电路

Q1～Q4的采用厚膜集成电路 M57962组成驱动电路。M57962内部结构如图5所示，是由三菱公司生产的一款驱动模块，在内部集成了耐压高达2 500 V的高频光电耦合器，并具有过流保护功能，具有封闭性短路保护功能。

图6为采用M57962的驱动电路。采用VCC1和VCC2两路电源，实现负压关断，提高了可靠性，采用两个稳压二极D1和D2反向串联，实现对开通和关断电压的限压。D3为稳压二极管，改变IGBT的短路检测的CE极电压阀值，避免了出现严重过流导致IGBT性能下降甚至损坏。U2实现故障信号的隔离检测，将故障信号送至控制系统。G极驱动电阻采用电阻并联结合二极管的结构，实现IGBT的快速导通和相对缓慢的关闭，降低了IGBT关断C极和E极之间电压尖峰，增加栅极电阻会增加功率管的开关损耗，因此需要合理选取。

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图5 M57962内部结构图

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图6 采用M57962的驱动电路

3 实验研究

根据本文原理设计了实验样机，图7为逆变桥驱动信号波形，VCC1为15 V电源，VCC2为9 V电源，开关频率为20 kHz。

图8为根据本文方案设计样机的原边谐振电流波形，从图中可看出波形和理论分析一致。

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图7 逆变桥驱动信号波形

4 结 论

本文对传统可控硅相控电源和串联谐振高频电源的工作机理和优缺点进行了分析研究，根据电除尘现场工况的特殊要求，串联谐振高频电源最为符合除尘电源的性能要求。分析串联谐振高频电源的电路结构和工作原理，并给出实验波形。

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图8 变压器原边谐振电流波形

参考文献

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