高频逆变电源应用于电除尘器的前景分析

摘要：旧式的电除尘器已经很难达到新的粉尘排放标准，但是设备的更新换代需要大量的资金，如何达到更佳的性价比就成为了人们关注的焦点。研究发现，将电除尘器电源的工频电源更换成高频逆变电源可以大大提高除尘效率，具有很高的性价比，有很好的应用前景。

关键词：高频逆变；电除尘；电源优化；节能减排

中图分类号： TE08 文献标识码： A

Abstract: It has been difficult for the old ESP to meet the new dust emission standards, but the update of the equipment costs a lot of money, therefore, how to reach a higher cost performance becomes the focus of attention . After researches we found that the replacement of the industrial frequency power with the high-frequency inverter of the ESP power can greatly improve the collection efficiency, with a high cost performance and a good prospect of application.

Key words: high-frequency inverter; ESP; power optimization; energy saving and emission reduction

0 引言

电除尘器(ESP)是利用电力将气体中的粉尘分离出来，从而大幅度降低排入大气层中的烟尘量，这是改善环境污染，提高空气质量的重要环保设备。在我国，各类发电厂，燃煤锅炉，碱回收锅炉，水泥厂，垃圾发电厂，以及有色冶金工业、钢铁工业等行业，都不可缺少地需要配备电除尘器。它具有除尘效率高、阻力损失小、耐高温、烟气处理量大、操作自动化程度高等特点，应用广泛。

我国的煤炭消耗占总体能源消费的60%以上，由此引起的烟尘和SO2污染日趋严重。上个世纪80-90年用的电除尘器因为设计时环保要求不高，设计余地不大，急需更新换代。电除尘器供电电源是电除尘系统的关键设备，也是重要的能耗设备。提升电除尘设备供电电源的效率就成为了提高电除尘器效率，达到国家环保的新标准的最有效手段。

1 高频逆变电源原理及特点

高频逆变电源电除尘器的核心思想是把三相工频电转变成直流电，然后再利用现代电力电子技术将直流电逆变成高频交流加以控制，高频逆变的拓扑形式如图1所示：

图1 高频逆变电除尘电源框图

其主要特点是：(l)三相整流器把三相交流电转换成直流电，逆变器再把直流电压转换成高频交变的方波，这种方式在控制上具有很大的灵活性，主要体现在逆变器可以采用PWM(pulse width modulation)、PS-PWM(phase-shift pulse width modulation)、PDM(pulse density modulation)和PFM(pulse frequency modulation)等多种控制方式或多种控制方式的组合。由于采用了高频控制，输出电压的纹波小，系统的动态响应速度快，从而显著地提高了除尘效率。另外，由于控制方式的灵活性，高频逆变电除尘电源可以产生特定的高压输出波形，以适应不同的除尘工况。

(2)逆变器高频交变方波的输出形式使得升压变压器同时可为高频变压器。在保持升压比不变的情况下，高频变压器的高、低压绕组匝数相比于工频变压器明显减少。变压器体积的明显减小，相应制作变压器的原材料，如缠绕变压器的铜、制作油箱的铁、绝缘用的油等材料的使用都会大幅度减少。高频电除尘电源的重量只有传统工频电除尘电源的1/5左右。

(3)与传统的可控硅工频相控电除尘电源相比，高频逆变电除尘电源应用了全控型功率器件IGBT，开关速度快，电除尘器发生闪络时能够立即关断。高频逆变电除尘电源的上述特点使其具有比工频电除尘电源更加优越的性能。传统工频电除尘电源的功率因数约为0.7，效率约为75%；而高频逆变电除尘电源的功率因数达0.9以上，效率可高达95%以上，节能效果非常明显。

2 高频逆变电除尘器的先进性分析

2.1典型稳态输出波形对比

电源的输出电压和电流越大，除尘效率越高。而电除尘器工作电压受闪络电压限制存在上限值，因此，在相同闪络电压下，电除尘电源输出电流越大，除尘效率将越高。图2是稳态工作时高频逆变电除尘电源与工频电除尘电源的典型波形对比图。

图2 稳态时高频逆变和传统工频典型波形对比

由图可见，工频电除尘电源输出电压具有较大的纹波，当闪络电压为约80kV时，平均输出电压约为60kV，只有闪络电压的75%。而高频电除尘电源输出电压较平稳，接近闪络电压。因此，高频逆变电除尘电源具有比工频电源更大的输出电流能力，除尘效率更高。

2.2动态输出波形对比

高频逆变电除尘电源不仅在稳态时具有突出优点，动态性能同样优异。图3为高频逆变电除尘电源和工频电除尘电源在电除尘器发生闪络和重新启动时的典型对比波形。

从上图中可以看出，当闪络发生时，两者的输出电压都迅速下降，不同的是高频逆变电除尘电源能够迅速响应，封锁电源输出，所以输出电流也随之迅速下降至零。而工频电除尘电源由于不能立即关断晶闸管，导致输出电流存在较大过流，且要经过很长时间才逐渐下降至零，在这个过程中，大量能量消耗在电除尘器中，并给电源造成很大冲击。

从图3中还可以得出结论，高频逆变电除尘电源闪络持续时间短，经过较短的退电离时间，系统就可以再次重新启动；而工频电除尘电源由于闪络持续时间长，火花放电严重，电除尘器产生了大量的空间电荷，所以需要经过较长的退电离时间，系统才可以重新启动。当系统重新启动时，由于高频逆变电除尘电源的响应速度快，因此输出电压能够迅速达到预定电压，而工频电除尘电源则需要多个工频周期后才能达到。上述两点表明，高频逆变电除尘电源的有效除尘时间将高于工频电除尘电源，除尘效率更高。

3 高频电源的应用实例

表1给出了各种工业应用采用高频电除尘电源后，粉尘排放量相对于传统工频电除尘电源下降的现场数据[9]。

表1 各种工业采用高频电除尘电源后排放量下降数据

应用场合 地点 安装高频电除尘电源装置数量（台） 排放量减少比例

燃煤锅炉 世界各地 195 ～60%

碱回收炉 Baltic,Canada,South America 143 40-60%

湿式电除尘器 世界各地 103 40-85%

水泥和石灰 Europe 95 ～75%

垃圾 Japan,Europe 51 20-50%

生物锅炉 Baltic 121 10-40%

玻璃制造 USA, Europe 52 ～60%

从表1可见，高频电除尘电源在减小粉尘排放量上的效果显著，平均可高达50%左右。

4 总结

从本文的研究可以看出，高频电源在电除尘器上的使用具有很大的应用空间。高频电源不但可以大大降低电除尘电气设备的电耗，对企业节能减排和应对排放新标准都能起到极大作用。而且高频电源的改造性价比高，对于不方便大规模更换电除尘设备的企业有着很大的吸引力。

参 考 文 献

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[2] 刘勇,何湘宁,张仲超.脉冲密度调制串联谐振型塑料薄膜表面处理电源的研制.中国电机工程学报，2005.25(26): 155-162.

[3] 张琪.塑料薄膜表面处理电源的PS-PWM控制及其人机界面,硕士学位论文,杭州:浙江大学,2006.

[4] 张谷勋,蒋云峰.电除尘器电源的发展方向――高频化和数字化.电源世界，2007(l): 1-4.

[5] N. Grass, W. Hartmann, M. Klockner. Application of different types of high-voltage supplies on industrial electrostatic Precipitators. IEEE Transactions on Industry Applications,2004. 40(6): 1513-1520.

作者简介：

韩帮忠，1982年12月出生，毕业于大连海事大学，硕士研究生，注册环保工程师。现任职于公司，长期从事环保管理和企业污染防治技术研究。