高頻高壓電源

北極星大氣網(wǎng)訊:摘 要：本文介紹了電除塵用高頻高壓電源的一種技術(shù)方案，分析了其方案原理和技術(shù)特性。實(shí)際使用表明，電除塵采用高頻調(diào)壓、恒頻逆變的工作方式，具有功率因數(shù)高，電網(wǎng)電流諧波含量小，高壓輸出波動(dòng)小，電流輸出能力強(qiáng)、輸出電流調(diào)節(jié)快速等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：濕式電除塵;PWM整流;恒高頻;恒頻逆變;功率因數(shù);電能質(zhì)量

序言

高頻高壓電源由于其顯著的性能優(yōu)勢(shì)在電除塵行業(yè)得到了大量應(yīng)用，其調(diào)節(jié)速度快，滿足了電除塵器大部分的要求，提高了電除塵設(shè)備的除塵效率。與可控硅電源有著本質(zhì)的不同，采用的諧振式電路結(jié)構(gòu)使高頻電源具有良好的恒流源特性，電源可工作在穩(wěn)態(tài)短路情況，非常適合電除塵工況。

隨著高頻電源逐步替代工頻電源，特別是濕式電除塵應(yīng)用中，除塵本體需要單機(jī)容量更大的高頻電源設(shè)備，傳統(tǒng)的高頻電源為調(diào)頻型工作方式，目前大容量高頻電源往往采用水冷散熱方式，系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)困難、成本高的問(wèn)題非常突出。同時(shí)隨著電源設(shè)備容量的提高，高頻除塵電源的電網(wǎng)輸入功率因數(shù)、電網(wǎng)電流諧波畸變率等電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)廠區(qū)電網(wǎng)的影響逐漸受到重視，新建電除塵項(xiàng)目時(shí)，電網(wǎng)系統(tǒng)中往往需要額外配置無(wú)功補(bǔ)償和電力濾波設(shè)備，但由于電除塵應(yīng)用的特殊性，本體發(fā)生閃絡(luò)時(shí)電源立即關(guān)斷電能輸出，容易引起電網(wǎng)無(wú)功功率過(guò)補(bǔ)償，損壞補(bǔ)償電容，電力濾波器也易發(fā)生諧振燒毀。

針對(duì)調(diào)頻式高頻電源在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，市場(chǎng)上出現(xiàn)了調(diào)幅型高頻電源，電流輸出能力強(qiáng)，電源工況適應(yīng)性得到大幅提高，其中基于空間矢量PWM整流技術(shù)(SVPWM)的綠色恒高頻電源，通過(guò)高頻整流調(diào)壓，恒頻逆變的方式運(yùn)行，具有功率因數(shù)高(>0.99)，電網(wǎng)電流諧波含量小(<5%)，電源轉(zhuǎn)換效率高(>93%)等特點(diǎn)，在多個(gè)濕電除塵項(xiàng)目得到驗(yàn)證，是工頻電源和調(diào)頻型高頻電源的提效與節(jié)能改造理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

1電除塵高頻電源對(duì)比分析

1.1調(diào)頻型高頻電源

調(diào)頻型電除塵高頻電源方案出現(xiàn)較早，來(lái)源于阿爾斯通90年代的技術(shù)方案，通過(guò)二極管不控整流將電網(wǎng)三相交流電壓轉(zhuǎn)換為530V直流電壓，其上疊加有300Hz的交流電壓，通過(guò)單相橋式逆變電路將直流電壓逆變?yōu)?kHz~20kHz的交流電壓，經(jīng)高頻變壓器升壓后通過(guò)高壓硅堆整流得到疊加有300Hz交流紋波的直流電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)逆變頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流平均值的調(diào)節(jié)，大功率高頻電源由于變壓器輸入為高頻大電流，IGBT和高頻變壓器功耗大，往往需要采用并聯(lián)方案，主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

調(diào)頻型高頻電源使用的高頻變壓器一次電壓低，一次電流大，變壓器變比大，造成變壓器的銅耗和鐵耗大，電源轉(zhuǎn)換效率低。IGBT開(kāi)關(guān)頻率高，為降低IGBT的損耗必須使IGBT工作軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)依賴于諧振電容、變壓器漏感、變壓器匝間電容、除塵本體等效電容等參數(shù)，調(diào)頻型高頻電源的逆變頻率時(shí)刻在變化，易造成IGBT失去軟開(kāi)關(guān)而工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，大幅增加IGBT的功耗而損壞。

1.2調(diào)頻型高頻電源

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了空間矢量PWM整流技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于光伏逆變器、高壓變頻器、電動(dòng)汽車(chē)充電樁等領(lǐng)域，相較于傳統(tǒng)技術(shù)方案具有不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。針對(duì)傳統(tǒng)調(diào)頻型高頻電除塵高壓電源在實(shí)際中存在的問(wèn)題，市場(chǎng)上出現(xiàn)了基于空間矢量PWM技術(shù)的綠色恒高頻電除塵高壓電源產(chǎn)品，相對(duì)于傳統(tǒng)高頻電源的性能優(yōu)勢(shì)在多個(gè)濕電項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證。

綠色恒高頻電源通過(guò)三相IGBT整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)交流電壓進(jìn)行高頻整流并升壓，IGBT逆變橋?qū)Φ玫降闹绷麟妷哼M(jìn)行恒頻逆變，通過(guò)PWM整流方式對(duì)變壓器一次電壓的幅值進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)二次直流輸出直流高壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用的主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過(guò)空間矢量PWM整流方式，將電網(wǎng)交流電壓整流為幅值可調(diào)(600～1300V)的直流電壓，高頻電源的逆變頻率恒定不變，通過(guò)調(diào)節(jié)一次電壓的幅值對(duì)高壓輸出電流進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，二次電壓輸出無(wú)300Hz交流紋波問(wèn)題，電源輸出的平均電壓更接近擊穿點(diǎn)，除塵效率更高。

采用空間矢量PWM整流方式，電源的電網(wǎng)輸入電流的幅值和相位任意可調(diào)，任意輸出功率下均可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)輸入功率因數(shù)恒為1。

采用空間矢量PWM整流方式，電網(wǎng)輸入電流無(wú)低次諧波，只有高頻開(kāi)關(guān)紋波，通過(guò)簡(jiǎn)單的LC濾波方式，電網(wǎng)輸入電流總諧波畸變率小。

采用調(diào)幅工作方式，對(duì)除塵本體集成電容等參數(shù)無(wú)要求，變壓器工作中恒高頻狀態(tài)，電源的電流輸出能力強(qiáng)，工況適應(yīng)性好。

1.3性能對(duì)比

綠色恒高頻除塵電源與傳統(tǒng)調(diào)頻型高頻電源性能對(duì)比如表1所示：

綠色恒高頻電源對(duì)輸出瞬時(shí)功率的峰值進(jìn)行控制，控制每次輸出給本體的能量大小，使輸出電壓盡可能接近火花放電點(diǎn)，并根據(jù)本體目前的運(yùn)行工況實(shí)時(shí)快速變化，變壓器恒高頻(18kHz)運(yùn)行，電源的電流輸出能力強(qiáng)，特別是濕式電除塵應(yīng)用中，由于噴淋系統(tǒng)產(chǎn)生的以及煙氣本身攜帶的水汽，造成火花閃絡(luò)點(diǎn)的隨機(jī)性，綠色恒高頻電源有很好的適應(yīng)性，其輸出的瞬時(shí)能量調(diào)節(jié)波形如圖3所示。瞬時(shí)功率峰值控制帶來(lái)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是可以實(shí)現(xiàn)火花的能級(jí)控制，當(dāng)發(fā)生瞬間閃絡(luò)或者微弱火花時(shí)，持續(xù)時(shí)間極端，此時(shí)電源不關(guān)機(jī)，當(dāng)發(fā)生大火花時(shí)，電源在亞微妙時(shí)間內(nèi)關(guān)閉輸出，顯著提供本體的除塵效率。

傳統(tǒng)的調(diào)頻型高頻電源通過(guò)對(duì)輸出功率的平均值進(jìn)行調(diào)節(jié)，即控制單位時(shí)間內(nèi)輸出能量的份數(shù)，調(diào)節(jié)速度慢，要保證本體不放電，只能使平均輸出電壓遠(yuǎn)離閃絡(luò)點(diǎn)，同一本體情況下的電流輸出能力弱，特別是工況惡劣場(chǎng)合，為本體避免放電，開(kāi)關(guān)頻率很低(有時(shí)小于6kHz)，常出現(xiàn)空升試驗(yàn)電流輸出正常而帶載運(yùn)行時(shí)電流很小的情況，傳統(tǒng)的調(diào)頻型高頻電源對(duì)輸出能量平均值的調(diào)節(jié)如圖4所示。電除塵本體可等效為電阻與電容的并聯(lián)，而電容的容抗與頻率呈反比，即頻率越高電容的容抗越小，本體的阻抗就越小，同樣輸出電壓下電場(chǎng)的電暈電流就越大，除塵效率就越高，與傳統(tǒng)調(diào)頻高頻電源在惡劣工況下的差異尤為明顯。

綠色恒高頻電源相較于傳統(tǒng)的調(diào)頻型高頻電源在除塵效率、轉(zhuǎn)換效率、電能質(zhì)量、工況適應(yīng)性、工程電纜費(fèi)用、運(yùn)行電費(fèi)等方面均有提高。

2濕電應(yīng)用案例

綠色恒高頻電除塵電源在焦化、鋼鐵等多個(gè)行業(yè)得到了實(shí)際應(yīng)用，性能優(yōu)異。臨汾某焦化公司的煤炭焦化產(chǎn)線產(chǎn)生的煙氣經(jīng)脫硫后原先為直接排放方式，為滿足大氣污染物排放限值，脫硫后煙氣增加濕式電除塵處理，高壓電源選用綠色恒高頻電源，項(xiàng)目目前已經(jīng)經(jīng)過(guò)環(huán)保局組織的驗(yàn)收，項(xiàng)目概況如下：

綠色恒高頻電源運(yùn)行界面如圖5所示，二次電流滿載輸出，對(duì)輸出瞬時(shí)峰值峰值進(jìn)行控制，輸出能量盡可能接近放電點(diǎn)并根據(jù)放電點(diǎn)快速變化，電源輸出能力強(qiáng)。二次高壓輸出經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)儀表檢驗(yàn)，真實(shí)可靠，電網(wǎng)輸入功率因數(shù)和有功功率在低壓配電室配置多功能功率表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)一致，不存在電源規(guī)格虛標(biāo)情況。

采用CA8331三相電能質(zhì)量分析儀對(duì)綠色恒高頻電源的電能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，電網(wǎng)電流諧波畸變率和功率因數(shù)如圖6所示，指標(biāo)優(yōu)異，體現(xiàn)綠色電源的特性。特別是對(duì)于類(lèi)似該項(xiàng)目的小型廠礦企業(yè)，由于電網(wǎng)容量小，除塵電源的電能質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的影響較大。

3結(jié)束語(yǔ)

綠色恒高頻電除塵電源具有除塵效率高，轉(zhuǎn)換效率高、電暈電流輸出能力強(qiáng)、電能質(zhì)量指標(biāo)最優(yōu)等特點(diǎn)，恒高頻運(yùn)行方式使電源能夠適應(yīng)各種復(fù)雜工況。采用綠色恒高頻電源，不需用戶增配無(wú)功補(bǔ)償與電力濾波設(shè)備，工程建設(shè)電纜相對(duì)同容量的調(diào)頻型高頻電源可減小一個(gè)規(guī)格，同時(shí)節(jié)省用戶的運(yùn)行電費(fèi)，是工頻電源和調(diào)頻型高頻電源的提效與節(jié)能改造理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

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