电除尘器电源的发展方向：高频化和数字化

一、低频整流电源T/R的缺点

从上世纪八十年代至现在，环保领域电除尘器所使用的高压供电电源基本上都是采用输入为两相的可控硅工频相控电源，其间人们也对此做了不少改进，比如研制了将输入改为三相的可控硅工频相控电源,调幅式LC恒流源等，在系统控制方面也做了许多工作，比如把反馈控制量由电压改成电流，电源调节采用了单片机等等。纵观其上，都是跟不上环保标准不断提高和节能降耗、可持续发展的客观要求，其核心问题是电源的工作频率是工频50HZ，造成电源的功率变压器和滤波电感器电容器体积庞大，耗能耗材，耗费空间，并影响除尘效率的提高。
归纳起来，电除尘器的这种传统的低频整流电源T/R主要有五大缺点：一是工作频率低，转换效率低至75％以下，耗费电能；二是工作频率低，变压器和滤波器体积大，重量重，耗费大量的铜和铁，不符合可持续发展，同时价格又高，性价比低；三是电源输入为两相380v交流工频电源，又是工频相位调节，致使输入功率因数低至0.7以下，对电网造成很大的电磁干扰，电磁兼容性差，不符合自然和谐发展；四是体积庞大的电源控制调节机箱和隔离升压用的工频变压器分居两处，耗费空间，增加基建费用；五是输出纹波大，致使电晕电压低下，波形又是单一的工频波，使得无法适应高比电阻的工况，达不到环保领域粉尘排放标准的新要求（2004年我国火力电厂粉尘排放标准由原来90年代的200毫克/立方米降低至50毫克/立方米）。

二、高频开关电源SIR能克服低频相控电源的缺点

图1是电除尘器一般的高频开关电源主电路拓扑框图。



图1.高频开关电源SIR主电路拓扑框图

假定电除尘器所需供电电源为70kv高压直流电源。输入三相380v50HZ或60HZ交流电源，经三相整流滤波成约520v直流电压，再经IGBT模块高频20KHZ逆变，高频变压整流为70kv，经限流电阻R0供给电除尘器极板。输出电流、电压、反馈至DSP控制器改变脉冲工作频率或脉冲宽度经隔离驱动器送给IGBT全桥高频逆变器以对输出电流输出电压进行调节。输出开路保护、短路保护、变压器油和IGBT的过热保护、输出闪络控制和处理等均由数字信号处理器DSP控制器一并实现。

电除尘器ESP可等效为R、C并联电路，如图2所示。R为电晕电流的等值电阻，随粉尘浓度、颗粒大小、粉尘性质、化学成分、温度、湿度等变化，同时与电除尘器类型、结构、大小、风速等都有关系，变化范围很大，20kΩ～10 MΩ.C是电极间的等值电容，一般较为恒定，大小随极间距离，极板面积和级间粉尘而有不同，一般范围是5000pF～100000pF.


图2.电除尘器等值电路

图3是一般的中低比电阻比如火力发电厂工况下的电除尘器高频开关电源SIR和可控硅相控整流电源T/R的输出直流电压波形。



图3. 高频开关电源SIR和可控硅相控整流电源T/R的输出电压波形

举两个例子：武汉国测数字技术有限公司研制了400mA/70kv高频开关电源，其中使用在湖北新冶钢公司二炼铁厂的一台输出120mA/60kv7.2kw,而相同工况下，原来常规的可控硅工频相控电源输出50mA/40kv、2kw；使用在武汉高新热电公司的一台输出54kv/283mA,15.28kw,而在相同工况下，原可控硅工频电源输出48kv156mA、7.5kw,高频开关电源比原可控硅工频电源输出功率提高1倍以上，因而通过了环保测试，达到了新的环保排放标准。

从图3可以看出：常规的电除尘器可控硅工频相控整流电源T/R产生的输出谷值电压，比高频开关电源SIR产生的输出直流电压要低25％。谷值电压在静电除尘器电场中触发火花。电火花能抑制电离，显著的限制了加在电极上的平均电压，严重影响电除尘器的除尘效率。高频开关电源SIR工作在20KHZ以上，同常规的T/R相比，高频开关电源SIR提供了几乎无波动的直流输出，这使的静电除尘器能够以火花发生点电压运行。高频开关电源SIR提高了静电除尘器的供电电压和电流，对于细而低比电阻的灰尘，电除尘器粉尘排放浓度显著降低。如果按25％来计算，则在上述相同工况下，高频开关电源SIR输出功率比可控硅工频相控整流电源T/R要高出56％，从而减少了粉尘排放浓度，提高了除尘效率。

此外，对于高比电阻的工况，高频开关电源容易得到各式各样的能提高除尘效果的供电波形，常规电源T/R则因波形单一，无法提高除尘效率。加上系统控制，SIR比T/R可减少粉尘排放量30％～80％。上述着重说明了高频开关电源能提高除尘效率，减少粉尘排放量。SIR克服常规的工频可控硅整流电源T/R的前述四个缺点则是显而易见的：（1）SIR的转换效率可高达95％以上，节电20％；（2）SIR功率因数达0.9以上，比T/R提高0.2；（3）SIR体积重量比T/R减为1/5以下；（4）SIR控制柜和变压器集成为一体，比T/R省去了控制室。

三、电除尘器提高除尘效率的根本途径是系统控制

电除尘器是一个系统，包括电除尘器本体、电源设备、振打设备、清灰设备、加热器、系统控制器等。欲提高除尘效率，减少粉尘排放，以达到新的环保标准,除了扩大和改进电除尘器本体之外，更经济实用的办法应当说是注重系统，找出薄弱环节，实现最佳控制。曾有一个电厂，原来除尘效果很差，想了许多办法都没有解决，后来将振打设备和供电电源一起同步控制之后问题解决了。还有许多例子：将供电电源由常规的T/R更换成高频开关电源SIR之后，粉尘排放量减少了50％，达到了新的环保标准。有的天气特别寒冷的地区，除尘系统无法正常工作，需要预先启动加热器对除尘设备和电源设备实行预加热。有的除尘设备因为锅炉燃煤改变、工况改变需要调整电除尘器极板电源电压才能实现最佳除尘效果等等。这就是说，要将电除尘器系统的各个设备的工作有机连接起来，协调工作，以实现最佳控制，就需要有一个系统控制器，这个系统控制器自然是采用电子计算机，实现数字化，而不是模拟控制器。

四、高频开关电源SIR需要数字控制器

电源设备和其他电子设备一样，已由模拟控制转入数字控制。中、大功率开关电源已更多的采用了数字控制，电除尘器用高频开关电源通常都是30千瓦～100千瓦以上，属于大功率开关电源。采用30MHZ～300MHZ工作频率的数字信号处理器DSP做下位机，实现20KHZ～50KHZ大功率逆变的实时控制是经济可行的。另一方面，电除尘器电源一般不是一台，而是多至3台8台甚至10台以上，电除尘器高频开关电源实现了控制柜和变压器一体化，一般都安装在电除尘本体旁边，远离控制室。为了实现群控和遥控，需要上位机。

电除尘器高频开关电源采用全数字控制即上位机和下位机控制，相对模拟控制具有如下优点：（1）数字化控制可采用先进的控制方法（如自适应用控制）和智能控制策略，使得电除尘器ESP的自动化程度更高；（2）控制灵活，系统升级方便，可以在线设置、修改运行参数，远程开启和关闭电源；（3）可以在同一个硬件系统中实现两种不同原理的控制，比如可以在以调频为主的同时实现某些特定情况下的调宽控制；（4）数字传输比模拟量传输可靠性更高，进一步提高了电源的可靠性，易于标准化；（5）系统维护方便；（6）系统一致性好，成本低，中断程序和分支程序的使用省去了许多硬件电路，生产制造方便；（7）易于组成并联运行系统，扩大电源容量，满足大功率电除尘器的需求；（8）可以兼备电除尘器设备系统的系统控制功能。



图4.远程网络控制

五、高频开关电源SIR的全数字控制能同时实现电除尘器的系统控制

前面第三节说了电除尘器需要一个系统控制器，以实现最佳的除尘效率控制。第四节说了电除尘器高频开关电源SIR需要数字控制器――上位机和下位机。显然，第三节和第四节可以结合起来，电除尘器系统控制功能可以通过开关电源SIR的上位机和下位机来实现，这是一个经济实惠可行的最佳方案和决策。自然，从事该项工作的工程师不能只是电源工程师，而也需要系统工程师参加，而且今后将成为电除尘器研究的重点课题之一了。

六、电除尘器高频开关电源SIR的线路和控制方案

总体控制方案，前面已经说了，可以采用模拟控制和数字控制两种，以数字控制为好。数字控制又有两种：（1）由上位机数字控制，和电源本身由模拟电子专用芯片控制相结合的半数字控制；（2）上位机实现遥控和群控，下位机实现电源本身的实时独立控制，即所谓全数字控制。上位机对下位机和电源的网络控制见图4。主电路形式是多种多样的，控制形式也是多种多样的，如果两者结合起来，线路形式不胜枚举，但其宗旨是共同的：（1）提高除尘效率；（2）提高转换效率；（3）提高功率因数；（4）降低成本；（5）增加电源对电除尘器的适用性；（6）提高可靠性，减少维修等。


图5.高频开关电源SIR的另一种主电路拓扑框图

为了提高输出功率，最好采用IGBT全桥逆变。

为了提高转换效率，最好采用软开关。

主电路形式主要有两种：

（1）一个有源功率变换环节，图1就是其中一个例子。

（2）两个有源功率变换环节，图5就是其中一个例子。

图1的工作原理前面已经说过了。图5是电除尘器高频开关电源主电路的另一种拓扑。有源功率转换环节有两个：一个是斩波器，将三相整流后的直流输入电压520v斩波降压稳定在某一电压比如DC400v,一个是IGBT全桥逆变器，将直流电压比如400v逆变成高频方波交流电压送给高频升压变压器，斩波器和逆变器全由DSP控制，斩波器可以根据工况需要调节输出电压，IGBT全桥逆变器可以根据工况要求调节输出电流。图1输出电流和电压全由IGBT逆变器调节实现，因此图1的转换效率比图5高。

电除尘器输出电流、电压的调节原理和方法主要有两种：

（1）调频

图6为逆变器电流波形。显然，频率低的图(b)，其电除尘器平均电流小于频率高的图(a)的平均电流。


图6.逆变电流波形

（2）调宽

图7为逆变器电压波形，图(a)与图(b)频率相同。显然，脉冲窄的图(b)，其电除尘器的平均电压要低于脉冲宽的图(a)的平均电压。



（a）脉冲宽



（b）脉冲窄

图7.逆变器调宽电压波形

七、高频开关电源是新建和改造电除尘器的首选供电设备

1、 新的环保要求给电除尘器和供电电源提出了新的课题。十多年来我国环保形势已发生了巨大的变化，作为大气污染治理的主战场——火力发电厂装机容量增加了三倍，单机机组由300、600Mw发展到900、1000Mw；粉尘允许排放浓度由200mg/m3降到50mg/m3；电站脱硫技术迅速发展，尤其是干法脱硫后要处理的粉尘浓度高达800－2000g/m3，这就要求电除尘器的除尘效率在99.99％以上，这些都给电除尘器本体和供电电源以及振打装置等提出了新的课题。
　
2、 电除尘器（ESP）是国际上公认的高效率除尘设备，具有运行可靠、维护方便及电耗低等优点，过去、现在和将来在火力发电厂、钢铁、冶金、造纸、水泥、轻纺、化工等领域都是除尘的主要手段。电除尘器是环保设备，凡是电除尘器都需要供电电源配套。

3、 高频开关电源是电除尘器电源发展的趋势。正如上世纪八十和九十年代电子计算机、通信和电力操作等领域开关电源取代了可控硅相控电源那样，二十一世纪其他工业领域特别是环保领域开关电源将逐步取代可控硅高频相控电源。

4、 高频开关电源可作为新建电除尘器的首选电源配套设备，这样就一劳永逸了。否则，如果新建的电除尘器仍选用了原有的可控硅工频相控电源为供电电源，过不了两三年，电源又要被改造，岂不要事倍功半，造成浪费。

5、 环保标准在不断提高，已建电除尘器粉尘排放大多都达不到环保标准。必须进行技术改造。如果扩大电除尘器容量或者增加电除尘器数量，不仅要花费大量资金，而且可能还要停产，还要占用空间，有些地方甚至不可能实行，从而不得不使整个企业下马。如果将供电设备进行改造，将原来可控硅工频相控电源更换为高频开关电源，则只需花费改造电除尘器本体1/10的经费就可能达到目的，有的甚至只要在第一电场采用高频开关电源，除尘效果就有明显改善。既不要停产，也不要另加空间，这确实是一个达到环保标准的最佳选择。