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。