脱硫脱硝电源中高频高压交流电源的实现

1 前言

　　随着全球工业发展和人口的不断增长，世界上许多地区（包括中国）出现了严重的酸雨现象，环境酸化已成为普遍关注的全球问题之一。废气浓烟中的

是形成酸雨的主要原因，这些污染物主要来自煤炭燃烧和石化原料的废气中。我国先后经历过石灰石法，旋转喷雾干燥法等方法来解决这一环境问题。近些年出现的在直流基础高压上叠加交流高频电压产生的交直流叠加电源的供电方法，由于其脱硫效率高而得到了世界范围的广泛关注。
脱硫脱硝交直流叠加电源中的直流高压使反应器进入流光放电区，而高频高压交流电源可以扩大反应器形成流光放电所对应的电压范围，从而扩大脱硫脱硝化学反应的有效工作区，有利于提高系统效率。本文讨论了此交流电源的实现原理，并且分析了电路工作在不同状态下开关管的开关情况。由于在脱硫脱硝系统中，提高加在负载上的交流电压的有利于提高系统效率，因此要提高开关频率，同时要降低器件损耗。实现IGBT的软开关是降低器件开关损耗的有效方法，本文采用全桥移相软开关控制的方法降低器件的开关损耗。

2 主电路工作原理

2．1　 电路工作状态分析

　　本文所要论述的高频高压电源是脱硫脱硝交直流叠加电源中的交流电源部分，电路的主电路如图1所示。图中的

是电网电压通过二极管整流和滤波后得到的直流电压，经过

组成的全桥DC-AC变换器逆变，输出高频方波电压，经过隔离变压器隔离和升压，在负载上得到高频高压交流电压。脱硫脱硝反应器是该电路的负载，反应器呈容性，同时在实验中发现反应器上存在能量损耗，因此，电路图中用

和电阻

作为等效负载。图中的

是串联谐振电感，包括变压器漏感及外加电感，在负载和变压器确定后，根据电路设计阻抗合理选择

的参数，使负载得到系统要求的输出电流和电压。

图1 脱硫脱硝交流电源电路图

图2 简化的电路原理图
　　简化的电路原理图如图2所示。图中的

是逆变桥输出的高频方波电压，

是负载折合到原边的等效值，图中忽略等效电阻

，因其阻抗远大于电容的容抗。

可以分解为基波分量及各次谐波分量，基波频率等于开关频率。对于谐波来说，此处感抗远大于容抗，因此谐波电压基本降落在电感上，负载上主要得到基波电压和电流。如果不考虑线路电阻，则逆变电路输出电流、负载电流和负载电压的基波分量

分别由下式决定（下标 表示电流电压的基波分量，w表示基波角频率）：

　　从式中可以看出，理论上若使感抗等于容抗，即使电路工作在串联谐振点上，则电路中流过的电流可以无穷大，

可以无穷大，因此当变压器变比及反应器的电容值一定时，调节电感

可以调节电路中的总阻抗，继而调节电路电流

和负载电压

，在一定的输入电压下得到所需高频交流电压。同时调节电感8还可使电路分别处于容性或感性状态下。当

时，电路工作在容性状态下，IGBT在零电流条件下关断，但在大电流大电压条件下开通，关断损耗小，开通损耗较大；而当

时，电路工作在感性状态下，IGBT在零电流零电压条件下开通，但在大电流大电压条件下关断，开通损耗小，关断损耗大，因此当开关频率需要进一步提高时，有必要使开关管同时工作于软开通及软关断状态下以减小开关损耗。

2．2　全桥移相控制软开关电路工作原理

　　在脱硫脱硝电源系统中，对交流电压的

有一定要求。专家们从实验中得出，在1us内的dv达到200V时，可以扩大反应器形成流光放电所对应的电压范围，即扩大脱硫脱硝化学反应的有效工作区，有利于提高系统效率；澳大利亚专家建立了脱硫脱硝反应器的模型，分析后得出交流电压在1us内的dv达到1000V时，脱硫脱硝效率更高，因此提高交流电压的

对脱硫脱硝系统有利。提高

的方法一是可以在一定的开关频率下提高交流电压的峰值，二是尽可能提高开关频率。但开关频率较高时，开关管开关损耗较大，结温升高，不利于器件散热及电路的正常工作，因此，当电路工作在感性状态时，可以利用全桥移相控制方法来实现开关管的软开通与软关断。
　　全桥移相控制软开关方法可在逆变电路的各IGBT器件两端并联谐振电容，电路图及工作波形分别如图3、图4所示。其工作过程简述如下：

图3　全桥移相软开关逆变电路图

图4 全桥移相电路工作波形
　　假设电路在

时刻的工作状态为

导通，
　　

导通，

上升，电源向负载输出能量；
　　

时刻，关断

,由于

的存在，

两端的电压不能突变，因此，

在零电压条件下关断。电路开始对电
容

进行充电，同时对

进行放电；
　　

时刻，

充电至输入的直流电压时，

放电到零，

自然导通，电路进入

导通续流阶段，

保持不变，电路不传送能量 ；
　　

时刻给主开关管

触发脉冲，由于