電除塵器電源的發(fā)展方向——高頻化和數(shù)字化

　　從上世紀八十年代至現(xiàn)在，環(huán)保領(lǐng)域電除塵器所使用的高壓供電電源基本上都是采用輸入為兩相的可控硅工頻相控電源，其間人們也對此做了不少改進，比如研制了將輸入改為三相的可控硅工頻相控電源,調(diào)幅式LC恒流源等，在系統(tǒng)控制方面也做了許多工作，比如把反饋控制量由電壓改成電流，電源調(diào)節(jié)采用了單片機等等?？v觀其上，都是跟不上環(huán)保標準不斷提高和節(jié)能降耗、可持續(xù)發(fā)展的客觀要求，其核心問題是電源的工作頻率是工頻50HZ，造成電源的功率變壓器和濾波電感器電容器體積龐大，耗能耗材，耗費空間，并影響除塵效率的提高。

　　二、高頻開關(guān)電源SIR能克服低頻相控電源的缺點

　　圖1是電除塵器一般的高頻開關(guān)電源主電路拓撲框圖。

　　
圖1.高頻開關(guān)電源SIR主電路拓撲框圖

　　假定電除塵器所需供電電源為70kv高壓直流電源。輸入三相380v50HZ或60HZ交流電源，經(jīng)三相整流濾波成約520v直流電壓，再經(jīng)IGBT模塊高頻20KHZ逆變，高頻變壓整流為70kv，經(jīng)限流電阻R0供給電除塵器極板。輸出電流、電壓、反饋至DSP控制器改變脈沖工作頻率或脈沖寬度經(jīng)隔離驅(qū)動器送給IGBT全橋高頻逆變器以對輸出電流輸出電壓進行調(diào)節(jié)。輸出開路保護、短路保護、變壓器油和IGBT的過熱保護、輸出閃絡(luò)控制和處理等均由數(shù)字信號處理器DSP控制器一并實現(xiàn)。

　　電除塵器ESP可等效為R、C并聯(lián)電路，如圖2所示。R為電暈電流的等值電阻，隨粉塵濃度、顆粒大小、粉塵性質(zhì)、化學(xué)成分、溫度、濕度等變化，同時與電除塵器類型、結(jié)構(gòu)、大小、風(fēng)速等都有關(guān)系，變化范圍很大，20kΩ～10 MΩ.C是電極間的等值電容，一般較為恒定，大小隨極間距離，極板面積和級間粉塵而有不同，一般范圍是5000pF～100000pF.

　　
圖2.電除塵器等值電路

　　圖3是一般的中低比電阻比如火力發(fā)電廠工況下的電除塵器高頻開關(guān)電源SIR和可控硅相控整流電源T/R的輸出直流電壓波形。

　　
圖3. 高頻開關(guān)電源SIR和可控硅相控整流電源T/R的輸出電壓波形

　　舉兩個例子：武漢國測數(shù)字技術(shù)有限公司研制了400mA/70kv高頻開關(guān)電源，其中使用在湖北新冶鋼公司二煉鐵廠的一臺輸出120mA/60kv7.2kw,而相同工況下，原來常規(guī)的可控硅工頻相控電源輸出50mA/40kv、2kw；使用在武漢高新熱電公司的一臺輸出54kv/283mA,15.28kw,而在相同工況下，原可控硅工頻電源輸出48kv156mA、7.5kw,高頻開關(guān)電源比原可控硅工頻電源輸出功率提高1倍以上，因而通過了環(huán)保測試，達到了新的環(huán)保排放標準。

　　從圖3可以看出：常規(guī)的電除塵器可控硅工頻相控整流電源T/R產(chǎn)生的輸出谷值電壓，比高頻開關(guān)電源SIR產(chǎn)生的輸出直流電壓要低25％。谷值電壓在靜電除塵器電場中觸發(fā)火花。電火花能抑制電離，顯著的限制了加在電極上的平均電壓，嚴重影響電除塵器的除塵效率。高頻開關(guān)電源SIR工作在20KHZ以上，同常規(guī)的T/R相比，高頻開關(guān)電源SIR提供了幾乎無波動的直流輸出，這使的靜電除塵器能夠以火花發(fā)生點電壓運行。高頻開關(guān)電源SIR提高了靜電除塵器的供電電壓和電流，對于細而低比電阻的灰塵，電除塵器粉塵排放濃度顯著降低。如果按25％來計算，則在上述相同工況下，高頻開關(guān)電源SIR輸出功率比可控硅工頻相控整流電源T/R要高出56％，從而減少了粉塵排放濃度，提高了除塵效率。

此外，對于高比電阻的工況，高頻開關(guān)電源容易得到各式各樣的能提高除塵效果的供電波形，常規(guī)電源T/R則因波形單一，無法提高除塵效率。加上系統(tǒng)控制，SIR比T/R可減少粉塵排放量30％～80％。上述著重說明了高頻開關(guān)電源能提高除塵效率，減少粉塵排放量。SIR克服常規(guī)的工頻可控硅整流電源T/R的前述四個缺點則是顯而易見的：（1）SIR的轉(zhuǎn)換效率可高達95％以上，節(jié)電20％；（2）SIR功率因數(shù)達0.9以上，比T/R提高0.2；（3）SIR體積重量比T/R減為1/5以下；（4）SIR控制柜和變壓器集成為一體，比T/R省去了控制室。

　　三、電除塵器提高除塵效率的根本途徑是系統(tǒng)控制

　　電除塵器是一個系統(tǒng)，包括電除塵器本體、電源設(shè)備、振打設(shè)備、清灰設(shè)備、加熱器、系統(tǒng)控制器等。欲提高除塵效率，減少粉塵排放，以達到新的環(huán)保標準,除了擴大和改進電除塵器本體之外，更經(jīng)濟實用的辦法應(yīng)當說是注重系統(tǒng)，找出薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)最佳控制。曾有一個電廠，原來除塵效果很差，想了許多辦法都沒有解決，后來將振打設(shè)備和供電電源一起同步控制之后問題解決了。還有許多例子：將供電電源由常規(guī)的T/R更換成高頻開關(guān)電源SIR之后，粉塵排放量減少了50％，達到了新的環(huán)保標準。有的天氣特別寒冷的地區(qū)，除塵系統(tǒng)無法正常工作，需要預(yù)先啟動加熱器對除塵設(shè)備和電源設(shè)備實行預(yù)加熱。有的除塵設(shè)備因為鍋爐燃煤改變、工況改變需要調(diào)整電除塵器極板電源電壓才能實現(xiàn)最佳除塵效果等等。這就是說，要將電除塵器系統(tǒng)的各個設(shè)備的工作有機連接起來，協(xié)調(diào)工作，以實現(xiàn)最佳控制，就需要有一個系統(tǒng)控制器，這個系統(tǒng)控制器自然是采用電子計算機，實現(xiàn)數(shù)字化，而不是模擬控制器。

　　四、高頻開關(guān)電源SIR需要數(shù)字控制器

　　電源設(shè)備和其他電子設(shè)備一樣，已由模擬控制轉(zhuǎn)入數(shù)字控制。中、大功率開關(guān)電源已更多的采用了數(shù)字控制，電除塵器用高頻開關(guān)電源通常都是30千瓦～100千瓦以上，屬于大功率開關(guān)電源。采用30MHZ～300MHZ工作頻率的數(shù)字信號處理器DSP做下位機，實現(xiàn)20KHZ～50KHZ大功率逆變的實時控制是經(jīng)濟可行的。另一方面，電除塵器電源一般不是一臺，而是多至3臺8臺甚至10臺以上，電除塵器高頻開關(guān)電源實現(xiàn)了控制柜和變壓器一體化，一般都安裝在電除塵本體旁邊，遠離控制室。為了實現(xiàn)群控和遙控，需要上位機。

　　電除塵器高頻開關(guān)電源采用全數(shù)字控制即上位機和下位機控制，相對模擬控制具有如下優(yōu)點：（1）數(shù)字化控制可采用先進的控制方法（如自適應(yīng)用控制）和智能控制策略，使得電除塵器ESP的自動化程度更高；（2）控制靈活，系統(tǒng)升級方便，可以在線設(shè)置、修改運行參數(shù)，遠程開啟和關(guān)閉電源；（3）可以在同一個硬件系統(tǒng)中實現(xiàn)兩種不同原理的控制，比如可以在以調(diào)頻為主的同時實現(xiàn)某些特定情況下的調(diào)寬控制；（4）數(shù)字傳輸比模擬量傳輸可靠性更高，進一步提高了電源的可靠性，易于標準化；（5）系統(tǒng)維護方便；（6）系統(tǒng)一致性好，成本低，中斷程序和分支程序的使用省去了許多硬件電路，生產(chǎn)制造方便；（7）易于組成并聯(lián)運行系統(tǒng)，擴大電源容量，滿足大功率電除塵器的需求；（8）可以兼?zhèn)潆姵龎m器設(shè)備系統(tǒng)的系統(tǒng)控制功能。

　　
圖4.遠程網(wǎng)絡(luò)控制

　　五、高頻開關(guān)電源SIR的全數(shù)字控制能同時實現(xiàn)電除塵器的系統(tǒng)控制

　　前面第三節(jié)說了電除塵器需要一個系統(tǒng)控制器，以實現(xiàn)最佳的除塵效率控制。第四節(jié)說了電除塵器高頻開關(guān)電源SIR需要數(shù)字控制器――上位機和下位機。顯然，第三節(jié)和第四節(jié)可以結(jié)合起來，電除塵器系統(tǒng)控制功能可以通過開關(guān)電源SIR的上位機和下位機來實現(xiàn)，這是一個經(jīng)濟實惠可行的最佳方案和決策。自然，從事該項工作的工程師不能只是電源工程師，而也需要系統(tǒng)工程師參加，而且今后將成為電除塵器研究的重點課題之一了。

　　六、電除塵器高頻開關(guān)電源SIR的線路和控制方案

　　總體控制方案，前面已經(jīng)說了，可以采用模擬控制和數(shù)字控制兩種，以數(shù)字控制為好。數(shù)字控制又有兩種：（1）由上位機數(shù)字控制，和電源本身由模擬電子專用芯片控制相結(jié)合的半數(shù)字控制；（2）上位機實現(xiàn)遙控和群控，下位機實現(xiàn)電源本身的實時獨立控制，即所謂全數(shù)字控制。上位機對下位機和電源的網(wǎng)絡(luò)控制見圖4。主電路形式是多種多樣的，控制形式也是多種多樣的，如果兩者結(jié)合起來，線路形式不勝枚舉，但其宗旨是共同的：（1）提高除塵效率；（2）提高轉(zhuǎn)換效率；（3）提高功率因數(shù)；（4）降低成本；（5）增加電源對電除塵器的適用性；（6）提高可靠性，減少維修等。

　　
圖5.高頻開關(guān)電源SIR的另一種主電路拓撲框圖

　　為了提高輸出功率，最好采用IGBT全橋逆變。

　　為了提高轉(zhuǎn)換效率，最好采用軟開關(guān)。

　　主電路形式主要有兩種：

　?。?）一個有源功率變換環(huán)節(jié)，圖1就是其中一個例子。

　?。?）兩個有源功率變換環(huán)節(jié)，圖5就是其中一個例子。

圖1的工作原理前面已經(jīng)說過了。圖5是電除塵器高頻開關(guān)電源主電路的另一種拓撲。有源功率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)有兩個：一個是斬波器，將三相整流后的直流輸入電壓520v斬波降壓穩(wěn)定在某一電壓比如DC400v,一個是IGBT全橋逆變器，將直流電壓比如400v逆變成高頻方波交流電壓送給高頻升壓變壓器，斬波器和逆變器全由DSP控制，斬波器可以根據(jù)工況需要調(diào)節(jié)輸出電壓，IGBT全橋逆變器可以根據(jù)工況要求調(diào)節(jié)輸出電流。圖1輸出電流和電壓全由IGBT逆變器調(diào)節(jié)實現(xiàn)，因此圖1的轉(zhuǎn)換效率比圖5高。

　　電除塵器輸出電流、電壓的調(diào)節(jié)原理和方法主要有兩種：

　?。?）調(diào)頻

　　圖6為逆變器電流波形。顯然，頻率低的圖(b)，其電除塵器平均電流小于頻率高的圖(a)的平均電流。

　　
圖6.逆變電流波形

　?。?）調(diào)寬

　　圖7為逆變器電壓波形，圖(a)與圖(b)頻率相同。顯然，脈沖窄的圖(b)，其電除塵器的平均電壓要低于脈沖寬的圖(a)的平均電壓。

　　
（a）脈沖寬

　　
（b）脈沖窄

圖7.逆變器調(diào)寬電壓波形

　　七、高頻開關(guān)電源是新建和改造電除塵器的首選供電設(shè)備

　　1、 新的環(huán)保要求給電除塵器和供電電源提出了新的課題。十多年來我國環(huán)保形勢已發(fā)生了巨大的變化，作為大氣污染治理的主戰(zhàn)場——火力發(fā)電廠裝機容量增加了三倍，單機機組由300、600Mw發(fā)展到900、1000Mw；粉塵允許排放濃度由200mg/m3降到50mg/m3；電站脫硫技術(shù)迅速發(fā)展，尤其是干法脫硫后要處理的粉塵濃度高達800－2000g/m3，這就要求電除塵器的除塵效率在99.99％以上，這些都給電除塵器本體和供電電源以及振打裝置等提出了新的課題。

　　3、 高頻開關(guān)電源是電除塵器電源發(fā)展的趨勢。正如上世紀八十和九十年代電子計算機、通信和電力操作等領(lǐng)域開關(guān)電源取代了可控硅相控電源那樣，二十一世紀其他工業(yè)領(lǐng)域特別是環(huán)保領(lǐng)域開關(guān)電源將逐步取代可控硅高頻相控電源。

　　4、 高頻開關(guān)電源可作為新建電除塵器的首選電源配套設(shè)備，這樣就一勞永逸了。否則，如果新建的電除塵器仍選用了原有的可控硅工頻相控電源為供電電源，過不了兩三年，電源又要被改造，豈不要事倍功半，造成浪費。

　　5、 環(huán)保標準在不斷提高，已建電除塵器粉塵排放大多都達不到環(huán)保標準。必須進行技術(shù)改造。如果擴大電除塵器容量或者增加電除塵器數(shù)量，不僅要花費大量資金，而且可能還要停產(chǎn)，還要占用空間，有些地方甚至不可能實行，從而不得不使整個企業(yè)下馬。如果將供電設(shè)備進行改造，將原來可控硅工頻相控電源更換為高頻開關(guān)電源，則只需花費改造電除塵器本體1/10的經(jīng)費就可能達到目的，有的甚至只要在第一電場采用高頻開關(guān)電源，除塵效果就有明顯改善。既不要停產(chǎn)，也不要另加空間，這確實是一個達到環(huán)保標準的最佳選擇。