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大连蓝清自控设备有限公司

静电除尘器高频电源
各类高压电源的性能对比与脉冲高频电源简介

概述
在饱受雾霾之苦的今天。随着我国对环境保护的日益重视，燃煤电厂的污染排放受到人们的关注，国家和地方环保部门对燃煤电厂污染物的排放和总量有了较严格的控制，并且排放标准逐年升高。这就迫使企业对现有的静电除尘器设备进行不断的升级和改造。但是现有的问题是，很多企业的静电除尘器在当初设计时没有考虑到未来的排放标准会如此苛刻，导致一批静电除尘器在今天的环保标准下排放超标。而在静电除尘器升级改造中，增加电场又没有足够的场地，用袋式除尘器又担心后期的维护成本。所以提高静电除尘器高压电源的供电技术，才是解决这个问题最有效的捷径。下面我们就通过粉尘的荷电机理与电源工作原理来论证一款由中国自主研发的新型静电除尘器高压电源——脉冲高频电源。
一、静电除尘器高压电源发展的三个阶段：

第一阶段：工频电源
1、 恒流源：单相交流380V输入,变压器分档调幅调压，高压硅堆整流输出。输出
频率100Hz。
二次电压输出波形：纹波较大的直流（DC）电压波形。
2、单相可控硅电源：单相交流380V输入，可控硅调相调压，高压整流变压器输出。输出频率100Hz。
二次电压输出波形：纹波较大的直流（DC）电压波形。
3、三相可控硅电源：三相交流380V输入，可控硅调相调压，高压整流变压器输出。输出频率300Hz。
二次电压输出波形：纹波较小的直流（DC）电压波形。

第二阶段：高频电源
1、按输出频率可分为：10 kHz、20 kHz、50 kHz。
2、按调压方式可分为：调频高频电源、调幅高频电源。
三相交流380V输入，可控硅/二极管调相调压，IGBT全桥逆变经高压整流变压器输出。输出频率10 kHz、20 kHz、50kHz。
二次电压输出波形：基本上纯直流的（DC）电压波形。

第三阶段：工频基波脉冲电源
工频基波脉冲电源：由两组独立电源组成即基波电源和脉冲电源。基波频率300Hz，脉冲频率100pps，脉冲宽度75μs；

第四阶段：脉冲高频电源：
由多组独立高频电源叠加组成。基波频率10～50 kHz，双脉冲频率1～10000 pps，脉冲宽度8μs；脉冲电源输入电压: 三相交流380V。
二次电压输出波形：直流（DC）电压波形叠加脉冲（PULSE）电压波形。即直流叠加脉冲（DC+PULSE）电压波形。

二、静电除尘器高压电源工作原理简介：

1、三相可控硅电源工作原理：
三相可控硅电源主要由反并联可控硅调压电路、三相高压整流变压器及控制电路组成。三相可控硅电源原理如图2-1所示。
三相可控硅电源的基本工作原理是将三相380V低压交流电，经反并联可控硅在控制回路控制下将移相调压后的交流电压送至三相高压整流变压器一次侧，经三相高压整流变压器二次侧升压、高压硅堆整流后输出直流高压。图2-2是在电除尘器负载上得到纹波较小的直流（DC）电压波形图。控制器根据静电除尘器负载的二次电压、电流反馈信号进行自动跟踪控制。

图2-1三相可控硅电源原理框图

图2-2 三相可控硅电源二次电压波形图

2、高频电源工作原理：
高频电源主要由三相整流滤波电路，IGBT全桥谐振逆变电路，高频高压整流变压器及控制电路组成。高频电源原理如图2-3所示。

图2-3 高频高压电源原理框图

高频电源的基本工作原理是将三相380V低压交流电，经三相桥式整流电路得到直流电压、LC滤波输出520V直流母线电压。直流电压经IGBT全桥逆变为高频脉冲电压。高频脉冲电压经高频变压器升压，高压硅堆整流后输出直流高压。图2-4是在静电除尘器负载上得到基本上纯直流的（DC）电压波形图。控制器根据ESP负载的二次电压、电流反馈信号进行自动跟踪控制。

图2-4 高频电源二次电压波形图

3、工频基波脉冲电源原理：
工频基波脉冲电源：由两组独立电源并联耦合组成，即基波电源和脉冲电源。工频基波脉冲电源原理如图2-5所示。

图2-5 工频基波脉冲电源原理框图
 工频基波脉冲电源工作原理：工频基波电源工作原理同三相可控硅电源工作原理，在此不再阐述。其作用是产生基波电压-Udc。
脉冲电源工作原理是将三相380V低压交流电，经反并联可控硅在控制回路控制下，将移相调压后的交流电压送至三相高压整流变压器一次侧，经三相高压整流变压器二次侧升压、高压硅堆整流后输出正高压直流母线电压+Ups，经高压IGBT全波逆变为高压脉冲电压。高压脉冲电压经电容Cs、脉冲变压器PT输出形成脉冲电压-Upulse，再经耦合电容Cc与基波电压叠加产生ESP所需电压Uesp，即在静电除尘器负载上得到Uesp=-(Udc+Upulse)的电压波形。其波形图如图2-6所示。控制器根据ESP负载的二次电压、电流反馈信号进行自动跟踪控制。 

图2-6 工频基波脉冲电源二次电压波形图
 4脉冲高频电源工作原理：
  脉冲高频电源是由N(N=2,3,4,5…)组独立IGBT全桥逆变电路、变压器整流电路串联组成如图2-7所示。若U2=80kV,当N=4时，其基波和脉冲波的幅值比为2:4、3:4（电压比为40:80kV、60:80kV）。
脉冲高频电源的工作原理是将三相380V、50Hz低压交流电，经三相桥式整流LC滤波输脉冲出520V直流母线电压，直流母线电压经多组IGBT全桥逆变为高频脉冲电压，对应各自高频变压器升压，由各自高压硅堆串联整流输出高压。在静电除尘器负载上同时得到直流基波（DC）电压和脉冲波（PULSE）电压如图2-8所示。控制器根据ESP负载的二次电压、电流反馈信号进行自动跟踪控制。

图2-7脉冲高频电源原理框图

图2-8脉冲高频电源二次电压60:80kV波形图

三、静电除尘器高压电源波形分析：
静电除尘器高压电源分为直流（DC）电压波形供电，直流叠加脉冲（DC+PULSE）电压波形供电。
工频电源、高频电源属直流（DC）电压波形供电(如图2-2、如图2-4所示)。特征是相同幅值直流电压连续不断的向除尘器充电加压，使板线间始终维持在击穿电压点附近。当粉尘比电阻超过1011Ω·cm后，就会在气体电离—粉尘荷电—移动—捕集—脱尘的过程中出现问题。当高比电阻粉尘累积在阳极板上后，由于连续加压，使带电粉尘对阳极板的中和速度被更快的再充电，导致阳极板尘层加厚，表面电位提高，造成对放电极的电位差相对减少，放电极电晕放电减弱，引起反电晕现象发生，除尘效率大幅下降。
  脉冲电源属直流叠加脉冲（DC+PULSE）电压波形供电(如图2-6、如图2-8所示)。特征是在有效电晕电压，连续不断地向静电除尘器充电加压的同时，叠加脉冲电压。这种荷电方式，不仅提高了瞬间的荷电电压，又降低了平均荷电电压，即使是高比电阻粉尘，粉尘层中的电位也很容易在阳极板上得到中和，阳极板表面电位降低，不会产生与放电极相对电位的提高，抑制了反电晕现象的发生。脉冲波瞬间高电压更易使粉尘荷电，所以除尘效率大大提高。

四、静电除尘器对供电电源输出波形频率的响应：

静电除尘器的结构是由极板、极线平行交错排布而成，可视为容性负载。根据电除尘器的伏—安特性曲线，其不同阶段数学模型是不同的，电阻和电容串联组合，代表电除尘器伏—安特性曲线的0—起晕电压段。电阻和电容并联组合，代表电除尘器伏—安特性曲线的起晕电压—击穿电压段。如图4-1。

图4-1

Xr代表阻抗，是静电除尘器极板极线间粉尘介质对气体电离的阻碍程度
Xc代表容抗，是静电除尘极板极线间距离、面积对气体电离的阻碍程度，是频率的函数。
Xc=1/2πfC
当电阻和电容并联时：
I=U/Xr+Xc
当电阻和电容并联时：
I=U/Xr+U/Xc
由上述小结：当电压为定值时，容抗减小电流增加。
静电除尘器是物理实体，提高其供电电源频率，对提高除尘效率是有效的。

五、脉冲电晕放电对粉尘荷电的影响
粒子在直流电晕荷电的过程中,随着颗粒带电量的增加从而在颗粒表面产生势垒能。荷电的发生是只有那些具有动能大于或足以克服荷电粒子表面势垒能的电子与粒子碰撞而产生. 低于荷电粒子表面势垒能的电子不能达到粒子表面进而不荷电.当荷电发生到一定阶段时，粉尘的荷电速度减小，从而影响粉尘的带电量，造成除尘效率底下。
在脉冲放电中，由于瞬间电位较高,电子从电场中获得的能量很大，产生高能电子，这些高能电子与中性气体分子碰撞裂解或激发中性分子进而产生更多的电子。此时，电场空间带电粒子主要是电子，电晕电流是电子传输形成的。飞灰粒子荷电是以电子荷电为主。
飞灰在脉冲放电电晕场中的电子荷电机理是以电子的电场荷电和动能扩散荷电为主，飞灰粒子的电子荷电不仅与电场强度有关，也与电子的热运动程度有关（即电子的动能）。
由于飞灰在直流电晕下的电场荷电很快达到饱和并在飞灰粒子表面形成势垒能,抑制飞灰的进一步荷电. 但在脉冲期间，单位空间内，被激发出的电子密度很大，能量很高，高能电子足以克服这势垒能而轰击飞灰粒子表面使粒子的荷电量超过饱和电场荷电的极限.从而获得更快的趋近速度，提高除尘效率。

六、静电除尘器脉冲电源主要技术指标：
脉冲电源主要技术指标

项目
单位
脉冲电源
脉冲高频电源
直流基准电压
DC Base Voltage
kV
30~100
20~100
直流基准电流
DC Base Current
mA
400~1350
800~2400
脉冲电压
Pulse Voltage
kV
50~100
20~100
脉冲电流
Pulse Current
mA
400~800
400~1200
脉冲峰值电流
Pulse Peak Current
A
120~200
10~30
双脉冲重复频率
Dipulse Repetition
PPS

2*（0~10000）
重复脉冲
Pulse Repetition
PPS
100

脉冲宽度
Pulse Width
μS
50~75
8~10
除尘器电容量
ESP Capacitance
nF
133~200
133~200
直流基波频率
DC Base Frequency
Hz
300
50000

七、脉冲高频电源特点
大连蓝清自控设备有限公司研制的GGGAJ02－40kHz/□A*□kV静电除尘器脉冲高频电源（简称脉冲高频电源），是一种即能提供直流供电、间歇供电和脉冲供电的电除尘器供电电源。
1.绿色电源：三相供电、电网平衡、无谐波干扰、功率因数高、电源转换效率高。
2.多电压叠加技术：多组IGBT全桥逆变功率单元、变压器整流电路串联组合，实现2+1、3+1、4+1等高频脉冲电源的功率叠加和电压叠加。多电压叠加可组合任意电压波形形状，输出多种DC电压波形和DC+PULSE电压波形，实现对静电除尘器的纯直流供电、间歇供电和脉冲供电。电压峰值、有效值均可调，电场控制方式灵活。
3.高频率窄脉冲：输出频率范围2kHz-50kHz，静电除尘器是容性负载，供电频率越高电场容抗越小，电源向电除尘器注入的能量就越大。脉冲宽度8μS更有利于瞬间高强电场的产生和气体电离过程中自由电子的激发。
4.智能控制：当DC+PULSE二次电压波形设定完成后，设备通过调整频率自动跟踪电场击穿电压的临界点。电场不易闪络，实现最佳功率输出。
5.闭环节能控制：根据静电除尘器排放浓度与静电除尘器高压电源耗电量之间的闭环控制，实现节能减排。系统由上位机联网实现优化控制。
6.降压振打控制：具备反电晕检测功能，当反电晕发生时输出联动信号，及时降压、振打清灰。
7.微细粉尘的捕集：微细粉尘的排放量是影响静电除尘器粉尘排放浓度的关键指标。高频双窄脉冲供电产生的瞬间高强电场电晕，大大提高了对PM2.5及以下颗粒物的捕集。
8.高比电阻粉尘的捕集：当采用DC+PULSE供电时，最大程度地抑制了反电晕现象的发生，大大提高了对高比电阻粉尘的捕集效果
9.脱硫脱硝：高频窄脉冲供电产生的瞬间高强电场电晕，更有利于臭氧浓度的提高，提升脱硫、脱硝的效率。
10.节能减排：脉冲高频电源和常规单相工频电源比较，静电除尘器除尘效率提高50%，节能30%。
11.整机结构与防护：高低压一体化组装，户外布置，节约了控制室土建面积。IGBT等功率器件散热采用箱式隔离风道，使功率器件、控制单元板与外界环境隔离。散热系统采用调速风机智能控制，提高脉冲高频电源在户外高温环境下的适应性。控制单元板采用三防工艺处理，提高绝缘及防腐能力。不锈钢壳体，防护等级IP54。
火花闪络、电场开路、电场短路、过载、欠压、IGBT温度、变压器油温、油位、设备故障及通讯故障等。
脉冲高频电源是静电除尘器高压电源配套、电源改造、脱硫脱硝和取代进口同类产品的最佳选择。

八、产品实物展示

高频基波脉冲电源输出电压示波器波形图
静电除尘器高频电源