蔣允輝，李 甲，蔣云峰，陳 煒

（1.北京信實德電氣設備有限公司，北京 100081；2.武漢大學，武漢 430071）

基于中頻調幅調壓的電除塵用脈沖電源的研究

蔣允輝1，李 甲1，蔣云峰2，陳 煒2

（1.北京信實德電氣設備有限公司，北京 100081；2.武漢大學，武漢 430071）

介紹了電除塵（ESP）用脈沖高壓電源的一種技術方案。分析了其工作原理、技術方案和特性。應用結果表明，ESP供電采用脈沖電源與高頻電源組合方式，具有節(jié)能及減排的雙重效果，脈沖電源采用中頻調幅調壓具有優(yōu)良的控制特性。

電除塵（ESP）；脈沖高壓電源；中頻調幅調壓；供電特性

序言

脈沖高壓電源（簡稱脈沖電源）是電除塵（簡稱ESP）最新一代電源（第一代：SCR電源；第二代：高頻電源；第三代：脈沖電源）的供電裝置，是脈沖功率技術（慢充快放）新的應用領域。大量應用表明，ESP采用脈沖電源供電時，不僅能提高ESP收塵效率，同時脈沖電源加基礎電源的總能耗只有純直流供電時的1/5～1/2，并且脈沖供電比直流供電能更好地處理高比電阻粉塵及超細微粉塵，因此采用脈沖供電是當今ESP供電技術的發(fā)展方向。

隨著國內脈沖電源技術的不斷成熟，元器件產業(yè)鏈已經形成，脈沖電源的可靠性及性價比不斷提高，脈沖電源的推廣培育了市場，其應用市場已逐步形成。目前，常用的電源有SCR電源、高頻電源、脈沖電源，其運行特性為：

（1）SCR電源。單/三相工頻交流、移相調壓，低頻SCR開關，工頻變壓器，輸出電壓紋波大（紋波波動頻率：單相為100Hz；三相為300Hz）；連續(xù)供電+間隙供電（模擬脈沖：ms級）。

（2）高頻電源。高頻諧振PFM調壓，高頻IGBT開關（n～20kHz），高頻變壓器，輸出電壓紋波極?。y波波動頻率：nkHz）；連續(xù)供電+間隙供電（模擬脈沖：ms級）。

（3）脈沖電源。調幅調壓，高壓IGBT脈沖開關，脈沖變壓器，輸出可調幅電壓脈沖；脈沖頻率可調（0～200Hz）；基礎電壓可調（可用SCR電源、高頻電源作為基礎電壓源）。脈沖供電（脈沖：μs級）電壓的幅度、頻率、基礎電壓均可獨立調節(jié)。

目前，國內脈沖電源采用的方案是丹麥FLSmidth公司的第四代Coromax電除塵用脈沖電源（低壓側脈沖+脈沖變壓器）結構形式的改進型：主要是改進了脈沖充電回路的結構形式（如采用三相交流移相調壓、中頻調幅調壓、高頻PFM調壓），優(yōu)化了脈沖電源與基礎電源的匹配關系，基于國內ESP狀況改進了控制算法等。

本文提出了一種采用中頻調幅調壓原理的脈沖電源方案。

1 脈沖電源的技術特點

1.1 技術特點

脈沖電源采用AC→DC→AC→DC→脈沖的變流工作方式，實現(xiàn)脈沖電壓、電流的輸出。

單相單極性二電平SPWM逆變，產生200Hz中頻可調幅電壓，實現(xiàn)輸出可調幅電壓脈沖。

脈沖頻率可調（10～200Hz）；基礎電壓可調（SCR電源、高頻電源作為基礎電壓源，可工作在連續(xù)方式或間隙方式）。脈沖電壓的幅度、頻率、基礎電壓均可獨立調節(jié)（真實脈沖：70～100μs級）。

1.2 創(chuàng)新點

采用中頻調幅調壓，實現(xiàn)脈沖輸出電壓的調節(jié)。與其它脈沖電源調壓方式相比，具有調節(jié)方便穩(wěn)定、線性度好、充電電源體積小等特點；采用專門設計的高壓IGBT開關緩沖電路，實現(xiàn)了高壓IGBT開關的可靠、穩(wěn)定運行；采用專門設計的脈沖電壓、電流采樣電路，實現(xiàn)了高精度的采樣；采用軟、硬件結合方式，實現(xiàn)了脈沖波形（峰值）的檢測及閃絡處理；基于高速DSPs的分析、計算，可以實現(xiàn)脈沖電源的精確控制及脈沖參數(shù)、電場參數(shù)的實時計算與顯示；基礎電壓源可工作在連續(xù)方式或間隙方式，其中，采用間隙方式時，脈沖電源能自動跟蹤間隙峰值，實現(xiàn)最大電壓供電?；A電源工作在間隙供電情況下，可使脈沖電源系統(tǒng)節(jié)能效果更明顯。

2 脈沖電源的工作原理

2.1 三相整流，濾波環(huán)節(jié)

三相交流AC400V經整流橋D1，濾波電路Lf0、Cf0，得到550V直流電壓，送至IGBT逆變電路。

2.2 單相中頻逆變環(huán)節(jié)

直流電壓經IGBT逆變電路（PWM控制），產生基波為200Hz交流電壓，送到中頻變壓器ZB。

2.3 中頻升壓、整流環(huán)節(jié)

基波為200Hz交流電壓，經中頻變壓器ZB升壓、整流得到2.3kV直流電壓為脈沖發(fā)生器供電。

2.4 脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)

通過電感Lf及脈沖變壓器原邊，2.3kV直流電壓為脈沖發(fā)生器的儲能電容Cs供電；當IGBT導通時，儲能電容Cs對脈沖變壓器放電，形成電壓脈沖，再經脈沖變壓器升壓，形成高電壓脈沖；經耦合電容Cc進入ESP與基礎電壓疊加。

變流、調壓的控制原理：通過PWM（SPWM）可實現(xiàn)輸出脈沖電壓的調節(jié)。具體為：通過調節(jié)200Hz中頻正弦波的幅值，調節(jié)脈沖輸出電壓；脈沖電壓的頻率由高壓脈沖開關的工作頻率決定。

脈沖電源部分與基礎電源部分采用分離結構設計獨立安裝，通過高壓開關箱進行連接（如圖1），兩部分均由電源機柜、變壓器油箱、散熱系統(tǒng)組成，便于設備的檢修和維護。

圖1 脈沖電源部分與基礎電源部分連接圖

3 脈沖電源的結構

脈沖電源的充電回路如圖2；脈沖電源的脈沖形成電路如圖3；部分脈沖電源控制柜見圖4；脈沖電源變壓器油箱見圖5。

圖2 脈沖電源充電回路圖

圖3 脈沖電源脈沖形成電路圖

圖4 脈沖電源控制柜部分圖

圖5 脈沖電源變壓器油箱圖

4 脈沖電源LCD控制及顯示

脈沖電源由DSP進行控制，并由LCD觸摸屏進行參數(shù)設定及顯示，二者通過MODBUS協(xié)議進行通信，LCD同時與上位機進行通信。觸摸屏界面包括：主界面、通道校準界面、保護參數(shù)設定界面、運行參數(shù)設定界面、故障告警界面。

4.1 主界面（如圖6所示）

圖6 主界面圖

LCD的主界面顯示包括：1）電源運行狀態(tài)。紅燈表示運行，綠燈表示停止狀態(tài)；2）電源運行的各種參數(shù)。脈沖電壓、電流峰值趨勢圖（黃線表示脈沖電壓峰值，綠線表示脈沖電流峰值）；3）故障狀態(tài)。紅燈閃爍表示有故障，綠燈表示無故障。

4.2 通道校準界面（如圖7所示）

通道校準界面用于執(zhí)行各個模擬通道的參數(shù)校準。

圖7 通道校準界面圖

4.3 保護參數(shù)設定界面（如圖8所示）

圖8 保護參數(shù)設定界面圖

4.4 運行參數(shù)設定界面（如圖9所示）

圖9 運行參數(shù)設定界面圖

4.5 故障告警界面（如圖10所示）

圖10 故障告警界面圖

圖10界面顯示的是故障類型。紅燈表示對應的故障發(fā)生，綠燈表示對應的故障未發(fā)生。此界面的上部設有“故障復位”按鈕，按此按鈕，清除故障記錄及故障動作后，便可重新啟動電源。

5 脈沖電源的應用

5.1 ESP配置情況

本脈沖電源應用現(xiàn)場為1臺330MW熱電機組的ESP。ESP為四室四電場，其中，一、二電場同極距為400mm，配置8臺高頻電源；三、四電場同極距為455mm，配置8臺高頻電源（作為基礎電源）+8臺脈沖電源。ESP電場等值電容為0.08～0.09μF。經電場改造及更換高頻、脈沖電源，設計ESP出口粉塵為25mg/m3。

5.2 電源運行情況

第一、二電場的同極距為400mm，高頻電源電壓40～45kV/電流700～800mA；第三、四電場的同極距為455mm：高頻電源（基礎電源）電壓30～35kV/電流200～300mA；脈沖電源：峰值電壓30～40kV/峰值電流100～200A，輸入功率小于5kW。

運行表明：基礎電源電流200～400mA較合適（既滿足收塵要求，又節(jié)能）；脈沖頻率可以適當降低（100～200Hz），可減少開關和脈沖變壓器的損耗，進而減少電源溫升。

5.3 脈沖電源的特性

本脈沖電源既可開路運行，也可短路運行；實時顯示脈沖電壓、脈沖電流的峰值、脈沖電源輸入有功功率、脈沖輸出視在功率、脈沖寬度及電場負載電容；可直接設定脈沖充電電壓、脈沖電壓、脈沖電流的峰值。

5.4 ESP出口粉塵

ESP的實際出口粉塵從原來的接近100mg/Nm3，下降到26mg/Nm3。

5.5 脈沖電源運行圖

脈沖電源的上位機控制界面如圖11所示。

圖11 脈沖電源上位機控制界面

脈沖電源的上位機控制界面可對脈沖電源進行控制及運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)的顯示。

脈沖電源的安裝圖及參數(shù)顯示見圖12、圖13。脈沖電源實際測量波形如圖14、圖15。

圖12 脈沖電源及高頻電源安裝圖

圖13 脈沖電源參數(shù)顯示儀表圖

圖14 脈沖電源中頻逆變波形圖

圖15 脈沖輸出電壓、電流波形圖

6 結論

理論分析及實驗結果表明，脈沖電源采用中頻調幅調壓具有優(yōu)良的控制特性。現(xiàn)場應用表明，ESP供電采用脈沖電源與高頻電源組合的方式，具有節(jié)能及減排雙重效果。

本脈沖電源在現(xiàn)場應用調試中也遇到諸多問題，如與基礎電源的配合問題、脈沖電源控制算法的優(yōu)化、脈沖多種參數(shù)設定等。

脈沖電源的應用是脈沖電源面臨的一個新課題，需要在設計、選型、現(xiàn)場應用等方面進行深入研究，掌握其規(guī)律，才能保證脈沖電源穩(wěn)定、可靠地運行，真正發(fā)揮脈沖電源應有的性能。

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Research on Pulse Power Source Adopted by Electrostatic Precipitation Based on Intermediate Frequency, Amplitude Modulation and Pressure Adjustment

JIANG Yun-hui1, LI Jia1, JIANG Yun-feng2, CHEN Wei2
(1.Beijing TRUSTEK Electrical Equipment Co., Ltd, Beijing 100081; 2 Wuhan University, Wuhan 430071, China)

The paper indicates that the electrostatic precipitation (ESP) adopts a technical program of pulse and high voltage power source, analyzes its working principle, technical program and characteristic. The application result shows that ESP power supply adopts the assembled mode of pulse power source and high frequency power source and has double effects of energy saving and emission reduction, the pulse power source which adopts intermediate frequency, amplitude modulation and pressure adjustment has a excellent control characteristic.

ESP; pulse & high voltage power source; intermediate frequency, amplitude modulation and pressure adjustment; characteristic of power supply

X701

A

1006-5377（2017）02-0025-04