電除塵高頻高壓電源三種模式比對(duì).doc

電除塵高頻高壓電源三種控制模式的比對(duì)魏文深 廈門(mén)市天源興環(huán)?？萍加邢薰?廈門(mén)同安工業(yè)集中區(qū)湖里園11號(hào)廠房 361100第9頁(yè) 共9頁(yè)摘 要 本文介紹了電除塵高頻高壓電源三種不同的調(diào)壓控制機(jī)理，即調(diào)頻控制模式；調(diào)幅控制模式；脈沖控制模式三種。從電除塵運(yùn)行的角度分析了三種控制模式的特性和優(yōu)勢(shì)，提出幾種控制模式的組合應(yīng)是電除塵高頻高壓電源發(fā)展的方向。關(guān)鍵詞 電除塵高頻高壓電源；調(diào)頻控制模式；調(diào)幅控制模式；脈沖控制模式；開(kāi)關(guān)頻率；母線電壓；間隙脈沖；閃絡(luò)控制；節(jié)能模式1 前言近幾年，隨著高頻高壓電源在電除塵行業(yè)的應(yīng)用，其功率已由原來(lái)的600800mA/80KV發(fā)展到現(xiàn)在的1000-1600mA/80KV，滿(mǎn)足了電除塵器大部分的要求，因此其應(yīng)用范圍和數(shù)量迅速擴(kuò)大，對(duì)其應(yīng)用研究也更加深入。由于電除塵高頻高壓電源是一種基于高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)的新型電源，與可控硅電源有著本質(zhì)的不同。其體積小、節(jié)能、高效率等特性及對(duì)電除塵收塵突出的優(yōu)點(diǎn)已被業(yè)內(nèi)肯定，但由于其工作原理及控制方式也有別于其它常規(guī)電源，有必要對(duì)其控制特點(diǎn)作特別的分析和研究，有利于高頻電源的研究和推廣，滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。2 電除塵高頻高壓電源技術(shù)方案根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料以及目前市場(chǎng)上運(yùn)用的高頻電源來(lái)看，電除塵高頻高壓電源方案雖各有特色，但總結(jié)電路上基本上相類(lèi)似，主要由工頻整流濾波，諧振逆變電路，高頻升壓整流輸出以及對(duì)電源的控制部分構(gòu)成。采用的開(kāi)關(guān)器件有單IGBT、IGBT模塊、IPM模塊；控制普遍采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器或單片機(jī)。其不同在于觸發(fā)控制模式上。高頻高壓電源主回路工作原理及特點(diǎn)：A、工頻整流、濾波。 三相380V交流經(jīng)三相整流得到直流電壓，經(jīng)LC濾波輸出530V的直流母線電壓。B、開(kāi)關(guān)逆變：直流電壓經(jīng)由IPM模塊或IGBT模塊組成的全橋逆變電路。由于是大功率逆變，為減少開(kāi)關(guān)損耗，降低開(kāi)關(guān)模塊的溫升和電流電壓應(yīng)力，主回路均采用串聯(lián)諧振拓補(bǔ)電路，即采用諧振電容Cs，諧振電感Ls及利用高頻變壓器漏感組成高頻諧振式逆變電路。當(dāng)L&C參數(shù)選擇合適，配合合適的開(kāi)關(guān)頻率和控制模式，能使開(kāi)關(guān)模塊工作在零電流開(kāi)通和零電壓關(guān)斷模式，即軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)；大大降低了開(kāi)關(guān)損耗，并且能有效減少進(jìn)入高頻變壓器的高次諧波，也減少變壓器及硅堆的損耗。C、高頻升壓、整流。逆變波形經(jīng)高頻變壓器升壓，再經(jīng)高頻整流橋整流，在ESP負(fù)載上得到基本上純直流電壓波形。3 電除塵高頻高壓電源控制方案我們根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料以及目前市場(chǎng)上運(yùn)用的高頻電源分析來(lái)看，對(duì)高頻觸發(fā)脈沖控制主要可分為：調(diào)頻控制模式；調(diào)幅控制模式；脈沖控制模式三種。3.1 調(diào)頻控制模式：因主回路均采用串聯(lián)諧振拓補(bǔ)電路，即軟開(kāi)關(guān)模式，它能大大降低開(kāi)關(guān)損耗，提高逆變效能。而PWM（脈沖寬度調(diào)制）在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)下較難調(diào)整，因此大多高頻觸發(fā)脈沖采用PFM（定脈寬調(diào)頻）的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率的調(diào)制控制方法將直流電壓調(diào)制成一系列脈沖來(lái)調(diào)節(jié)ESP平均電壓和電流。該控制方式的核心在于控制ESP平均電壓和電流，由于頻率降低相當(dāng)于在單位頻率下降低觸發(fā)脈沖的有效占空比，通過(guò)縮短開(kāi)通時(shí)間，加大關(guān)斷時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)平均電壓的調(diào)整。其特點(diǎn)是峰值不變，只改變平均值。其波形如下：3.1.1諧振電流波形 20KHZ開(kāi)關(guān)頻率 6KHZ開(kāi)關(guān)頻率3.1.2二次電壓、電流反饋波形 20KHZ開(kāi)關(guān)頻率 6KHZ開(kāi)關(guān)頻率通過(guò)上述波形可以看出，該控制模式下僅在20KHZ的設(shè)計(jì)頻率下，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的電流，實(shí)現(xiàn)純直流供電，輸出功率最大。頻率降低后，二次電壓平均值降低，電壓脈動(dòng)系數(shù)變化不大，但電流峰值提高，平均值降低。輸出平均功率下降，沖擊加大，變壓器效率會(huì)降低。由于電除塵運(yùn)行時(shí)較難在設(shè)計(jì)指標(biāo)下運(yùn)行，加上電場(chǎng)頻繁的閃絡(luò)放電，該控制模式必須在低于設(shè)計(jì)頻率下運(yùn)行，效能相對(duì)有所降低。該模式適應(yīng)于電場(chǎng)相對(duì)平穩(wěn)的場(chǎng)合，在輕載和放電頻繁的場(chǎng)合適應(yīng)性較差。通過(guò)在模擬電場(chǎng)不同頻率運(yùn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如下:通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以得出，該方式隨著頻率下降，電轉(zhuǎn)換效能同時(shí)降低的結(jié)論，如下圖：分析：效能下降的主要原因在于高頻變壓器的設(shè)計(jì)是在一特定頻率下的，比如40KHZ諧振頻率，隨著頻率的改變，其阻抗電壓會(huì)隨著改變，自身?yè)p耗加大，效率降低；同時(shí)由于開(kāi)關(guān)管承受的峰值電流加大，也增加了開(kāi)關(guān)損耗，總體效率下降，出故障的幾率也增加。3.2 調(diào)幅控制模式：調(diào)幅控制模式是在調(diào)頻控制模式的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制母線電壓的方式實(shí)現(xiàn)的。主要原理是在整流部分采用三相可控硅控制技術(shù)，或開(kāi)關(guān)斬波控制技術(shù)，將母線電壓0550V可調(diào)，使輸入高頻變壓器的一次電壓可變，達(dá)到輸出直流電壓可變的目的，從而實(shí)現(xiàn)高頻電源的調(diào)幅調(diào)壓控制。大大改善了后級(jí)開(kāi)關(guān)管的工作條件，使諧振頻率及高頻變壓器工作點(diǎn)穩(wěn)定，逆變電路始終工作于最佳工作點(diǎn)（設(shè)計(jì)頻率），一直工作于純直流供電，輸出功率最大，從而提高了設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率以及提高產(chǎn)品可靠性和產(chǎn)品適用范圍。3.2.1 母線電壓波形對(duì)比 母線電壓不變 母線電壓可變（閃絡(luò)時(shí)捕捉） 諧振電流頻率不變峰值改變 二次電壓電流頻率不變平均值改變通過(guò)上述波形可以看出，該控制模式下在20KHZ的開(kāi)關(guān)頻率下，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的電流，實(shí)現(xiàn)純直流供電，輸出功率最大，不隨電場(chǎng)或工況的改變而變化。母線電壓降低，二次電壓降低，電流、電壓脈動(dòng)系數(shù)不變，且電流峰值降低，有利于開(kāi)關(guān)器件工作，變壓器始終工作在設(shè)計(jì)頻率下，轉(zhuǎn)換效能不變。該模式能適應(yīng)于電場(chǎng)輕載和放電頻繁的場(chǎng)合，工礦適應(yīng)性較好。由于需要對(duì)開(kāi)關(guān)管和可控硅進(jìn)行同步控制，控制相對(duì)復(fù)雜，成本較高。3.3 脈沖控制模式：脈沖控制模式是在調(diào)頻控制模式的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制觸發(fā)脈沖開(kāi)通數(shù)量比的方式實(shí)現(xiàn)的。該模式的機(jī)理在于利用了電除塵器電場(chǎng)的電容特性來(lái)控制的。通過(guò)高頻電源在電場(chǎng)的開(kāi)通和關(guān)斷波形可以看出：由于負(fù)載的電容特性，電場(chǎng)電壓從最高下降到0 kv需要5ms左右的時(shí)間，因此，可以選定在運(yùn)行時(shí)瞬時(shí)關(guān)斷電源，電場(chǎng)電壓開(kāi)始下降，當(dāng)電壓下降至設(shè)定值，比如最高電壓60%時(shí)，重新開(kāi)啟電源脈沖，如此重復(fù)形成間隙脈沖供電模式。該模式有別于常規(guī)可控硅電源的根本在于其高頻開(kāi)關(guān)特性以及不受外部頻率的限制，可采取靈活的開(kāi)關(guān)比例，可以在脈沖供電的情況下保持除塵電場(chǎng)特性，電壓脈動(dòng)系數(shù)變化較小。 20KHZ下脈沖控制模式電流、電壓 20KHZ下電場(chǎng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)下二次電壓變化情況脈沖控制模式適合于除塵效率已達(dá)標(biāo)，需要節(jié)能的場(chǎng)合；但對(duì)于需要提高除塵效率，增加電場(chǎng)電暈功率時(shí)略顯不足。4電除塵高頻高壓電源閃絡(luò)控制方案與可控硅電源相同，對(duì)電場(chǎng)火花的捕捉和控制也是高頻電源控制重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于高頻電源工作于高頻之中，其火花的出現(xiàn)到擊穿是在很短時(shí)間完成的，因此要求控制電路要有很快的響應(yīng)時(shí)間，采用高速DSP可以勝任。由于控制靈敏，火花可以被控制在很小的能級(jí)，僅為微秒級(jí)，有利于電場(chǎng)的恢復(fù)。三種控制模式對(duì)火花的控制各有不同，但都比常規(guī)電源有巨大的優(yōu)勢(shì)。4.1 調(diào)頻控制模式：通過(guò)對(duì)二次電流、電壓的高速檢測(cè)判斷，當(dāng)電場(chǎng)出現(xiàn)火花時(shí)，先封鎖脈沖輸出，同時(shí)迅速降低開(kāi)關(guān)頻率，閃絡(luò)之后迅速恢復(fù)，重新確定開(kāi)關(guān)頻率，火花封鎖時(shí)間可以很短。但對(duì)于電場(chǎng)工礦較差、輕載、閃絡(luò)頻繁的場(chǎng)合設(shè)備的沖擊較大，效率較低。 調(diào)頻控制模式 調(diào)幅控制模式4.2 調(diào)幅控制模式：調(diào)幅高頻高壓電源電壓調(diào)節(jié)由三相SCR可控硅移相調(diào)壓和IGBT模塊定脈寬變頻調(diào)制（PFM）兩部分組成，統(tǒng)一由DSP芯片控制。DSP依據(jù)電場(chǎng)工況給定開(kāi)關(guān)母線電壓和開(kāi)關(guān)模塊工作頻率，使設(shè)備始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)DSP高速采樣，采用純軟件方法檢測(cè)火花。當(dāng)電場(chǎng)出現(xiàn)火花時(shí)，迅速降低開(kāi)關(guān)頻率，之后迅速恢復(fù)，同時(shí)控制可控硅調(diào)壓降低高頻端母線電壓，有利于電場(chǎng)恢復(fù)，降低開(kāi)關(guān)模塊的沖擊幅度，火花封鎖時(shí)間可以很短，之后根據(jù)需要確定母線電壓。該火花處理模式充分利用了IGBT模塊能快速關(guān)斷，火花處理及時(shí)，同時(shí)由于有SCR母線電壓調(diào)整，使IGBT模塊能最快恢復(fù)而不至于連閃。電壓電流應(yīng)力也大大減小。此調(diào)壓方式運(yùn)用于工況條件惡劣，擊穿電壓低，閃絡(luò)頻繁，電流小沖擊幅度大的場(chǎng)合（如燒結(jié)機(jī)頭電除塵），對(duì)于改善其收塵狀況效果明顯。該方法還避免了濾波電容在閃絡(luò)狀態(tài)下的過(guò)渡充放電現(xiàn)象，提高了電容使用壽命和可靠性。4.3 脈沖控制模式：該模式有自動(dòng)熄弧功能，當(dāng)電場(chǎng)出現(xiàn)火花時(shí)，先封鎖脈沖輸出，重新確定開(kāi)通比率，火花封鎖時(shí)間可以很短。但對(duì)于電場(chǎng)除塵效率較低，需開(kāi)通比較大的場(chǎng)合，較易出現(xiàn)連閃。5 電除塵高頻高壓電源節(jié)能控制方案節(jié)能控制是當(dāng)前電除塵運(yùn)用的熱門(mén)話題，也是高頻電源在電除塵上運(yùn)用的最大亮點(diǎn)。高頻電源較常規(guī)可控硅電源由于在原理上的差別，已具備明顯的節(jié)能效率。具有三相平衡輸入，功率因數(shù)高，變壓器體積小，設(shè)備效率高。這是包括三相可控硅電源都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。但由于控制模式的不同，仍存在節(jié)能效率上的差異。5.1 調(diào)頻控制模式：在粉塵達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，降低開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，理論上10KHZ運(yùn)行要比20KHZ下運(yùn)行降低50%的功耗，但由于高頻變壓器及開(kāi)關(guān)器件的損耗加大，設(shè)備效率下降，實(shí)際節(jié)能效果不太理想。由于本身運(yùn)行時(shí)有閃絡(luò)也達(dá)不到20KHZ開(kāi)關(guān)頻率，因此，節(jié)能模式與運(yùn)行模式對(duì)比不太明顯。5.2 調(diào)幅控制模式在粉塵達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，可以調(diào)整母線電壓，降低峰值運(yùn)行，使電場(chǎng)運(yùn)行于所需最小電壓，有效降低電暈功率。但由于始終工作于純直流狀態(tài)，變壓器輸出功率最大；加上SCR開(kāi)通損耗，功率因素降低，實(shí)際節(jié)能效果不太理想。5.3 脈沖控制模式：在粉塵達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，可以調(diào)整開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷的比值，使電場(chǎng)運(yùn)行于所需最小開(kāi)通關(guān)斷比，有效降低電暈電流。與常規(guī)電源不同的是，高頻開(kāi)關(guān)是在很短時(shí)間下完成的間隙脈沖供電，對(duì)電場(chǎng)電壓影響較小，能保持收塵電壓，保持高的收塵效率。開(kāi)關(guān)比率可達(dá)50%以上，該模式實(shí)際節(jié)能效果最好。6 小結(jié) 通過(guò)以上分析，可以得出，任何一種控制模式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)如下：性能特性調(diào)頻控制模式調(diào)幅控制模式脈沖控制模式主回路電路較簡(jiǎn)單復(fù)雜簡(jiǎn)單母線電壓不變可變不變諧振頻率變化20KHZ不變不變閃絡(luò)控制調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率調(diào)整母線電壓調(diào)整開(kāi)關(guān)比值電場(chǎng)火花頻繁很少較少變壓器輸出峰值電壓不變可變不變功率輸出調(diào)頻時(shí)減小連續(xù)電流，純直流最大間隙脈沖小高頻變壓器效率隨頻率而改變基本不變降低高壓輸出電壓紋波有波紋純直流有波紋電場(chǎng)輕載調(diào)壓特性較差好較差電場(chǎng)適應(yīng)性較弱強(qiáng)較弱除塵效率提高好好較弱節(jié)能比常規(guī)好比常規(guī)好很好綜合以上分析，電除塵高頻高壓電源在控制策略上應(yīng)采取多種控制模式相結(jié)合的方式才能最大限度滿(mǎn)足電除塵不同工況及不同使用場(chǎng)合的需求，運(yùn)用時(shí)可選擇多種模式相組合的方法，比如第一電場(chǎng)采用調(diào)幅模式以獲得最大收塵效果，后電場(chǎng)采用脈沖控制方式獲得最大節(jié)能效果。7 結(jié)束語(yǔ) 本文介紹了電除塵高頻高壓電源三種不同的調(diào)壓控制機(jī)理，即調(diào)頻控制模式；調(diào)幅控制模式；脈沖控制模式三種。從電除塵運(yùn)行的角度分析了三種控制模式的特性和優(yōu)勢(shì)，三種控制模式不是單一和絕對(duì)化的。了解各種控制模式的特性以