電除塵用高頻高壓電源的研制精

1、電除塵用高頻高壓電源的研制魏云峰(Genvolt New Road, Highley, Bridgnorth, Shropshire, UK)摘 要 高壓開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域，最近幾年在電除塵應(yīng)用方面也得到了較大的發(fā)展。本文提出了我們對(duì)設(shè)計(jì)高壓開(kāi)關(guān)電源的一些思考，并扼要介紹了我們最新研制的用于電除塵的32kW高頻高壓開(kāi)關(guān)電源。1 前言近幾年，大家已經(jīng)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到高頻高壓開(kāi)關(guān)電源用于電除塵的一些突出的優(yōu)點(diǎn)。很多 研究報(bào)告也都顯示高頻高壓開(kāi)關(guān)電源能夠顯著提高除塵的效率，能夠大大提高功率因素。 在間歇方式工作時(shí)，由于其關(guān)斷和開(kāi)通時(shí)間大大縮短，因而可以更有效的處理反電暈及提 高高比電阻粉塵的收

2、集能力，等等。然而與其他應(yīng)用領(lǐng)域有所不同，電除塵的環(huán)境及其負(fù)載特性對(duì)高頻高壓開(kāi)關(guān)電源提出 了極為苛刻的要求。首先是電除塵用高頻高壓電源只能安裝在室外而且置于房頂，電源的 設(shè)計(jì)必須考慮溫度，濕度，海拔高度，灰塵等因素的影響。僅溫度一項(xiàng)就極為棘手。眾所 周知，電子元件都是由許許多多的 PN節(jié)構(gòu)成，而PN節(jié)溫度最高只能為125攝氏度，少有 可達(dá) 150 度。高于此溫度則立刻燒毀。溫度越是遠(yuǎn)離此上限溫度，則工作越可靠。這就要 求電除塵用高頻高壓電源的溫升盡可能低。負(fù)載特性是電除塵電源有別于其他應(yīng)用的又一個(gè)特點(diǎn)。除了負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化范圍大之 外，電源必須能承受多達(dá)每秒一次的頻繁放電也是一個(gè)苛刻的要求。對(duì)電

3、除塵電源的控制也和其他的高壓開(kāi)關(guān)電源很不一樣。常規(guī)的高壓電源追求低紋 波，高穩(wěn)定度，好的線性或負(fù)載調(diào)整率等，基本上是一個(gè)電壓源。用于電除塵的高壓開(kāi)關(guān) 電源輸出特性更像一個(gè)電流源，同時(shí)又希望能夠任意設(shè)置電壓的波形，響應(yīng)速度快，過(guò)沖 小，耐受頻繁的火花放電。2 電除塵用高頻高壓電源設(shè)計(jì)上的考慮見(jiàn)諸有關(guān)資料的用于電除塵的高壓開(kāi)關(guān)電源各有特色。電路上大致可分為功率輸入部 分，逆變部分，升壓整流輸出部分以及對(duì)電源的控制部分。2.1 電源功率輸入部分高功率的電源都采用三相輸入，不可控三相整流，濾波。功率因素都較工頻單相電源 有很大改善。2.2 功率逆變功率逆變部分而言，普遍采用四開(kāi)關(guān)管 H 型橋式結(jié)構(gòu)。為

4、提高工作頻率，也有多個(gè)小功率高速開(kāi)關(guān)管并聯(lián)或多個(gè) H橋逆變器并聯(lián)。控制方式則有定頻變脈寬調(diào)制(PWM，移相變脈寬調(diào)制或定脈寬變頻調(diào)制( PFM等幾種。PWM方式的優(yōu)點(diǎn)是有成熟的定量的分析方法，電源特性好，逆變器無(wú)環(huán)流，通態(tài)損耗 低。由于頻率固定，電磁干擾也比較容易解決。缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)器件有關(guān)斷損耗。前些年由于 逆變器件關(guān)斷損耗大，很難做成 20kHz 以上的高功率逆變器。然而近年來(lái)隨著低開(kāi)關(guān)損耗 器件的普及，這一問(wèn)題已逐步得到解決。由于高壓變壓器不可避免存在分布電容，PWM方式也可以利用該分布電容構(gòu)成并聯(lián)諧振逆變器，從而進(jìn)一步降低關(guān)斷損耗。PFM方式比較適合電除塵用高頻高壓電源的應(yīng)用，尤其在紋波，

5、穩(wěn)定度等要求不高的 場(chǎng)合。高壓變壓器漏感通常都必較大，但在 PFM方式的逆變電路中，變壓器漏感卻可以和 外加電容電感一起構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。通過(guò)改變逆變器的工作頻率就可以改變輸出電壓。電除塵電源對(duì)紋波要求不高，功率通常比較高。串聯(lián)諧振電路非常適合此一領(lǐng)域的應(yīng) 用。工作頻率始終只有諧振頻率的一半以下時(shí)，逆變器的電流峰值高但有效值較低，輸出 電壓上升率會(huì)受到一定的限制。另外特征阻抗較電流連續(xù)狀態(tài)低，在同樣過(guò)載條件同樣工 作頻率下，逆變器過(guò)載電流偏大。因此工作頻率工作在諧振頻率的 0.8 倍左右時(shí)，可以改 善以上缺點(diǎn)。2.3 升壓高壓整流輸出 升壓整流輸出部分，電除塵用高頻高壓電源采用升壓變壓器配合直

6、流倍壓電路來(lái)得到 所需要的高壓。在保證輸出電壓及性能時(shí)盡可能降低高壓變壓器的輸出電壓。這樣做的原 因有幾條：一是高變比時(shí)，影響電路性能。二是高頻變壓器鐵心（磁芯）窗口很小，輸出 電壓受空間限制不能太高。三是不利于散熱。電除塵高壓電源由于放電比較頻繁，有不少 設(shè)計(jì)努力采用僅靠變壓器升壓，整流來(lái)獲得需要的高壓，勢(shì)必大大增加高頻變壓器的制造 度。2.4 電源的控制 電源的控制部分而言，其實(shí)可以分為兩個(gè)層面：一個(gè)層面是對(duì)電源本身的控制，比如 恒壓特性，恒流特性，負(fù)載調(diào)整特性，輸入調(diào)整特性，方波響應(yīng)，紋波控制以及各種保護(hù) 等。另一個(gè)層面是控制電源以期達(dá)到我們的要求，比如如何使其工作在放電臨界態(tài)，如何 使

7、其工作在間歇狀態(tài)，峰值電壓的設(shè)置，谷值電壓的設(shè)置，間歇時(shí)間的設(shè)置，上升率的設(shè) 置，等等。3 400mA,80kV 高壓開(kāi)關(guān)電源的研制 我們?cè)诙嗄暄兄?、生產(chǎn)高壓開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)上，結(jié)合電除塵的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了32kW高頻高壓開(kāi)關(guān)電源。3.1 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：存儲(chǔ)溫度 :- 40 C to + 70C工作溫度 :- 3 0 C to + 50電源溫升：20CIP 級(jí)別 :55輸入電壓 :3 相 380VAC輸出電壓 :輸出電流 : 最高輸出功率：0-80kVDC （ 負(fù)極性電壓 ）,0-400mADC32kW輸出電壓紋波：0.9轉(zhuǎn)換效率：90%3.2 主要技術(shù)方案 機(jī)械部分： 為了能在惡劣環(huán)境下工

8、作，系統(tǒng)采用密封結(jié)構(gòu)。高壓部分用變壓器油絕緣。幾乎所有 發(fā)熱元件的熱量也都已各種方式導(dǎo)入變壓器油中。高壓輸出在電源的底部，這樣可以簡(jiǎn)化 電源安裝，便于實(shí)施一體化。冷卻及散熱：據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明， 80%的開(kāi)關(guān)電源的損壞是由于發(fā)熱造成的，因此有效的冷卻系統(tǒng)是開(kāi)關(guān)型電源可靠工作的有力保障。為此我們的電源系統(tǒng)采用油循環(huán)冷卻。將IGBT重要發(fā)熱器件的熱量導(dǎo)入到變壓器油中，因此冷卻了油，也就冷卻了整個(gè)電源的重要發(fā)熱器件。此一 做法的的好處在于只要控制好油溫，就能保證IGBT安全的運(yùn)行。輸入整流部分：我們?cè)O(shè)計(jì)的高壓開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)之一是輸入整流之后不采用任何作為濾波用的電解電 容，只采用高性能的電容100uF,

9、而通常的開(kāi)關(guān)電源為了減小輸出的紋波，在輸入整流之后都加入了很大的電解濾波電容。大功率電源采用三相輸入，整流后電壓達(dá)到530V,電解電容耐壓不夠，必須串并結(jié)合，數(shù)量需要更多。大容量高壓電解電容價(jià)格昂貴是我們考慮 的一個(gè)因素，更重要的一個(gè)考慮是溫度對(duì)電解電容的壽命影響極大。功率逆變部分：采用串聯(lián)諧振式逆變器，PFM方式調(diào)節(jié)。滿載時(shí)逆變器電流進(jìn)入連續(xù)狀態(tài)。效率比非連續(xù)電流工作的逆變器會(huì)有1-2%的降低，但流過(guò) IGBT 的峰值電流比非連續(xù)電流工作時(shí)減小。非滿功率運(yùn)行時(shí)，逆變器電流也處在非連續(xù)狀態(tài)。升壓高壓整流輸出部分：采用了兩級(jí)倍壓電路，降低高壓變壓器的絕緣，減小變壓器的分布電容。而且變壓器 的鐵心

10、完全可以采用標(biāo)準(zhǔn)成型產(chǎn)品，繞制工藝及其簡(jiǎn)單，大大提高了可靠性并且降低成 本。由于采用了倍壓電路，高壓整流硅堆只需全波整流的一半，而高壓濾波電容的成本也 約為高壓整流硅堆的一半。整流部分成本相當(dāng)。當(dāng)出現(xiàn)火花放電時(shí)，電容的儲(chǔ)能會(huì)瀉放到電場(chǎng)里去，這是倍壓電路的缺點(diǎn)。但實(shí)際上 如果按每分鐘放電 60次計(jì)算，放電的平均功率只有不到 30瓦，不到電源額定功率的千分 之一。另外采用了我們的特有的放電限流電路，80kV時(shí)放電電流也被限制在 200A以下，因此其影響已經(jīng)非常小了。而倍壓電容可以有效抑制加到高壓硅堆上的過(guò)電壓，這是它的 優(yōu)點(diǎn)?？刂撇糠?這里只說(shuō)明電源本身的控制。電源有輸出電壓和輸出電流檢測(cè)回路，各

11、自的響應(yīng)特性 都非常好。系統(tǒng)存在電壓和電流的雙環(huán) PID 調(diào)節(jié)。能自動(dòng)工作在恒壓或恒流狀態(tài)。由于調(diào) 整環(huán)節(jié)的帶寬遠(yuǎn)高于三相濾波后的紋波頻率，因此輸入紋波被抑制掉。電源保護(hù)： 輸入：欠壓保護(hù)，雷電過(guò)壓保護(hù)，過(guò)流保護(hù) 輸出 : 過(guò)壓保護(hù)，過(guò)流保護(hù)，放電限流保護(hù) 逆變器：過(guò)流保護(hù)，直通保護(hù)，過(guò)熱保護(hù) 變壓器油：過(guò)熱保護(hù)，油位保護(hù)安全：連鎖保護(hù)7以上述思路為指導(dǎo)的高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)模型如下圖一:圖一 高壓開(kāi)關(guān)電源的模型圖二電源的電路框圖 圖二電源的電路框圖圖三為實(shí)際研制的電源:圖三 實(shí)際的32kW高壓開(kāi)關(guān)電源圖四高壓輸出上升沿波形圖四高壓輸出上升沿波形這是一張工作于64kV的示波圖（極性反轉(zhuǎn)）。由圖可

12、見(jiàn)，整個(gè)上升時(shí)間大約3ms,約20kV/ms?；旧蠟榫€性上升。表環(huán)境溫度IGBT散熱器上溫度變壓器最高油溫22度38度42度表一是滿功率穩(wěn)定運(yùn)行后紀(jì)錄的溫升數(shù)據(jù)，由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，該電源的變壓器油的溫升最多只有20度，甚至只有常規(guī)工頻高壓整流變壓器的一半。這對(duì)提高可靠性有很大的幫 助。對(duì)該高壓電源作開(kāi)路，短路，輕載，滿載，過(guò)載，放電等各種試驗(yàn)，結(jié)果表明，該電 源可以在電壓0-80kV,電流0-400mA的任何點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行。并可以耐受各種強(qiáng)度的放電。4 結(jié)論用于電除塵領(lǐng)域的高壓開(kāi)關(guān)電源有其特殊性，其設(shè)計(jì)難度相當(dāng)大。但由于我們有多年 的經(jīng)驗(yàn)積累，研制工作還是比較順利。其實(shí)兩年前我們已經(jīng)有同類型的樣機(jī)在國(guó)外某電廠 運(yùn)行，情況良好。這次我們又對(duì)電源作了很多的改進(jìn)，性能得到很大的改善。根據(jù)實(shí)際運(yùn) 行及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，我們有如下結(jié)論：（1）電源的輸入部分不加大容量電解電容是可行的，這對(duì)提高電源的可靠性及壽命大有 好處。（2）串聯(lián)