脈沖電源三相電源及恒流源的特點(diǎn)分析

1、脈沖電源三相電源及恒流源的特點(diǎn)分析近年來，隨著國家對(duì)環(huán)保要求日益嚴(yán)格，電除塵器在工業(yè)大氣治理方面發(fā)揮越來越大的作用，電除塵器電源技術(shù)也隨之得到了迅猛發(fā)展，高壓電源由單相工頻電源、工頻恒流源、三相工頻電源、高頻電源發(fā)展到現(xiàn)在的脈沖電源，每一種高壓電源技術(shù)在不同時(shí)期電除塵器應(yīng)用中都發(fā)揮了重要作用。但在電除塵器電源提效改造中使用恒流源、三相電源還是使用脈沖電源，一直存在著爭(zhēng)議，本文結(jié)合電除塵器的工作原理將對(duì)這三種電源進(jìn)行技術(shù)層面的比較分析，闡述三種電源在電除塵器應(yīng)用中各自發(fā)揮的作用。一、 電除塵器原理簡(jiǎn)介及電源的重要作用我國的工業(yè)電除塵技術(shù)是自上世紀(jì)七十年代開始發(fā)展，作為一種技術(shù)成熟、制作相對(duì)簡(jiǎn)單、

2、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低的工業(yè)煙氣凈化設(shè)備，長(zhǎng)期以來在大氣污染治理行業(yè)得到最普遍、最廣泛的推廣和應(yīng)用。電除塵器的工作原理主要包括“電離、荷電、捕集、清灰”四個(gè)過程。電除塵器用高壓電源做為電離及荷電過程的關(guān)鍵設(shè)備，它的主要作用是通過向電場(chǎng)提供直流高壓和直流電流，使進(jìn)入電場(chǎng)的粉塵在荷電后被捕集到極板極線，從而達(dá)到清灰的目的。電除塵器的除塵效率是考量電除塵器性能的最重要的指標(biāo)，依奇-安德森效率公式，一直是電除塵器的設(shè)計(jì)公式，至今仍在應(yīng)用。該公式揭示了驅(qū)進(jìn)速度與除塵效率之間的關(guān)系：=1-e-f 式中： f (SCA)AQ的比值，稱為比集塵面積(m2m3S) A收塵極板面積(m2) Q煙氣量 (m3S)驅(qū)進(jìn)速度

3、(mS) VpVai 式中： 常數(shù) ；Vp電壓峰值； Vai電壓平均值； 說明： Vp × Vai 驅(qū)進(jìn)速度，是電除塵器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，與粒子半徑、電場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比，與氣體黏度成反比。工程中實(shí)際的驅(qū)進(jìn)速度稱有效驅(qū)進(jìn)速度，其物理意義不只是反映塵粒向極板運(yùn)動(dòng)的速度，而且包括諸如煤灰成分、二次揚(yáng)塵、氣流分布質(zhì)量、電氣條件、本體結(jié)構(gòu)以及其他影響電除塵器性能的各種因素之和，它的大小可評(píng)價(jià)電除塵器對(duì)粉塵的收塵難易程度。驅(qū)進(jìn)速度不僅與煤、飛灰成分有關(guān)（煙氣成份、粉塵粒徑、粉塵比電阻等），而且在很大程度上也依賴于電除塵電源技術(shù)。從電氣角度而言，驅(qū)進(jìn)速度取決于峰值電壓和平均電壓的乘積，還與有效

4、的電暈電流相關(guān)。二、 工頻恒流源1 、工作原理工頻恒流源是通過LC變換器將輸入的兩相380V工頻交流電轉(zhuǎn)換為電流源，并通過交流接觸器分級(jí)調(diào)流，然后通過工頻單相整流變壓器升壓整流后轉(zhuǎn)換成高壓直流電入往電場(chǎng)。原理圖如下圖所示：工頻恒流源為分體式結(jié)構(gòu)，體積和重量都很大，高壓整流變壓器布置在電除塵本體頂部，高壓控制柜安裝在電除塵配電室。電路包括三個(gè)部分：第一部分為L(zhǎng)-C變換器，每個(gè)變換器由電感L和電容C 組成一個(gè)回路網(wǎng)絡(luò)，將電壓源轉(zhuǎn)換成電流源；第二部分為高壓硅整流變壓器，將工頻電升壓整流輸出直流負(fù)高壓，為電除塵器提供高壓電源；第三部分為控制系統(tǒng)，主要由控制電路和交流接觸器構(gòu)成，交流接觸器用于功率檔位調(diào)

5、節(jié)器，通常為10個(gè)檔位，當(dāng)電場(chǎng)工況需要改變輸出功率時(shí)，控制器通過交流接觸器吸合、斷開調(diào)整L-C變換器接入到主回路電路中的個(gè)數(shù)，即功率換擋，處理速度非常慢。2、優(yōu)點(diǎn)1）因?yàn)槭呛懔髟?，所以電流不受電?chǎng)負(fù)載電特性的影響，與常規(guī)工頻單相電源相比較，如果電場(chǎng)發(fā)生閃絡(luò)，電壓下降，而電流不下降，輸出較為穩(wěn)定。2）因?yàn)閷儆趩蜗嚯娫?，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修。3、缺點(diǎn)1）因?yàn)閷儆趩蜗嚯娫矗运敵龅氖?00Hz的脈動(dòng)直流，受工頻電正弦半波“暫下降”現(xiàn)象影響，二次電壓紋波系數(shù)大（30%），波形脈動(dòng)幅度大，平均值低，且電壓峰值極易引發(fā)火花閃絡(luò)，對(duì)電除塵效率影響很大。下圖是工頻恒流源的二次電壓和二次電流的波形。2）因

6、為屬于單相電源，所以功率因數(shù)低0.7，電能轉(zhuǎn)換效率低70%。因采用大量的電抗器和電容器作為功率調(diào)整部件，由于電抗器和電容器數(shù)量眾多，且本身有一定能耗，所以其高壓控制柜與高頻電源、SCR相位控制的單相電源和三相電源相比，發(fā)熱量非常大，電能損耗也隨之提高。3）因?yàn)椴捎媒涣鹘佑|器分級(jí)調(diào)流，而交流接觸器是機(jī)械觸點(diǎn)元件，機(jī)械觸點(diǎn)元件的特點(diǎn)是機(jī)械觸點(diǎn)的關(guān)斷、吸合是有使用次數(shù)限制的，長(zhǎng)期運(yùn)行后，易引發(fā)設(shè)備故障。4）工頻恒流源對(duì)工況的適應(yīng)性較弱。當(dāng)粉塵濃度過高時(shí)，電除塵電場(chǎng)的等效電阻值已經(jīng)超過恒流源L-C內(nèi)阻可調(diào)范圍，恒流源內(nèi)阻相對(duì)于負(fù)載不再是無窮大，這時(shí)對(duì)于恒流源來說，其已經(jīng)不能成為恒流源了。若此時(shí)粉塵濃度

7、繼續(xù)增高，則超出除塵效率極具下降，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致恒流源“開路”報(bào)警而停止工作，給安全生產(chǎn)帶來隱患。在高比電阻、細(xì)微粒粉塵工況下，工頻恒流源因?yàn)闊o法實(shí)現(xiàn)脈沖供電，所以無法抑制前者引起的“反電暈”現(xiàn)象產(chǎn)生。三、 三相工頻電源1、工作原理三相工頻高壓電源，是繼單相工頻電源后研發(fā)出的一種高效節(jié)能型電源。其工作原理是采用三相380V交流輸入，通過三相六只可控硅反并聯(lián)調(diào)壓，經(jīng)三相變壓器升壓，三相橋式整流，并聯(lián)成一路波形為300Hz的脈動(dòng)直流高壓電輸出到電除塵器；原理圖如下：2、優(yōu)點(diǎn)由于采用三相平衡供電方式，其輸出波形平穩(wěn)，輸出平均電壓高（比單相電源提高10%20%），能有效改善和提高除塵效率；三相工頻電源與

8、單相工頻電源相比主要優(yōu)點(diǎn)就是三相平衡且輸出電壓紋波系數(shù)小為5%，電源轉(zhuǎn)換效率為87%，輸出電壓電流波形如圖所示：從波形圖中可以看出，電流（藍(lán)色）是頻率為300Hz脈動(dòng)直流電流，電壓波形（白色）是頻率為300Hz脈動(dòng)直流電壓，電壓紋波系數(shù)較小，約為5%。3、缺點(diǎn)三相工頻電源的缺點(diǎn)是火花閃絡(luò)沖擊大，性價(jià)比低，對(duì)反電暈工況適應(yīng)能力差。1） 火花閃絡(luò)沖擊大：三相工頻電源各相電壓相位上依次相差120度；如果A相正半波發(fā)生閃絡(luò)火花放電擊穿時(shí)，B相的可控硅已經(jīng)開通，等到A相正半波的過零換相時(shí)輸出封鎖信號(hào)，可以關(guān)斷A、C相負(fù)半波，卻無法及時(shí)封鎖B相的已經(jīng)導(dǎo)通信號(hào)，一直要持續(xù)到B相的過零點(diǎn)，才得以完全封鎖輸出；

9、這樣就使得火花放電的能量增大，火花恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)（約120ms），不但對(duì)電源沖擊影響大，且效率損失大。2） 性價(jià)比低：三相工頻電源采用分體式結(jié)構(gòu)，高壓控制柜布置在除塵控制室，而整流變壓器布置在本體頂部，這就決定了其安裝成本和電纜成本較高，三相整流變壓器體積普遍較大，造價(jià)高。3） 對(duì)反電暈工況適應(yīng)能力差：三相工頻電源因其工作原理是三相可控硅調(diào)壓，所以很難實(shí)現(xiàn)像單相電源和高頻電源那樣具有間歇供電方式，對(duì)于高比電阻粉塵工況，無法用間歇供電方式抑制反電暈的發(fā)生；另外，三相工頻電源只能采用持續(xù)供電方式，所以無法實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能模式。四、 脈沖電源脈沖電源是國際電除塵器領(lǐng)域最新、最先進(jìn)的高壓供電技術(shù)，是一種能

10、周期性輸出兆瓦級(jí)能量，能高效捕集細(xì)微粉塵、高比電阻粉塵，具有節(jié)能性、高可靠性的電除塵器電源。1、 工作原理脈沖電源都是由雙電源組成，即由基波電源和脈沖電源兩種電源疊加而成?；娫簇?fù)責(zé)輸出一個(gè)額定為80kV直流基礎(chǔ)電壓，用于產(chǎn)生足夠捕集荷電粉塵的電場(chǎng)，基波電源可以是高頻電源、三相電源或者單相電源；脈沖電源負(fù)責(zé)在基波電源電壓基礎(chǔ)上疊加一個(gè)額定為80kV的脈沖電壓（疊加后脈沖峰值為160kV），脈沖寬度45us，脈沖頻率為100Hz；如圖所示：上圖為高頻基波脈沖電源的原理圖，高頻基波部分，輸入的三相工頻交流電源經(jīng)過三相全橋整流后變成低壓直流電（見圖1 第部分整流電路），再經(jīng)過全橋IGBT 逆變電路

11、產(chǎn)生高頻交流脈沖（見圖1 第部分逆變電路），高頻高壓整流變壓器最后將低壓高頻交流脈沖升壓整流后（見圖1 第部分高頻變壓器），產(chǎn)生負(fù)高壓高頻基波電壓送至疊加電路（見圖1 第部分疊加電路）；脈沖部分，輸入的三相工頻交流電源經(jīng)過可控硅調(diào)壓、三相變壓器升壓、三相全橋整流后，變成2000-2500V 直流電（見圖1 第部分與預(yù)升壓變壓器），經(jīng)過電容儲(chǔ)能，IGBT 發(fā)送，產(chǎn)生低壓窄脈沖（見圖1 第部分脈沖儲(chǔ)能/發(fā)生），脈沖變壓器將低壓窄脈沖升壓至負(fù)高壓脈沖后（見圖1 第部分脈沖變壓器），送至疊加電路與高頻基波部分送來的負(fù)高壓高頻基波電壓疊加，得到基波疊加脈沖的負(fù)高壓電（見圖1 第部分疊加電路），供給電除塵

12、器電場(chǎng)使用。2、 優(yōu)點(diǎn)1）三相平衡供電，功率因數(shù)為 0.95，電源轉(zhuǎn)換效率為93%，較工頻恒流源和三相電源高。2）對(duì)于同極距為400mm的電除塵器電場(chǎng)（燃煤電廠一般都采用此極間距的電除塵器），擊穿電壓為70kV，直流電源當(dāng)電壓超過70kV時(shí)電場(chǎng)就會(huì)發(fā)生擊穿閃絡(luò)，實(shí)驗(yàn)證明，只有超窄脈沖即75us的脈沖電壓才能突破70kV的擊穿電壓限制。脈沖電源可實(shí)現(xiàn)超窄脈沖供電，可突破電場(chǎng)擊穿電壓運(yùn)行，獲得更高粉塵荷電場(chǎng)強(qiáng)。波形圖如下圖所示：3）因?yàn)槔碚撋向?qū)進(jìn)速度與電場(chǎng)的峰值電壓和平均電壓的乘積成正比，脈沖電源能夠大幅度提高峰值電壓，且平均電壓由基波電源保證，所以脈沖電源能夠提高驅(qū)進(jìn)速度，從而顯著提高除塵效率。

13、4）脈沖電源有較高的峰值電壓，提高對(duì)高比電阻粉塵、細(xì)微粉塵的荷電能力，能高效捕集<PM10粉塵，是直流電源的17倍。5）脈沖電源采用超窄脈沖供電方式，降低電場(chǎng)單位時(shí)間電流密度 能夠有效的抑制反電暈的發(fā)生。6）脈沖電源采用峰值電壓除塵，基礎(chǔ)電壓可以設(shè)置較低，一般比起暈電壓稍高（30kV40kV）就足夠捕集荷電粉塵，將脈沖電壓調(diào)至最大，滿足除塵效率需要，此工作方式平均電流較小，脈沖電源的輸出功率較?。▋H15kW），能夠大幅度節(jié)能，節(jié)能率可達(dá)60%。3、 缺點(diǎn)1） 脈沖電源的峰值電流電壓高，但平均電流電壓較低，所以對(duì)大顆粒粉塵效果反而不如直流電源好。2） 脈沖電源是當(dāng)今最先進(jìn)的電除塵器高壓電源

14、，而且每臺(tái)脈沖電源由兩臺(tái)電源組成，其造價(jià)較為昂貴。3） 脈沖電源的脈沖部分負(fù)載不能開路，基波部分如果為三相工頻電源，負(fù)載可以開路，所以不是所有的脈沖電源都能夠做開路實(shí)驗(yàn)。五、 三種電源的適用性1、 脈沖電源脈沖電源適用于電除塵器的末級(jí)電場(chǎng)和次末級(jí)電場(chǎng)，因?yàn)闊煔庵械拇箢w粒粉塵絕大多數(shù)在前級(jí)電場(chǎng)被捕集，經(jīng)過末級(jí)電場(chǎng)和次末級(jí)電場(chǎng)的煙氣中存在的都是細(xì)微粉塵，脈沖電源對(duì)細(xì)微粉塵有很強(qiáng)的荷電作用，所以脈沖電源安裝于末級(jí)電場(chǎng)和次末級(jí)電場(chǎng)能夠有效的提高后級(jí)電場(chǎng)對(duì)細(xì)微粉塵的捕集能力，提高后級(jí)電場(chǎng)的除塵效率，這一點(diǎn)是直流電源無法做到的。2、 三相工頻電源三相工頻電源在連續(xù)供電方式下電壓波形相似，近似為純直流，紋波

15、系數(shù)較小。電除塵器前級(jí)電場(chǎng)主要功能就是捕集大顆粒粉塵，這就需要更高的平均電壓和電暈電流，三相電源可以勝任，可以安裝在前級(jí)電場(chǎng)。3、工頻恒流源工頻恒流源一般應(yīng)用于避免閃絡(luò)的除塵器中，如濕電和煤氣除塵器應(yīng)用較多，燃煤電廠干式除塵器也有少量應(yīng)用，不適用于工況變化較大的電除塵系統(tǒng)。六、 結(jié)論通過對(duì)三種電源的原理和性能的比較，可以得出結(jié)論：1、 脈沖電源輸出超窄脈沖電壓，峰值電壓能夠突破電場(chǎng)擊穿電壓限制，大幅提高粉塵的荷電能力，對(duì)細(xì)微粉塵（PM10）和高比電阻粉塵的除塵效果非常明顯，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于工頻恒流源和三相工頻電源，主要應(yīng)用在電除塵器的次末電場(chǎng)和末電場(chǎng)；脈沖電源已經(jīng)在國內(nèi)多個(gè)燃煤電廠、鋼廠燒結(jié)機(jī)、水泥廠

16、窯頭電除塵器提效改造中應(yīng)用，從應(yīng)用案例可知次末電場(chǎng)和末電場(chǎng)改造為脈沖電源，在除塵器本體狀況正常的情況下可減排50%以上；2、 三種電源中三相工頻電源在持續(xù)供電方式下，輸出的二次電壓接近純直流，與工頻恒流源相比能夠提高平均電壓和平均電流，主要應(yīng)用在電除塵器的前級(jí)電場(chǎng)，對(duì)大顆粒粉塵的除塵效果非常明顯；但其性能不如高頻電源，高頻電源相對(duì)于三相工頻電源具有更節(jié)能、火花能量小、效率損失小、對(duì)工況適應(yīng)性強(qiáng)、一體化結(jié)構(gòu)節(jié)省工程造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)；3、 無論是工頻恒流源還是三相工頻電源都無法突破電場(chǎng)擊穿電壓的限制，目前在電力行業(yè)中電除塵器的同極極間距通常采用400mm，電場(chǎng)的擊穿電壓值應(yīng)在70KV左右，工頻恒流源或三相工頻電源正常運(yùn)行電壓最高應(yīng)在70KV左右。如果在電除塵器提效改造實(shí)例中存在使用工頻恒流源或三相工頻電源大幅提高二次電壓（達(dá)到100KV以上）的情況，我方認(rèn)為是在改造過程中將電場(chǎng)極間距或極配形式改變所致，與選用的是何種電源無關(guān)；4、 在電除塵器電源提效改造和以超低排放