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上海交通大学 硕士学位论文 电除尘器脉冲供电的基础研究 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 20080101 上海交通大学硕士学位论文 摘要 i 电除尘器脉冲供电的基础研究 摘 要 电除尘器是一种有效脱除工业废气中固体颗粒的方法。由于其具有 除尘效率高、运行可靠等优点而广泛应用于冶金、水泥、电力等各个行 业。电除尘器有直流供电，间歇供电或重复脉冲供电等供电方式。大多 数电除尘器都是采用高压直流供电，大量的研究表明，电除尘器采用脉 冲供电时不仅能耗只有直流供电时的 1/5-1/2，而且脉冲供电比直流供电 能更好的抑制使电除尘器运行性能恶化的反电晕现象，因此对电除尘器 采用脉冲供电时的具体情况进行研究具有重要的意义。 针对以上背景及研究需要，本文对电除尘器采用脉冲供电时的具体 情况进行分析研究，主要研究内容包括脉冲电路的 pspice 仿真分析、电 晕放电伏安特性的计算和电厂电除尘器运行数据的分析。通过对三种脉 冲电路的仿真分析，得出全桥式脉冲电路在相同的条件下能产生较高的 电压；通过对电晕放电伏安特性的计算，得出一定条件下的电晕放电伏 安特性曲线及温度、压强、电晕线半径对伏安特性的影响；通过对电厂 电除尘器运行数据的分析，得出电除尘器的能耗与发电机负荷有中等程 度的正相关性。 关键词：电除尘器，供电模式， 脉冲电路，pspice 仿真，伏安特性，能 耗分析 上海交通大学硕士学位论文 abstract ii study on electrostatic precipitator with pulse energization abstract electrostatic precipitator (esp) is an effective way to control the dust of the air. it is widely used in electric power plants， cement and metallurgy because of its high efficiency and stable operation. powering modes of esp have dc energization ， intermittent energization or repetitive pulse energization. most of the esp uses dc energization. but a lot of researches prove that esp has a better operation performance at pulse energization than at dc energization. the energy consumption at pulse energization is only 1/5-1/2 of dc energization due to that pulse energization can effectively control back corona which reduces the esp efficiency. so it is interesting to investigate the esp with pulse energization. this paper investigates the esp with pulse energization. it contents simulation of three pulse circuits， calculation of voltage-current character and energy consumption analysis of the esp at a power plant. from the simulation, it is concluded that full-bridge circuit can produce higher voltage than that of the half-bridge circuit. the curves of voltage-current character and voltage-resistance character are calculated in the working mode of esp with considerations to the influence of temperature、pressure and cathode radius to voltage-current character. by analyzing the esp data in k power plant, it is concluded that there is middle level relativity between the load of generator and the energy consumption of esp. key words： electrostatic precipitator， powering mode， pulse circuit， pspice simulation， voltage-current character， energy consumption analysis 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刘 琰 日期：2008 年 1 月 18 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：刘 琰 指导教师签名：李 格 日期：2008 年 1 月 18 日 日期：2008 年 1 月 18 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 共 73 页 第一章 绪论 1.1 电除尘器概述 电除尘器作为一种有效的脱除工业废气中固体颗粒的方法诞生于 20 世纪初期， 1908 年第一个用于硫酸雾中的高压电源研制成功，1910 年第一个应用于冶金行业的 大型电除尘器问世，1912 年，电除尘器首次应用于水泥行业，1916 年用于纸浆和造 纸厂，1923 年电除尘器第一次用在燃煤电站的粉尘处理中，1930 年用于高炉，1950 年用于平炉及铝电解槽，50 年代电除尘器被广泛推广使用，60 年代电除尘器已遍及 各个工业部门1。 由于电除尘器在处理高比电阻灰尘时表现出较低的效率和较高的能耗，科研工 作者逐渐探索解决这一问题的途径。1930 年前后，欧洲的科研工作者指出利用高压 窄脉冲可以改善电除尘器的运行性能。1950 年前后，美国的 white 和他的搭档 hall 证实了这一说法是正确的，尤其在处理高比电阻灰尘时表现出更大的优越性。然而， 由于缺乏可靠的大功率开关元件将脉冲能量传递给电除尘器，这一技术的工业应用 推迟了很多年。1970 年，严格的大气污染控制法的出台，低硫煤及褐煤日益广泛的 应用以及可靠的大功率固态晶闸管开关元件的产生，使得世界范围内对脉冲供电技 术兴趣的复苏。来自美国、欧洲、日本等地区的科研工作者的大量研究工作接踵而 来，对一些不同的脉冲供电电路系统进行了大量的改进。1970 年到 1980 年，对诸如 石灰窑、水泥厂等主要应用领域进行了大量的研究工作，系统的可靠性和性能得到 了保障。本章将介绍电除尘器发展历史中的几种主要供电形式，包括直流供电电除 尘器，间歇供电电除尘器以及脉冲电源供电电除尘器。通过几种供电方式的对比， 可以看出对现有电除尘系统进行供电方式的改造，采用间歇供电或者脉冲供电可以 极大的改善除尘器的性能，提高除尘效率，减小电除尘器的体积和造价。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 共 73 页 1.2 直流供电电除尘器 1.2.1 直流供电电除尘器概述 电除尘器使用的常规高压供电装置， 一般都是由控制系统、 变压器和整流器(t/r) 装置组成，采用工频(50hz/60hz)交流电源。电除尘器 t/r 装置的发展经历了下面几 个阶段： 第一阶段：1907 年，cottell 博士成功地创立了世界上第一台工业电除尘器，采 用了当时新研制的交流变压器和同步机械整流器，作为电除尘器的高压电源。其缺 点是机械磨损快、电压损失大、整流效率低、电压不能自动调节，并伴随有很大的 噪声、产生臭氧和电磁干扰。 第二阶段：1950 年后，电除尘器的高压电源采用了电子管高压整流器。这种整 流器无旋转的机械部件、无噪声和间隙火花存在，整流效率也较高。但机械性能差、 灯照损耗大、寿命短、耐过流过压冲击能力差。在国内的电除尘界并未普遍使用过。 第三阶段：采用硒整流器，它除具有电子管整流器的优点外，最显著的特点是 过载能力强，击穿后能自然恢复，机械性能较好。但缺点是体积庞大、笨重，效率 仍不理想。 第四阶段：1958 年硅整流器的出现，很快就几乎全部取代了硒整流器。它使电 除尘器的高压供电装置的发展进入了一个崭新阶段。因为它体积小、整流效率高、 寿命长、机械性能好，在电除尘器上获得了广泛的应用。 1.2.2 直流电除尘器的反电晕现象 电除尘器集尘极上灰尘的不断积累会严重影响电晕电流。因为灰尘层电压的升 高或者相应的极间的电压降低都会在一定程度上抑制电晕电流。而灰尘层的电压是 与比电阻相关的，灰尘层的比电阻越大，灰尘层的电压就越高。 当灰尘层的比电阻极其高，集尘极上灰尘层的电压会显著地增大，最终超过击 穿电压而发生灰尘的电场击穿时，就会产生反电晕现象。反电晕的形成条件用下式 来表示： djeds 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 共 73 页 其中eds为灰尘层的击穿电场强度，j 和 d分别为电流密度和灰尘层的比电阻。 当灰尘层的比电阻达到 1211 1010cm时，灰尘层的电场强度就开始逐渐超过 击穿电场强度（一般为cmkv /128） 。这时若极间仍有强电场，则击穿时产生的正 离子将被迫离开集尘极向极间运动，从而形成火花。当 j 与 d的乘积远远超过eds 时，击穿会蔓延到整个集尘极表面，大量的正离子会离开集尘极，形成稳定的反电 晕电流向放电极运动。 1.2.3 反电晕的危害 众所周知， 电除尘器的除尘原理是由电晕极放电产生负电荷使得极间的灰尘带负 电，这些荷电尘粒在极间电场力的作用下向集尘极运动。当反电晕时，集尘极电离 出的正离子使得带负电的尘粒所带电荷被中和或者带上正电，因而大大减少了尘粒 的荷电，使得尘粒脱离集尘极，或者改变方向，向放电极运动。这些都会影响除尘 器的性能，降低除尘效率。因此，为了提高除尘效率，采取有效的防止反电晕的措 施是必要的。 1.3 间歇供电电除尘器 1.3.1 间歇供电对反电晕的抑制原理 4 如前所述，当电除尘器收集高比电阻灰尘时，最重要的一点就是要抑制反电晕， 以防止反电晕时对除尘效率的不良影响。间歇供电之所以可以抑制反电晕现象是因 为反电晕的产生需要一定的时间，这可由以下对电除尘器伏安特性和波形的分析得 出。 反电晕一旦产生，电流就会急剧上升。这种现象可用集尘极灰尘的放电来解释， 灰尘层可用由电阻r和电容c组成的电路来等效。从0=t时刻开始，当恒定的电晕 电流 0 ii=流过灰尘层时，灰尘层的瞬时电压可由下式来表示： )1 ( 0 / 0 tt erivd = 其中 0 t为时间常数（crt = 0 ）由下式来计算 14 0 1085. 8 =dt s （s） 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 共 73 页 其中 s 为灰尘层的介电常数，d为灰尘层的比电阻。 如当 s =3，d= 12 10cm 时， 0 t =027s。 间歇供电的原理是，先于反电晕产生时刻控制电除尘器的供电，当vd降到初始 值时，再次供电。占空比)/( 211 ttt c +=，其中 1 t为导通时间， 2 t为关断时间。 因此，通过在给定的时间间隔内给电除尘器反复的施加电压和降压可以抑制反 电晕的产生，即对电除尘器施加间歇电压可以抑制反电晕。 1.3.2电除尘器的间歇供电系统的实现 图1-1所示为间歇供电系统框图。 如图所示的晶闸管， 高压变压器和高压整流器 与普通直流电源系统相同。唯一不同的是晶闸管控制电路上加了周期性的阻断电路。 这个单元模块可以周期性的阻断和通过流过晶闸管的信号，从而使得电除尘器上流 过间歇的电流。导通时间 1 t和关断时间 2 t可以通过调节器来手动调节或者通过自动 控制电路来自动调节。电流值可以通过火花率控制或电流极限控制来自动调节。 图 1-1 间歇供电系统框图 figure 1-1 block diagram of intermittent energization power supply equipment 1.3.3间歇供电对电除尘器性能的改善 1.3.3.1实验装置 实验装置由煤粉碎机、燃烧炉、气体冷却系统和电除尘器组成。粉碎机产生与 实际生产中性能相同、大小分布相同的粉碎煤，燃烧炉以50-60hkg /的速度将粉碎 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 共 73 页 煤燃烧。电除尘器的两个部分有独立的供电系统并且与实际生产中的电除尘器有相 同的集尘极和放电极。集尘极的大小可调，总的集尘面积为5.57 2 m。 1.3.3.2实验结果 实验证明，电除尘器的间隙供电可以改善电除尘器的性能，减小电除尘器的能 耗。具体说明如下： （1）当高比电阻（cm 1311 1010） ，产生反电晕时，间歇供电可以极大的改 善除尘器的性能，在占空比5/1= c 时可以得到最佳运行性能。 （2）当中比电阻（cm 1210 1010） ，反电晕产生但没有（1）中反电晕强烈时， 间歇供电仍可以改善电除尘器的运行性能， 在占空比 c 为1/2到1/3时可以得到最佳 运行性能。 （3）在中低比电阻（cm 11 10以下） ，电除尘器正常运行时，间隙供电不能改 善电除尘器的性能，但是在占空比 c 为1/2时并不损害除尘器的性能。 在减小能耗方面，能耗近似与占空比成正比，所以在高比电阻产生反电晕时， 间歇供电表现出最好的减小能耗的效果。尽管也可以通过减小电压从而减小电流的 方法来降低能耗，然而那样会影响除尘器的性能，在相同的能耗下，间歇供电方式 表现出较好的除尘性能。因此，间歇供电方式在减小能耗和改善性能两方面都优于 传统的直流电除尘器。 1.4 脉冲供电电除尘器 white和hall于1947-1952年的研究工作是对脉冲供电方式最早的研究。 对脉冲 供电方式的研究过程可分为三个主要阶段：(1)初期研究与早期开发(1947-1970)；(2) 中期开发与现场论证(1970-1980)；(3)商品化阶段(1980-至今)。虽然早期开发研究工 作证实了脉冲供电的几个主要优点，但进一步的工作却因缺乏可靠的大功率开关器 件而被推迟。到了1970年，由于各国制定了更为严格的控制环境污染法规、低硫煤 的广泛应用以及可靠的大功率固体scr开关器件的不断开发，脉冲供电引起了全世 界电除尘界的重新关注，并在80年代中得到了广泛的应用。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 共 73 页 1.4.1 几种主要的脉冲供电系统 2 如图所示为在各种电除尘器上应用的几种主要的脉冲供电系统。通过比较可以 看出这几种脉冲供电系统具有如下特性： （1）脉冲宽度主要分为三种：masuda的微秒级以下的脉冲，ion physics的1-2微秒 的脉冲和大量50-500微秒的脉冲，其中最常见的是50-200微秒的脉冲。 （2）开关元件的不同：有晶闸管，火花间隙和电力闸流管。而只有通过火花间隙才 可以获得上升时间快的窄脉冲。 （3）波形的不同：有单脉冲、脉冲数目可达8个的衰减的脉冲组和震荡的窄脉冲。 （4）与电除尘器的连接方式不同：可以直接将高压脉冲连接至电除尘器或者通过脉 冲变压器将低压脉冲调高后再连接至电除尘器。 实际应用中大多是将高压脉冲叠加到可调的直流基值电压上。对于高比电阻灰 尘，基值电压应调到等于或者略小于起晕电压。而对于比电阻在 1110 1010cm的 灰尘，基值电压在略高于起晕电压时可以极大的改善电除尘器的整体运行性能。 musada的被称为“eldyne pulser”的脉冲是一种上升时间很短（50-100ns） ，脉冲 宽度很窄（0.1-1 s）峰值为50-150千伏的脉冲。用此脉冲系统对烟气温度为350 的焚化炉电除尘系统供电的实验取得了很好的结果。由于产生的高强度的电晕和等 离子体发生的化学反应，该系统可以有效的脱除烟气中的 x no， x so和汞蒸气。 1.4.2 实际应用中的脉冲供电系统简介 2 （1）f.l.smidth对实际应用的电除尘器的微秒级脉冲供电技术和应用做了大量的研 究工作。实际应用的100多台脉冲供电系统的可靠性和性能都很好。这些脉冲供电 系统主要应用在水泥厂（65%） 、飞灰处理（22%） ，其他的用在石灰窑、壁炉冷却等 场合。所有的系统都包括对基值电压，脉冲电压，脉冲重复频率，火花率和快速灭 弧的自动控制装置。对这个脉冲供电系统的研究取得了不断的进展。世界范围内很 多个国家都使用了如图1-2所示的贮能式脉冲供电系统。 它采用贮能式原理， 有显著 的节能优点。其典型参数是脉冲宽度50-200 s，脉冲重复频率25-400 pps，基础直 流电压40kv，脉冲幅值60kv。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 7 页 共 73 页 图 1-2 f.l.smidth 贮能式脉冲发生器原理图 figure 1-2 f.l.smidth energy conserving pulse generator principle （2）geesi设计了脉冲宽度约为700微秒的宽脉冲系统。显而易见，脉冲宽度在 500-1000微秒的脉冲电源供电效率不高，而且达不到最佳脉冲供电的要求。因此， geesi放弃了宽脉冲的实验， 并于1983年重新设计了如图1-3所示的脉冲供电系统。 这个系统与早期smidth的系统相似。 在南非和美国对此系统进行了一系列实验测试， 直到1987年，此系统才得到实际应用。 图 1-3 通用电气脉冲供电原理图 figure 1-3 general electric pulse power supply schematic diagram （3）flakt的脉冲供电系统如图1-4所示。晶闸管开关通过电感连接到电除尘上。直 流基值电压与产生脉冲的电压取自同一高压电源。这种设计可以自动产生与起晕电 压相等的基值电压。此脉冲供电系统在应用中取得了很大的成功，尤其在处理高比 电阻灰尘时，除尘性能得到了很大的提高。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 8 页 共 73 页 图 1-4 flakt 多脉冲电源系统 figure 1-4 flakt multipulse power set system （4）ion physics早期对脉冲电源的研究不是很成功，他们所设计的脉冲电源用如前 所述的geesi宽脉冲系统进行了一些实验，这些实验从构思到执行到成果都是不成 功的。之后，ion physics重新设计简化并改造了原脉冲供电系统，得到了新的脉冲 供电系统。这个脉冲供电系统用geesi的宽脉冲系统成功的进行了实验，并且实现 了2年无故障运行（1984-1986） 。 （5）lucidyne脉冲供电系统最早用在500mw旋风燃煤锅炉电除尘器上，到1984 年，有16个25kw等级的此脉冲供电系统对集尘面积为5000 2 m，宽300mm的电 除尘器供电。这些电除尘器不能满足性能的要求，添加此脉冲供电系统是为了显著 的改善除尘效率，达到除尘效率增加30%的要求。然而这些设备有严重的可靠性和 维护方面的问题。不过后来的脉冲供电系统已经消除了这些问题，随后的lucidyne 的15kw脉冲供电系统取得了成功。 （6）masuda研究的脉冲供电系统具有结构简单、成本低等特点，适合用在通过添 加微秒级以下的脉冲电源对原有电除尘系统的性能改造上。 1.5 smidth 的脉冲供电系统的应用 1.5.1 smidth的脉冲供电系统介绍 如图1-2所示为脉冲供电系统原理图。在实际应用中，直流基值电压由一单相高 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 9 页 共 73 页 压整流变压器提供。高压整流变压器通过一个消除电压纹波的平滑滤波电感向电除 尘器供电。该滤波电感对脉冲电压和整流变压器起到了隔离作用。 有两种获得脉冲电压的方式，一种是直接获得高压脉冲，向电除尘器供电，另 一种是先获得低压脉冲，通过脉冲变压器调压后再向电除尘器供电。本文介绍的是 第二种。该脉冲电路主要包括以下元件： （1）最大直流输出为3000v的三相整流变压器； （2）由大量晶闸管串联在一起组成的开关元件，每个晶闸管并联一个反向二极管。 工作时，电流先从导通的晶闸管流过，等晶闸管关断后，电流会从反向二极管流回 去。由于晶闸管的关断时间大约为20微秒，因此电压脉冲的宽度必须大于50微秒； （3）用来调节脉冲宽度和限制除尘器发生火花时电流上升率的电感； （4）脉冲变压器； （5）连接电容cc，将脉冲能量传递给电除尘器。除此之外，该电容将脉冲电源与 直流基值电源隔离。 当用光信号或者磁信号来触发晶闸管导通时，能量就会通过开关元件、电感、脉 冲变压器和连接电容传递到电除尘器。此电路与电除尘器电容一起构成了震荡电路。 相应的，传递到电除尘器而在电晕放电期间没有用完的能量将会通过开关元件的反 向二极管返回到储能电容。 1.5.2 smidth的脉冲供电系统的应用价值 一般来讲，向相同集尘面积的电除尘器供电，脉冲电源的价格是普通直流电源的 4倍，而安装价格是直流电源的2倍。 由于脉冲电源供电时，电除尘器的能耗和维护成本都会降低，所以脉冲电源供 电时的运行成本会减少。 在安装新的电除尘器时，我们会对使用普通直流电源供电的大型电除尘器和使 用脉冲电源供电的小型电除尘器做一个全面的成本比较。这包括所需的空间和灰尘 处理设备的比较。由于实际运行时脉冲电源对运行性能的改善和其他一些诸如场地 限制等因素，比较的结果是脉冲电源供电比较经济。 在对现有电除尘系统进行改造时，考虑到电气运行状况，脉冲电源供电是较优的 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 10 页 共 73 页 选择。如果仅仅通过机械改造和添加脉冲电源就可以实现所需的改造效果，那么在 达到相同的效率的情况下，通过添加脉冲电源的方法比增加集尘面积要经济的多。 1.5.3 smidth的脉冲供电系统的实际应用3 在这里，将介绍两种应用，一种是直接设计的脉冲电除尘器，另一种是对原有 直流电除尘系统进行脉冲供电的改造。 1.5.3.1脉冲电除尘器 世界上第一台脉冲电除尘器诞生于1982年。该电除尘包括两室三电场，共有四 套脉冲供电系统，分别加在电除尘两室的第一和第二电场，而第三电场由普通的直 流电源供电。运行时，可以通过基于微处理器的控制单元自动调节运行参数，以达 到最佳运行性能。 1.5.3.2对原有电除尘系统的改造 丹麦的一家火电厂，太原钢铁厂和希腊的一家水泥厂分别对电除尘器的供电系 统进行了脉冲化改造，取得了较好的效果。 （1）丹麦火电厂 丹麦火电厂电除尘器进行的是135mw燃煤电厂的烟气处理，该电除尘器包括 两室三电场。由于低硫煤的应用，使得处理高比电阻灰尘时的除尘效率难以保证。 1983年，对第一和第二电场的电极系统和振打系统进行了改造，并且对原有供电方 式进行了改造，第一和第二电场采用基于smidth电路的脉冲供电系统，而第三电场 仍用普通的直流供电系统。经过改造后，系统的性能得到了很大的提高，如表1-1 所示为直流和脉冲供电时出口处尘粒含量的对比，可以看出，脉冲供电时，出口处 尘粒含量约为直流时的1/2。而用增加集尘极面积的方法来达到相同的除尘效果，成 本比改造为脉冲供电高70%。 表 1-1 出口尘粒含量与供电方式和负载的关系（单位： 3 / nmmg） table 1-1 relation between dust amount of esp output and energization mode and load 负载 100mw 120mw 135mw 直流供电 190 200 500 脉冲供电 110 120 280 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 11 页 共 73 页 （2）太原钢铁厂 太原钢铁厂处理灰尘比电阻为cm 1312 1010，在对电除尘的供电方式进行改 造前，出口处尘粒含量不能达到要求。在对除尘器的两个电场都使用脉冲供电后， 取得了良好的除尘效果。 表1-2所示为直流和脉冲供电时出口处尘粒含量的对比， 从 表中可以看出，使用脉冲供电后，除尘效率大大增加。另外脉冲供电时的电压电流 均大大减小，使用脉冲供电能耗约为直流供电时的1/2。 表 1-2 出口尘粒含量与供电方式和流量的关系（单位： 3 / nmmg） table 1-2 relation between dust amount of esp output and energization mode and the rate of flow 流量 （hm / 3 ） 135，000 158，000 158，000 190，000 164，000 直流供电 478 370 397 258 787 脉冲供电 72 109 106 120 144 1.6 提高除尘效率的新方法 1.6.1 indigo凝聚技术简介5 近年来出现的凝聚技术是除去烟气中微细粒子、改善除尘性能的有效措施。该 技术的主要思想是在除尘器前面边长5m的进口烟道处安装凝聚器， 该凝聚器是高速 烟气进入除尘器前的预处理装置。凝聚器包括一组正负极相间的平行通道，当烟气 和灰尘通过时，按其通道的正或负，分别获得正电荷或者负电荷。这样，灰尘一半 荷正电，一半荷负电。不同通道的烟气进入除尘器时混合在一起，气体中荷正电的 细粒子与从相邻负极性通道流出的荷负电的粗粒子混合，同时荷负电的细粒子与荷 正电的粗粒子混合，从而减少细粒子的数量，形成粒径大于10微米的较易除去的灰 尘粒子，提高除尘效率。 1.6.2 indigo凝聚技术应用实例 indigo凝聚器的构思和试验始于1999年，2002年开发了商业的indigo凝聚器，同 年11月，在澳大利亚vales point电厂，建造了第一套实用装置。又应美国南方公司之 邀，2003年3月在密西西比州watson电厂建成了第二套装置。此后两年又进行了大量 试验，对于多种燃煤，indigo凝聚器都明显地改善了电除尘器的排放。2004年南方公 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 12 页 共 73 页 司又为hammond电厂订购了第二台indigo凝聚器，10月份建成。hammond电厂的 indigo凝聚器是装在垂直烟道上的第一台，vales point电厂和watson电厂的indigo凝 聚器则装在水平烟道上引向电除尘器。2004年澳大利亚的tarong电厂也装设了indigo 凝聚器，12月投运。第五台indigo凝聚器于2005年5月在美国密苏里州帝国电力公司 的asbury电厂建成。 凝聚器在5个电厂中使用，明显地改善了电除尘器的效率，且未受时间推移和煤 种变化的影响。该5个电厂的电除尘器既有欧洲型也有美国型的，锅炉的燃烧布局也 各不相同。燃煤来自澳洲、哥伦比亚、以及美国西部和东部。两年多来，凝聚器在 多种条件下运行，重量排放浓度下降了30%-60%以上，排烟浊度降低了50-80%以上。 可以认为凝聚器是削减电除尘器排放的成功技术。 1.6.2.1 美国佐治亚电厂 美国佐治亚电厂的115mw3号机组于2004年9月落成，同年10月安装了凝聚器。 随后的测试表明，该机组出口处粉尘含量比未装凝聚器的2号机组减少了60%。其它 的一些测试也表明了微细粒子的排放量大大减少。 1.6.2.2 美国密西西比电厂 美国密西西比电厂的凝聚器已成功运行了3年，而且仍能达到预期的目标，保持 粉尘排放量减少3045%，浊度降低80%。美国南方公司对安装凝聚器和未安装凝聚 器的除尘器进行汞含量测试，结果表明，将烟气通过凝聚器后再混合可以增强汞蒸 汽与注入的活性炭之间的化学反应，提高汞的捕获率。 1.6.3 凝聚技术的经济性及应用前景 凝聚器装在电除尘器前面边长5m的进口烟道处，其中气体流速常达10sm/以 上。高流速能使其接地极板不需要像电除尘器那样振打就能保持洁净，从而节约了 维护费用。对于100mw的发电机组，凝聚器只需要5kw左右的电力。对于引风机， 增加的阻力不过200pa。可见，运行费也是很低的。因此，凝聚器的一次投资比其 他电除尘器提效方法节省，后者往往受现场和场地条件的制约。由于投资、运行费 和维护费都很低，因而凝聚技术有广阔的应用前景。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 13 页 共 73 页 1.7 论文的选题及主要研究内容 1.7.1 论文的选题 电除尘器有直流供电、间歇供电及脉冲供电等供电方式。大多数电除尘器都是 采用高压直流供电，高压直流供电具有电路简单、技术成熟等优点。但是大量的研 究表明，电除尘器采用脉冲供电时不仅能耗只有直流供电时的1/5-1/2，而且脉冲供 电比直流供电能更好的抑制使电除尘器运行性能恶化的反电晕现象，特别是在能源 日益紧缺，节能成为时代主题的今天，发展高效节能的电除尘器脉冲供电技术显得 更为迫切。 随着半导体技术的发展，具有驱动功率小、开关速度快、通态压降小、载流能 力大的优点的igbt越来越受人们的关注， 由igbt作为开关器件的逆变电路也成为 脉冲电路的重要形式。此种电路的发展成熟可以应用到电除尘器上，作为电除尘器 的供电电路，改善电除尘器的运行性能。 正是在这种背景条件下，选择了课题：电除尘器脉冲供电的基础研究。目的是 通过仿真分析及数值计算，解决电除尘器脉冲供电及电源选择方面的基本问题，并 对电除尘器电晕放电伏安特性及除尘能耗计算方面做具体分析。 1.7.2 论文的主要研究内容 论文的主要研究工作为： 单端式、半桥式和全桥式脉冲电路是本文研究的基本内容，因此首先从原理上 对这三种脉冲电路进行分析，之后用pspice仿真软件搭建这三种脉冲电路的仿真原 理图，计算负载变化对输出电压波形的上升时间、周期及峰值的影响，最后对这三 种脉冲电路的性能进行比较，以给出电除尘器脉冲电路的合理选择。 电晕放电伏安特性的计算是本文研究的重点。首先计算了在某一特定条件下电 晕放电的伏安特性及等效电阻，而后分别从理论上分析压强、温度和电晕线半径对 伏安特性和等效电阻的影响，并对不同压强、温度和电晕线半径下的伏安特性和等 效电阻进行计算，给出不同条件下的伏安特性和等效电阻表达式，最后给出不同条 件下的伏安特性和等效电阻对比图，以对压强、温度和电晕线半径对伏安特性和等 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 14 页 共 73 页 效电阻的影响有更直观的认识。 k电厂电除尘运行数据的分析是本文研究的另一重点。 首先计算2007年8月10 日该电厂电除尘器两室每个电场的功率和两室的总功率，然后对计算的功率与发电 机的负荷进行相关性分析，并做线性回归分析，得出线性回归模型。最后对所得到 的结果进行分析，并计算该电厂电除尘器的节能潜力以及可减少的烟尘排放量。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 脉冲电路的 pspice 仿真分析 第 15 页 共 73 页 第二章 脉冲电路的 pspice 仿真分析 脉冲产生电路有多种不同的形式，根据电路中开关管的数量可分为单端式、半 桥式和全桥式，为了对各种脉冲电路的特点及应用场合有一个具体的了解，对不同 的脉冲电路用pspice仿真工具进行仿真研究是必要的，因此对这三种脉冲电路进行 仿真分析，分析主要内容为三种电路输出电压的上升时间、周期、峰值等波形参数 的仿真计算。 2.1 高压脉冲功率技术中的开关技术 开关技术是高压脉冲功率技术中的关键性部件，其在高压脉冲功率装置中起着 重要的作用。高压脉冲功率技术中的开关具有如下特点： （1）电流非常大，可达几十千安，几百千安，几兆安或更大； （2）要求开关的闭合和断开的时间极短，在毫微秒量级； （3）开关动作频繁，要求能连续工作，特别是在重复频率下运行时； （4）高电压下运行，电压等级从几千伏到数百千伏。 电力电子技术及半导体工业的持续发展，使得半导体固体开关的耐压等级和通 流能力获得了极大的提高，使其有可能应用到高压脉冲功率技术中，而如加速器、 雷达发射机、高功率微波和污染控制等领域的高压脉冲功率技术对高重复频率固体 开关的应用需求6， 也促使人们对固体开关技术在脉冲功率领域中的应用进行了大量 的研究。 2.1.1常用电力电子开关器件的基本特性 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体地说，就是使用电力电子器 件对电能进行变换和控制的技术。而电力电子技术可以分为电力电子器件和变流技 术两个分支，电力电子器件是电力电子变流技术的基础，电力电子器件的发展对电 力电子技术的发展起着决定性的作用7。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 脉冲电路的 pspice 仿真分析 第 16 页 共 73 页 1957年美国通用电气公司研制成功第一个晶闸管标志着电力电子技术的诞生。 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。 到目前为止，晶闸管所能承受的电压和电流容量仍然是所有电力电子器件中最高的 （已达8500v/3500a） ，且其工作可靠，在大功率应用场合占有重要的地位。 70年代后期，出现了门极可关断晶闸管（gate turn-off thyristor） 、电力双极性 晶体管（bjt）和电力场效应晶体管（powermosfet）为代表的全控型器件。全 控型器件可以通过对门极（基极、栅极）的控制而达到控制器件开关的目的。这些 器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。gto和bjt电压、 电流容量比较大，是双极型电流驱动器件，通流能力很强，但其所需的驱动功率大、 驱动电路复杂。电力场效应晶体管是单极型电压驱动器件，开关速度快、输入阻抗 高、热稳定性好、驱动功率小且驱动电路简单，但其电压、电流容量小8。 80年代后期，出现了绝缘栅双极型晶体管（igbt）为代表的复合型器件。igbt 是为解决mosfet的高导通压降与bjt的工作频率低、 驱动电路功率大等不足而出 现的双机理复合器件。igbt的开通和关断是由栅极和发射极间的电压 ge u决定的。 栅极施以正电压时，mosfet内形成沟道，并为pnp晶体管提供基极电流，从而使 igbt导通，igbt导通时具有低的通态压降。在栅极上施以负电压时，mosfet内 的沟道消失，pnp晶体管的基极电流被切断，igbt关断。igbt把mosfet的驱动 功率小、开关速度快的优点和bjt通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能 优越9。 2.1.2 igbt器件的特性及其工作特点 mosfet的最大优点是开关速度很快，栅极驱动电流小，导通电阻的温度系数 为正，易于并联，但它的导通电阻大；而双极性晶体管正好相反，开关速度慢，电 流驱动，驱动功率大，但导通压降小。如果将mosfet和双极型晶体管复合起来， 利用各自的优点，就形成了新型器件绝缘栅双极型晶体管igbt10。 2.1.2.1 igbt的静态特性 图2-1为igbt的输出特性曲线，也称伏安特性曲线，描述的是以栅射电压为参 考变量时，集电极电流 c i与集射极间电压 ce u之间的关系。由于雪崩效应和二次发 上海交通大学硕士学位论文 第二章 脉冲电路的 pspice 仿真分析 第 17 页 共 73 页 射极注入，曲线在电压较高时发生弯曲。图2-1的工作温度为300k，很明显，当工 作温度升高时，由于热效应，曲线会进一步的向上弯曲11。 图 2-1 igbt 静态输出特性曲线 图 2-2 igbt 的饱和压降和短路时间的关系 figure 2-1 igbt static state export figure 2-2 relation between igbt saturated characteristic property voltage drop and short circuit time 2.1.2.2 igbt的动态特性 当栅极施加阶跃驱动电压时，由于驱动电路中不可避免地存在阻抗，当驱动电 压为高电平时，驱动电路对igbt的栅极输入电容充电，从驱动信号加入时起，到栅 极电压上升到产生集电极电流，并达到稳态电流的10的时间，称为开通延迟时间； 当集电极电流由稳态的10上升到90的时间称为电流上升时间，它与mosfet 的电流上升时间有关，由于mosfet的米勒效应，输入电流增大，如果输入驱动源 内阻较大，上升时间也较长。 2.1.2.3 igbt的结构特性 igbt属栅控自关断器件，当栅射间加+ ge u时开通，无信号或加- ge u时关断。 开通时间一般为0.5-1.5 s，关断时间1.5-4 s。工作频率可达40khz。在并联应用 时具有电流自动调节能力，不需另加均流措施。 igbt具有场效应管的输入特性，即所需触发功率小；同时具有双极晶体管的输 出特性，即控制电流的能力强，作为大功率开关元件，它集合了场效应管和双极晶 体管的双重优点。见表2-1所列igbt与场效应管及双极晶体管的特性比较。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 脉冲电路的 pspice 仿真分析 第 18 页 共 73 页 2.1.2.4 igbt的控制 igbt是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接 与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。igbt的导通与关断是由栅极 电压 ge u来控制的，当 ge u大于开启电压)(thuge时igbt导通，当栅极和发射极间 施加反向或不加信号时，igbt被关断。 igbt与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要 作为开关器件应用。 在驱动电路中主要研究igbt的饱和导通和截止两个状态， 使其 开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。 表 2-1 igbt 与 gtr、mosfet 的特性比较 table 2-1 character compare among igbt，gtr and mosfet 器件名称 gtr mosfet igbt 最大开关速度 50k 20m 50k 安全工作区 小 大 大 额定电流密度 20-30a 5-10a 50-100a 驱动功率 大 小 小 驱动方式 电流 电压 电压 驱动电路 复杂 简单 简单 电压等级 高 低 较高 电流等级 高 低 较高 饱和压降 极低 高 低 输入阻抗 低 高 高 并联使用 较易 易 易 开关损耗 高 很低 低-中 由表2-1 igbt与场效应管及双极晶体管的性能比较可见： 1.igbt具有较强的对电压和电流的承受能力(与gtr相似) 2.igbt具有输入阻抗高、易于驱动、安全工作区宽、峰值电流容量大和高可靠 性(与mosfet相似) 当然，igbt开关速度不如mosfet，但其优越的通态特性及综合实力，使之成 为大功率开关电源、逆变器等电力电子装置的理想功率器件。 2.2 逆变开关电路的形式 逆变开关电路根据开关管的数量与连接方式可以分为单端式，半桥式和全桥式。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 脉冲电路的 pspice 仿真分析 第 19 页 共 73 页 单端式只有一个开关管，半桥式有两个开关管，全桥式有四个开关管12。下面将分 别介绍这三种电路及其pspice仿真，并对这三种电路做具体比较。 2.2.1 单端式脉冲产生电路 单端式逆变电路原理图如图2-3所示。 它只有一个可控元件和一个与之反并联的 二极管。在直流侧有一个足够大的电容，使得电路能够正常的充放电，负载端产生 脉冲。该电路对耐压要求较低，适用于中小功率的逆变器。 图 2-3 单端式逆变电路原理图 figure 2-3 single end contravariant circuit principle 2.2.2 半桥式脉冲产生电路 半桥式逆变电路原理图如图2-4所示13。该回路中桥的两臂由两个电容器组成， 把输入电压ud进行分压，另外两臂为两个开关管，每个开关管都有一个与之反向并 联的二极管。两个开关管按一定的频率周期性的导通和关断，形成矩形波交流电。 由于两个开关管同时承受电压ud，因此对耐压要求较低。同时两个电容能够储存电 荷，使两桥臂容易达到平衡，防止单向电流磁化。 图 2-4 半桥式逆变电路原理图 figure 2-