脉冲电源三相电源及恒流源的特点分析.doc

脉冲电源三相电源及恒流源的特点分析近年来，随着国家对环保要求日益严格，电除尘器在工业大气治理方面发挥越来越大的作用，电除尘器电源技术也随之得到了迅猛发展，高压电源由单相工频电源、工频恒流源、三相工频电源、高频电源发展到现在的脉冲电源，每一种高压电源技术在不同时期电除尘器应用中都发挥了重要作用。但在电除尘器电源提效改造中使用恒流源、三相电源还是使用脉冲电源，一直存在着争议，本文结合电除尘器的工作原理将对这三种电源进行技术层面的比较分析，阐述三种电源在电除尘器应用中各自发挥的作用。一、 电除尘器原理简介及电源的重要作用我国的工业电除尘技术是自上世纪七十年代开始发展，作为一种技术成熟、制作相对简单、运行维护费用低的工业烟气净化设备，长期以来在大气污染治理行业得到最普遍、最广泛的推广和应用。电除尘器的工作原理主要包括“电离、荷电、捕集、清灰”四个过程。电除尘器用高压电源做为电离及荷电过程的关键设备，它的主要作用是通过向电场提供直流高压和直流电流，使进入电场的粉尘在荷电后被捕集到极板极线，从而达到清灰的目的。电除尘器的除尘效率是考量电除尘器性能的最重要的指标，依奇-安德森效率公式，一直是电除尘器的设计公式，至今仍在应用。该公式揭示了驱进速度与除尘效率之间的关系：=1-e-f 式中： f (SCA)AQ的比值，称为比集尘面积(m2m3S) A收尘极板面积(m2) Q烟气量 (m3S)驱进速度 (mS) VpVai 式中： 常数 ；Vp电压峰值； Vai电压平均值； 说明： Vp Vai 驱进速度，是电除尘器设计中的一个重要数据，与粒子半径、电场强度平方成正比，与气体黏度成反比。工程中实际的驱进速度称有效驱进速度，其物理意义不只是反映尘粒向极板运动的速度，而且包括诸如煤灰成分、二次扬尘、气流分布质量、电气条件、本体结构以及其他影响电除尘器性能的各种因素之和，它的大小可评价电除尘器对粉尘的收尘难易程度。驱进速度不仅与煤、飞灰成分有关（烟气成份、粉尘粒径、粉尘比电阻等），而且在很大程度上也依赖于电除尘电源技术。从电气角度而言，驱进速度取决于峰值电压和平均电压的乘积，还与有效的电晕电流相关。二、 工频恒流源1 、工作原理工频恒流源是通过LC变换器将输入的两相380V工频交流电转换为电流源，并通过交流接触器分级调流，然后通过工频单相整流变压器升压整流后转换成高压直流电入往电场。原理图如下图所示：工频恒流源为分体式结构，体积和重量都很大，高压整流变压器布置在电除尘本体顶部，高压控制柜安装在电除尘配电室。电路包括三个部分：第一部分为L-C变换器，每个变换器由电感L和电容C 组成一个回路网络，将电压源转换成电流源；第二部分为高压硅整流变压器，将工频电升压整流输出直流负高压，为电除尘器提供高压电源；第三部分为控制系统，主要由控制电路和交流接触器构成，交流接触器用于功率档位调节器，通常为10个档位，当电场工况需要改变输出功率时，控制器通过交流接触器吸合、断开调整L-C变换器接入到主回路电路中的个数，即功率换挡，处理速度非常慢。2、优点1）因为是恒流源，所以电流不受电场负载电特性的影响，与常规工频单相电源相比较，如果电场发生闪络，电压下降，而电流不下降，输出较为稳定。2）因为属于单相电源，所以结构简单，便于维修。3、缺点1）因为属于单相电源，所以它输出的是100Hz的脉动直流，受工频电正弦半波“暂下降”现象影响，二次电压纹波系数大（30%），波形脉动幅度大，平均值低，且电压峰值极易引发火花闪络，对电除尘效率影响很大。下图是工频恒流源的二次电压和二次电流的波形。2）因为属于单相电源，所以功率因数低0.7，电能转换效率低70%。因采用大量的电抗器和电容器作为功率调整部件，由于电抗器和电容器数量众多，且本身有一定能耗，所以其高压控制柜与高频电源、SCR相位控制的单相电源和三相电源相比，发热量非常大，电能损耗也随之提高。3）因为采用交流接触器分级调流，而交流接触器是机械触点元件，机械触点元件的特点是机械触点的关断、吸合是有使用次数限制的，长期运行后，易引发设备故障。4）工频恒流源对工况的适应性较弱。当粉尘浓度过高时，电除尘电场的等效电阻值已经超过恒流源L-C内阻可调范围，恒流源内阻相对于负载不再是无穷大，这时对于恒流源来说，其已经不能成为恒流源了。若此时粉尘浓度继续增高，则超出除尘效率极具下降，有时还会导致恒流源“开路”报警而停止工作，给安全生产带来隐患。在高比电阻、细微粒粉尘工况下，工频恒流源因为无法实现脉冲供电，所以无法抑制前者引起的“反电晕”现象产生。三、 三相工频电源1、工作原理三相工频高压电源，是继单相工频电源后研发出的一种高效节能型电源。其工作原理是采用三相380V交流输入，通过三相六只可控硅反并联调压，经三相变压器升压，三相桥式整流，并联成一路波形为300Hz的脉动直流高压电输出到电除尘器；原理图如下：2、优点由于采用三相平衡供电方式，其输出波形平稳，输出平均电压高（比单相电源提高10%20%），能有效改善和提高除尘效率；三相工频电源与单相工频电源相比主要优点就是三相平衡且输出电压纹波系数小为5%，电源转换效率为87%，输出电压电流波形如图所示：从波形图中可以看出，电流（蓝色）是频率为300Hz脉动直流电流，电压波形（白色）是频率为300Hz脉动直流电压，电压纹波系数较小，约为5%。3、缺点三相工频电源的缺点是火花闪络冲击大，性价比低，对反电晕工况适应能力差。1） 火花闪络冲击大：三相工频电源各相电压相位上依次相差120度；如果A相正半波发生闪络火花放电击穿时，B相的可控硅已经开通，等到A相正半波的过零换相时输出封锁信号，可以关断A、C相负半波，却无法及时封锁B相的已经导通信号，一直要持续到B相的过零点，才得以完全封锁输出；这样就使得火花放电的能量增大，火花恢复时间较长（约120ms），不但对电源冲击影响大，且效率损失大。2） 性价比低：三相工频电源采用分体式结构，高压控制柜布置在除尘控制室，而整流变压器布置在本体顶部，这就决定了其安装成本和电缆成本较高，三相整流变压器体积普遍较大，造价高。3） 对反电晕工况适应能力差：三相工频电源因其工作原理是三相可控硅调压，所以很难实现像单相电源和高频电源那样具有间歇供电方式，对于高比电阻粉尘工况，无法用间歇供电方式抑制反电晕的发生；另外，三相工频电源只能采用持续供电方式，所以无法实现真正的节能模式。四、 脉冲电源脉冲电源是国际电除尘器领域最新、最先进的高压供电技术，是一种能周期性输出兆瓦级能量，能高效捕集细微粉尘、高比电阻粉尘，具有节能性、高可靠性的电除尘器电源。1、 工作原理脉冲电源都是由双电源组成，即由基波电源和脉冲电源两种电源叠加而成。基波电源负责输出一个额定为80kV直流基础电压，用于产生足够捕集荷电粉尘的电场，基波电源可以是高频电源、三相电源或者单相电源；脉冲电源负责在基波电源电压基础上叠加一个额定为80kV的脉冲电压（叠加后脉冲峰值为160kV），脉冲宽度45us，脉冲频率为100Hz；如图所示：上图为高频基波脉冲电源的原理图，高频基波部分，输入的三相工频交流电源经过三相全桥整流后变成低压直流电（见图1 第部分整流电路），再经过全桥IGBT 逆变电路产生高频交流脉冲（见图1 第部分逆变电路），高频高压整流变压器最后将低压高频交流脉冲升压整流后（见图1 第部分高频变压器），产生负高压高频基波电压送至叠加电路（见图1 第部分叠加电路）；脉冲部分，输入的三相工频交流电源经过可控硅调压、三相变压器升压、三相全桥整流后，变成2000-2500V 直流电（见图1 第部分与预升压变压器），经过电容储能，IGBT 发送，产生低压窄脉冲（见图1 第部分脉冲储能/发生），脉冲变压器将低压窄脉冲升压至负高压脉冲后（见图1 第部分脉冲变压器），送至叠加电路与高频基波部分送来的负高压高频基波电压叠加，得到基波叠加脉冲的负高压电（见图1 第部分叠加电路），供给电除尘器电场使用。2、 优点1）三相平衡供电，功率因数为 0.95，电源转换效率为93%，较工频恒流源和三相电源高。2）对于同极距为400mm的电除尘器电场（燃煤电厂一般都采用此极间距的电除尘器），击穿电压为70kV，直流电源当电压超过70kV时电场就会发生击穿闪络，实验证明，只有超窄脉冲即75us的脉冲电压才能突破70kV的击穿电压限制。脉冲电源可实现超窄脉冲供电，可突破电场击穿电压运行，获得更高粉尘荷电场强。波形图如下图所示：3）因为理论上驱进速度与电场的峰值电压和平均电压的乘积成正比，脉冲电源能够大幅度提高峰值电压，且平均电压由基波电源保证，所以脉冲电源能够提高驱进速度，从而显著提高除尘效率。4）脉冲电源有较高的峰值电压，提高对高比电阻粉尘、细微粉尘的荷电能力，能高效捕集PM10粉尘，是直流电源的17倍。5）脉冲电源采用超窄脉冲供电方式，降低电场单位时间电流密度 能够有效的抑制反电晕的发生。6）脉冲电源采用峰值电压除尘，基础电压可以设置较低，一般比起晕电压稍高（30kV40kV）就足够捕集荷电粉尘，将脉冲电压调至最大，满足除尘效率需要，此工作方式平均电流较小，脉冲电源的输出功率较小（仅15kW），能够大幅度节能，节能率可达60%。3、 缺点1） 脉冲电源的峰值电流电压高，但平均电流电压较低，所以对大颗粒粉尘效果反而不如直流电源好。2） 脉冲电源是当今最先进的电除尘器高压电源，而且每台脉冲电源由两台电源组成，其造价较为昂贵。3） 脉冲电源的脉冲部分负载不能开路，基波部分如果为三相工频电源，负载可以开路，所以不是所有的脉冲电源都能够做开路实验。五、 三种电源的适用性1、 脉冲电源脉冲电源适用于电除尘器的末级电场和次末级电场，因为烟气中的大颗粒粉尘绝大多数在前级电场被捕集，经过末级电场和次末级电场的烟气中存在的都是细微粉尘，脉冲电源对细微粉尘有很强的荷电作用，所以脉冲电源安装于末级电场和次末级电场能够有效的提高后级电场对细微粉尘的捕集能力，提高后级电场的除尘效率，这一点是直流电源无法做到的。2、 三相工频电源三相工频电源在连续供电方式下电压波形相似，近似为纯直流，纹波系数较小。电除尘器前级电场主要功能就是捕集大颗粒粉尘，这就需要更高的平均电压和电晕电流，三相电源可以胜任，可以安装在前级电场。3、工频恒流源工频恒流源一般应用于避免闪络的除尘器中，如湿电和煤气除尘器应用较多，燃煤电厂干式除尘器也有少量应用，不适用于工况变化较大的电除尘系统。六、 结论通过对三种电源的原理和性能的比较，可以得出结论：1、 脉冲电源输出超窄脉冲电压，峰值电压能够突破电场击穿电压限制，大幅提高粉尘的荷电能力，对细微粉尘（PM10）和高比电阻粉尘的除尘效果非常明显，远远优于工频恒流源和三相工频电源，主要应用在电除尘器的次末电场和末电场；脉冲电源已经在国内多个燃煤电厂、钢厂烧结机、水泥厂窑头电除尘器提效改造中应用，从应用案例可知次末电场和末电场改造为脉冲电源，在除尘器本体状况正常的情况下可减排50%以上；2、 三种电源中三相工频电源在持续供电方式下，输出的二次电压接近纯直流，与工频恒流源相比能够提高平均电压和平均电流，主要应用在电除尘器的前级电场，对大颗粒粉尘的除尘效果非常明显；但其性能不如高频电源，高频电源相对于三相工频电源具有更节能、火花能量小、效率损失小、对工况适应性强、一体化结构节省工程造价等优点；3、 无论是工频恒流源还是三相工频电源都无法突破电场击穿电压的限制，目前在电力行业中电除尘器的同极极间距通常采用400mm，电场的击穿电压值应在70KV左右，工频恒流源或三相工频电源正常运行电压最高应在70KV左右。如果在电除尘器提效改造实例中存在使用工频恒流源或三相工频电源大幅提高二次电压（达到100KV以上）的情况，我方认为是在改造过程中将电场极间距或极配形式改变所致，与选用的是何种电源无关；4、 在电除尘器电源提效改造和以超低排放