电除尘高频高压电源三种模式比对.doc

电除尘高频高压电源三种控制模式的比对魏文深 厦门市天源兴环保科技有限公司 厦门同安工业集中区湖里园11号厂房 361100第9页 共9页摘 要 本文介绍了电除尘高频高压电源三种不同的调压控制机理，即调频控制模式；调幅控制模式；脉冲控制模式三种。从电除尘运行的角度分析了三种控制模式的特性和优势，提出几种控制模式的组合应是电除尘高频高压电源发展的方向。关键词 电除尘高频高压电源；调频控制模式；调幅控制模式；脉冲控制模式；开关频率；母线电压；间隙脉冲；闪络控制；节能模式1 前言近几年，随着高频高压电源在电除尘行业的应用，其功率已由原来的600800mA/80KV发展到现在的1000-1600mA/80KV，满足了电除尘器大部分的要求，因此其应用范围和数量迅速扩大，对其应用研究也更加深入。由于电除尘高频高压电源是一种基于高频开关技术的新型电源，与可控硅电源有着本质的不同。其体积小、节能、高效率等特性及对电除尘收尘突出的优点已被业内肯定，但由于其工作原理及控制方式也有别于其它常规电源，有必要对其控制特点作特别的分析和研究，有利于高频电源的研究和推广，满足市场的需求。2 电除尘高频高压电源技术方案根据国内外有关资料以及目前市场上运用的高频电源来看，电除尘高频高压电源方案虽各有特色，但总结电路上基本上相类似，主要由工频整流滤波，谐振逆变电路，高频升压整流输出以及对电源的控制部分构成。采用的开关器件有单IGBT、IGBT模块、IPM模块；控制普遍采用DSP数字信号处理器或单片机。其不同在于触发控制模式上。高频高压电源主回路工作原理及特点：A、工频整流、滤波。 三相380V交流经三相整流得到直流电压，经LC滤波输出530V的直流母线电压。B、开关逆变：直流电压经由IPM模块或IGBT模块组成的全桥逆变电路。由于是大功率逆变，为减少开关损耗，降低开关模块的温升和电流电压应力，主回路均采用串联谐振拓补电路，即采用谐振电容Cs，谐振电感Ls及利用高频变压器漏感组成高频谐振式逆变电路。当L&C参数选择合适，配合合适的开关频率和控制模式，能使开关模块工作在零电流开通和零电压关断模式，即软开关状态；大大降低了开关损耗，并且能有效减少进入高频变压器的高次谐波，也减少变压器及硅堆的损耗。C、高频升压、整流。逆变波形经高频变压器升压，再经高频整流桥整流，在ESP负载上得到基本上纯直流电压波形。3 电除尘高频高压电源控制方案我们根据国内外有关资料以及目前市场上运用的高频电源分析来看，对高频触发脉冲控制主要可分为：调频控制模式；调幅控制模式；脉冲控制模式三种。3.1 调频控制模式：因主回路均采用串联谐振拓补电路，即软开关模式，它能大大降低开关损耗，提高逆变效能。而PWM（脉冲宽度调制）在软开关状态下较难调整，因此大多高频触发脉冲采用PFM（定脉宽调频）的方式，通过调节脉冲频率的调制控制方法将直流电压调制成一系列脉冲来调节ESP平均电压和电流。该控制方式的核心在于控制ESP平均电压和电流，由于频率降低相当于在单位频率下降低触发脉冲的有效占空比，通过缩短开通时间，加大关断时间来实现平均电压的调整。其特点是峰值不变，只改变平均值。其波形如下：3.1.1谐振电流波形 20KHZ开关频率 6KHZ开关频率3.1.2二次电压、电流反馈波形 20KHZ开关频率 6KHZ开关频率通过上述波形可以看出，该控制模式下仅在20KHZ的设计频率下，可以实现连续的电流，实现纯直流供电，输出功率最大。频率降低后，二次电压平均值降低，电压脉动系数变化不大，但电流峰值提高，平均值降低。输出平均功率下降，冲击加大，变压器效率会降低。由于电除尘运行时较难在设计指标下运行，加上电场频繁的闪络放电，该控制模式必须在低于设计频率下运行，效能相对有所降低。该模式适应于电场相对平稳的场合，在轻载和放电频繁的场合适应性较差。通过在模拟电场不同频率运行试验，数据如下:通过以上数据可以得出，该方式随着频率下降，电转换效能同时降低的结论，如下图：分析：效能下降的主要原因在于高频变压器的设计是在一特定频率下的，比如40KHZ谐振频率，随着频率的改变，其阻抗电压会随着改变，自身损耗加大，效率降低；同时由于开关管承受的峰值电流加大，也增加了开关损耗，总体效率下降，出故障的几率也增加。3.2 调幅控制模式：调幅控制模式是在调频控制模式的基础上，通过控制母线电压的方式实现的。主要原理是在整流部分采用三相可控硅控制技术，或开关斩波控制技术，将母线电压0550V可调，使输入高频变压器的一次电压可变，达到输出直流电压可变的目的，从而实现高频电源的调幅调压控制。大大改善了后级开关管的工作条件，使谐振频率及高频变压器工作点稳定，逆变电路始终工作于最佳工作点（设计频率），一直工作于纯直流供电，输出功率最大，从而提高了设备的转换效率以及提高产品可靠性和产品适用范围。3.2.1 母线电压波形对比 母线电压不变 母线电压可变（闪络时捕捉） 谐振电流频率不变峰值改变 二次电压电流频率不变平均值改变通过上述波形可以看出，该控制模式下在20KHZ的开关频率下，可以实现连续的电流，实现纯直流供电，输出功率最大，不随电场或工况的改变而变化。母线电压降低，二次电压降低，电流、电压脉动系数不变，且电流峰值降低，有利于开关器件工作，变压器始终工作在设计频率下，转换效能不变。该模式能适应于电场轻载和放电频繁的场合，工矿适应性较好。由于需要对开关管和可控硅进行同步控制，控制相对复杂，成本较高。3.3 脉冲控制模式：脉冲控制模式是在调频控制模式的基础上，通过控制触发脉冲开通数量比的方式实现的。该模式的机理在于利用了电除尘器电场的电容特性来控制的。通过高频电源在电场的开通和关断波形可以看出：由于负载的电容特性，电场电压从最高下降到0 kv需要5ms左右的时间，因此，可以选定在运行时瞬时关断电源，电场电压开始下降，当电压下降至设定值，比如最高电压60%时，重新开启电源脉冲，如此重复形成间隙脉冲供电模式。该模式有别于常规可控硅电源的根本在于其高频开关特性以及不受外部频率的限制，可采取灵活的开关比例，可以在脉冲供电的情况下保持除尘电场特性，电压脉动系数变化较小。 20KHZ下脉冲控制模式电流、电压 20KHZ下电场开关状态下二次电压变化情况脉冲控制模式适合于除尘效率已达标，需要节能的场合；但对于需要提高除尘效率，增加电场电晕功率时略显不足。4电除尘高频高压电源闪络控制方案与可控硅电源相同，对电场火花的捕捉和控制也是高频电源控制重要的一个环节。由于高频电源工作于高频之中，其火花的出现到击穿是在很短时间完成的，因此要求控制电路要有很快的响应时间，采用高速DSP可以胜任。由于控制灵敏，火花可以被控制在很小的能级，仅为微秒级，有利于电场的恢复。三种控制模式对火花的控制各有不同，但都比常规电源有巨大的优势。4.1 调频控制模式：通过对二次电流、电压的高速检测判断，当电场出现火花时，先封锁脉冲输出，同时迅速降低开关频率，闪络之后迅速恢复，重新确定开关频率，火花封锁时间可以很短。但对于电场工矿较差、轻载、闪络频繁的场合设备的冲击较大，效率较低。 调频控制模式 调幅控制模式4.2 调幅控制模式：调幅高频高压电源电压调节由三相SCR可控硅移相调压和IGBT模块定脉宽变频调制（PFM）两部分组成，统一由DSP芯片控制。DSP依据电场工况给定开关母线电压和开关模块工作频率，使设备始终处于最佳运行状态。通过DSP高速采样，采用纯软件方法检测火花。当电场出现火花时，迅速降低开关频率，之后迅速恢复，同时控制可控硅调压降低高频端母线电压，有利于电场恢复，降低开关模块的冲击幅度，火花封锁时间可以很短，之后根据需要确定母线电压。该火花处理模式充分利用了IGBT模块能快速关断，火花处理及时，同时由于有SCR母线电压调整，使IGBT模块能最快恢复而不至于连闪。电压电流应力也大大减小。此调压方式运用于工况条件恶劣，击穿电压低，闪络频繁，电流小冲击幅度大的场合（如烧结机头电除尘），对于改善其收尘状况效果明显。该方法还避免了滤波电容在闪络状态下的过渡充放电现象，提高了电容使用寿命和可靠性。4.3 脉冲控制模式：该模式有自动熄弧功能，当电场出现火花时，先封锁脉冲输出，重新确定开通比率，火花封锁时间可以很短。但对于电场除尘效率较低，需开通比较大的场合，较易出现连闪。5 电除尘高频高压电源节能控制方案节能控制是当前电除尘运用的热门话题，也是高频电源在电除尘上运用的最大亮点。高频电源较常规可控硅电源由于在原理上的差别，已具备明显的节能效率。具有三相平衡输入，功率因数高，变压器体积小，设备效率高。这是包括三相可控硅电源都无法实现的。但由于控制模式的不同，仍存在节能效率上的差异。5.1 调频控制模式：在粉尘达标排放的基础上，降低开关频率运行，理论上10KHZ运行要比20KHZ下运行降低50%的功耗，但由于高频变压器及开关器件的损耗加大，设备效率下降，实际节能效果不太理想。由于本身运行时有闪络也达不到20KHZ开关频率，因此，节能模式与运行模式对比不太明显。5.2 调幅控制模式在粉尘达标排放的基础上，可以调整母线电压，降低峰值运行，使电场运行于所需最小电压，有效降低电晕功率。但由于始终工作于纯直流状态，变压器输出功率最大；加上SCR开通损耗，功率因素降低，实际节能效果不太理想。5.3 脉冲控制模式：在粉尘达标排放的基础上，可以调整开关器件的开通和关断的比值，使电场运行于所需最小开通关断比，有效降低电晕电流。与常规电源不同的是，高频开关是在很短时间下完成的间隙脉冲供电，对电场电压影响较小，能保持收尘电压，保持高的收尘效率。开关比率可达50%以上，该模式实际节能效果最好。6 小结 通过以上分析，可以得出，任何一种控制模式都有其优缺点，总结如下：性能特性调频控制模式调幅控制模式脉冲控制模式主回路电路较简单复杂简单母线电压不变可变不变谐振频率变化20KHZ不变不变闪络控制调整开关频率调整母线电压调整开关比值电场火花频繁很少较少变压器输出峰值电压不变可变不变功率输出调频时减小连续电流，纯直流最大间隙脉冲小高频变压器效率随频率而改变基本不变降低高压输出电压纹波有波纹纯直流有波纹电场轻载调压特性较差好较差电场适应性较弱强较弱除尘效率提高好好较弱节能比常规好比常规好很好综合以上分析，电除尘高频高压电源在控制策略上应采取多种控制模式相结合的方式才能最大限度满足电除尘不同工况及不同使用场合的需求，运用时可选择多种模式相组合的方法，比如第一电场采用调幅模式以获得最大收尘效果，后电场采用脉冲控制方式获得最大节能效果。7 结束语 本文介绍了电除尘高频高压电源三种不同的调压控制机理，即调频控制模式；调幅控制模式；脉冲控制模式三种。从电除尘运行的角度分析了三种控制模式的特性和优势，三种控制模式不是单一和绝对化的。了解各种控制模式的特性以