静电除尘用高频高压电源.doc

大功率静电除尘用高频高压电源的研制廖谷然 1，杨北革 2，薛辉 2，吕玉祥 1（1. 太原理工大学 物理与光电工程学院，山西 太原 030024；2. 山西省电力公司大同供电分公司，山西 大同 037008）摘要：由于工频可控硅电源在静电除尘器领域中使用时的缺点，高频高压电源势必将取代工频电源成为静电除尘器的供电电源而目前国内研制的高频高压电源的功率一般比较小，难以和主流的静电除尘设备相配套本文介绍了采用双串联谐振回路并联的新的拓扑结构，设计出了 72KV/1.6A 的大功率静电除尘用高频高压电源通过现场实验验证了 72KV/1.6A 高频高压电源的可行性该电源对静电除尘设备新建或改造时降低成本和维护费用有着实际的意义关键词：静电除尘器；高频高压电源；串联谐振；软开关；数字信号处理Development of a High-power High Frequency and High Voltage Power Supply for Electrostatic PrecipitatorLIAO Gu-ran1，YANG Bei-ge 2，XUE Hui 2，LV Yu-xiang 1（1. College of Physics and Optoelectronics，Taiyuan University of Technology ，Taiyuan 030024，China；2. Shanxi Datong Electric Power Supply Company，Datong 037008，China)Abstract: Due to the disadvantage of industrial frequency power supply with SCR used in the field of electrostatic precipitator. The high frequency high voltage power supply will definitely replace industrial frequency power supply as the power supply of electrostatic precipitator. And at present the power of high frequency high voltage power supply is small, and hard to match electrostatic dust removal equipment. This paper introduces a new topology of double series resonance circuit in parallel, designs the 72KV/1.6A high power high frequency and high voltage power supply for electrostatic precipitator. The feasibility of high frequency and high voltage power supply has been verified by testing it in the real electric field. This power supply has a practical significance to reduce cost and maintenance cost of new electrostatic dust removal equipment or renovation project.Keywords: electrostatic precipitator，high frequency high voltage power supply，series resonance，soft switching， Digital Signal Processing0 引言空气污染直接严重危害人体健康。

而火力发电厂、钢铁、冶金、造纸、水泥、轻纺、化工等工业领域生产过程中产生的烟气是空气污染的主要来源因此这些烟气在排放到大气之前必须对其进行除尘处理20世纪90年代大气污染物排放标准200mg/m 3，2004年起实施的更加严格的排放标准则是50mg/m 3[1]，而从2012年1月1日起实施的新的火电厂大气污染排放标准中燃煤锅炉的烟尘排放标准是30mg/m3 [2]越来越严格的环保要求给除尘设备和供电电源提出了新的要求静电除尘器（ESP）是国际上使用广泛的除尘设备，具有效率高，处理烟气量大，运行成本低，维护方便等优点利用静电除尘器能够有效地收集粉尘，使得排放达到标准从20世纪八十年代至今，环保领域使用的静电除尘器直流高压供电电源普遍采用工频可控硅电源，其电路结构是两相工频电源经过可控硅移相控制幅度后经整流变压器升压整流后形成100Hz的脉动直流高压这种供电电源适用于烟气温度高、压力大的场合是国内外传统的静电除尘器供电方式但随着环保排放要求的不断提高，此种供电方式也逐渐显示出一些缺点比如：1.工作频率为50Hz，转换效率低，耗电量大，变压器体积大，需大量钢材和铜材2.采用工频相位控制调压方法，使得功率因数低，且对电网干扰大。

3.晶闸管是半控型器件，对闪络放电等实际状况响应速度慢，延时长，不能立即调整输出电压4.输出电压脉动大，使得电晕电压低，无法适合高比电阻的粉尘 [3]以上几个缺点使得工频电源无法达到环保领域新的排放标准因此，研制高性能的静电除尘用高压直流电源势在必行随着新一代功率电子器件的发展，比如IGBT等全控型器件的出现和数字控制技术的发展，高频逆变技术在工业上的应用越来越广泛也越来越成熟基于高频逆变技术的静电除尘器供电电源越来越受到人们的重视，是静电除尘器供电电源的发展方向 [4]，成为国内外除尘行业研究的重点由于制造和控制技术上的难度，目前国内从事静电除尘用高频电源的公司研发的产品输出功率都不高而国内绝大多数主流静电除尘设备要求配套的电源功率在60-100kW本文分析了静电除尘用高频高压电源的工作原理，提出了采用双串联谐振回路并联的新的拓扑结构，研制了72KV/1.6A大功率静电除尘用高频高压电源工作频率为1-30KHz为了减小调频时IGBT的开关损耗，采用串联谐振软开关技术，使得IGBT在零电流下开通和关断1 整体电路框图图 1 整体电路框图Fig.1 The circuit diagram由整体电路框图可知，72KV/1.6A 静电除尘用高频高压电源主电路由两路三相全桥整流，两路串联谐振高频逆变及高频整流变压器几个部分组成。

输入 380V 工频电压通过三相整流，再经过电解电容稳压作用得到母线电压母线电压通过IGBT 高频全桥逆变，经过高频整流变压器升压和二次整流后得到直流高压，为静电除尘器本体供电图 2 为串联谐振高压直流电源的具体拓扑电路图其中静电除尘器本体可等效为一个电阻和一个电容并联 图 2 串联谐振高压直流电源主电路图Fig.2 The main circuit diagram of series resonance high voltage DC power supply2 工作原理分析图 2 中两个谐振回路的参数完全相同，IGBT的开关状态也完全对称，因此只对其中一回路进行分析并推导出电流波形图首先讨论一下基本串联谐振电路：图 3 基本串联谐振电路Fig.3 Basic series resonance circuit设通过谐振电感 L 的电流为 ,谐振电容 C 两i端的电压为 ，则 和 有如下关系：UiindiLt（1）Cit（2）由（1） 、 （2）可以推导出 00cosritwt(3)0ininrrUtZ00cosinirt t(4)0srrwt（3） 、(4)两式中 为 时刻流过谐振电感 L 的电0it流， 为 时刻谐振电容 C 两端的电压，0Ut为谐振角频率， 为等效阻抗。

1rwLrZ在图 2 中，设 IGBT 的开关频率为 ，谐振频sf率为 ，根据 与 不同关系，图 2 电路有三种rfsfr不同工作方式当 小于 的一半时，谐振回路srf工作在断续工作状态下，IGBT 零电流导通，零电流零电压关断，大大减小了 IGBT 的开关损耗两路 PWM 波驱动信号互补，即当 Q1、Q4 导通时，Q2、Q3 截止；Q1、Q4 截止时，Q2、Q3 导通设母线电压为 ，通过谐振电感电流为 ，谐振电容inUi两端电压为 ，负载电容折算到变压器原边的电压为 1图 4 开关模式 1 图 5 开关模式 2Fig.4 Switching Mode 1 Fig.5 Switching Mode 2图 6 开关模式 3 图 7 开关模式 4Fig.6 Switching Mode 3 Fig.7 Switching Mode 4(1)开关模式 1， 时刻，Q1、Q4 导通，等效0t电路图 4 所示在 时刻， ， ，0t0it0Ut利用（3） 、 （4）可以推导出谐振回1U路的谐振电感上的电流和谐振电容两端的电压如下：(5)0sinrritwtZ(6)0coinirUtt（5） 、 （6）式中， ，因此谐振周期1rLC, 时刻 Q1、Q4 开通，电流正向流2rTL0t动，过 时间， 过零， 达到最大，电路进12rTiU入开关模式 2。

2)开关模式 2， 时刻，电流 反向，流过1ti反并联二极管 D1、D4, 等效电路图 5 所示开关模式 2 的初始条件为： ，10it， 利用（3） 、 （4）可以1inUt10t推导出谐振回路的谐振电感上的电流和谐振电容两端的电压如下：(7) 11sinrritwtZ(8) 1 1cosininrUtUt过 时间到达 时， 到零，D1、D4 自然关断，rT3t开关模式 2 结束在 与 中间的 时刻关断13t2tQ1、Q4,因为此时流过 Q1、Q4 的电流为 0，所以实现了零电流关断，减小了关断损耗3)开关模式 3, 时刻，Q2、Q3 导通，谐振4t电流 增加，实现软开通，等效电路图 6 所示i工作模式 3 的初始条件为： ，40it， 利用（3） 、412Utt141tU（4）可以推导出谐振回路的谐振电感上的电流和谐振电容两端的电压如下：(9) 14()sininrritwtZ1inUt4cosirt（10）时刻 Q2、Q3 开通，电流反向流动，过 时，4t 12rT过零，电路进入开关模式 4。

i(4)开关模式 4， 时刻， D2、D3 导通，等5t效电路图 7 所示工作模式 4 的初始条件为 ，50it， 利用（3） 、52inUt1514tUt（4）可以推导出谐振回路的谐振电感上的电流和谐振电容两端的电压如下：(11) 15()sininrritwtZ1inUt(12)15cosinrt过 时间到达 时, 到零，D2、D3 自然关断，2rT7i开关模式 4 结束在 与 中间的 时刻关断5t76tQ2、Q3,因为此时流过 Q2、Q3 的电流为 0，所以实现了零电流关断，减小了关断损耗上述公式我们可以得到电流断续工作方式的主要波形如图 8 所示图 8 谐振电感电流断续工作时的波形图Fig.8 The current waveform of resonant inductance in discontinuous conduct mode由谐振电流波形图可知，当增加 IGBT 的开关频率时，电流有效值随之增大，因此通过改变IGBT 开关频率来改变谐振电流的有效值，供给除。