《电除尘高频电源调频与恒高频调幅模式的性能对比》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电除尘高频电源调频与恒高频调幅模式的性能对比（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、XKC00007 第 1 页 共 7 页 电除尘用高频电源调频与调幅电除尘用高频电源调频与调幅恒高频恒高频工作工作模式的性能比较模式的性能比较 李亚杰 湖北新空电气有限公司 湖北省襄阳市高新区中航大道 19 号 摘摘 要要 本文介绍了电除尘高频高压电源三种不同的调压控制方式 即调频控制方式 降压调幅恒频控制方 式 升压调幅恒频控制方式三种 从电除尘稳定运行和经济型的角度分析了三种控制模式的特性和优缺点 提出了电除尘高频电源的发展方向 关键词关键词 电除尘高频电源 调频控制方式 降压调幅恒频控制方式 升压调幅恒频控制方式 1 1 绪论绪论 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
2、来的 600 800mA 80KV 发展到现在的 1600 2200mA 80KV 满足了电除尘器大部分的要求 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器收尘突出的优点已被业内肯定 满足市场的需求 得到了大量的 应用 2 2 电除尘电除尘高频高压电源技术方案高频高压电源技术方案 从目前市场上运用的高频电源来看 国内绝大部分高频电源方案均来源于阿尔斯通 90 年代的技术 主要由工频整流滤波电路 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 以调节逆变频率的方式对输出电压进行调节 电路拓扑如图 1 所示
3、 经过技术 的发展和使用中发现的问题 出现了降压型恒高频调幅电源 逆变频率恒定 工况适应性强 针对降压恒高频调幅方式带来谐波含量大 功率因数低等缺点 推出了升压型恒高频调幅电 源 功率因数大于 0 99 谐波含量小于 5 转换效率大于 93 提高除尘效率大的同时不会 对电能质量造成影响 图图 1 电除尘用传统调频高频电源电路原理图 电除尘用传统调频高频电源电路原理图 XKC00007 第 2 页 共 7 页 2 2 1 1 调频调频型高频电源工作方式型高频电源工作方式 1 三相不控整流 滤波 三相 380V 交流电压经三相二极管不控整流得到直流电压 经 LC 滤波输出 510V 的直流母线电压
4、 2 高频逆变 直流电压经由 IGBT 模块组成的全桥逆变电路 由于是大功率高频逆变 为减少开关损耗 降低开关模块的温升 主回路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 通过合适的开关频率和 控制模式 开关管工作在软开关状态 大幅降低了开关损耗 3 高频升压 整流 逆变波形经高频变压器升压 经硅堆整流后得到低纹波的直流电 压供给除尘本体 该电路拓扑和工作方式出自于阿尔斯通之前的方案 出现时间早 已经得到批量应用 使用过程发现的问题主要是 一次母线电压低 为 510V 一次电流大 且为 20kH 高频电流 考虑肌肤效应 绕 组很粗且制
5、作复杂 额定输出 1200mA 以上的高频电源往往需要再增加一套一次绕组和 IGBT 逆变桥 功率因数较工频电源大幅提高 但最大值小于 0 92 且设备正常运行时一般在 0 85 左右 需要用户额外配备无功补偿设备 由于绕组电流大 变压器铜耗高 实际运行时转换效率一般小于 90 通过调节逆变频率来调整二次电压 当遇到工况恶劣频繁放电的场合 开关频率很 低 仅有 6kHz 比设计频率 20kHz 小很低 变压器阻抗变低 电流冲击大 转换效率大幅 下降 系统运行稳定性变差 谐波含量大 二极管不控整流 一次直流电压叠加有 6 脉波 若不使用大容量电感 和电容进行 LC 滤波 输出电压也会叠加 6 脉
6、波 使本体容易放电 2 2 1 1 1 1 谐振电流波形谐振电流波形 20kHz 开关频率 6kHz 开关频率 图 2 调频型高频电源谐振电流波形图 由图 2 可知 6kHz 时变压器原边电流的峰值为 20kHz 时的 1 6 倍 电流冲击大 同时 开关频率为 20kH 输入满载功率 若开关频率为 10kHz 时 输出功率往往大于 60 输出功 率与开关频率为非线性关系 当遇到工况恶劣 闪络频繁的场合 如烧结机头电除尘 设 XKC00007 第 3 页 共 7 页 备运行开关频率可能低于 6kHz 转换效率大幅下降 且调压效果差 1 图 3 2kHz 开关频率时谐振电流波形图 图 3 为调频型
7、高频电源在沈阳某项目现场的谐振电流波形 工况比较恶劣 输出电压 很低 此时开关频率为 2kHz 变压器电流冲击非常大 为 20kHz 满载工况下的 3 倍以上 可以看到此时变压器电流波形失去谐振 变压器严重偏离设计工作点 影响变压器的使用 寿命 2 2 1 2 1 2 二次电压 电流反馈波形二次电压 电流反馈波形 20kHz 开关频率 6kHz 开关频率 图 4 调频型高频电源输出波形图 通过上述波形可以看出 该控制模式下仅在 20KHZ 的设计频率下为除尘本体提供连续 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
8、出平均功率下降 电流冲击加大 变压 器效率降低 2 22 2 降压调幅型降压调幅型恒恒高频电源工作方式高频电源工作方式 XKC00007 第 4 页 共 7 页 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 图 5 调幅型恒高频电源谐振电流与输出波形图 调幅型恒高频电源通过调节变压器的一次电压来调节输出功率 逆变频率恒定为某一 值 优选 20kHz 或 15kHz 始终是变压器工作在最佳工作点 彻底解决了调频型高频电源的 工况适应性差 低频时变压器冲击大且易失去谐振以及转换效率降低的问题 调频型电源 与调幅型恒高频电源在电路拓扑上的不同主要体现在使用不同点电网侧整流方式 降压型 调
9、幅型恒高频电源可分为可控硅调压型恒高频电源和 Buck 降压调幅型恒高频电源两种 调 幅恒高频电源谐振电流与二次输出波形如图 5 所示 逆变频率恒为 20kHz 设备始终运行在 最佳工作点 图 6 可控硅降压调幅型高频电源电路拓扑图 XKC00007 第 5 页 共 7 页 图 7 Buck 降压调幅型恒高频电源电路拓扑图 图 6 为可控硅调压型恒高频电源拓扑图 电网侧整流方式采用半控型 通过控制三相 可控硅的导通角 对一次母线电压进行调节 调节范围为 0 510V 使得谐振频率和高频变 压器工作地稳定 从而提高了设备的可靠性 但是可控硅调压型恒高频电源存在的问题主 要是当输出电压需要较低时
10、母线电压也很低 例如 100V 可控硅的导通角非常小 此时 电网电流谐波畸变率非常大 大于 80 功率因数小于 0 1 提现不出高频电源的高功率因 数优势 谐波含量过大同时会造成工厂电网谐振 无功补偿设备损坏 图 7 为 Buck 降压调幅型恒高频电源电路拓扑图 在传统调频型电源中的二极管整流单 元和高频逆变单元添加一个 Buck 电路 通过改变 Buck 电路中 IGBT 的开通占空比 对一次 母线电压进行调节 实现变压器工作频率的恒定 改善了可控硅调压型恒高频电源输出功 率减小时出现的电网侧电能质量大幅下降的问题 某 80Kv 2000mA Buck 型调幅恒高频电源 电网侧电流波形如图
11、8 所示 实际输出 60 1kV 时测得电流谐波畸变率为 41 7 降压型调幅型恒高频电源虽然使得高频变压器工作还恒高频模式 设备稳定性和工况 适应性大幅提高 但是是以降低电网侧电能质量为代价的 相较于调频型高频电源 功率 因数降低 谐波畸变率变大 影响电网中其他设备的正常运行 业主往往需要额外配备无 功补偿和滤波装置 图 8 Buck 降压型调幅恒高频电源电网电流波形图 2 32 3 升压调幅型恒高频电源工作方式升压调幅型恒高频电源工作方式 XKC00007 第 6 页 共 7 页 图 8 升压调幅型恒高频电源电路拓扑图 升压调幅型恒高频电源电路拓扑如图 7 所示 电网侧整流方式为三相全控整
12、流 通过 PWM 整流技术 将三相交流电压转换为直流并升压 一次母线电压范围为 600V 1400V 通 过调节一次母线电压来对输出功率进行调节 逆变频率恒定不变 不同工况现场不影响设 备的稳定运行 同时基波电流的功率因数始终大于 0 99 谐波畸变率小于 5 新空电气的 72kV 1 6A 升压调幅型恒高频电源在太原某铝厂电能质量波形如图 9 所示 升压调幅型恒 高频电源的特性主要为 将一次母线电压由 510V 最大提高为 1400V 谐振电流将为谐振电流降为调频电源 和降压调幅电源的 1 3 1 2 逆变电流小 不需要额外增加一组 IGBT 逆变桥 同时降低 变压器的铜耗 变压器匝比有传统
13、的 1 180 将为 1 72 适量降低变压器安匝数 降低了变压器的 铁耗 经过电网侧 LC 滤波 电网电流总谐波畸变率 THD 小于 5 基波功率因数始终大于 0 99 输出 10 的额定功率时 总功率因数也能大于 85 变压器工作频率恒定不变 工况适应性强 升压调幅型恒高频电源提高了设备不同工况稳定性和转换效率 电网侧电能质量相较 于调频电源和降压调幅电源大幅提高 不需要用户额外提供无功补偿和滤波设备 大幅降 低业主电费和额外投入 功率因数大于 0 99 工程电缆的规格也可降低一级 减少建设费 用 电流总谐波畸变率 THD 电网侧功率因数 图 9 升压调幅型恒高频电源电网侧电能质量 3 3
14、 电除尘高频高压电源方案电除尘高频高压电源方案性能对比性能对比 XKC00007 第 7 页 共 7 页 高频电源性能对比 72kV 1 6A 电源类型 调频型电源 可控硅降压型恒 高频电源 Buck 降压型 恒高频电源 IGBT 升压型绿色 恒高频电源 逆变频率 满载 20kHz 18kHz 18kHz 18kHz 半载 8 6kHz 18kHz 18kHz 18kHz 电源工况适应性 差 优 优 优 功率因数 满载 0 91 0 90 0 92 0 99 半载 0 84 0 43 0 86 0 92 电流谐波 畸变率 满载 27 8 35 4 32 9 4 2 半载 49 6 74 8 5
15、2 7 9 7 转换效率 满载 91 2 89 9 89 4 93 4 半载 65 1 91 3 92 1 91 7 注 调频型高频电源 可控硅降压型恒高频电源和 IGBT 升压型绿色恒高频电源数据均为 CA 8334B 三相电 能质量分析仪现场本体测试结果 Buck 降压型恒高频电源数据为仿真所得结果 综合以上分析与现场实际测试 IGBT 升压型绿色恒高频电源既克服了调频型高频电 源工况适应性差 转换效率低的问题 又避免降压型恒高频电源功率因数低 电网谐波含 量的缺点 现场运行稳定 节省使用成本 同时不需要用户额外配备无功补偿和谐波滤波 设备 是新建和改造项目理想的 绿色 环保 电源 参考文献参考文献 1 刘和平 罗异 刘庆 等 基于高频高压电除尘用 LCC 谐振电源特性的网侧整流方式比较 J 电力自 动化设备 2017 37 5 21 27 2 蒋云峰 金伟 ESP 用高频高压电源拓扑结构的比较研究 C 中国硅酸盐学会环保学术年会论文集 2012 3 魏文深 电除尘高频电源运用问题探讨 C 中国电除尘学术会议 2013 4 陈颖 谢小杰 黄炬彩 除尘用变频电源的研制与应用 J 电力科技与环保 2017 33 4 42 44 5 魏文深 电除尘高频高压电源三种模式比对
