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1、1可控硅控制与恒流源控制电源的比较可控硅控制与恒流源控制电源的比较淄博骏马电子有限责任公司 邱贻刚摘要：摘要：在介绍电捕焦油器和高压电源工作原理的基础上，针对煤气净化这一特殊环境，从应用、维护、选型、造价等几个方面对恒流源电源与可控硅电源进行了比较。关键词：关键词：电流、电压、电场、可控硅、恒流源一、电捕焦油器的工作原理1、气体的电离我们知道，物质的原子由带正电荷的质子与不带电荷的中子组成的原子核以及在外层高速旋转着带负电荷的电子所组成。原子核与电子所带的电量相等，极性相反，所以整个原子不显电性。电子比较容易受撞击或外力影响而脱离原子核的束缚成为带负电的“自由电子” 。这些自由电子有些还会附着
2、在其他颗粒或分子上，成为带负电的质点，称为“负离子” 。原来中性的气体分子失去一个电子以后，呈现出带正电的性质，称为“正离子” 。这种中性气体分子分离为正离子和负离子（包括自由电子）的现象称为气体的电离。气体的电离分为非自发性电离和自发性电离两种。非自发性电离是在外界能量作用下形成的。如空气受到 X 光的照射时，其分子因获得能量而形成正负离子。自发性电离则是在高压电场作用下形成的，并且随着电场强度的增加电离现象越强烈。2、静电吸附原理我们通常所说的电除尘、电捕焦、电捕轻在工作原理上是一样的，我们把它们统称为电捕焦油器。电捕焦油器是在沉淀极和电晕极这两个曲率半径相差很大的金属阳极和阴极上施以高压
3、直流电，产生一个足以使它们之间的气体电离的电场。当携带了焦油雾及其他杂质的煤气通过此电场时，气体电离后产生的自由电子、正离子、负离子会吸附在这些杂质上，使这些杂质荷电而显电性。荷电后的杂质在电场力的作用下向电极性相反的电极运动，进而沉淀在异性电极上，达到煤气与杂质分离的目的，这个工作过程称为静电吸附。电捕焦油器就是利用静电吸附原理工作的。3、气体的导电过程气体的导电过程可用图 1 来表示。0A 段：在电场力的作用下，大气中少量的自由电子作定向移动，形成很小的电流。AB 段：因为大气中的自由电子已全部参加导电，虽然电压升高但是电流不再增加，越靠近 B 点，电场强度越强，自由电子获得的能量越强。2
4、BC 段：当电压大于 B 时气体中的电子开始获得足够的能量用以碰撞中性分子，使中性分子发生电离。结果使空气中产生了新的导电离子。B 点电压是气体开始发生电离的电压，叫做始发临界电压。由于产生的只是阴离子，放电不发生音响。BC 段被称为无声自发放电。CD 段：电压升高到 C 时阳离子也产生碰撞电离，本体中连续不断的产生新的离子，产生了气体电离中的“电子雪崩”现象,随着电压的升高，通过电场的电流也得到更大的增加。与此同时，在电场强度最高的电晕极附近，围绕着电晕极产生了蓝色的光环，还可以听到滋滋的声音，这种现象称之为电晕。相应的 C 点的电压称为临界电晕电压，通常称作起晕电压。CD 段称为电晕放电段
5、。电捕焦油器即工作在 CD 段。D 点以上：电晕区扩大，电极间可能产生火花甚至电弧，气体介质局部电离击穿，电场阻抗突然减小，通过电场的电流急剧增加，电场电压下降而趋近于零。电场遭到破坏，于是气体电离过程终止。二、高压电源的基本工作原理1、可控硅控制电源可控硅控制型电源主要由控制柜和高压硅整流器组成。控制柜主要包括主回路和控制回路两部分。如图 2。主回路基本工作原理是：单相 380V 的工频交流电经过空气开关、交流接触器、两只反相并联的可控硅、电抗器然后送至高压硅整流器的初级线圈。可控硅获得正向触发信号前，可控硅不导通。获得正向触发信号后承受正向电压的可控硅导通，输出电压。通过调整可控硅导通角的
6、变化，可在控制柜的输出端得到 0-380V 连续可调的电压，这个电压加到高压硅整流器的初级线圈，经过升压、整流后，得到 0-72KV 连续可调的直流电压。此电压加在电场的等效电阻 Z 上，得到电场工作电流 I。I=U/Z。控制回路的作用是：以给定和反馈量为依据，通过一系列的环节来控制可控硅的导通角，从而达到控制输出高压电的目的。同时，控制回路还具备各项保护功能，使高压电源或本体在发生短路、开路、过流、闪络和拉弧等情况时对高压电源进行封锁或保护。2、恒流源控制电源恒流源高压直流电源由高压硅整流器和恒流控制系统组成。其基本原理是将工频交流电变换成恒流输出的高压直流电。其原理如图 3。工频 380V
7、 电源经过空气开关、多个 LC 元件的并联电路，输出至高压硅整流器的一次侧，经升压、整流后变换成电流恒定的高压直流电输出。此电流加在电场的等效电阻 Z 上得到电场的电压 U。此过程可用 U=IZ 表示。在恒流控制系统中，每一组 LC 元件都能提供一定大小的恒流输出，通过交流接触器将 LC 元件并联或断开于主回路来对各 LC 元件进行适当的组合，以达到调节输出电流的目的。由于其控制回路简单，并且个别 LC 元件的损坏不会影响主回路的正常运行，所以这种控制方式使得对设备的维修工作变的非常容易。3三、两种控制方式的对比目前，利用静电吸附原理进行气体净化的场合很多。如冶金、电力、化工、建材等等，处理的
8、气体、应用的环境千差万别，对高压电源的要求也不能一概而论。我们主要针对煤气净化这一特定的场合来对比以上两种控制方式。1、对火花的控制煤气净化是一个特殊的场合，属于易燃易爆的工作环境，它要求火花出现的次数要尽量少。火花次数越少，电捕焦油器发生爆炸的概率越低。对电晕极产生的火花还会增加电晕极的电蚀，缩短电晕极的寿命。在对火花的控制方面，可控硅电源比恒流源电源具有优势。可控硅电源有一套取样、分析、反馈电路。它随时监测本体的工作状况。当本体内出现闪络时，电路检测到工作电流发生了突变，立即作出反应，命令可控硅关断 10ms，此时本体内部失去高压，产生闪络部位的绝缘得到了恢复，10ms 后再次升起高压时不
9、会再发生闪络。可控硅电源对闪络信号的灵敏度是可调的，它可以对微小的火花忽略不计，只对一些大的火花进行封锁。以便在保证安全的前提下最大限度的保证本体内部的连续高压。恒流源电源向本体提供的是恒流电流。此电流作用在电场的等效电阻上形成了电场的工作电压。当本体内部发生闪络时电场的阻抗变化不大，并且由于电流恒定，所以电场的工作电压不会降低很多，不易消除闪络现象。直到发生闪络的部位形成一条连续的贯穿性的通道（即发生拉弧）时，电场的阻抗急剧下降，电场电压下降，拉弧现象消除。由此可见，恒流源电源对闪络现象不作任何反应，电捕焦油器采用恒流源电源时，本体内部的火花次数要大于可控硅电源。2、供电的连续性影响电捕焦油
10、器除焦效果的因素很多。对供电装置的要求，就是要提供连续的高压。从对火花的控制方式对比中我们可以看出，恒流源电源在供电的连续性方面比可控硅电源要好一些。在许多工况很差、负载波动较大，经常出现闪络现象的场合，比如冶金行业，炉前、机头、机尾的除尘器，目前越来越多采用了恒流源电源。可控硅电源牺牲了部分供电的连续性，换来了运行的安全性。在煤气净化这个特殊场合，在供电的连续性与运行的安全性方面还要权衡。我个人认为选用可控硅电源好一点。因为煤气净化的工况不复杂，本体内出现放电现象一般由于设备结构变形或者绝缘子箱温度不够导致绝缘子表面结露造成的，完全可以通过加强设备管理来减少放电，为可控硅电源提供一个相对稳定
11、的工作环境。3、关于工作电流有一种观点：电场工作电流越大，除焦效果越好。其实这种说法是片面的。从气体电离的原理我们知道，电场的工作电流是带电离子的定向移动产生的。电流越大说明带电离子的移动越活跃。但是从图 1 我们看到，电压升到起晕电压 C点时，电场内部的气体才真正开始电离。空气介质时 C 点电压一般为 30KV。4表 1 几种气体的起晕电压 气体名称空 气氢 气甲 烷氧 气氮 气一氧化碳二氧化碳起晕电压35.5KV15.5KV22.3KV29.1KV38.1KV45.5KV26.5KV表 2 煤气中各种气体的含量气体名称氮 气一氧化碳二氧化碳氢 气甲 烷百分比含量5025-30512-143
12、从表 1、表 2 中可以看出，煤气中主要成分氮气和一氧化碳的起晕电压都大于空气的起晕电压，加上煤气流量、温度等因素的影响，煤气的起晕电压一般在35KV 左右。双段煤气发生炉净化上段煤气的电捕焦油器的起晕电压至少在 40KV 以上，在起晕电压 C 点以前的 O-C 段，电流应该是很小的。在电压还没有升到 C 点时如果出现了较大的工作电流，这些电流一般是因为沉淀极与电晕极之间的距离变小；煤气的湿度过大；绝缘子表面爬电等原因造成的。这种工作电压低于起晕电压，工作电流较大的状态没有除焦效果。只有当工作电压在 C-D 段时，才可以说电流越大，除焦效果越好。此时电捕焦油器的做功可以用 P=IU 来表示。由
13、于恒流源电源对火花不敏感，当本体内部出现上述异常情况时，表现为电流恒定，电压较低。可控硅电源遇到上述异常情况时会调整输出电压略低于闪络电压，具体表现为电压电流都不高。实际上，此时两种高压电源对焦油雾的做功是相等的。4、关于工作电压通过分析两种电源的工作原理我们知道，可控硅电源输出电压是 0-72KV 连续可调的，可以通过各种手段，控制输出电压总是略低于电场的闪络电压，使电捕焦油器工作在临界放电状态。采用恒流源电源时，电场的工作电压等于高压电源提供的恒流电流与电场等效电阻的乘积。一般每投入一组 LC 元件，高压电源提供的电流增加 20mA。假设在某时段电场的等效电阻为 Z,则在这一时段随着投入
14、LC 元件个数的增加，电场电压将是 20Z 的倍数，呈阶梯状上升。我们不能随心所欲地调整电场电压使其工作在两个阶梯中间的某一个最佳工作电压值上。5、对环境的要求恒流源电源主要由 LC 元件、交流接触器、控制开关等组成。抗干扰能力强，对环境的要求不高，维修简单，个别 LC 元件的损坏不会影响主回路的正常运行。可控硅电源由可控硅及其控制回路组成。其控制回路采用了大量的电子元器件，腐蚀性气体、电磁干扰、粉尘、振动、潮湿等是它们的天敌。因此可控硅电源对环境的要求较高。并且它的工作原理较复杂，需要维修人员具备相应的电子5电路知识。6、选型恒流源电源的调整方式为调幅，如图 4。它的输入输出波形都是完整的正
15、弦波，经过高压硅整流变压器升压、整流后的波形较平滑。可控硅电源是通过调整可控硅的导通角来控制输出电压，它的输出波形通过调整后发生了畸变，如图 5。这种畸变的波形经过高压硅整流变压器升压、整流后送到本体中容易引起尖波放电，且可控硅的导通角越小，畸变越严重。这就要求可控硅电源在选型时要尽量与负载匹配。选型过大，可控硅总是处于半导通状态，不利于电捕焦油器的稳定运行。7、造价目前电捕焦油器常用的高压电源，比如 0.1A/72KV 、0.2A/72KV 等规格，可控硅电源比恒流源电源材料成本稍低一点。如果电源容量继续增加，比如 0.3A/72KV及以上规格，由于恒流源电源是多个 LC 元件并联工作，随着容量的增加 LC 元件的个数也线性增加，其材料成本将大大增加。所以，在大容量电源方面，恒流源电源在材料成本上将处于劣势。 四、参考文献电除尘器的选型安装与运行管理 黎在时编著
