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1、全面推动我国电除尘器（ESP）电源的高频化进程张谷勋武汉国测数字技术有限公司 武汉江夏区国测科技工业园 430223摘要：文章通过电除尘器（ESP）工频、中频、高频三种电源的比较，说明了电除尘器高频开关电源是一个典型的节能减排降耗产品。文章进一步提出了如何把高频开关电源的功率做大，并且提供和分析了一种大功率实用电路拓扑，供电除尘器领域科技工作者共同研究。关键词：电除尘器（ESP） 节能减排降耗 串联谐振变换器1、 前言 我国是一个产煤大国，燃煤是我国的主要能源之一，因此我国也是粉尘排放大国。燃煤、石油、天然气等资源是有限的。因此节能减排保护环境和生态平衡是各行各业的重要任务，也是衡量各个企业制
2、造出来的产品性能价格比的重要指标。高压静电除尘器是除尘减排的主要设备，它需要直流高压电源供电，一般需要100mA/72kv2000mA/72kv直流电源，而且今后的发展趋势是火力发电厂向“大”发展，电除尘器和供电电源也是向“大”发展，大多需要2000mA/72kv高压直流电源。2004年我国电除尘委员会统计我国电除尘设备年产超过100亿元大关，其中高压电源占1/101/8，即10亿元12.5亿元。我国是个电除尘器大国。我国电除尘器使用的电源过去和现在基本上都是工频50HZ可控硅相控电源，效率低，输出纹波大，不利于节能减排，消耗大量铜和铁，不利于可持续发展。高频开关电源能够克服上述缺点，发达国家
3、如美国、法国、瑞典、德国等都已采用高频开关电源给电除尘器供电。因此，全面推动我国电除尘器（ESP）电源的高频化进程，为节能减排做贡献是摆在我国电源界的科技工作者，特别是电除尘领域的科技工作者面前的首要任务。2、 电除尘器高频开关电源是典型的节能减排降耗产品电除尘器供电电源，前面说了，要采用高压直流电源，一般电压很高，达70kv以上，电流较大，大部分为800mA2000mA，功率大，大部分为50kw150kw。实现上述高压直流电源可以采用工频（50HZ）调压，中频（400HZ）逆变和高频（20KHZ）开关三种办法。于是就产生了三种电源工频可控整流电源、中频逆变整流电源和高频开关电源。工频、中频和
4、高频三种调节均可采用单相或者三相调节，也可采用恒流调节或者恒压调节，因此就出现了各色各样的电路。我们仅就单相工频，单相中频和单相高频三种调节方式在节能减排降耗方面做一比较。2.1节能方面电源的节能主要体现在它的转换效率上，工频电源效率一般为75，中频电源效率一般可做到85，高频开关电源效率可做到95，高频电源比工频电源节电20，如果是2000mA/70kv，每天节约672度电，每年按300天计算，节约201600度电，假定每度电1元，则每年可节省20万元。2.2降耗方面大家知道，根据电磁感应定律，变压器的匝数与频率成反比，即频率愈高，变压器匝数愈少，体积重量愈小，耗铜和铁愈少。一般来讲，工频、
5、中频、高频三种电源变压器耗铜耗铁耗油耗空间的比为6：3：1。2.3减排方面高频开关电源相对工频相控整流电源为什么能减少粉尘排放呢？原因有两条：第一、电除尘器相当于一个RC并联等效电路，其中电阻R随工况变化很大，而电容C相对比较恒定，一般为20000PF40000PF。这样数值的电容对低频50HZ来说，滤波作用较小，而对20KHZ来说，则滤波作用就很明显了。就工频50HZ电源来说，峰值电压和平均电压相差很大，如果在谷点电压闪络，则输出电流大大减小。20KHZ高频开关电源的输出峰值电压和直流平均电压基本上是一个数值，供电电压高，输出电流自然就大，除尘效果自然就好。第二、采用工频相控整流电源只能获得
6、单一的50HZ或100HZ波形，对电除尘器高比电阻粉尘的工况除尘减排效果很差。高频开关电源，如果采用计算机控制，可根据不同需要，获得各式各样的电流和电压波形，对电除尘器高比电阻粉尘的工况除尘减排的效果非常明显。如果以工频50HZ电源为基数，高频开关电源可减少粉尘排放量3080，一般讲为50。中频电源为20。表1为工频（50HZ）、中频（400HZ）和高频（20KHZ）三种电源节能减排降耗数据的比较。表1 工频、中频、高频三种电源节能，减排降耗比较 指标电源减少粉尘排放量节能降低铜铁油空间消耗工频（50HZ）000中频（400HZ）201040高频（20KHZ）5020803、 怎样才能把电除尘
7、器用高频开关电源功率做大电除尘器都在向大容量发展，其供电电源自然向大功率发展，比如现在2000mA/72kv高压直流电源的市场容量特别大。电源向高频化发展自然必须同时解决向大功率发展的问题。要解决ESP高频高压直流电源的大功率问题办法有两条：第一，将单机容量做大，比如将单机容量由30kw增大至60kw；第二，将几个功率单元迭加起来，比如单机容量为60kw，若能将三个功率单元迭加起来，则可做成180kw。现在我公司可以做出150kw以上功率的ESP高频开关电源，我们已经成功解决了功率单元的迭加问题，并已申请了发明专利。如何把单机容量做大？首要的是要把高频逆变单元的功率做大。电除尘器的等值电路是电
8、阻电容的并联电路。要能良好地解决ESP电源的闪络跟踪处理和获得很高的收尘效率，最好采用串联负载串联谐振变换器。要增大输出功率，必须将谐振电感Lr和谐振电容Cr的数值增大，而且必须让其电感电流工作在连续工作状态，也就是脉冲调宽状态，而不是调频状态。合理选取Lr和Cr非常重要，谐振电路必须满足两个条件，且这两个条件都和储存在谐振电感中的能量有关。两个条件是：谐振电路中必须存储足够的能量，从而使谐振电容上的电压反转极性；转换过程必须在指定的转换时间内完成。如果两个条件不满足，必将导致非ZVS或非ZCS状态的出现，无法实现软开关，损耗很大。目前我国ESP高频开关电源绝大多数是采用调频原理实现输出电流电
9、压和功率的调节，其实这种做法不仅变压器体积大，而且输出功率也很难做大，因为调频工作状态电感电流必然是工作在断续工作状态，开关频率fsfr谐振频率，假定取开关频率fs=20KHZ,则fr40KHZ,即Tr25s, Tr=2 25s，25/24，LrCr16,这里Lr单位是微亨，Cr单位是微法。假定取Cr2f,则Lr8H。经我们的实验证明：采用调频原理，单机功率只能做40kw以下。从上可知：要将单机功率做大，必须使谐振电路的开关工作频率大于谐振频率即fsfr，谐振电感电流工作在连续工作状态。4、 ESP高频开关电源的电路拓扑电除尘器的等值电路相当于电阻电容的并联电路，电阻随电除尘器结构及工况变化很
10、大，电容数值比较恒定，一般为20000PF40000PF。电除尘器供电电源的电压电流功率由电除尘器决定，电压一般72kv最多，电流有各种等级，如100mA,200mA,400mA,800mA,1200mA,1600mA,2000mA等，功率分别为7.2kw,14.4kw,28.8kw,57.6kw,86.4kw,115.2kw,144kw等。开关电源功率在10kw以上就可称为大功率了，因此ESP开关电源属大功率开关电源，一般都采用IGBT做开关器件。为了减少开关损耗，最好采用LC谐振电路。为了实现高的除尘效率和闪络跟踪处理以及各种保护，最好采用串联负载串联谐振变换器。图1是ESP开关电源的拓扑
11、电路图1.ESP开关电源拓扑电路图1中，Vin由市电三相380v50HZ整流滤波得到，V0输出给ESP，R0和C0是ESP的等值电阻电容。Q1、Q2、Q3、Q4为开关模块IGBT。Lr为谐振电感，Cr为谐振电容。T1为升压变压器。用虚线表示的C1、C2、C3、C4是开关模块两端吸收电容，暂不考虑。400mA以下的ESP开关电源可采用调频方式，工作频率fsfr谐振频率，电感电流断续，这里不作介绍。这里重点讨论谐振参数Cr和Lr较大，工作频率fsfr谐振频率，变换器为电流连续工作方式的情况。图2是电流连续工作方式，fsfr时的主要波形。 图2 电流连续工作方式（fsfr）的主要波形在一个开关周期中
12、，变换器有四种开关模态。1、 开关模态1t0,t1工作模态图为图3（a）所示，二极管D1.D4导通，Q1.Q4处于零电压状态，Q1、Q2、Q3、Q4均截止。谐振电感电流iLr(t)=-ILr1 (t-t0)+ 谐振电容电压2、 开关模态2t1、t2工作模态图为图3（b）所示，IGBTQ1、Q4导通，二极管D1、D2、D3、D4均截止。图3 工作模态图上述四个公式中，Vin是直流输入电压，V0是直流输出电压，是升压变压器初级与次级绕组的匝比，Cr是谐振电容，Lr是谐振电感， 是谐振回路的特征阻抗，是角频率。在t1时刻，谐振电感电流iLr上升到零，即iLr(t)=0,此时开通Q1和Q4，为零电压/
13、零电流开通。在t2时刻关断Q1时，谐振电感电流iLr通过Q1、Q4，因此Q1、Q4是硬关断，存在关断损耗。用与上类似方法可以得到开关模态3t2,t3，工作模态图3（c）和开关模态4t3,t4，工作模态图3（d）。工作模态3t2,t3中，D2,D3导通，Q1、Q2、Q3、Q4截止。工作模态4t3,t4中，Q2,Q3导通， D1、D2、D3、D4均截止。在t3时刻，谐振电感电流iLr下降到零，即ILr(t3)=0,此时开通Q2和Q3，为零电压/零电流开通。在t4时刻关断Q2、Q3时，谐振电感电流iLr流过Q2、Q3，因此Q2、Q3是硬关断，存在关断损耗。从上面的分析可以看出，当fsfr时，谐振电感
14、电流连续工作。IGBT为零电压/零电流开通，但关断为硬关断。为了实现开关模块IGBT的零电压关断，可以在四个IGBT模块的集射间并联吸收电容C1、C2、C3和C4，如图1虚线所示。在开关模块导通时，电容电压为零。当开关模块关断时，其电流转移到并联电容上，电容限制了开关模块两端电压的上升率，电压从零慢慢上升，从而实现了开关模块的零电压关断，同时也实现了反并二极管的零电压开通。上述这种开关模态，谐振电感电容数值较大，开关工作频率fs谐振频率fr,谐振电感电流是连续的，输出电流电压和功率的调节主要是通过调节开关模块导通宽度来实现的。假定截止时间规定为一个固定数，导通时间在改变，从而工作频率也在变化，
15、但是这种频率变化与谐振电感电流断续，fsfr时的调频是完全不同的：fsfr时，负载电流I0加大时频率降低，fsfr时，负载电流I0加大时频率升高。这种开关工作模式，关键是关断时的软开关，即并联电容的大小，这样才能实现高的转换效率。参考文献：1 阮新波、严仰光 直流开关电源的软开关技术 科学出版社 2000年1月2 张谷勋、蒋云峰、董逢武 高压静电除尘设备电源的新模式 中国当代思想宝库 中国文联出版社 2006年10月3 张谷勋、蒋云峰 电除尘器电源的发展方向高频化和数字化 电源世界 2007年第一期作者简介： 张谷勋，男，1940年，武汉国测数字技术有限公司总经理，高级工程师，中国电源学会常务理事，武汉电源学会副理事长，现主要从事电除尘器高频开关电源工作，联系电话：02787990723。8
