摘 "要： 根據火電廠除塵高效節(jié)能的要求，對應用于電除塵裝置的高壓電源進行研究。分別分析傳統(tǒng)可控硅相控電源和高頻電源的工作機理和特點。重點對串聯諧振高頻電源進行了分析研究，詳細介紹了電路結構和工作原理，給出了基于M57962的驅動電路，最后進行了實驗分析驗證。

關鍵詞： 電除塵; 高壓電源; 可控硅相控電源; 串聯諧振高頻電源

中圖分類號： TN919?34; TM611 " " " " " " " " "文獻標識碼： A " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2015）02?0149?03

Research of high?frequency high?voltage power supply for electrostatic precipitator in thermal power plant

SUN Hong1， HUA Wei1， QI Jian?min1， YANG Zhi?chao2， CHEN Qiang2

（1. Jiangsu Frontier Electric Technology Co.， Ltd， Nanjing 211102， China;

2. School of Electric Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstact： According to the efficient and energy saving requirements of dust precipitator in thermal power plant， high?vo?

ltage source used for electrostatic precipitator （ESP） is studied. The working principle and characteristics of traditional thyristor phase controlled power supply and high?frequency power supply are analyzed respectively. The series resonant high?frequency power supply is investigated emphatically. The circuit structure and working principle are expounded. The drive circuit based on M57962 is given in this paper. The results of experimental analysis and verification are offered.

Keywords： electrostatic precipitation; high?voltage source; thyristor phase controlled power supply; series resonant high?frequency power supply

0 "引 "言

2012年1月1日起實施的國家標準GB13223?2011《火電廠大氣污染物排放標準》的要求：2014年7月1日起現有火力發(fā)電鍋爐煙塵排放濃度≤30 mg/m3，重點地區(qū)≤20 mg/m3?；鹆Πl(fā)電廠在競爭日益激勵的市場經濟條件下，不僅要考慮產出，也要考慮投入，以盡量少的資源投入和環(huán)境代價實現盡可能大的產出，切實做到節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。

采用高電壓技術的電除塵器能有效脫除電廠排放煙氣中的灰塵，具有除塵效率高、損耗小的優(yōu)點，目前正逐步得到廣泛應用。電除塵器是機電一體化設備，由電氣和機械結構體組成，本文主要研究電氣部分，即高壓電源。為提高除塵效率，除塵過程中會出現閃絡現象，需要電源能有較好的閃絡特性及保護功能。高比電阻粉塵會引起反電暈影響除塵效率，因此除塵電源還需要變占空比的脈沖供電方式。除塵電源往往放置于除塵器頂部，由于工作環(huán)境惡劣，需要有較高的防護等級和抗干擾特性，并能長時間在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行。

1 "傳統(tǒng)可控硅相控電源

可控硅相控電源如圖1所示，采用可控硅相控整流電路，通過變壓器升壓然后整流成高壓直流電，這是比較傳統(tǒng)的靜電除塵方式。

可控硅相控電源是目前國內外傳統(tǒng)的電除塵供電方式，具有功率大、結構簡單的優(yōu)點。但可控硅是半控型器件，動態(tài)響應慢，閃絡下火花放電或短路時難以快速調整輸出電壓，通常要關閉可控硅，這樣會導致可控硅導通角的減小，在火花放電較重的情況難以輸出大功率，當電場中存在高比電阻粉塵時會產生反電暈現象，這將導致除塵電場的火花增大，導致輸出功率的快速下降[1]?？煽毓柘嗫仉娫摧敵鰰B加100 Hz的脈動電壓，電壓的峰值為平均值的1.3倍，因此平均電壓無法達到擊穿電壓，限制了輸出電壓的提高，平均電壓及電場強度的下降會導致除塵效率下降，影響除塵效果，而且工頻變壓器體積較大且價格昂貴[2]。

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圖1 可控硅相控電源電路原理圖

2 "高頻電源

隨著全控型功率器件的發(fā)展，尤其是高壓大電流的IGBT的快速發(fā)展，電除塵器高頻電源近年發(fā)展起來，具有優(yōu)異性能的新一代的電除塵器供電裝置。電除塵器高頻電源采用逆變方式，可提供脈沖寬度為微秒級的電流脈沖給電除塵器供電，可增加粉塵的荷電效果，有效提高電除塵器除塵效率，可減少煙塵排放40%～70%，并且可減少電除塵器供電功率50%～80%，甚至更高。其特點為：高頻電源可增大電暈功率，提高粉塵荷電強度，提高除塵效率;高頻電源的火花控制特性好，因火花而損失能量很小，電場恢復快。高頻電源的控制方式靈活，可根據電除塵器的工況提供最合適的電壓波形;高頻電源高效節(jié)能，其本身電能轉換效率高達90%以上，自身損耗小;高頻電源的體積小、重量輕，可高度集成，總重量只有工頻電源的[14];高頻電源安裝更方便，輔助設備更少，節(jié)省配電室空間、電纜與安裝費用;高頻電源采用三相平衡電源，對電網影響小，無缺相損耗，無電網污染[3]。高頻電源目前有2種形式，一種是PWM關高頻電源;一種是用串聯諧振電路實現軟開關的高頻電源，本文介紹串聯諧振高頻電源。

2.1 "工作原理

PWM高頻電源為串聯諧振高頻電源具有損耗小、頻率較高、耐沖擊、電磁兼容性較好的優(yōu)點。串聯諧振高頻電源是將PWM移相控制與諧振變換控制相結合，通過兩橋臂之間移相角的控制來調節(jié)輸出電壓，通過恒頻控制實現功率開關管的零電壓零電流軟開關，大大減小了開關損耗和噪聲干擾，實現較高的開關頻率，并具有類似恒流源的特性，能有效抑制除塵電場火花的大電流沖擊，并快速熄滅火花并恢復電場的能量。圖2為串聯諧振高頻電源電路原理圖。

圖2中，D1～D6構成三相整流橋，Q1～Q4組成全橋電路，Cr為諧振電容與變壓器分布電容折合到變壓器原邊的等效電容，Lr為諧振電感與變壓器漏感串聯得到的等效電感。整個電路的諧振頻：

[fr=12πLrCr] " " " " " （1）

功率管的驅動信號如圖3所示，Q1與Q2的驅動信號相位相差 180°，中間有死區(qū);Q3和Q4之間相差也是 180°，中間有死區(qū)。只有在Q1、Q4同時導通或Q2、Q3同時導通時，逆變器橋才能通過變壓器向副邊傳遞能量。通過改變移相角，就可以改變Q1、Q4及Q2、Q3的導通時間，通過調整這2組驅動信號脈沖之間的相位移θ ，就可以改變輸出功率。由于Q3和Q4相對于Q1和Q2先通斷，所以Q3和Q4為為超前臂，Q1和Q2為滯后臂[4]。

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圖2 串聯諧振高頻電源電路原理圖

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圖3 驅動信號及逆變橋輸出電壓

電路的工作過程：t0～t1時段Q1和Q4導通，t0時刻開通Q1，實現Lr和Cr的諧振，諧振電流Ir為正弦波;

t1～t2是超前臂關斷過程，t1時刻關斷Q4，電容C4的電壓不能突變實現Q4的零電壓關斷，t1至t2時間段變壓器原邊諧振電流通過C4進行充電達到電容C的電壓VC，同時C3的電壓從VC放電至零，達到Q3的零電壓導通條件;

t2～t3是續(xù)流階段，t2時刻開通Q3，原邊諧振電流通過Q1和Q3的體內二極管續(xù)流，t3時刻下降到零;

t3～t4是滯后臂的關斷過程，諧振電流保持為零，t3時刻關斷Q1，實現零電流關斷，t4時刻開通Q2，實現零電流開通;

t4之后負半周開始，分析和前面相同。

串聯諧振高頻電源僅通過高頻變壓器實現的電壓抬升是不足以滿足電除塵的電壓等級要求，因此需要進行整流電路的電壓抬升。

圖4為變壓器倍壓整流電路，整流電路所用二極管一般為高壓硅堆。

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圖4 變壓器倍壓整流電路

2.2 "驅動電路

Q1～Q4的采用厚膜集成電路 M57962組成驅動電路。M57962內部結構如圖5所示，是由三菱公司生產的一款驅動模塊，在內部集成了耐壓高達2 500 V的高頻光電耦合器，并具有過流保護功能，具有封閉性短路保護功能。

圖6為采用M57962的驅動電路。采用VCC1和VCC2兩路電源，實現負壓關斷，提高了可靠性，采用兩個穩(wěn)壓二極D1和D2反向串聯，實現對開通和關斷電壓的限壓。D3為穩(wěn)壓二極管，改變IGBT的短路檢測的CE極電壓閥值，避免了出現嚴重過流導致IGBT性能下降甚至損壞。U2實現故障信號的隔離檢測，將故障信號送至控制系統(tǒng)。G極驅動電阻采用電阻并聯結合二極管的結構，實現IGBT的快速導通和相對緩慢的關閉，降低了IGBT關斷C極和E極之間電壓尖峰，增加柵極電阻會增加功率管的開關損耗，因此需要合理選取。

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圖5 M57962內部結構圖

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圖6 采用M57962的驅動電路

3 "實驗研究

根據本文原理設計了實驗樣機，圖7為逆變橋驅動信號波形，VCC1為15 V電源，VCC2為9 V電源，開關頻率為20 kHz。

圖8為根據本文方案設計樣機的原邊諧振電流波形，從圖中可看出波形和理論分析一致。

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圖7 逆變橋驅動信號波形

4 "結 "論

本文對傳統(tǒng)可控硅相控電源和串聯諧振高頻電源的工作機理和優(yōu)缺點進行了分析研究，根據電除塵現場工況的特殊要求，串聯諧振高頻電源最為符合除塵電源的性能要求。分析串聯諧振高頻電源的電路結構和工作原理，并給出實驗波形。

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圖8 變壓器原邊諧振電流波形

參考文獻

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