脈沖電源三相電源與恒流源的特點分析報告

1、脈沖電源三相電源及恒流源的特點分析近年來，隨著國家對環(huán)保要求日益嚴(yán)格，電除塵器在工業(yè)大氣治 理方面發(fā)揮越來越大的作用， 電除塵器電源技術(shù)也隨之得到了迅猛發(fā) 展，高壓電源由單相工頻電源、工頻恒流源、三相工頻電源、高頻電 源發(fā)展到現(xiàn)在的脈沖電源， 每一種高壓電源技術(shù)在不同時期電除塵器 應(yīng)用中都發(fā)揮了重要作用。 但在電除塵器電源提效改造中使用恒流源、 三相電源還是使用脈沖電源， 一直存在著爭議， 本文結(jié)合電除塵器的 工作原理將對這三種電源進(jìn)行技術(shù)層面的比較分析， 闡述三種電源在 電除塵器應(yīng)用中各自發(fā)揮的作用。一、電除塵器原理簡介及電源的重要作用 我國的工業(yè)電除塵技術(shù)是自上世紀(jì)七十年代開始發(fā)展，作為一

2、種 技術(shù)成熟、制作相對簡單、 運行維護(hù)費用低的工業(yè)煙氣凈化設(shè)備，長 期以來在大氣污染治理行業(yè)得到最普遍、最廣泛的推廣和應(yīng)用。電除塵器的工作原理主要包括“電離、荷電、捕集、清灰”四個 過程。電除塵器用高壓電源做為電離及荷電過程的關(guān)鍵設(shè)備， 它的主 要作用是通過向電場提供直流高壓和直流電流， 使進(jìn)入電場的粉塵在 荷電后被捕集到極板極線，從而達(dá)到清灰的目的。電除塵器的除塵效率是考量電除塵器性能的最重要的指標(biāo)，依奇 -安德森效率公式，一直是電除塵器的設(shè)計公式，至今仍在應(yīng)用。該公 式揭示了驅(qū)進(jìn)速度與除塵效率之間的關(guān)系：. -f con =1-e式中：f (SCA) A/Q的比值，稱為比集塵面積(m2/m

3、VS)A收塵極板面積（m2）Q煙氣量（m 3/ S）3 驅(qū)進(jìn)速度（m / S）3心B Wai式中：B常數(shù)；VP電壓峰值；Vai 電壓平均值； 說明：3 X Vp X Vai驅(qū)進(jìn)速度3，是電除塵器設(shè)計中的一個重要數(shù)據(jù)，與粒子半徑、 電場強度平方成正比， 與氣體黏度成反比。 工程中實際的驅(qū)進(jìn)速度稱 有效驅(qū)進(jìn)速度， 其物理意義不只是反映塵粒向極板運動的速度， 而且 包括諸如煤灰成分、二次揚塵、氣流分布質(zhì)量、電氣條件、本體結(jié)構(gòu) 以及其他影響電除塵器性能的各種因素之和， 它的大小可評價電除塵 器對粉塵的收塵難易程度。 驅(qū)進(jìn)速度不僅與煤、 飛灰成分有關(guān) （煙氣 成份、粉塵粒徑、粉塵比電阻等） ，而且在很大

4、程度上也依賴于電除 塵電源技術(shù)。從電氣角度而言， 驅(qū)進(jìn)速度取決于峰值電壓和平均電壓 的乘積，還與有效的電暈電流相關(guān) 。二、工頻恒流源1 、工作原理工頻恒流源是通過LC變換器將輸入的兩相380V工頻交流電轉(zhuǎn)換為電 流源，并通過交流接觸器分級調(diào)流， 然后通過工頻單相整流變壓器升 壓整流后轉(zhuǎn)換成高壓直流電入往電場。原理圖如下圖所示：工頻恒流源為分體式結(jié)構(gòu)，體積和重量都很大，高壓整流變壓器 布置在電除塵本體頂部，高壓控制柜安裝在電除塵配電室。 電路包括 三個部分：第一部分為L-C變換器，每個變換器由電感L和電容C組 成一個回路網(wǎng)絡(luò)，將電壓源轉(zhuǎn)換成電流源；第二部分為高壓硅整流變 壓器，將工頻電升壓整流輸

5、出直流負(fù)高壓，為電除塵器提供高壓電源； 第三部分為控制系統(tǒng)，主要由控制電路和交流接觸器構(gòu)成， 交流接觸 器用于功率檔位調(diào)節(jié)器，通常為 10個檔位，當(dāng)電場工況需要改變輸 出功率時，控制器通過交流接觸器吸合、斷開調(diào)整L-C變換器接入到 主回路電路中的個數(shù)，即功率換擋，處理速度非常慢。2、優(yōu)點1）因為是恒流源，所以電流不受電場負(fù)載電特性的影響，與常規(guī)工 頻單相電源相比較，如果電場發(fā)生閃絡(luò)，電壓下降，而電流不下降， 輸出較為穩(wěn)定。2）因為屬于單相電源，所以結(jié)構(gòu)簡單，便于維修。3、缺點1）因為屬于單相電源，所以它輸出的是 100Hz的脈動直流，受工頻電正弦半波“暫下降”現(xiàn)象影響，二次電壓紋波系數(shù)大（30

6、%,波形脈動幅度大，平均值低，且電壓峰值極易引發(fā)火花閃絡(luò)，對電除塵效率影響很大。下圖是工頻恒流源的二次電壓和二次電流的波形。因采用大量的電抗器和電容器作為功率調(diào)整部件，由于電抗器和電容器數(shù)量眾多，且本身有一定能耗，所以其高壓控制柜與高頻電源、SCR 相位控制的單相電源和三相電源相比， 發(fā)熱量非常大，電能損耗也隨 之提高。3）因為采用交流接觸器分級調(diào)流，而交流接觸器是機(jī)械觸點元件， 機(jī)械觸點元件的特點是機(jī)械觸點的關(guān)斷、吸合是有使用次數(shù)限制的， 長期運行后，易引發(fā)設(shè)備故障。4）工頻恒流源對工況的適應(yīng)性較弱。當(dāng)粉塵濃度過高時，電除塵電 場的等效電阻值已經(jīng)超過恒流源 L-C內(nèi)阻可調(diào)范圍，恒流源內(nèi)阻相對

7、 于負(fù)載不再是無窮大，這時對于恒流源來說，其已經(jīng)不能成為恒流源 了。若此時粉塵濃度繼續(xù)增高，則超出除塵效率極具下降，有時還會導(dǎo)致恒流源“開路”報警而停止工作，給安全生產(chǎn)帶來隱患。在高比 電阻、細(xì)微粒粉塵工況下，工頻恒流源因為無法實現(xiàn)脈沖供電，所以 無法抑制前者引起的“反電暈”現(xiàn)象產(chǎn)生。三、三相工頻電源1、工作原理三相工頻高壓電源，是繼單相工頻電源后研發(fā)出的一種高效節(jié)能 型電源。其工作原理是采用三相 380V交流輸入，通過三相六只可控 硅反并聯(lián)調(diào)壓，經(jīng)三相變壓器升壓，三相橋式整流，并聯(lián)成一路波形 為300Hz的脈動直流高壓電輸出到電除塵器；原理圖如下：0SPO5 丁嗾八Jj,)72、優(yōu)點由于采用

8、三相平衡供電方式，其輸出波形平穩(wěn)，輸出平均電壓高（比單相電源提高10%-20%,能有效改善和提高除塵效率；三相工頻電源與單相工頻電源相比主要優(yōu)點就是三相平衡且輸出電壓紋波系數(shù)小為5%電源轉(zhuǎn)換效率為87%輸出電壓電流波形如圖所示:從波形圖中可以看出，電流（藍(lán)色）是頻率為 300Hz脈動直流電流， 電壓波形（白色）是頻率為300Hz脈動直流電壓，電壓紋波系數(shù)較小， 約為5%3、缺點三相工頻電源的缺點是火花閃絡(luò)沖擊大，性價比低，對反電暈工況適應(yīng)能力差。1）火花閃絡(luò)沖擊大：三相工頻電源各相電壓相位上依次相差120度；如果A相正半波發(fā)生閃絡(luò)火花放電擊穿時，B相的可控硅 已經(jīng)開通，等到A相正半波的過零換相

9、時輸出封鎖信號，可以 關(guān)斷A、C相負(fù)半波，卻無法及時封鎖B相的已經(jīng)導(dǎo)通信號，一 直要持續(xù)到B相的過零點，才得以完全封鎖輸出；這樣就使得 火花放電的能量增大，火花恢復(fù)時間較長（約 120mS,不但對 電源沖擊影響大，且效率損失大。2 ） 性價比低：三相工頻電源采用分體式結(jié)構(gòu)，高壓控制柜布置在 除塵控制室，而整流變壓器布置在本體頂部，這就決定了其安 裝成本和電纜成本較高，三相整流變壓器體積普遍較大，造價 高。3） 對反電暈工況適應(yīng)能力差：三相工頻電源因其工作原理是三相 可控硅調(diào)壓，所以很難實現(xiàn)像單相電源和高頻電源那樣具有間 歇供電方式，對于高比電阻粉塵工況，無法用間歇供電方式抑 制反電暈的發(fā)生；另

10、外，三相工頻電源只能采用持續(xù)供電方式， 所以無法實現(xiàn)真正的節(jié)能模式。四、脈沖電源脈沖電源是國際電除塵器領(lǐng)域最新、最先進(jìn)的高壓供電技術(shù)，是 一種能周期性輸出兆瓦級能量， 能高效捕集細(xì)微粉塵、 高比電阻粉塵， 具有節(jié)能性、高可靠性的電除塵器電源。1 、 工作原理脈沖電源都是由雙電源組成，即由基波電源和脈沖電源兩種電源 疊加而成?；娫簇?fù)責(zé)輸出一個額定為 80kV 直流基礎(chǔ)電壓，用于 產(chǎn)生足夠捕集荷電粉塵的電場， 基波電源可以是高頻電源、 三相電源 或者單相電源；脈沖電源負(fù)責(zé)在基波電源電壓基礎(chǔ)上疊加一個額定為 80kV的脈沖電壓（疊加后脈沖峰值為 160kV），脈沖寬度v 45us，脈 沖頻率為1

11、00Hz如圖所示：交流電源經(jīng)過三相全橋整流后變成低壓直流電（見圖1第部分整流電路），再經(jīng)過全橋IGBT逆變電路產(chǎn)生高頻交流脈沖（見圖 1第 部分逆變電路），咼頻咼壓整流變壓器最后將低壓咼頻交流脈沖升 壓整流后（見圖1第部分咼頻變壓器），產(chǎn)生負(fù)咼壓咼頻基波電壓 送至疊加電路（見圖1第部分疊加電路）；脈沖部分，輸入的三相 工頻交流電源經(jīng)過可控硅調(diào)壓、三相變壓器升壓、三相全橋整流后， 變成2000-2500V直流電（見圖1第部分與預(yù)升壓變壓器），經(jīng)過 電容儲能，IGBT發(fā)送，產(chǎn)生低壓窄脈沖（見圖1第部分脈沖儲能 /發(fā)生），脈沖變壓器將低壓窄脈沖升壓至負(fù)高壓脈沖后（見圖 1第 部分脈沖變壓器），送至疊

12、加電路與咼頻基波部分送來的負(fù)咼壓咼 頻基波電壓疊加，得到基波疊加脈沖的負(fù)高壓電（見圖1第部分疊加電路），供給電除塵器電場使用。2、優(yōu)點1）三相平衡供電，功率因數(shù)為0.95，電源轉(zhuǎn)換效率為93%較工頻 恒流源和三相電源高。2）對于同極距為400mm勺電除塵器電場（燃煤電廠一般都采用此極 間距的電除塵器），擊穿電壓為70kV,直流電源當(dāng)電壓超過 70kV時 電場就會發(fā)生擊穿閃絡(luò)，實驗證明，只有超窄脈沖即v75us的脈沖電壓才能突破70kV的擊穿電壓限制。脈沖電源可實現(xiàn)超窄脈沖供電， 可突破電場擊穿電壓運行，獲得更高粉塵荷電場強。波形圖如下圖所示:3）因為理論上驅(qū)進(jìn)速度與電場的峰值電壓和平均電壓的乘

13、積成正比，脈沖電源能夠大幅度提高峰值電壓， 且平均電壓由基波電源保證，所 以脈沖電源能夠提高驅(qū)進(jìn)速度，從而顯著提高除塵效率。4）脈沖電源有較高的峰值電壓，提高對高比電阻粉塵、細(xì)微粉塵的荷電能力，能高效捕集PM1（粉塵，是直流電源的17倍。5) 脈沖電源采用超窄脈沖供電方式，降低電場單位時間電流密度 能夠有效的抑制反電暈的發(fā)生。6) 脈沖電源采用峰值電壓除塵，基礎(chǔ)電壓可以設(shè)置較低，一般比起 暈電壓稍咼(30kV 40kV)就足夠捕集荷電粉塵，將脈沖電壓調(diào)至最 大，滿足除塵效率需要，此工作方式平均電流較小，脈沖電源的輸出 功率較小(僅15kW,能夠大幅度節(jié)能，節(jié)能率可達(dá) 60%3、缺點1) 脈沖電

14、源的峰值電流電壓咼，但平均電流電壓較低，所以對大 顆粒粉塵效果反而不如直流電源好。2) 脈沖電源是當(dāng)今最先進(jìn)的電除塵器咼壓電源，而且每臺脈沖電 源由兩臺電源組成，其造價較為昂貴。3) 脈沖電源的脈沖部分負(fù)載不能開路，基波部分如果為三相工頻 電源，負(fù)載可以開路，所以不是所有的脈沖電源都能夠做開路 實驗。五、三種電源的適用性1、脈沖電源脈沖電源適用于電除塵器的末級電場和次末級電場，因為煙氣中 的大顆粒粉塵絕大多數(shù)在前級電場被捕集， 經(jīng)過末級電場和次末級電 場的煙氣中存在的都是細(xì)微粉塵， 脈沖電源對細(xì)微粉塵有很強的荷電 作用，所以脈沖電源安裝于末級電場和次末級電場能夠有效的提咼后 級電場對細(xì)微粉塵的

15、捕集能力， 提咼后級電場的除塵效率， 這一點是 直流電源無法做到的。2、三相工頻電源三相工頻電源在連續(xù)供電方式下電壓波形相似，近似為純直流， 紋波系數(shù)較小。 電除塵器前級電場主要功能就是捕集大顆粒粉塵， 這 就需要更高的平均電壓和電暈電流， 三相電源可以勝任， 可以安裝在 前級電場。3、工頻恒流源 工頻恒流源一般應(yīng)用于避免閃絡(luò)的除塵器中，如濕電和煤氣除塵 器應(yīng)用較多， 燃煤電廠干式除塵器也有少量應(yīng)用， 不適用于工況變化 較大的電除塵系統(tǒng)。六、結(jié)論通過對三種電源的原理和性能的比較，可以得出結(jié)論：1、脈沖電源輸出超窄脈沖電壓，峰值電壓能夠突破電場擊穿電壓限制，大幅提高粉塵的荷電能力，對細(xì)微粉塵（V

16、 PM10和高 比電阻粉塵的除塵效果非常明顯，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于工頻恒流源和三相 工頻電源，主要應(yīng)用在電除塵器的次末電場和末電場；脈沖電 源已經(jīng)在國內(nèi)多個燃煤電廠、鋼廠燒結(jié)機(jī)、水泥廠窯頭電除塵 器提效改造中應(yīng)用，從應(yīng)用案例可知次末電場和末電場改造為 脈沖電源，在除塵器本體狀況正常的情況下可減排 50%以上；2、三種電源中三相工頻電源在持續(xù)供電方式下，輸出的二次電壓 接近純直流，與工頻恒流源相比能夠提高平均電壓和平均電流， 主要應(yīng)用在電除塵器的前級電場，對大顆粒粉塵的除塵效果非 常明顯；但其性能不如高頻電源，高頻電源相對于三相工頻電源具有更節(jié)能、火花能量小、效率損失小、對工況適應(yīng)性強、 一體化結(jié)構(gòu)節(jié)省工程造價等優(yōu)點；3、無論是工頻恒流源還是三相工頻電源都無法突破電場擊穿電壓 的限制，目前在電力行業(yè)中電除塵器的同極極間距通常采用 400mm電場的擊穿電壓值應(yīng)在 70KV左右，工頻恒流源或三相 工頻電源正常運行電壓最咼應(yīng)在 70KV左右。如果在電除塵器提 效改造實例中存在使用工頻恒流源或三相工頻電源大幅提高二 次電壓（達(dá)到100K V以上）的情況，我方認(rèn)為是在改造過程中 將電場極間距或極配形式改變所致， 與選用的是何種電源無關(guān)；4、在電除塵器電源提效改造和以超低排放為目的的