高迎慧，劉 坤，韓 靜，孫鷂鴻，嚴 萍

（1.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

脈沖荷電型靜電除塵電源技術(shù)研究

高迎慧1、2，劉 坤1、2，韓 靜1、2，孫鷂鴻1、3，嚴 萍1、3

（1.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

文章闡述了脈沖激勵型靜電除塵電源的發(fā)展歷程，分析了兩種典型脈沖激勵靜電除塵電源拓撲的優(yōu)缺點，并針對采用高壓開關(guān)方式的脈沖型靜電除塵電源進行了研究，提出了設(shè)計思路，進行了仿真分析，建立了10kV直流疊加10kV脈沖電源系統(tǒng)并驗證了設(shè)計的可行性；采用晶閘管研制了20kV/300A高壓開關(guān)模塊，并進行了實驗驗證。

靜電除塵電源；微秒脈沖電源；高壓開關(guān)；晶閘管開關(guān)；吸收電路

引言

大氣污染是全球關(guān)注的問題，電除塵技術(shù)具有除塵效率高、處理煙氣量大，可適用于處理高溫粉塵，具風(fēng)阻小和運行費用低等優(yōu)點，現(xiàn)已成為各國控制煙塵排放的主要手段。歐洲、美國、日本等發(fā)達國家和地區(qū)的應(yīng)用比例均超過80%，也是我國燃煤電廠、鋼廠、水泥廠等企業(yè)主要采用的除塵設(shè)備。從大氣壓非平衡等離子體物理觀點來看，電除塵器是一個巨大的等離子體源和反應(yīng)室的組合體。因此電除塵技術(shù)涉及了靜電放電機理、靜電除塵電源和靜電除塵器機械本體結(jié)構(gòu)三項主要研究內(nèi)容。靜電除塵電源是電除塵技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其性能直接影響除塵效果，在電除塵技術(shù)發(fā)展過程中，靜電除塵電源也一直是電除塵技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，目前，電除塵領(lǐng)域成熟應(yīng)用的是直流靜電除塵電源。隨著國家對鍋爐煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，常規(guī)的直流靜電除塵技術(shù)在高比阻粉塵收集過程中因反電暈現(xiàn)象頻發(fā)而導(dǎo)致其排放難以達標(biāo)，基于此，工業(yè)和研究領(lǐng)域采取了多種措施，其中從供電電源側(cè)進行改進是高效又節(jié)約投資的手段，即采用脈沖激勵的靜電除塵電源代替直流靜電除塵電源。本文針對脈沖激勵靜電除塵電源進行了研究。

1 靜電除塵電源發(fā)展歷程

靜電除塵技術(shù)起源于19世紀初，1824年，德國數(shù)學(xué)教師霍菲爾德（M.Hoheled）證明了電火花可使瓶內(nèi)的煙霧消散，第一次提出了電除塵概念。1907年，美國加利福尼亞大學(xué)教授研制出了工業(yè)用電除塵裝置，此后電除塵器逐漸用于各個工業(yè)領(lǐng)域。目前，靜電除塵電源主要存在三種形式：工頻高壓整流靜電除塵電源、高頻高壓整流靜電除塵電源、脈沖激勵靜電除塵電源。

（1）工頻高壓整流靜電除塵電源

工頻高壓整流靜電除塵電源是靜電除塵技術(shù)工業(yè)應(yīng)用中最初采用的電源方案。20世紀初，采用機械同步整流，50年代，隨著可控硅器件的研制成功，采用可控硅高壓整流方式，單相供電可控硅靜電除塵電源結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。電源脈動大、控制延時長和反電暈是工頻靜電除塵電源的致命癥結(jié)。雖然后來單相整流發(fā)展為三相整流，減小了電壓脈動，但由于三相可控硅整流電路仍采用可控硅移相調(diào)壓的控制方式，控制響應(yīng)時間沒有本質(zhì)的改變。三相供電可控硅靜電除塵電源結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。受制于開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，截至20世紀80年代，工業(yè)上成熟應(yīng)用的還是采用可控硅實現(xiàn)的工頻高壓整流靜電除塵電源。

圖1 工頻靜電除塵電源拓撲

（2）高頻高壓整流靜電除塵電源

19世紀80年代初，隨著高頻電力電子開關(guān)器件高頻可控硅、晶體管等技術(shù)的成熟，高頻靜電除塵電源隨之出現(xiàn)。至90年代，高頻IGBT技術(shù)成熟而快速發(fā)展，以瑞典ALSTOM和丹麥SMITH公司的產(chǎn)品為典型代表。高頻靜電除塵電源拓撲如圖2所示。由于采用了高頻控制，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度可快速提高，輸出電壓的紋波可控制得很小，從而極大地提高了除塵效率。高頻技術(shù)還大幅縮減了變壓器的體積和硬件成本。目前高頻靜電除塵電源在歐洲、日本、美國等發(fā)達國家和地區(qū)商業(yè)化應(yīng)用較多，并向更高功率和更高工作電壓（100kV）方向發(fā)展。但是，由于高頻靜電除塵電源需用的器件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的故障率明顯高于工頻靜電除塵裝置。

圖2 高頻靜電除塵電源拓撲

（3）脈沖激勵靜電除塵電源

無論是工頻整流還是高頻整流方式的靜電除塵電源，輸出均為直流電壓，直流電場既負責(zé)產(chǎn)生電子，也負責(zé)灰塵粒子荷電和定向運動，在確定的供電電場結(jié)構(gòu)下，這三個功能互相牽制，電源電壓、電流不能單獨調(diào)節(jié)。當(dāng)火花頻率高或發(fā)生反電暈時，需要降低電源電壓，限制電源輸出電流，導(dǎo)致除塵效率下降。在高比阻粉塵除塵過程中，反電暈現(xiàn)象更加頻繁，頻繁地降低直流電壓將導(dǎo)致粉塵直接排放，除塵功能失效，因此國外從20世紀30年代就展開了對脈沖激勵靜電除塵電源的研究。

1931年，R. Heinrich等人申請了電脈沖施加于靜電除塵器的美國專利，即在直流電壓上疊加脈沖電壓的供電方案，用于提高除塵效率。1952年，H.J.WHITE采用旋轉(zhuǎn)火花隙開關(guān)、脈沖變壓器、阻擋二極管研制了用于靜電除塵的脈沖高壓電源，第一次進行了脈沖激勵型靜電除塵電源的實地測試，試運行一年的數(shù)據(jù)顯示，電暈電流提高20%～35%，這意味著更高的除塵效率。隨后的多年中，各國均進行了脈沖型靜電除塵電源的研究，雖然限于開關(guān)技術(shù)水平，無工業(yè)化的電源產(chǎn)品面世，但電源拓撲結(jié)構(gòu)逐漸明確。1982年，丹麥F.L.Smidth在其專利中提到了兩種脈沖激勵型靜電除塵器結(jié)構(gòu)，一是低壓開關(guān)和脈沖變壓器組合實現(xiàn)脈沖輸出，再耦合直流電壓的方式實現(xiàn)如圖3（a）所示；二是采用高壓開關(guān)實現(xiàn)脈沖輸出后耦合直流電壓的方式，如圖3（b）所示。同年，美國高壓工程公司離子物理部門的H.I.Milde確認了丹麥F.L.Smidth在其專利中提出的兩種拓撲結(jié)構(gòu)是可商業(yè)化實現(xiàn)的拓撲結(jié)構(gòu)，并指出兩種方式的最大區(qū)別是脈沖寬度和脈沖上升時間的差別。其中，脈沖變壓器方式拓撲結(jié)構(gòu)的脈沖寬度一般為百微秒級，而采用高壓開關(guān)方式能夠?qū)崿F(xiàn)1μs脈寬的脈沖輸出。20世紀80年代，采用脈沖變壓器結(jié)構(gòu)的電源首先得到工業(yè)化應(yīng)用和商業(yè)化的發(fā)展，以丹麥Smidth公司電源為典型代表。該公司研制的脈寬50～200μs，重復(fù)頻率25～400Hz的脈沖電源經(jīng)過了工業(yè)測試，高比阻粉塵帶電粒子遷移速度明顯提高，由于除塵器灰塵收集區(qū)尺寸與帶電粒子遷移速度成反比，從而可有效減小除塵器除塵區(qū)的的安裝尺寸。目前丹麥F.L.Smidth公司仍然是脈沖激勵靜電除塵電源的主要廠商之一。

靜電放電領(lǐng)域的研究進展顯示，靜電除塵器中的流注擊穿時間為10～20μs，因此，為了避免發(fā)生流注擊穿，脈沖源輸出的脈沖寬度應(yīng)小于10μs。高壓開關(guān)方式的拓撲結(jié)構(gòu)更容易輸出較窄脈沖，使脈沖激勵靜電放電技術(shù)的優(yōu)勢更加突出。但20世紀80年代能夠滿足要求的開關(guān)僅有機械式火花隙或無觸點離子器件（如汞閘流管）作為放電開關(guān)，嚴重制約了其工業(yè)化應(yīng)用。

1981年J.F.Shoup和T.Lugar報道采用可控硅研制了高壓開關(guān)。1986年，意大利人GIORGIO DINELLI在脈沖激勵靜電除塵電源的測試中，采用了一套意大利生產(chǎn)的脈沖源，高壓開關(guān)采用晶閘管，他認為，除塵器效率是首要的目標(biāo)，因此脈沖源輸出的脈寬越窄越好，并研制了輸出60kV、60～250μs、20～500Hz的脈沖激勵靜電除塵電源。1999年，韓國浦項鋼鐵報道，采用可控硅串聯(lián)開關(guān)研制了脈沖寬度140μs、重復(fù)頻率200Hz、輸出電壓70kV的脈沖激勵靜電除塵電源。目前韓國浦項鋼鐵公司是采用高壓開關(guān)方式的脈沖激勵靜電除塵電源的典型代表，但其產(chǎn)品的輸出脈沖寬度與采用脈沖變壓器方式的Simdth公司的產(chǎn)品基本相同，為100μs左右。

為了達到更好的收塵效果，目前國外致力于對更窄脈寬的脈沖電源的研究。1997年，L.Heinemnn采用磁開關(guān)研制了靜電除塵脈沖電源，輸出脈寬最小達到10μs。2002年，德國西門子公司報導(dǎo)采用偽火花開關(guān)研制高壓開關(guān)型的脈沖激勵靜電除塵電源，電源輸出脈沖寬度6～10μs，脈沖幅值55kV，脈沖電流峰值2000A。該電源與晶閘管可控整流電源、高頻直流電源的除塵效果在燒結(jié)廠進行了對比實驗，采用晶閘管可控整流電源時，排放值最好為90mg/m3，采用高頻直流電源時，排放值為76mg/m3，采用脈沖電源時，排放值為59mg/m3，即使與高頻直流電源相比，其排放值降低了22%?？梢?，采用開關(guān)方式的脈沖激勵靜電除塵電源能更好地實現(xiàn)窄脈沖輸出，進而強化脈沖激勵靜電除塵電源的優(yōu)勢。

圖3 脈沖激勵靜電除塵電源結(jié)構(gòu)

2 開關(guān)型脈沖激勵靜電除塵電源系統(tǒng)仿真

開關(guān)型脈沖激勵靜電除塵電源不僅可實現(xiàn)窄脈沖寬度輸出，而且容易實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)整，更適用于工業(yè)化應(yīng)用。本文中采用saber軟件對電源的系統(tǒng)參數(shù)進行了分析。圖4是仿真電路圖，其中C2、R6為等效負載，C1、R3為直流濾波參數(shù)，L5、R5為脈沖側(cè)隔離電感參數(shù)，L1為調(diào)波電感，SW_VCSP為高壓脈沖開關(guān)，C5、R7為動態(tài)吸收電路參數(shù)，C3為脈沖放電電容，L3和R2為直流側(cè)隔離電感參數(shù)，C4和R4為直流側(cè)濾波電容參數(shù)。從圖4中可以看出，在開關(guān)型脈沖激勵靜電除塵電源中，高壓開關(guān)是核心關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)參數(shù)直接影響到開關(guān)兩端電壓。圖5（a）、（b）、（c）、（d）分別仿真分析了C1、L5、C3、C5對開關(guān)兩端電壓的影響。

圖4 開關(guān)型脈沖激勵靜電除塵電源仿真電路

圖5 系統(tǒng)參數(shù)對開關(guān)兩端電壓影響仿真波形

從仿真實驗波形可看出，開關(guān)兩端震蕩電壓隨著C1、C5增大而增加，隨著L5、C3的增大而減小，在不同的參數(shù)選擇下，開關(guān)兩端承受電壓存在明顯差距，系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化對開關(guān)工作狀態(tài)影響至關(guān)重要。

3 高壓開關(guān)

在開關(guān)型脈沖激勵靜電除塵電源中，高壓開關(guān)兩端電壓和電流波形如圖6（a）所示。

由于開關(guān)電壓較高，且是長期連續(xù)工況，一直是限制脈沖激勵靜電除塵電源的技術(shù)難點，半導(dǎo)體開關(guān)具有高可靠性和易維護的優(yōu)點，因此成為除塵電源的首選器件。本文采用20個1800V的晶閘管串聯(lián)研制了20kV/300A高壓開關(guān)，圖6（b）為開關(guān)結(jié)構(gòu)圖，圖6（c）為開關(guān)實物圖。

圖6 高壓開關(guān)

和其他半導(dǎo)體一樣，晶閘管在正向或反向電壓下存在漏電流。即使晶閘管型號相同，在相同的電壓下，漏電流有所差別，這在晶閘管串聯(lián)使用中導(dǎo)致各個晶閘管承受電壓存在差異，靜態(tài)均壓電阻是必要的。文中選用300kΩ/30W的高壓電阻作為靜態(tài)均壓電阻。

由于晶閘管器件的導(dǎo)通和關(guān)斷特性的差異，晶閘管串聯(lián)使用時，動態(tài)均壓對于晶閘管串聯(lián)應(yīng)用來說至關(guān)重要，通常采用RC吸收電路對晶閘管兩端的尖峰電壓進行抑制，吸收電容通常根據(jù)以下公式選擇。串聯(lián)晶閘管開關(guān)吸收電路如圖6（d）所示。但是在圖4所示拓撲中，吸收電路的設(shè)計不僅與晶閘管有關(guān)，還與晶閘管反并聯(lián)的二極管有關(guān)。本文對此進行了重點研究。

圖7、圖8、圖9分別列出了在不同組容吸收電路下開關(guān)兩端的電壓電流波形，圖10、圖11對不同吸收電阻和吸收電容下的尖峰電壓進行了比較。

吸收電阻與尖峰電壓間的非線性關(guān)系，與主電路參數(shù)有關(guān)，同時與晶閘管反并聯(lián)高壓二極管反向恢復(fù)特性有關(guān)。

圖7 20kV開關(guān)未加吸收電路時電壓、電流波形

圖8 27Ω吸收電阻和0.1μF吸收電容時20kV開關(guān)電壓電流波形

圖9 15Ω和20Ω電阻配合 0.47μF電容時開關(guān)關(guān)斷時刻電壓電流波形

圖10 吸收電組和尖峰高電壓關(guān)系

圖11 吸收電容和尖峰電壓關(guān)系

的實驗系統(tǒng)，驗證了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計規(guī)律。20kV開關(guān)吸收電路在35kVA脈沖源系統(tǒng)上進行了實驗驗證，脈沖源中負載電容為100nF，調(diào)波電感為6mH。見圖12、圖13。

圖12 10kV直流疊加10kV脈沖電源

圖13 20kV/300A開關(guān)測試波形

4 結(jié)論

采用高壓開關(guān)的脈沖激勵靜電除塵電源，高壓開關(guān)是其關(guān)鍵技術(shù)之一，但系統(tǒng)參數(shù)對開關(guān)工作參數(shù)也起著至關(guān)重要的影響，優(yōu)化的系統(tǒng)參數(shù)，能夠降低開關(guān)兩端電壓沖擊，從而降低開關(guān)研制的難度。高壓開關(guān)模塊的設(shè)計應(yīng)與系統(tǒng)參數(shù)相結(jié)合，對于特定型號的電源，開關(guān)參數(shù)也應(yīng)有所差別。

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Technical Study on Power Source of Electrostatic Precipitation with Pulse and Charge Type

GAO Ying-hui1,2, LIU Kun1,2, HAN Jing1,2, SUN Yao-hong1,3, YAN Ping1,3
(1.Institute of Electrical Engineering of Chinese Academy of Sciences(CAS), Beijing 100190; 2.Key Lab. of Electric Power & Electron and Electric Drive, CAS, Beijing 100190; 3.University of CAS, Beijing 100049, China)

The paper explains the development course of power source of electrostatic precipitation with pulse and inspiriting type, analyzes the advantages and shortcomings of two kinds of power source of electrostatic precipitation with typical pulse and inspiriting type. Based on the research of power source of pulse electrostatic precipitation by adopting high-voltage switch mode, the paper puts forward the design thought, carries through the imitating analysis and sets up 10kV direct current, and superposes 10kV system of pulse power source and validates the design feasibility. The paper adopts crystal brake pipe, develops the high-voltage switch module of 20kV/300A and make experiment validation.

power source of electrostatic precipitation; power source of microsecond pulse; high-voltage switch; crystal brake pipe; absorbing circuit

X701

A

1006-5377（2017）02-0013-05