脈沖電源三相電源及恒流源的特點分析

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在不同時期電除塵器應用中都發(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，本文結合電除塵器的工作原理將對這三種電源進行技術層面的比較分析，闡述三種電源在電除塵器應用中各自發(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)電除塵技術是自上世紀七十年代開始發(fā)展，作為一種技術成熟、制作相對簡單、運行維護費用低的工業(yè)煙氣凈化設備，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鍵設備，它的主要作用是通過向電場提供直流高壓和直流電流，使進入電場的粉塵在荷電后被捕集到極板極線，從而達到清灰的目的。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，依奇?安德森效率公式，一直是電除塵器的設計公式，至今仍在應用。該公式揭示了驅(qū)進速度與除塵效率之間的關系：n=l-efo式中：f(SCA)—一A/Q的比值，稱為比集塵面積(m2/m3/S)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。5)脈沖電源采用峰值電壓除塵，基礎電壓可以設置較低，一般比起暈電壓稍高(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60%。3、缺點脈沖電源的峰值電流電壓高，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。脈沖電源是當今最先進的電除塵器高壓電源，而且每臺脈沖電源由兩臺電源組成，其造價較為昂貴。脈沖電源的脈沖部分負載不能開路，基波部分如果為三相工頻電源負載可以開路，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微粉塵，脈沖電源對細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高后級電場對細微粉塵的捕集能力，提高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用于避免閃絡的除塵器中，如濕電和煤氣除塵器應用較多，燃煤電廠干式除塵器也有少量應用，不適用于工況變化較大的電除塵系統(tǒng)。六、結論通過對三種電源的原理和性能的比較，可以得出結論：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，對細微粉塵（VPM10）和高比電阻粉塵的除塵效果非常明顯，遠遠優(yōu)于工頻恒流源和三相工頻電源，主要應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、鋼廠燒結機、水泥廠窯頭電除塵器提效改造中應用，從應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、對工況適應性強、一體化結構節(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在70KV左右，工頻恒流源或三相工頻電源正常運行電壓最高應在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（達到100KV以上）的情況，我方認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；4、在電除塵器電源提效改造和以超低排放為目的的電除塵器改造項目中，如果想讓電除塵器達到更高的除塵效率，全電場采工頻恒流源或三相工頻電源都是無法實現(xiàn)的，只有通過采取前級電場配置高頻電源或三相工頻電源、后級電場配置脈沖電源的方案才能實現(xiàn)改造目標。5、根據(jù)上文所述各種電源的分析，故我方建議最佳配置方案應為前級電場（一、二電場或+三電場）配置高頻電源，后級電場（三、四電場或+五電場）配置脈沖電源的改造方案，此方案可發(fā)揮電源技術對電除塵器節(jié)能減排的最大功效，也是目前電除塵器超低排放電源系統(tǒng)改造的主流方案。金華大維電子科技（大連）有限公司2016年11月A 收塵極板面積（m2）Q煙氣量（m3/S）3——驅(qū)進速度（m/S）3RBVpVai式中：8—常數(shù)；Vp—電壓峰值；Vai—電壓平均值；說明：38Vpp驅(qū)進速度3,是電除塵器設計中的一個重要數(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)進速度稱有效驅(qū)進速度，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、本體結構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)進速度不僅與煤、飛灰成分有關（煙氣成份、粉塵粒徑、粉塵比電阻等）而且在很大程度上也依賴于電除塵電源技術。從電氣角度而言，驅(qū)進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。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構，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，將電壓源轉換成電流源；第二部分為高壓硅整流變壓器，將工頻電升壓整流輸出直流負高壓，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，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，所以結構簡單，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%）,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，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。air加小沁的air加小沁的ib^drnsCHI平均值6,35VCm蝮-嵯佰10.8V一?j取消自I動設置<10Hz2）因為屬于單相電源，所以功率因數(shù)低W0?7,電能轉換效率低W70%。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，而交流接觸器是機械觸點元件，機械觸點元件的特點是機械觸點的關斷、吸合是有使用次數(shù)限制的,長期運行后，易引發(fā)設備故障。4）工頻恒流源對工況的適應性較弱。當粉塵濃度過高時，電除塵電場的等效電阻值己經(jīng)超過恒流源L內(nèi)阻可調(diào)范圍，恒流源內(nèi)阻相對于負載不再是無窮大，這時對于恒流源來說，其己經(jīng)不能成為恒流源To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、工作原理由于采用三相平衡供電方式，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沖擊大，性價比低，對反電暈工況適應能力差。1）火花閃絡沖擊大：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)生閃絡火花放電擊穿時，B相的可控硅己經(jīng)開通，等到A相正半波的過零換相時輸出封鎖信號，可以關斷A、C相負半波，卻無法及時封鎖B相的已經(jīng)導通信號，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構，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域最新、最先進的高壓供電技術，是一種能周期性輸出兆瓦級能量，能高效捕集細微粉塵、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?；娫簇撠熭敵鲆粋€額定為80kV直流基礎電壓，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責在基波電源電壓基礎上疊加一個額定為80kV的脈沖電壓（疊加后脈沖峰值為160kV），脈沖寬度V45us，脈沖頻率為100Hz；如圖所示：

2、弟點1）三相平衡供電,功率因數(shù)為0.95’電源轉換效率