具有恒流特性的中頻高壓電源

陳軍律

（浙江連成環(huán)?？萍加邢薰荆憬?金華 321000）

1 背景及意義

隨著社會(huì)的發(fā)展和人類的進(jìn)步，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境和空氣質(zhì)量也越來(lái)越關(guān)注。如今，我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展，空氣污染嚴(yán)重，粉塵排放越來(lái)越嚴(yán)格，已經(jīng)從原先的50 mg/m3到現(xiàn)在的5 mg/m3以下，除塵設(shè)備已成為每個(gè)工廠的必備。

目前，靜電除塵設(shè)備是國(guó)際公認(rèn)的高效除塵裝置，其中高壓電源裝置系統(tǒng)是該設(shè)備的主要電氣部分，輸出電壓直接影響靜電除塵器的工作效果，是能量傳遞的關(guān)鍵。電除塵的基本工作原理是在兩個(gè)曲率半徑相差比較大的金屬陽(yáng)極和陰極（一對(duì)電極）上，通過(guò)高壓直流電，維持一個(gè)足以使氣體電離的靜電場(chǎng)，將氣體電離后產(chǎn)生的電子、陰離子以及陽(yáng)離子吸附在通過(guò)電場(chǎng)的粉塵上，從而使粉塵獲得電荷（粉塵荷電）。荷電粉塵在電場(chǎng)的作用下向與其電極極性相反的電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，并沉積在電場(chǎng)上以達(dá)到粉塵和氣分離的目的。電極上的積灰經(jīng)振打、卸灰、清出本體外，再經(jīng)輸灰系統(tǒng)傳輸?shù)交覉?chǎng)或者便于利用儲(chǔ)存的裝置中去，凈化后的氣體從所配的煙囪中排除，擴(kuò)散到大氣中[1]。

單相工頻電源采用工頻單相380 V交流輸入，利用雙向可控硅移相調(diào)壓技術(shù)，先控制一組雙向可控硅導(dǎo)通角的大小實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，再經(jīng)單相交流變壓器升壓，最后經(jīng)全橋整流后輸出直流高壓。單相工頻電源實(shí)質(zhì)上是屬于調(diào)壓源的一種最常見(jiàn)的高壓電源，且具有不怕開(kāi)路的特性，但由于工頻電源采用可控硅作為主要功率元器件，因此存在功率因素不高和轉(zhuǎn)換效率低下等缺點(diǎn)。

電力電子器件及電磁性材料的快速發(fā)展給高頻高壓電源的主要功率元器件帶來(lái)了新的活力。在此基礎(chǔ)上，可靠的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作為主要功率元器件在電力、建筑以及能源等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由IGBT逆變橋、諧振電容以及諧振電感組成串聯(lián)LC諧振逆變電路，逆變成高頻交流電壓組成的恒流源高壓電源。雖然恒流源高壓具有不怕短路、紋波系統(tǒng)小以及輸出電壓高等各種優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但不能做開(kāi)路，這是恒流源的通病[2]。

目前，中頻高壓電源存在以下幾個(gè)問(wèn)題。一是單相工頻電源的可控硅通過(guò)過(guò)零檢測(cè)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通角開(kāi)關(guān)，在出現(xiàn)閃絡(luò)時(shí)，二次電流沖擊大，難以適用于工況復(fù)雜的靜電除塵器除塵。二是市場(chǎng)上存在的體量比較大，如果全部替換成高頻電源，則替換成本過(guò)高。三是恒流源高壓電源由于串聯(lián)LC諧振的恒流源特性，具有不怕短路與拉弧、怕輸出開(kāi)路的特點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)在原變壓器高壓輸出端增加開(kāi)路保護(hù)功能，更換原先控制柜的方法，采用由開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)的IGBT作為主要功率元器件組成的串聯(lián)LC諧振電路新控制柜，實(shí)現(xiàn)恒流電源輸出的中頻高壓電源改造。

2 研究設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 主要研究?jī)?nèi)容

具有恒流特性的中頻高壓電源把兩相輸入電源380 V交流供電改成三相電源380 V交流供電，具有三相平衡的特點(diǎn)。改造之前工頻電源主要采用可控硅作為主要功率元器件，改造后的中頻高壓電源采用4只IGBT作為主要控制回路中的功率元器件。由IGBT逆變橋、諧振電容以及諧振電感組成的串聯(lián)LC諧振逆變電路，逆變成高頻交流電壓組成的主回路安裝在控制柜內(nèi)。變壓器輸出端增加一個(gè)容性負(fù)載，實(shí)現(xiàn)開(kāi)路試驗(yàn)等特點(diǎn)[3]。

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.2.1 中頻基準(zhǔn)占比任意可調(diào)技術(shù)

采用IGBT作為具有串恒流特性中頻除塵高壓電源的主要功率元器件，具有變頻功能。利用原先變壓器與新增控制柜內(nèi)的電容和IGBT組成串聯(lián)LC諧振逆變主回路，由于利用原先變壓器電感參與對(duì)諧振頻率和硅堆整流橋的限制，因此主回路的基準(zhǔn)頻率不宜過(guò)高。利用具有功率MOSFET的高速開(kāi)關(guān)性能和雙極型晶體管的高電壓以及大電流處理能力的半導(dǎo)體元件IGBT，作為串聯(lián)LC諧振逆變主回路的主要功率元器件。具體實(shí)現(xiàn)方法如下，串聯(lián)LC諧振逆變電路共由4只IGBT組成，前端各一只控制主回路的中頻基準(zhǔn)（中頻基準(zhǔn)≤300 Hz），產(chǎn)生圖1中的A和C波形，后端各一只控制主回路的高頻脈沖（高頻控制≤20 kHz），產(chǎn)生圖1中的B和D波形。

圖1 脈沖觸發(fā)控制圖

2.2.2 超大風(fēng)量自然風(fēng)冷降溫特殊風(fēng)道設(shè)計(jì)

具有恒流特性的中頻高壓電源發(fā)熱量有兩部分產(chǎn)生，一部分是IGBT，另一部分是三相整流橋。其中，IGBT是大功率的元器件，其發(fā)熱量主要由兩部分產(chǎn)生，開(kāi)關(guān)損耗由其開(kāi)關(guān)特性決定，與其集-射極間電壓Vce和集電極電流Ic有關(guān)。損耗計(jì)算公式如下所示。

開(kāi)通損耗為：

關(guān)斷損耗為：

式中，Pon為開(kāi)通損耗，Poff為關(guān)斷損耗，ton為開(kāi)通時(shí)間，toff為關(guān)斷時(shí)間，vce(·)為集-射極間電壓，ic(·)為集電極電流。

散熱結(jié)構(gòu)如圖2所示，IGBT固定在鋁板上，在IGBT后面裝一塊散熱片，如圖2中間所示。三相整流橋安裝在IGBT上端，兩者安裝在同一塊散熱片上，集中散熱。散熱片上部和下部分別與進(jìn)風(fēng)喇叭口和出風(fēng)喇叭口相連，增大吸收和吸出的散熱面，增加散熱效果。此外，散熱片底部安裝有強(qiáng)力風(fēng)扇，電源工作時(shí)，啟動(dòng)強(qiáng)力風(fēng)扇（由下往上吹）與外界換熱。通過(guò)上述方法將產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去，從而保證各元器件和柜子的長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱引起各種故障[4]。

圖2 散熱結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 滿載滿頻開(kāi)路保護(hù)技術(shù)

滿載滿頻開(kāi)路保護(hù)技術(shù)利用了恒流源的串聯(lián)LC諧振逆變特性，具有不怕輸出短路和拉弧等特點(diǎn)，但恒流源具怕輸出開(kāi)路。具體實(shí)現(xiàn)方法如下，在具有恒流特性的中頻高壓電源的變壓器輸出端接上一假負(fù)載。假負(fù)載主要由特制電容組成，其中推導(dǎo)公式為：

式中，C為電容，Q為電量，U為電壓，I為電流，T為周期。將式（3）代入式（4）得：

由于高頻電源二次電流輸出類似于正弦波，所以在一個(gè)周期內(nèi)的所需要的時(shí)間通過(guò)積分所得，即：

式中，t0為起始時(shí)間，t1為終止時(shí)間，f為頻率。將式（5）代入式（6）得：

代入相關(guān)的已知電流、電壓、頻率以及周期時(shí)間等，通過(guò)式（7）可得輸出負(fù)載具體電容值。假如二次側(cè)負(fù)載由于某種原因，突然斷開(kāi)U，即突然輸出開(kāi)路，電源由于增加了假負(fù)載，二次側(cè)電壓不會(huì)瞬間升高電壓，且采用32位雙核高速數(shù)字化CPU，采集到相關(guān)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)異常變化，快速實(shí)時(shí)保護(hù)，從而保證了的高壓電源正常運(yùn)行[5]。

2.2.4 控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)和光電隔離抗強(qiáng)電干擾技術(shù)

控制系統(tǒng)由主控制板、接口板以及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接板組成。其中主控制板與驅(qū)動(dòng)板觸發(fā)脈沖信號(hào)通過(guò)光纖連接，使主控板與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接板徹底隔離。主控板上的32位高速CPU驅(qū)動(dòng)原始TCP/IP以太網(wǎng)與外接設(shè)備高速通信。自主設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)部分包含模擬量光耦高速隔離模塊、PWM控制高速隔離模塊以及輸入輸出DI/DO光耦隔離模塊。在閃絡(luò)控制上，硬件上增加二次電流硬件保護(hù)電路，保證了恒流源電源的可靠性和穩(wěn)定性[6]。

軟件部分先采用Proteus仿真和編程驗(yàn)證，樣機(jī)做出來(lái)后，恒流源各功能在實(shí)物上驗(yàn)證，從而大大加快了開(kāi)發(fā)的進(jìn)度[7-10]?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備示意如圖3所示，具有恒流特性的中頻高壓電源更換原工頻電源的控制柜如圖3左邊所示，增加變壓器輸出保護(hù)電路。上述方法具有工作量小，安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備示意圖

3 結(jié) 論

具有恒流特性的中頻高壓電源具有節(jié)約成本、開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)、損耗低以及效率高等特點(diǎn)，而且擁有各種保護(hù)功能，可以做完整開(kāi)路。本產(chǎn)品在高壓電源改造時(shí)，具有改造工作量小和安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，豐富了公司的產(chǎn)品系列，有助于促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，增加財(cái)政收入與就業(yè)機(jī)會(huì)，還可以廣泛運(yùn)用在煙氣工況比較惡劣靜電除塵行業(yè)。