CN102457198A - 电除尘器高压电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电除尘器电场高压直流供电的电除尘器高压电源，包括控制柜、硅整流升压变压器4；控制柜内包括由整流电路1、储能滤波电路2、逆变电路组成的主回路；用于检测电除尘器电场电压、电流、闪络、拉弧，主回路电压、电流，硅整流升压变压器温度和瓦斯检测的信号检测电路5；以及接收信号检测电路5信号的控制电路6，与控制电路6相连接的信号指示电路7和计算机监控电路8，其特征是逆变电路是变频逆变电路3。本发明所提供的电除尘器高压电源有很好的阻抗适应能力，很高的功率因数，并改善了电除尘器的供电特性，能快速的跟踪电场工况的变化，提高了对电除尘器电场工况的响应能力和供电平均电压，提高了电除尘器的除尘效率。

Description

电除尘器高压电源

技术领域

本发明涉及一种电除尘器电场高压直流供电的电除尘器高压电源。

背景技术

目前，公知普遍采用的电除尘器用高压直流电源一般有如下三种，即工频（50/60Hz）可控硅（SCR）高压电源、中频高压电源和高频高压电源。

工频可控硅高压电源是由反并联可控硅、工频（50/60Hz）高压硅整流升压变压器及控制电路等构成。其工作原理是以可控硅器件为调压元件，对单相电源或三相电压进行调压，通过高压硅整流升压变压器升压整流形成直流的高压电压和电流提供给电除尘器的电场。工频可控硅高压电源由于采用固定频率的工频（50/60Hz）移相调压，存在的问题一是为电除尘器电场提供的高压直流电压不平滑脉动大；二是由于工作频率为电网固定的工频频率，在电场拉弧和闪烙时由于可控硅器件在周波内电流过零点之前不能关断，因此缩短封锁时间受到了限制；三是高压硅整流变压器为感性负载，可控硅高压电源的固定工频频率使高压电源的功率因数和电源转换效率很低等问题。

中频高压电源由桥式整流电路、中频固定频率逆变电路和中频高压硅整流升压变压器及控制电路等构成。其工作原理是由桥式整流电路将电网电压整流成直流，通过半导体电力开关如IGBT组成的逆变电路逆变成（频率点为400、500或600 Hz等）频率固定的交流，然后经中频硅整流升压变压器升压整流成直流的高压电压和电流送至电除尘器的电场。中频高压电源虽然功率因数得以提高且输出电压的平滑度得以改善，中频高压电源由于采用固定的中频频率逆变，存在的问题一是在电场拉弧和闪烙时仍须采用停止逆变输出停止向电除尘器电场供电的方法来进行封锁，封锁造成了电场的停电；二是须使用中频固定的频率（400、500或600 Hz等）来设计制造的中频高压硅整流升压变压器；采用中频高压电源对已有电除尘器的高压电源进行改造时就须连同高压硅整流升压变压器一起全部更换，因此对于电除尘器高压电源的升级改造工程来说延长了工期且提高了成本。

高频高压电源由整流电路、高频逆变电路、谐振电路、高频硅整流升压变压器和控制电路等构成。其工作原理是由桥式整流电路将电网电压整流成直流，由半导体电力开关（如IGBT）组成的高频逆变电路和电感电容组成的谐振电路将直流电压逆变成高频（一般为20~50kHz）交流电压，再经高频硅整流升压变压器升压整流成高压的直流电压和电流送至电除尘器的电场。高频高压电源具有较高的功率因数和平滑的高压直流电压输出。但其存在的问题一是须采用特别设计的采用高频磁性材料的高频硅整流升压变压器；二是由于其工作在高频，高频的电能传输衰减大，因而全套的设备须组装在一个封闭的油箱内，须电除尘器现场户外（一般在电除尘器的顶部）安装，因此可靠性下降且现场维护检修变得很困难；并且，在已有电除尘器的高压电源升级改造项目中须拆除报废原有的高压电源，延长了改造工期且增加了工程成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有电除尘器高压电源存在的问题，提供一种有较高的功率因数和高转化效率、电除尘器电场能得到平滑的电压和电流、能有效的抑制电场的闪烙和拉弧、能和高压硅整流升压变压器进行阻抗适配、具有高可靠性和维护方便的电除尘器高压电源。

本发明通过下述技术解决方案实现：电除尘器高压电源，包括控制柜、硅整流升压变压器；控制柜内包括由整流电路、储能滤波电路、逆变电路组成的主回路；用于检测电除尘器电场电压、电流、闪络、拉弧，主回路电压、电流，硅整流升压变压器温度和瓦斯检测的信号检测电路；以及接收信号检测电路信号的控制电路，与控制电路相连接的信号指示电路和计算机监控电路，逆变电路是变频逆变电路，变频逆变电路按脉冲宽度调制变频逆变输出频率变化的交流电压和电流，硅整流升压变压器的输入为频率变化的交流电压和电流，经硅整流升压变压器升压后得到频率变化的高压的交流电压和电流，其整流后的输出为高压的直流电压和电流。

所述电除尘器高压电源，变频逆变电路是由电力半导体开关（如IGBT）等组成的逆变器（如H形全桥逆变器），变频逆变电路输出频率变化的交流电压和电流，其变化的频率具有一个频段（频率变化的范围），频段为设计工作频率的10%～1000%。

所述的电除尘器高压电源，变频逆变电路输出的交流电压和电流的频率还在频段内具有一个稳态工作的频点，该频点为硅整流升压变压器的设计工作频率（如工频50Hz、中低频100或200Hz、中频400Hz或600Hz、中高频800Hz）或1000Hz或1200Hz等）。

所述的电除尘器高压电源，在变频逆变电路输出频率变化的交流电压和电流时，硅整流升压变压器可以得到变化的阻抗，其阻抗的变化范围为硅整流升压变压器设计阻抗的10%～1000%。

所述的电除尘器高压电源，在阻抗变化的范围内对应稳态工作的频点，还具有一个稳态工作阻抗值，为其设计工作频率对应的设计阻抗。

所述电除尘器高压电源中各电路的作用：整流电路将电网提供的交流电压和电流整流成直流的电压和电流；储能滤波电路将整流后的直流电压和电流进行滤波储能后为变频逆变电路提供平滑的直流电压和电流；变频逆变电路的工作任务是完成频率变化的逆变交流输出，逆变频率是根据电除尘器电场的工况而变化的，是电除尘器电场电压、电流、电压的变化率及电流的变化率的运算结果，即逆变频率是跟随电除尘器电场的工况变化是动态变化的；硅整流升压变压器将逆变电路输出的频率变化的交流电压和电流升压整流成高压直流电压和电流；信号检测电路的作用是对电场的电压、电流、闪烙和拉弧进行检测，将检测到的信号提供给控制电路；控制电路的功能是完成电除尘器变频高压电源的各种算法和控制功能；信号指示电路及计算机监控电路的功能是实现信号的显示和指示、控制参数设置等。

本发明所述的电除尘器高压电源的工作过程：主回路方面，电网的交流电压电流由整流电路整流成脉动的直流电压和电流；脉动的直流电压和电流由储能滤波电路进行滤波和储能后形成平滑的直流电压和电流送至变频逆变电路；变频逆变电路将平滑的直流电压和电流进行逆变，形成频率根据电除尘器电场工况变化的交流电压和电流；再由硅整流升压变压器将变频逆变完成的频率变化的交流电压和电流升压并整流成电除尘器电场所需求的高压的直流电压和电流送至电除尘器电场。电除尘器高压电源根据电场高压直流电压电流的变化实时动态的调节变频逆变电路输出的的交流电压和电流的频率，实时动态的调节硅整流升压变压器的阻抗。控制回路方面，信号检测电路实时的对电场的电压、电流、闪烙和拉弧进行检测，将检测到的信号提供给控制电路；控制电路根据信号检测电路的实时数据进行运算，输出变频逆变电路的控制信号而实现逆变电路的变频逆变的交流输出；控制电路的通信控制功能还将电除尘器高压电源和上位计算机系统相连，实现向上位计算机系统传送电除尘器高压电源的工作参数；控制电路还和电除尘器高压电源的人机接口相连，实现控制参数的设置及工作状况参数的指示和显示。

本发明的有益效果如下。

1、本发明所提供的电除尘器高压电源改善了电除尘器的供电特性，提高了电除尘器电场的供电平均电压，提高了电除尘器的除尘效率。相对于传统的工频可控硅（SCR）高压电源，本发明所涉及的电除尘器高压电源的变频逆变电路按正弦脉冲宽度调制（SPWM）变频逆变输出，硅整流升压变压器的输入为完整的正弦交流调制波电压，其二次侧高压交流输出也为完整的正弦波交流电压，高压交流有效值得以提高，因此提高了电除尘器电场的平均电压，使电除尘器的效率得以提高；并且，本发明的交流高压整流后的直流高压电压减少了脉动，电除尘器电场得到的是平滑的直流，提高了电场电晕放电的稳定性，可以有效的避免由于电场高压直流电压波动而引起电场击穿后的闪烙和强烈拉弧，不仅提高除尘效率，还具有良好的节能效果。

2、本发明所提供的电除尘器高压电源能快速的跟踪电场工况的变化，提高了对电除尘器电场工况的响应能力。本发明对电除尘器电场工况进行实时检测，在电除尘器电场工况变化时本发明能及时的调整变频逆变电路的逆变频率和逆变调制脉冲宽度，适时的调节输出直流高压电压，快速的跟踪电场工况波动时电场内电晕放电的强度变化，取得最佳的电晕放电效果。

3、本发明所提供的电除尘器高压电源有很好的阻抗适应能力。根据硅整流升压变压器的阻抗控制变频逆变电路的逆变输出频率，使本发明的各部分电路处于阻抗的最佳匹配状态。因此，本发明不仅适用于新建的电除尘器以提高除尘效率和提高能效，而且还特别适合已有电除尘器的高压电源的改造升级以达到提高除尘效率和降低能耗。在已有电除尘器的高压电源的改造升级项目中，本发明通过和原有高压电源硅整流升压变压器的阻抗相匹配，可以使本发明工作在频段内最佳的频率以获得最好的除尘效果、适应电除尘器工况的波动且达到节能的目的。因此，在已有电除尘器的高压电源的改造升级项目中，可以保留并利用原有的硅整流升压变压器，可以达到节省费用和缩短工期的效果。

4、本发明所提供的电除尘器高压电源具有很高的功率因数。

附图说明

图1 电除尘器高压电源的电路原理框图。

图2 控制柜内整流电路、储能滤波电路、变频逆变电路原理图。

图3 硅整流升压变压器电路原理图。

图4 控制柜正面图。

图5 控制柜内部布置图。

图中1. 整流电路，2. 储能滤波电路，3. 变频逆变电路，4. 硅整流升压变压器，5. 信号检测电路，6. 控制电路，7.计算机监控电路，8. 上位计算机系统，9.电除尘器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

电除尘器高压电源，包括控制柜、硅整流升压变压器4；控制柜内包括由整流电路1、储能滤波电路2、变频逆变电路3组成的主回路；用于检测电除尘器电场电压、电流、闪络、拉弧，主回路电压、电流，硅整流升压变压器温度和瓦斯检测的信号检测电路5；以及接收信号检测电路5信号的控制电路6，与控制电路6相连接的信号指示电路7和计算机监控电路8。变频逆变电路3输出频率变化的交流电压和电流，硅整流升压变压器4的输入为频率变化的交流电压和电流，硅整流升压变压器4升压后得到频率变化的高压的交流电压和电流，其整流后的输出为高压的直流电压和电流。变频逆变电路3输出的频率变化的交流电压和电流具有一个频段，频段为设计工作频率的10%～1000%。变频逆变电路3输出的频率变化的交流电压和电流在频段内有一个稳态工作频点，频点为设计工作频率。变频逆变电路3输出的频率变化的交流电压和电流，硅整流升压变压器4得到变化的阻抗，阻抗的变化范围为设计阻抗的10%～1000%。在阻抗变化的范围内有一个稳态工作阻抗值，与稳态工作频点相对应。

图1中的信号检测电路5由电网交流电压和电流检测器件VAC和IAC、整流电路1（REC）的直流输出直流母线回路的电压和电流检测器件VDC和IDC、变频逆变电路3（INV）的交流输出的电压和电流检测器件VINV和IINV、硅整流升压变压器4（HVT）的温度和瓦斯检测器件TTR和GTR、电除尘器9（ESP）的电场电压电流检测器件VD和ID等组成。

在图1中，电网的交流电压电流由整流电路1（REC）整流成脉动的直流电压和电流；脉动的直流电压和电流由储能滤波电路2（C）进行滤波和储能后形成平滑的直流电压和电流送至变频逆变电路3（INV）；变频逆变电路3（INV）将平滑的直流电压和电流进行逆变，形成频率根据电除尘器9（ESP）电场工况变化的交流电压和电流；再由硅整流升压变压器4（HVT）将变频逆变完成的频率变化的交流电压和电流升压并整流成电除尘器9（ESP）电场所需求的高压的直流电压和电流送至电除尘器9（ESP）的电场；信号检测电路5实时的对电场的电压、电流、闪烙和拉弧进行检测，将检测到的信号提供给控制电路6（CON）；控制电路6（CON）根据信号检测电路5的实时数据进行运算，输出变频逆变电路3（INV）的控制信号而实现变频逆变电路3（INV）的变频逆变交流的输出；控制电路6（CON）的通信控制功能和上位计算机系统8（IPC）相连，实现向上位计算机系统8（IPC）进行工作参数的相互传送；控制电路6（CON）还连接有计算机监控电路7（HMI），实现控制参数的设置及工作状况参数的指示和显示。

在图2中，整流电路1（REC）的整流器件RECLV由整流二极管D11~D16组成或由整流模块构成。储能滤波电路2（C）由电容器C1、C2、C3、C4等电容器构成。变频逆变电路3（INV）由双极型绝缘栅场效应管IGBT1~IGBT4等电力半导体开关模块组成。

在图3中，硅整流升压变压器4（HVT）主要由升压变压器TR、高压交流整流电路RECHV等组成；高压交流整流电路RECHV由TD1~TD4高压整流二极管构成；在硅整流升压变压器4（HVT）还包括有信号检测电路5中的硅整流升压变压器4（HVT）的温度检测器件TTR、瓦斯检测GTR的上限GTRH和下限GTRL的检测器件、电除尘器9（ESP）的电场电压电流检测器件VD和ID等。

信号检测电路5包括有由电阻网络所构成的整流电路1（REC）将交流整流成直流后的电压VIDC表和电流IIDC指示电路、由电压变送器HLVDC和电流变送器HLIDC构成的VDC和IDC、由电压变送器HLVAC和电流变送器HLIAC构成的变频逆变电路3（INV）变频逆变输出的频率跟随电除尘器9（ESP）的电场工况而变化的交流电压和电流VINV和IINV等。

整流电路1（REC）的整流器件RECLV可以由整流二极管、或单相、两相、三相或多相整流模块组成，其规格可以根据本发明的输出功率确定。储能滤波电路2（C）电容器的电容量根据变频逆变电路3（INV）对直流回路的文波要求和整流电路1（REC）输出的直流电压幅值确定。变频逆变电路3（INV）可以采用单相、两相、三相或多相变频逆变，由电力半导体开关模块组成；既可以采用单开关模块组合而成，也可以采用成对开关封装的模块构成；其规格可以按照本发明的输出功率参数确定。硅整流升压变压器4（HVT）的规格参数按照电除尘器9（ESP）的电场参数确定。

控制电路6（CON）可以选择由MCU或DSP等集成电路构成。计算机监控电路7（HMI）可以选择采用触摸屏、LCD监控装置和平板电脑等所构成。上位计算机系统8（IPC）和控制电路6（CON）的通信控制端口连接，选择和控制电路6（CON）通信协议相符的计算机监控设备即可。

在图2所示的电路原理图中，电网交流电源经开关QF1进入由整流二极管模块D11~D16构成的整流电路1（REC）被整流成直流的电压和电流。整流电路1（REC）输出的直流电压和电流由电容器C1、C2、C3、C4等构成的储能滤波电路2（C）所滤波储能后变成平滑的直流电压和电流。在整流电路（1）REC和储能滤波电路（2）C所构成的直流回路中还包括有信号检测电路5的一些信号检测元件，其中由电阻网络所构成的直流电压表VIDC及电流表IIDC；由电压电流变送器HL1和HL2构成的直流电压电流检测器件VDC和IDC，其信号提供给控制电路6（CON）。平滑的直流电压电流由IGBT1~IGBT4等电力半导体开关构成的变频逆变电路3（INV）变频逆变成频率随电除尘器9（ESP）电场工况而变化的交流电压和电流。随变频逆变电路3（INV）还配置有信号检测电路5的THS、VINV和IINV等检测器件，其中THS为变频逆变电路3（INV）的温度检测器件，用于控制电路6（CON）监视变频逆变电路（3）INV的发热状况；VINV和IINV检测器件为变频逆变电路3（INV）变频逆变输出的交流电压和电流的检测元件，用于控制电路6（CON）监视变频逆变电路3（INV）的变频逆变输出。

在图3所示的电路原理图中，由变频逆变电路3（INV）变频逆变成频率随电除尘器9（ESP）电场工况而变化的交流电压和电流进入硅整流升压变压器4（HVT）；通过硅整流升压变压器4（HVT）内升压变压器TR的升压形成频率随电除尘器9（ESP）电场工况而变化的高压交流电压和电流；频率变化的高压交流电压和电流经硅整流升压变压器4（HVT）内由TD1~TD4所构成的整流电路RECHV整流后得到高压的直流电压和电流；高压的直流电压和电流经限流电阻R提供给电除尘器9（ESP）。配套硅整流升压变压器4（HVT），信号检测电路5配置有温度检测器件TTR、瓦斯检测GTR的上限GTRH和下限GTRL的检测器件、电除尘器9（ESP）的电场电压电流检测器件VD和ID等，它们的信号均进入控制电路6（CON），其中，电除尘器9（ESP）的电场电压电流检测器件VD和ID由R1-kV、R2-kV和R-mA所组成的电阻网络所构成；检测器件TTR用于硅整流升压变压器4（HVT）的工作温度检测，瓦斯检测GTR采用瓦斯传感器，瓦斯传感器GTR设置上限（重瓦斯）GTRH和下限（轻瓦斯）GTRL检测，用于硅整流升压变压器4（HVT）运行期间的瓦斯检测和保护。

在图4、图5所示的控制柜组装示意图中，整流电路1（REC）、储能滤波电路2（C）、变频逆变电路3（INV）、信号检测电路5、控制电路6（CON）、计算机监控电路7（HMI）等安装布置在一个控制柜内。控制柜和硅整流变压器4分开安装，控制柜既可以在室内安装，也可以在电除尘器现场硅整流变压器4就近处安装；硅整流升压变压器4既可以在电除尘器现场顶部安装，也可以在远离电除尘器安装，通过高压电缆和电除尘器电场连接。  

Claims (5)

1.电除尘器高压电源，包括控制柜、硅整流升压变压器（4）；控制柜内包括由整流电路（1）、储能滤波电路（2）、逆变电路组成的主回路；用于检测电除尘器电场电压、电流、闪络、拉弧，主回路电压、电流，硅整流升压变压器温度和瓦斯检测的信号检测电路（5）；以及接收信号检测电路（5）信号的控制电路（6），与控制电路（6）相连接的信号指示电路（7）和计算机监控电路（8），其特征是逆变电路是变频逆变电路（3），变频逆变电路（3）输出频率变化的交流电压和电流，硅整流升压变压器（4）的输入为频率变化的交流电压和电流，硅整流升压变压器（4）升压后得到频率变化的高压交流电压和电流，其整流后的输出为高压的直流电压和电流。

2.如权利要求1所述的电除尘器高压电源，其特征是变频逆变电路（3）输出的频率变化的交流电压和电流具有一个频段，频段为设计工作频率的10%～1000%。

3.如权利要求2所述的电除尘器高压电源，其特征是变频逆变电路（3）输出的频率变化的交流电压和电流在频段内有一个稳态工作频点，频点为设计工作频率。

4.如权利要求2所述的电除尘器高压电源，其特征是变频逆变电路（3）输出的频率变化的交流电压和电流，硅整流升压变压器（4）得到变化的阻抗，阻抗的变化范围为设计阻抗的10%～1000%。

5.如权利要求3和4所述的电除尘器高压电源，其特征是在阻抗变化的范围内有一个稳态工作阻抗值，与稳态工作频点相对应。

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