CN104065282A - 三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源，由三相工频低压整流器SZ、滤波器CL、三相高频低压逆变器PF、三相高频低压输入/多相高频高压输出变压器PB和多相高频高压整流器PZ所集成，并依次相联接。本发明采用三相高频低压逆变结构PF，可提高高频逆变器效率和可靠性。本发明采用多相升压变压器结构PD，可提高高频变压器效率和安全性。本发明采用多相整流结构PZ，可提高高频整流器效率并降低高次谐波。本发吸具有高功率、高效率、高可靠、低谐波、低材耗和低能耗等特点。

Description

三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源

技术领域

本发明涉及静电除尘集成电源，尤其是涉及一种适宜于大容量高压静电除尘的三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源。

背景技术

随着工业粉尘及废气排放量的日益增加，环境污染状况愈来越严重，特别是冶金、矿山、电力、建材、化工等行业尤为严重。我国是一个产煤大国，也是一个耗煤大国，煤炭占我国能源结构的比重高达70%左右，由此还是一个排放煤粉尘大国。燃煤成为低能效、高污染乃至雾霾重的主要根源之一。应用高压静电除尘装置能够有效地收集尚未扩散的粉尘，目前我国燃煤电厂除尘设备中95％以上已采用高压静电除尘装置。然而，在现有的高压静电除尘装置中普遍采用工频升压整流电源，工频高压电源的火花控制特性很差，花火能量大，电场恢复慢，导致无效除尘时间长，造成电源除尘效率低，而且同一烟道中往往采用至少四级电场(四套电源)依次除尘，才能满足我国烟气污染物排放标准。为此，开发高频高压整流电源是解决工频电源之不足的有效路径，其除尘效率高，电源体积小，电能利用率高，逐渐被业内所认定。但是，目前国内所研制的电除尘用高频高压整流电源，还停留在中小功率阶段，其输出电流普遍偏低，导致电场内的粉尘荷电能力依然偏低，除尘效率尚未得到显著提高。至于倍压整流模式，是在变换器的整流输出环节采用倍压整流技术，从而减小了变压器的升压倍数，使变压器的电压等级降低。电压等级降低了，变压器二次绕组与一次绕组的匝数比减小从而减小了寄生电容。同时，变压器的绝缘设计相对变得比较容易，很大程度上减小了变压器的体积和整个电源系统的重量。然而，倍压整流模式只能在负载较轻的情况下方能正常工作， 对于需要大功率电源的静电除尘等工况下，由于负荷电流较大，倍压整流将会产生电压降，达不到所需求的电压输出，这就限制其倍压级数不能太多，一般多为二级倍压。倍压电路在正常工作状态下，输出电压很稳定，一旦负载出现短路或者负载电场击穿放电（静电除尘）时，倍压整流电路将产生超过正常电流几十倍的浪涌电流，危及电源系统的安全运行。为此，往往在负载端串联限流电阻等加以保护措施。

近年来，伴随着电力电子技术的飞速发展，特别是新一代功率电子器件如IGBT，MOSFET等的应用，高频逆变技术越来越成熟，各种不同类型和特点的电路广泛地被应用于DC/DC与DC/AC等场合。这就为设计制造高频高压整流电源取替常规工频高压整流电源，减小高压电源装置的体积与重量，提高静电除尘系统效率提供了先进的核心器件。其中，高频高压大功率变压器成为电源系统的关键部件，起到高频升压、传递能量、安全隔离和可靠运行等重要作用。因此，高频高压大功率变压器的设计显得尤为重要。三相高压高频大功率变压器的设计不同于传统三相工频大功率变压器，也不同于单相高频高压小功率变压器，更不同于开关电源中常规的低压高频变压器。如图2所示的一种公知的大容量三相工频整流、单相高频逆变与单相高压整流静电除尘器电源由于采用单相高频低压逆变结构DF、单相升压变压器结构DD、单相整流结构DZ，导致高频逆变器、高频变压器和高频整流器效率低，安全性和可靠性差。三相高压高频大功率变压器设计时必须特别考虑高压、高频和大功率工况下变压器内部的电场、磁场和热场。

在国外，从70年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市电整流后逆变为3kHZ左右的中频，然后升压，从而减小变压器体积和重量。进人80年代后，高压开关电源技术迅速发展.德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到20kHZ以上。使变压器的体积和重量进一步缩小。如今，节能减排已成为经济与社会发展的主题，高压静电除尘器以其独特的优势广泛应用于工业粉尘的回收与处理领域。目前，大功率（大于10kW）、高压（大于10kV）、高频（大于20kHz）的AC-DC电源变换器的应用和需求越来越广泛。

国内高频高压整流电源已达80kW，电压大于70kV，频率约为20kHz，且有控制方式灵活、输出高压波形可控、闪络后关闭速度快和重启迅速等优点，成为当今静电除尘电源的主要研究发展方向。但是，仍然存在容量较小、波纹依然较大、运行稳定性较差等问题，远不能满足节能减排的市场需求和技术需要。

今后静电除尘装置的发展趋势是，火力发电厂向“大”发展，众多的热电厂正在拆“小”并“大”，除尘的精度要求愈来愈高，捕捉的尘埃颗粒要求愈来愈小。我国在2011年7月颁布的《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）中规定燃煤电厂烟尘排放浓度限制降低到30 mg／m3的严格要求。目前还严格规定了PM2.5减排指标，将来的趋势还会进一步缩小至PM1.0。为此，节能减排对高压静电除尘装置及其高频高压整流电源的需求趋势，迫切向“大”的方向发展。如大多需要72kV 、2000mA高压直流电源。2004年我国电除尘委员会统计我国电除尘设备年产超过100亿元大关，其中高压电源占1/10～1/8，即10亿元～12.5亿元。但我国电除尘器使用的电源过去和现在基本上都是工频50Hz可控硅相控电源，效率低，输出纹波大，不利于节能减排，消耗大量的铜材和钢铁，不利于可持续发展。

发明内容

本发明针对现有单相高频高压整流装置之不足，提供一种大容量三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源，实施三相工频低压整流→LC滤波→三相高频低压逆变→三相高频低压/多相高频高压变压→多相高频高压整流，为节能减排、特别是大规模静电除尘，提供一种高功率、高效率、高精度、高可靠的静电除尘集成电源。

本发明采用的技术方案是：

三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源，由三相工频低压整流器SZ、滤波器CL、三相高频低压逆变器PF、三相高频低压输入/多相高频高压输出变压器PB和多相高频高压整流器PZ所集成，并依次相联接。

所述的三相高频低压逆变器PF，输出10kHZ～20kHZ及以上三相高频低压交流电。

所述的三相高频低压输入/多相高频高压输出变压器PB采用三相高频低压输入和多相高频高压输出多相输出结构，多相高频高压输出多相输出绕组采用Y形接线结构，使每相绕组的电压降至1/√3；每相绕组采用n个饼式线圈分压结构，使每个线圈的电压降至1/n。

本发明所具有的优点与效果是：

本发明采取三相高频低压逆变、三相高频升压和多相高频高压整流的高效技术路线。

如何提高频高压大功率变压器的可靠性是长期以来静电除尘行业所面临的一个关键技术问题。

由于高频高压变压器采用Δ/Y接线组别且无零线接地点，可消除3和3倍率的高次谐波。

初级为三相低压绕组Δ接法，次级为高压绕组为Y接法。高压绕组的绝缘强度成为核心技术问题。本发明采取两大技术措施：

一是高压绕组采用Y接，可使每相绕组的端电压降低√3倍，即：

Uφ＝Ul/√3＝0.577 Ul ………………………（式1）

式中：

Uφ——高压绕组相电压（V）；

Ul——高压绕组线电压（V），即高频高压变压器额定输出电压（V）。

二是每相高压绕组采用串联饼式线圈，纵向叠式结构，可使每相绕组的端电压降低n倍，即：

Ud＝Ul/√3n＝0.577 Ul /n ……………………（式2）

Ud——高压绕组饼式线圈电压（V）；

n——高压绕组饼式线圈串联个数。

每个饼式线圈的线间绝缘和外部绝缘采用耐高温、耐高压和耐电晕的绝缘材料，形成纵向叠式绕组结构；或者采用环氧树脂分段式骨架绕制而成。

高频升压变压器的铁芯视频率和功率需求不同，可优选高频铁氧体（Hi-Ferrite）、硅钢（Silicon Steel）、坡莫合金（Permalloy）、纳米晶（Nanocrystalline）等软磁材料。

依据谐波次数h的基本公式：

h＝mn±1 ……………………………………（式3）

式中：

m—脉冲数；

n—自然数。

如3相全波整流单元的脉冲数m为6，6±1为5和7，亦即，5次和7次及以下各次谐波都将得到有效抑制；6相全波整流单元的脉冲数m为12，12±1为11和13，亦即，11次和13次及以下各次谐波都将得到有效抑制。

多相整流器采用高频高压二极管均压串联而成；或者采用高频高压整流模块。

本发明三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源，具有以下特点：

（1）在高频逆变器方面，本发明采用三相高频低压逆变结构PF，可提高高频逆变器效率和可靠性。

（2）在高频升压变压器方面，本发明采用多相升压变压器结构PD，可提高高频变压器效率和安全性。

（3）在高频高压整流器方面，本发明采用多相整流结构PZ，可提高高频整流器效率并降低高次谐波。

（4）本发吸具有高功率、高效率、高可靠、低谐波、低材耗和低能耗等特点。

本发明技术规格：

输入电压：3相380V；

输出功率：10kW～200kW；

输出频率：10kHZ～20kHZ；

效 率：≥90%；

电压总谐波：符合国家标准GB/T14549-—93《电能质量公用电网谐波》规定；

变频运行模式：现场手控／远控切换；

远控接口：为PLC、DCS、FCS等控制系统预留模拟和数字接口。

本发明应用领域：

（1）燃煤电厂、热电厂高压静电除尘；

（2）其他工业高压静电除尘；

（3）X光高频高压电源；

（4）其他技术领域高频高压电源。

附图说明

图1为本发明三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源电路原理图；

图2为一种公知的大容量三相工频低压整流、单相高频低压逆变与单相高频高压整流的低效静电除尘电源电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述：

如图1所示，本发明三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源，由三相工频低压整流器SZ、滤波器CL、三相高频低压逆变器PF、三相高频低压输入/多相高频高压输出变压器PB和多相高频高压整流器PZ所集成，并依次相联接。

所述的三相高频低压逆变器PF，输出10kHZ～20kHZ及以上三相高频低压交流电。

所述的三相高频低压输入/多相高频高压输出变压器PB采用三相高频低压输入和多相高频高压输出多相输出结构，多相高频高压输出多相输出绕组采用Y形接线结构，使每相绕组的电压降至1/√3；每相绕组采用n个饼式线圈分压结构，使每个线圈的电压降至1/n。

每个饼式线圈的线间绝缘和外部绝缘采用耐高温、耐高压和耐电晕的绝缘材料，形成纵向叠式绕组结构；或者采用环氧树脂分段式骨架绕制而成。

高频升压变压器的铁芯视频率和功率需求不同，可优选高频铁氧体（Hi-Ferrite）、硅钢（Silicon Steel）、坡莫合金（Permalloy）、纳米晶（Nanocrystalline）等软磁材料。

多相整流器采用高频高压二极管均压串联而成；或者采用高频高压整流模块。

Claims (3)

1.三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源，由三相工频低压整流器SZ、滤波器CL、三相高频低压逆变器PF、三相高频低压输入/多相高频高压输出变压器PB和多相高频高压整流器PZ所集成，并依次相联接。

2.根据权利要求1所述的三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源，其特征在于所述的三相高频低压逆变器PF，输出10kHZ～20kHZ及以上三相高频低压交流电。

3.根据权利要求1所述的三相高频逆变高压整流静电除尘集成电源，其特征在于所述的三相高频低压输入/多相高频高压输出变压器PB采用三相高频低压输入和多相高频高压输出多相输出结构，多相高频高压输出多相输出绕组采用Y形接线结构，使每相绕组的电压降至1/√3；每相绕组采用n个饼式线圈分压结构，使每个线圈的电压降至1/n。