应用分析
Application Analysis
和电力行业应用十分广泛。但是，电除尘器是一个电阻和电 容并联的阻容性负载，而且电容份额很大，有的电除尘器达 到了 115nF，电阻相对很大，而且变化范围更大，从几 10kΩ 变到几 MΩ。這些电路拓扑对电除尘器的高压电容负载性质 不太适应。上世纪 90 年代和本世纪发展的电感电容谐振软开 关技术对电除尘器比较适应，于是 LC 串联谐振电路、LCC 谐 振电路、LLC 谐振电路等都应用到了电除尘器高频高压电源 中，形成了电除尘器电源的第二个里程碑。
（2）第二种型式是采用贮能式原理，由贮能电容、谐振 电感和电除尘器电容组成的串联谐振电路产生脉冲。在脉冲 期间未被电除尘器耗用的脉冲能量，通过反馈二极管回送到 贮能电容贮存起来，以供给下一个脉冲使用，因此，具有显 著的节能优点。这种供电装置有两种：一种是有脉冲变压器， 其谐振电感就是脉冲变压器的漏感，图 2 是其原理线路；另 一种是没有脉冲变压器，直接将功率开关管链放在高压侧， 谐振电感和贮能电容也都在高压侧，其原理电路如图 3 所示。 贮能式电路的典型参数是：脉冲宽度 100µs，脉冲重复频率 25pps~400pps，基础直流电压 40kV，脉冲电压幅度 70kV。
应用分析
Application Analysis
脉冲电源——电除尘电源的第三个里程碑
Pulse Power ——The Third Milestone of ESP Power
张谷勋 , 武汉国测数字电源有限公司（武汉，430074） Zhang Guxun, Wuhan Guoce Digital Power Co.CTD ( Wuhan, 430074) 摘 要： 作者从我国电除尘高压电源的发展历史出发，提出了电除尘器（ESP）高压电源关于“工频、高频、脉冲电源”3 个里 程碑的思想。重点讨论了脉冲高压电源的要求，典型电路及设计 , 供电优点和展望。文章可供从事电除尘事业的科技人员和从事 电力电子技术的工作者探讨。 关键词：电除尘器 工频电源 高频电源 脉冲电源 反电晕 Abstract ： In the history of our country from the ESP’s high voltage power supply starting author proposed ESP’s high-voltage power thinking of the " power frequency, high frequency, pulse power” three milestones. Focused on the high-voltage pulse power requirements , a typical circuit and design, supply advantages and prospects . Article available in the ESP career scientists and in the power electronics technology workers to explore the energy conservation staff. Keyword: ESP, Power- frequency power, High-frequency power, Pulse power, Back corona ［中图分类号］TN86 ［文献标识码］ A 文章编号：1561-0349（2015）12-0042-07
节能减排指标的提高极大地刺激了高频电源的发展。2003 年武汉国测数字电源有限公司率先研制出 400mA/80kV 电除 尘高频电源，并通过了湖北省科技厅组织的专家委员会的技 术鉴定。之后研制的 800mA/72kV 高频电源在浙江海宁马桥 大都市热电公司和浙江嘉爱斯热电公司的应用中，运行稳定 可靠，节电 70% 以上，减少粉尘排放 33%，在不改变电除尘 器本体的条件下，仅将工频电源替换为高频电源，就达到当 时的 50mg/m³ 的粉尘排放标准。
随着社会的进步和人民生活水平的提高，要求经济结构 进行调整，实现资源节约型和环境友好型的生产方式，节能 减排的指标也在日益提高。比如，上世纪 90 年代末燃煤电厂 粉尘排放标准是 200mg/m³ 以下、2004 年提高到 50mg/m³ 以下、 2014 年提高到 30mg/m³ 以下、2020 年有可能提高到 10mg/m³ 以下。近年来对细微颗粒 PM2.5 的排放也提出了更高的要求， 节能指标也都下到了各个燃煤电厂。
LC 谐振电路技术的发展也为脉冲电源的发展提供了电路 基础，为今后实现第三个里程碑创造了条件。
电除尘器高压电源从工频电源发展到高频电源，再继续 发展到脉冲电源，与数字技术、网络技术以及检测技术的发 展也是密切相关的。比如：从上世纪 80 年代的 51 系列单片 机发展到现在的 FPGA 数字信号处理器，就非常有利于高频 电源和脉冲电源控制器的实现；霍尔电流传感器的高频性能 和对大电流的检测能力，也是高频电源和脉冲电源不可缺少 的。 2.3 节能减排指标的日益提高是电除尘器电源不歇发展 的动力
3 电除尘器对脉冲电源的要求
3.1 收尘场强和电晕场强用两个电源实现
电除尘器除尘效率公式为：
−- Aω
η = 1-e Q
(1)
式中：η ——电除尘效率，%；
Q——处理烟气量，m³/s；
A——电除尘器极板面积，㎡；
ω——浮尘驱进速度，m/s 。
其中 ω 表示为：
ω = 2 / 3* εoα * Eq * Ep
90 年代，绝缘栅大功率晶体管 IGBT 技术得到了长足发展， 这为本世纪初高频电源的诞生和发展准备了开关功率器件。 SCR 工作频率低，不能自关断，很难实现高频化。IGBT 工作 频率高，可以自关断，自然成了高频电源的首选器件。本世纪 过去的 10 几年，IGBT 的制造技术在不断进步，1500A/3300V IGBT 已经商品化，为制作脉冲功率为几 10MVA 的脉冲高压 电源提供了开关器件，为第三个里程碑——脉冲电源的发展 奠定了物质基础。 2.2 电力电子电路拓扑以及数字、网络、检测技术的发 展促进了 3 个里程碑的形成
(2)
μ
式中：εο、α、 µ——是一些常数； Eq——电晕场强； Ep——收尘场强 。
电晕场强和收尘场强愈大，粉尘驱进速度 ω 就愈大，收
尘效率就愈高，因此希望 Eq 和 Ep 尽可能大。但是，这里有
两个问题：一是电晕场强太大时容易产生火花放电，也会达到饱和，再提高
（2）脉冲电流 100A ～ 500A （3）脉冲宽度 75µs~120µs，由电路谐振参数决定。 （4）脉冲重复频率 25pps~400pps 可调，由控制器调节， 以达到最佳电晕效果、实现除尘效率最高为标准。 3.3.3 基础直流电压和单向脉冲电压均为负压，串联耦合 输出给电除尘器供电。
3.3.4 输出电压波形 输出电压波形如图 1 所示。
场强，只会浪费能量，而且也会带来火花放电。
如果能将产生电晕场强和收尘场强的两个高压电源 Vq 和
Vp 分开 , 让收尘电压 Vp 是直流电压 , 电平达到收尘效果即可 ,
让电晕电压成为脉冲电压，脉冲宽度很窄，幅度却很高，重
复频率很低，这样就解决了上述矛盾。既能实现高的除尘效率，
又能大幅节能，还可实现低的火花率，同时还由于收尘电压
相控稳压电源技术从上世纪 60 年代至 80 年代发展已经 相当成熟，将此技术应用到电除尘电源中形成了第一个里程 碑——工频可控整流电源。当时，开关电源技术正在发展， 各种开关电路，单端、推挽、半桥、全桥式电路层出不穷， 全桥移相谐振软开关技术在 90 年代也已十分成熟了，在通讯
42 | The World of Power Supply Dec 2015
Vp 平常仅维持低的电晕。通过调整脉冲电压参数，可防止高
比电阻粉尘可能出现的反电晕。
3.2 脉冲电源以几 100 安培的脉冲电流给电除尘器充电
电除尘器是相当于电阻电容并联的电容性负载，对于大
的电除尘器来说，CF 接近 0.115µF。假定电容 CF 以 LC 串联 谐振方式充电 , 脉冲电流是正弦波，脉冲电压是偏向负压边的
高频电源在电除尘器上的使用 , 对燃煤电厂、钢铁、冶金、 水泥、化工等领域的节能减排做出了卓越的贡献，其成绩有 目共睹，已得到用户的普遍认同。
粉尘排放标准要求实现 30mg/m³ 甚至 10mg/m³ 以下的指 标，仅靠高频电源或者高频电源中的间歇供电是不够的，而 且采用直流供电模式，不管是工频电源还是高频电源，对高 比电阻粉尘的反电晕都是无能为力的。采用脉冲电源实现对 电除尘器的大电流充电，将十分有利于加大电晕，不产生反 电晕，实现 10mg/m³ 的粉尘排放指标和 PM2.5 的排放指标， 同时还可大幅度节能。
工频可控整流电源因为工作频率低，电除尘器电容电压
上升率很低，仅有几 kv/ms。高频电源虽然工作频率高，但由
于充电电流小，电压上升率虽然有了一定提高，但上升到电
晕电压仍然是 ms 级。脉冲电源的充电电流为工频电源和高频
电源的几 10 ～几 100 倍，电除尘器电压上升率达每几 kv/µs，
脉冲电源的脉冲功率几 10MVA，这就是电除尘器 3 种充电电
2 3 个里程碑的形成是电力电子技术的发展和 节能减排标准提高的共同结果
2.1 电除尘器高压电源技术与功率半导体器件技术相伴 发展
电 除 尘 器 高 压 电 源 在 上 世 纪 80 年 代 大 都 是 400mA/80KV ～ 2000mA/80KV，功率是 100kW 量级，当时的
大功率器件只有电流过零关断器件可控硅 SCR 能胜任，自关 断器件晶体管和 IGBT 都未发展到这个功率量级。因此，采用 可控硅做功率器件的工频电源应运而生，成为电除尘器的首 选电源。一开始是两相即单相工频电源，后来发展了三相工 频电源。
流器，产生基础直流电压，在此基础上叠加高压脉冲。 图 2 有脉冲变压器的贮能式脉冲电源