电除尘高频电源的工作原理及应用探讨

(唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063305)

我公司现有11台老式湿式静电除尘器，其主要作用是对石灰窑煅烧出气提供除尘净化，减少反应过程中的粉尘杂质，对我公司CO2压缩设备的运行状况以及产品质量、产量均有着极大的影响。由于其投产使用过早，当时所用电源均为火花跟踪式单相工频电源，这种电源控制简单，使用方便，但也存在电源效率低、变压器体积大、发生闪络后电压回复慢、极端情况下除尘效率低、输出纹波大等缺点。随着功率电子器件大功率化、高频化的发展，为了解决传统静电除尘用电源的体积大、效率低的问题，人们开始提高静电除尘电源的工作频率，使其工作在较高的频率下。使电除尘器除尘效率更高，能耗更低，克服后级电场中微细粉尘收集效率低的问题。在本文中将简要介绍电除尘高频电源的工作原理，与工频电源进行优缺点比较，并结合我公司现有设备探讨其应用前景。

1 电除尘器的工作过程

电除尘器工作过程中主要有气体的电离、粉尘荷电、荷电粉尘收集以及清理四个主要反应步骤。它的主要构成为阴极线、阳极板、清理装置和电除尘器电源四部分。在它的工作过程中，由电除尘器电源对阴极线施加一个稳定的高直流电压，阳极板通过接地处理与阴极线构成了一个高压静电场。气体在通过电场的过程中被电离而气体中的粉尘杂质颗粒荷电之后受电场力作用，向阳极移动，从而被吸附在阳极板上，最后由清理装置清理出电除尘器。由此可见，电除尘器电源所产生的电场直接影响了电除尘器的除尘效果。

一般电除尘电源可分为工频电源和高频电源。在此基础上，根据不同的标准又可细分为可控硅工频电源、恒流源、直流高频电源和脉冲高频电源等多种形式。

2 工频电源介绍

我公司目前11台电除尘器所用电源均为单相可控硅工频电源，属于第一代的电除尘器电源。

2.1 工频电源工作原理

单相可控硅工频电源采用单相380 V交流输入，通过一组晶闸管反并联交流调压后，控制高压变压器网侧交流电压。工频电源的高压线圈串联成一组，经高压硅堆全波整流，输出直流高压。通过改变晶闸管的导通角，使变压器输出电流和电压在额定范围内平滑上升或下降。经单相变压器升压整流实现对电除尘器的供电，其原理如图1所示。

为弥补工况的不足，提高设备运行的稳定性。我公司在后续的改造过程中陆续使用了XYEP-II型智能控制系统和火花跟踪控制。目的是为了通过智能控制系统提高系统抗干扰及通过火花跟踪抑制火花发生时电流冲击倍数。

图1 工频电源工作原理框图

2.2 工频电源工作特点及不足

不可否认，我公司对工频电源的应用在当时的条件下，对CO2气体纯度的提升有着显著的效果，在使用过程中，工频电源具有技术成熟、运行可靠、维护保养简便等诸多优点。但是在今天，面临工艺参数要求越来越高，气体排放的环保标准越来越严格，电除尘电源不断推陈出新的大环境下，工频电源即便增加了XYEP-II型智能控制系统，和火花跟踪控制，其在克服高浓度粉尘电晕封闭和高比电阻反电晕等方面略显不足，功率因素和设备效率也比较低，一旦发生闪络故障时，电压降低明显，同时容易造成连续闪络和拉弧，对电场的稳定造成了极不利的影响，又由于基于50 Hz的工频电压，电场恢复时速度较慢。而且这两种后续改进方案均是着眼于电除尘发生闪络现象，除尘器内部无法维持稳定电场，设备整体效率降低后，如何在较短的时间内对电场进行恢复，并不能做到从根本上避免电场的不稳定，且效果并不十分理想。火花跟踪特性曲线如图2所示。

图2 火花跟踪特性曲线

3 高频电源介绍

因高频电源工作原理基本一致，性能接近，本文仅以浙江金华托菲电器有限公司所生产的ESE-D系列新型高效节能高频高压电源为例进行介绍。

3.1 高频电源工作原理

ESE-D高频电源主要由三相整流滤波电路，IGBT全桥谐振逆变电路，高频高压整流变压器及控制电路组成。高频高压电源原理如图3所示。

高频电源供电方式为纯直流和间歇供电(也叫脉冲控制供电)，控制方式主要采用调频控制，还有部分采用调幅控制。其基本原理是将三相工频低压输入电源，经三相桥式整流电路整流成直流，通过LC滤波后输出520 V直流电源。经经IGBT全桥逆变电路逆变成20 kHz以上的高频电压，然后通过高频变压器升压，经高频整流器进行整流滤波，形成高频直流脉冲电源供给电除尘器电场。图4是在电除尘器负载上得到基本上纯直流(DC)的电压波形图。控制器根据ESP负载的二次电压、电流反馈信号进行自动跟踪控制。

图3 高频高压电源原理框图

图4 高频电源二次电压波形图

3.2 高频电源工作特性

ESE-D电源采用SCR斩波调幅和IGBT调频相结合的调节方式。正常工作时，电源能为电除尘提供一个稳定的20 kHz以上的高频电压，当发生闪络时，由于高频电源的迅速关断和脉冲调节，有效的抑制了电场的连续闪络和拉弧，保持了电场的稳定；电压恢复时，高频电源能直接从高频开始启动，在脉冲调节的作用下，电场恢复时间更快，极短时间内恢复到20 kHz，然后通过调幅系统使二次电压逼近临界电压，能使电场电压迅速达到较高的有效值，提高除尘效率；高频电源功率因数高，在电场所需相同的功率下，可比常规电源更小的输入功率(约20%)，具有节能效果。

4 高频电源的技术优势

1)纯直流供电时，相比于工频电源，高频电源所提供的稳定电场电压值更高，与电除尘器本身的击穿电压值差值更小，有效的提高了电除尘器的平均电压值。从而使电除尘二次电流和除尘效率得到提升。

2)通过间歇方式工作时，高频电源产生一个脉冲式的电压，其脉冲宽度在几百微秒至几毫秒之间。相比于工频电源能够有效提高脉冲峰值电压，增加粉尘荷电能力，克服反电晕，增加了荷电粉尘在向阳极板吸附时的移动速度，从而有效提升电除尘的效率，同时起到了节能降耗的作用。

3)相较于工频电源，高频电源控制方式更具多样性，通过纯直流或是间歇供电方式的选择，可以使电除尘器根据不同的工艺需求和设备情况选择更有利的控制调节方式。

4)相较于工频电源，高频电源的效率和功率因数更高，据数据表明，高频电源的效率和功率因数可达0.93以上。同时基于间歇式供电方式，可以使高频电源做到需要时供电，不需要时停止供电，在同等工作效率的情况下，节能效果较工频电源尤为显著。

5)高频电源可以在微秒级的时间量上停止供电，在电除尘电场产生火花，发生闪络时，可以迅速关断输出，有效的抑制了电火花。同时能在10毫秒的时间内恢复最大功率供电，使高压平均值几乎无下降，相较于工频电源的连续放电闪络，高频电源更能保障电除尘器闪络时的工况稳定。

6)相较于工频电源，高频电源体积小、重量轻。同时高频电源变压器和控制柜一体化，无需敷设高压电缆，无需建造电除尘控制室，节约费用，节省空间。

5 高频电源在我公司的应用前景

我公司11台电除尘均采用单相可控硅工频电源，在未来的生产中，高频电源相较于工频电源更适用于我公司，主要体现在以下四点。

1)工频电源在发生闪络故障时，二次电压明显降低，使得电除尘系统在此阶段不能有效的除尘工作,而高频电源通过脉冲调节机制能有效的避免这种情况发生，且高频电源平均电压值更大，闪络恢复时间更短，除尘效率更高。更换工频电源之后，电除尘器除尘效率预计可提升1%～2.5%左右。

2)我公司11台电除尘器的阴极线和阳极板几乎均为不锈钢圆线和碳钢材质阳极板，这种结构所产生的电场强度较低，除尘效率较低，目前行业趋势为铅锑合金鱼骨阴极线和导电玻璃钢材质阳极板，后者的除尘效率更高但更易造成闪络，工频电源的恢复时间长，对环境要求高，不利于除尘效率的提升，更换高频电源后可有力避免这一问题。

3)高频电源功率因数高，电能利用率高，符合我公司一贯的节能环保的宗旨。以5#电除尘情况为例，额定输入电流Ia=105 A，额定输入电压Ua=380 V，额定输入功率Pa=Ua×Ia=41 kW。使用中的实际输出电流Ib=88 mA，实际输出电压Ub=64 kV，实际输出功率Pb=Ub×Ib=6 kW，额定输出功率Pc为28.8 kW，功率因数为15%～70%。高频电源功率因数高达95%，一台电除尘功率因数可提高25%～80%之间。按25%保守估计计算，5#电除尘一年可节约电费3.95万元，所有电除尘一年可为我公司节约电费43.41万元。

4)对与我公司电除尘后续工序设备压缩机而言，高频电源除尘效率更高，气体含尘量低更低。有效避免了因CO2气体内的粉尘杂质堵塞压缩机气体管道的现象，减少了压缩机的检修周期，保障了设备运行的稳定性。

5)我公司0#～4#共5台电除尘设备电源均在室内，需用高压电缆与电场进行连接，不但不利于检修，且存在高压电缆击穿等安全隐患，更换高频电源可以有效的避免因高压电缆所产生的安全事故，同时降低了检修难度。

综上所述，高频电源更符合我公司现在的实际需要。将电除尘器工频电源更换为高频电源不但更有利于我公司的生产进行，而且更能起到节能降耗，消除安全隐患的目的。

6 结 语

电除尘高频电源发展至今，技术已经越来越成熟。目前就除尘行业而言，电除尘高频电源能提供更稳定的电场，更高的除尘效率，更低的能量损耗，更小的维护成本，这让高频电源的应用已经成为了一种趋势。对于我跟公司而言，取高频电源取代现有的工频电源，能够提高设备的除尘效率，提升电除尘系统稳定性，解决电除尘使用过程中因连续闪络而影响工况的问题，保障了生产稳定，提升CO2气体纯度，同时做到节能降耗减排。符合我公司的电除尘系统实际需要，对我公司对电除尘系统的应用以及我公司的生产都有积极的意义。