电除尘器高频脉冲电源及控制系统Word文件下载.docx

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项目负责人：

徐志科

项目周期：

2015年1月~2017年12月

东南大学

江苏一品环保科技有限公司

2018年6月20日

一、项目概况

（一）项目背景与意义

电除尘器因其除尘效率高，运行和维护费用低廉，而广泛地使用于电力、冶金、石化、建材、机械、医药等行业中各种工业窑炉烟尘治理。

它是典型的机电一体化设备，由机械本体和电气控制两部分构成。

电除尘器电气控制系统的主要功能是为除尘器本体提供建立收尘静电场用的直流高压和对电除尘器辅助电气设备进行控制和保护。

多年的电除尘理论研究和实践运行经验表明，电除尘器电气控制系统的供电及控制特性对电除尘器的性能有着重要影响，电气控制系统的工作状况必须时刻适应除尘工况的变化，才能保证电除尘器始终工作在最佳的状态下。

例如在高粉尘浓度工况下，提供幅值尽可能高的纯直流电压，将大大改善电除尘器的除尘效果，而在普通工况和高比电阻粉尘工况下，提供具有特定幅度和周期的脉冲供电波形，将会获得良好的节能运行效果和除尘效果。

正是由于电除尘器实际运行过程中除尘工况的复杂性，使电除尘器电源技术理念大大区别于其他领域使用的电源技术。

因此，开发能够更好的适应电除尘器复杂的运行工况，保证电除尘器的运行效果的新型电源技术，客观上成为推动电除尘器电源技术发展的直接技术动力。

在我国，从2004年1月1日起，GB13223-2003《火电厂大气污染物排放标准》已经正式颁布实施，新标准对于已经建成投运和尚未建成的火电厂烟尘排放浓度有了更加严格的要求，这对以电力行业为主要市场的电除尘行业，带来的新的挑战和机遇。

对于新建火电工程，为了满足新标准的要求，必然要提高电除尘器本体的设计裕度，这直接导致了设备和工程造价的提高。

对于已投运电除尘器，如何克服设备场地等不利因素影响，制定合理的技术改造方案，使电除尘器实现达标排放。

这些都成为整个行业共同关心和急待解决的问题。

对于占电厂厂用电约6%左右的电除尘器来说，如何降低其能耗也是各个电除尘器电源厂家所关心的问题。

因此，开发新的电除尘器电源技术，通过电源供电技术的改进，充分挖掘现有电除尘器本体设备的潜力并最大程度的降低电除尘的能耗，将具有重大的现实意义和经济意义。

电除尘运行过程中，用于高压收尘的电耗可分为三类，一是用于粉尘的荷电与捕集的电能，称为“有效”电能；

二是对粉尘的荷电与捕集起破坏作用的电能，称“反效”电能，如反电晕、二次扬尘等；

三是介于上述两者之间，即不有利也不有害的电能称为“无效”电能，如电晕放电过程中，没有用于粉尘的荷电与捕集的多余电荷等，这部分属于浪费的电能亦称“浪费”电能。

电除尘过程中，有效、反效、无效电能是交织在一起的，实际上，在总的电能消耗中，有效电能很少，反效和无效电能占绝大部分，通过先进的技术措施，提高有效电能比例，降低反效与无效电能比例，则可使电除尘器在原有基础上达到进一步提高除尘效率降低烟尘排放浓度，并同时降低电能消耗之目的。

在理论分析及借鉴国内外先进经验的基础上研究发现，“特定脉冲性”的供电波形能够大幅度降低电除尘器的运行电耗，提高除尘效率。

将IGBT高频开关逆变整流技术应用在电除尘器的供电控制中，与传统的可控硅调压型电源相比，可以实现对电除尘电源输出波形和周期等参数的大范围调节，在提高电除尘器除尘效率的同时，实现电除尘的节能运行。

（二）主要研究内容与考核目标

本项目为东南大学与江苏一品环保科技有限公司合作承担的产学研前瞻性研究项目，主要是立足于行业和企业的重大发展需要，开展电除尘器高频脉冲电源的基础研究和关键技术研究，为新产品的研发打下良好基础。

1、项目主要研究内容

1）研究三相全桥交流整流技术，选择合适的三相整流桥及相关滤波电路将输入的380伏交流电整流得到540V稳定的直流电压，对整流桥电路及滤波电路进行仿真，保证整流滤波后得到稳定的直流电压输出。

2）研究调幅技术，根据实际情况选定用于调整的IGBT器件及配套电路的电气参数及型号，通过电路理论仿真，确定进行调整的前提和调整的幅度，初步确定调整策略；

通过软件控制采样的速度和精度，进行电路实验，验证调整的效果是否可以达到预期目标，根据实验结果反复修正控制策略，直到满足预期目标为止；

研究IGBT保护参数，并做好必须的电磁兼容处理，增强软件的适应性和自恢复性。

3）以多处理器为核心的进行高频逆变控制研究，通过触发IGBT的高频逆变控制，实现占空比和幅度比的调节，并对工作状态进行采样分析判断、对故障进行判断与处理；

研究IGBT驱动信号的稳定性，找出影响稳定性的关键点，实现IGBT的可靠驱动，保证逆变的可靠；

通过二次信号的采样，对电除尘器的工作状态进行分析判断，在完成火花判别的同时，对电除尘器工作状况进行分析，在条件允许的前提下进行自动闭环调节。

4）研究高频升压变压器技术，高频升压变压器承担着将高频低压转换成高频高压并供给电除尘器的任务，建立变压器仿真模型，研究不同材料及工艺对变压器性能影响，根据仿真模型，优化变压器参数。

研究高频信号在远距离传递的过程中趋肤效应及电磁辐射等问题，建立仿真模型，提高功率输送的可靠性及效率。

5）研究闭环优化控制技术，根据电参量及其变化趋势，对电除尘器的工作状态做出分析判断，并根据工况进行实时调整。

2、考核目标

本项目目标研制高频高压电源，并达到如下性能指标：

1）直流高压输出电压：

72kV

2）直流高压输出电流：

1A

3）电流调节范围：

90%到110%额定，调节细度0.1%额定。

4）保护功能：

输入过流，输出短路，输出开路，变压器油温，IGBT温度等。

5）低压控制：

基本单元8路低压控制，可扩展为16路，包括电流测量，故障判断及保护。

6）通讯功能：

标准RS485通讯接口，CAN总线、工业以太网、MODEM、RS232接口等可选。

二、项目实施情况

本项目以东南大学教授和博士生为主要研究人员，多年来一直致力于电力电子、高频电源、伺服驱动等方面的科研工作，项目以高频开关逆变整流技术为基础，结合电除尘闭环优化控制技术，与现有常规电源相比，在进一步节能的基础上，平均降低电除尘器的出口粉尘排放10%-30%。

项目参与人员共11人，分工明确，各司其职，定期召开项目分析、总结交流会，推进项目的顺利实施。

（一）项目过程中所做的主要工作

本项目研制了静电除尘高频脉冲电源，研制其主电路拓扑结构，研究了三相桥式整流电路的预充电方式，完成了功率器件的选型。

设计了控制系统的电源结构、信号调理电路、DSP的最小系统和外围电路，以及IGBT驱动电路。

设计了基于FPGA的过流保护电路和基于MSP430的多路测温保护电路，提高了静电除尘电源工作的可靠性。

实现了两种SPWM调制方式，并将实验波形和仿真波形进行比较论证。

研究了中频静电除尘电源的闪络保护方式和闪络控制方式。

实现了Modbus通信协议在控制芯片DSP和MSP430中的移植。

项目采用实验的方法给出了高频电源的等效二阶数学模型，采用经典控制理论设计PI调节器，利用PLECS对设计结果进行了仿真验证。

基于TI公司的TMS320F28335设计了一个最小控制系统，作为电除尘电源的主控制器，并利用CPLD设计了硬件保护逻辑电路，提高了系统保护的可靠性与快速性。

项目在现有电源的基础上直流叠加百微秒级高压脉冲的主电路拓扑，详细分析其工作原理和数学模型，针对闪络状态的电路过程进行了理论推导和仿真分析，对IGBT器件的闪络过电流问题进行研究，完成主电路元器件参数的设计与选型；

通过分析脉冲变压器寄生参数对脉冲输出波形的影响，阐述了单极性脉冲变压器绕组结构与偏磁电路的设计方法，并在脉冲电源样机试验中验证了设计的正确性。

基于脉冲电源的运行过程，提出一种基于DSP和CPLD协同控制的控制系统技术方案，对DSP最小系统、外围扩展电路，以及IGBT的过流检测、脉冲峰值采样、过零检测等硬件电路进行了设计，并完成电源样机的结构设计和整机调试运行。

（二）项目完成情况评价

在江苏省产学研前瞻性研究项目的资助下，东南大学联合江苏一品环保科技有限公司开展了紧密的产学研合作，取得了一批研究成果。

对比国内外的研究工作，本项目高频高压除尘电源上研究取得了一些创新性成果。

所研制的除尘电源可以适用于大多数除尘器，并都能够是除尘器达到并大大优于国家规定的强制排放标准。

项目开发了电除尘用高频脉冲电源，电源能够适应大多数厂矿企业的电除尘器，直流高压输出电压＞72kV，输出电流＞1A，电流调节范围从90%到110%额定可调，实现了标准RS485通讯接口，CAN总线、工业以太网、MODEM、RS232接口等多种通信接口功能。

由项目支持撰写学术论文9篇，其中SCI收录1篇，EI收录4篇，申请发明专利3项，获得实用新型专利2项，培养硕士研究生6名。

（三）经费的使用和管理

项目经费计划中的省拨款、单位自筹资金已经按计划到位。

项目组所在单位对科技拨款严格按照科技经费开支范围的有关规定，专款专用，有力地保障了项目的顺利实施和圆满完成。

三、项目技术情况

（一）研究方法

除尘器用高频高压电源系统由三相整流桥、高频逆变电路、开关整流变压器和控制电路等几部分组成。

电除尘运行过程中，由于锅炉负荷、燃煤煤质变化等因素影响，电除尘器的运行工况始终处于动态变化过程中，电除尘器的供电参数必须随运行工况同步变化才能使电除尘器始终运行于最佳状况。

通过理论分析和大量的现场试验，我们发现电除尘器的运行工况与电气参数之间存在着规律性的联系。

在此基础上，我们开发了闭环优化控制功能。

闭环优化控制功能的核心是当电除尘运行时，根据烟气及粉尘性质的变化，对运行电压电流波形以及U－I特性进行综合分析与判断，并依据数学模型，自动地反复地调整工作方式以及导通角与电压电流波形及其数值大小，使提供给电除尘本体收尘电场的电压电流始终处于最佳状态，使之有利于粉尘的荷电与捕集，达到提高除尘效率，降低烟尘排放浓度，并同时降低能量消耗之目的。

因此本项目研究技术具有很强的工况适应性，可以有效克服反电晕，节省大量以光热形式消耗的电能，并且降低整流变压器温升，延长设备生命周期。

（二）技术路线

本项目采取的具体技术路线如下：

（1）该系统以高频开关逆变整流技术为基础，实现AC-DC-AC-DC的电源变换过程，为静电除尘器正常运行提供所需的直流高压电源。

其工作过程：

三相380V工频交流电源经可控整流滤波后输出稳定的直流电压，供给高频逆变电路，高频逆变电路根据电除尘器工况变化输出频率、幅度、宽度、灵活可变的交流脉冲，经变压器升压整流后，输出高压直流脉冲电压供给电除尘器电场。