大功率高頻高壓ESP電源及其監(jiān)控系統(tǒng)的研究.pdf

1、節(jié)能、增效、減排已成為時(shí)代發(fā)展的主題。在控制煙氣顆粒污染物排放方面,靜電除塵器依其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。目前我國(guó)火力發(fā)電廠的靜電除塵電源幾乎100％采用工頻電源供電。相比高頻靜電除塵電源,它存在除塵效率低(需要四級(jí)電場(chǎng)依次除塵),能耗大(靜電除塵電源用電量,占火電廠廠用電量的5％左右)等缺點(diǎn)。而高頻靜電除塵電源可以提供幾乎平直的電暈電壓和快速響應(yīng)時(shí)間。據(jù)試驗(yàn),當(dāng)采用高頻靜電除塵電源時(shí),只要采用一級(jí)電場(chǎng)進(jìn)行除塵,即能滿足當(dāng)前煙氣顆粒污染物

2、排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。而且高頻靜電除塵電源相比工頻靜電除塵電源節(jié)能20％。因此高頻靜電除塵電源具有廣泛的應(yīng)用前景,并且受到研究人員的普遍關(guān)注。
　　 本文圍繞研制高效節(jié)能的高頻靜電除塵電源系統(tǒng)展開(kāi)工作。一個(gè)完整的高頻靜電除塵電源系統(tǒng)包括大功率(60kW)高頻(20kHz)高壓(52kV)變壓器、大功率逆變器、靜電除塵控制器和后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。
　　 大功率高頻高壓變壓器不同于常規(guī)低壓開(kāi)關(guān)電源變壓器、高壓脈沖變壓器和工頻高壓變壓器。

3、首先,分析了高頻變壓器的特點(diǎn),建立了高頻變壓器的等效電路,針對(duì)電力電子電路的不同側(cè)重點(diǎn),得出高頻高壓變壓器等效電路的分類方法,即時(shí)間響應(yīng)特性等效電路和能量傳輸特性等效電路。給出了高頻高壓變壓器鐵芯材料的選擇依據(jù),并選定超微晶(納米晶)磁性材料作為本變壓器的鐵芯材料。其次,針對(duì)磁性材料生產(chǎn)廠家給出的產(chǎn)品參數(shù)都是在正弦勵(lì)磁和特定形狀樣品條件下測(cè)量所得數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀,搭建了試驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行了在方波電壓勵(lì)磁和預(yù)采用鐵芯形狀樣品條件下的超微晶磁芯特性試

4、驗(yàn),得出超微晶(納米晶)鐵芯特性除受生產(chǎn)環(huán)境因素影響很大外,還與勵(lì)磁電壓波形和鐵芯形狀尺寸有關(guān)。再次,針對(duì)大功率高頻高壓變壓器的特點(diǎn),提出一種基于變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的大功率高頻高壓變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法對(duì)高頻特性(集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng))、高壓特性(絕緣結(jié)構(gòu))、鐵芯形狀和尺寸、散熱特性和最優(yōu)效率等進(jìn)行了綜合優(yōu)化。最后,研制了本電源系統(tǒng)所采用的靜電除塵電源變壓器,基本數(shù)據(jù)為:輸入電壓510 V,輸出電壓為52 kV,輸出功率為60 kW,工

5、作頻率20kHz,效率96％,鐵芯材料為超微晶鐵芯。
　　 一般情況下提高變壓器的工作頻率可以增加變壓器的功率密度。但在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)常規(guī)結(jié)構(gòu)大功率高頻高壓變壓器的體積沒(méi)有按預(yù)計(jì)比例縮小。通過(guò)分析導(dǎo)致常規(guī)高頻高壓變壓器功率密度不高的因素,提出一類新型變壓器:基于平面鐵芯和串級(jí)變壓器技術(shù)的變壓器。該類變壓器有效解決了“高頻促使變壓器體積減小”和“高壓導(dǎo)致變壓器體積增大”之間的矛盾。依據(jù)所提出的新型變壓器原理,首先設(shè)計(jì)了基于平面鐵芯

6、和繞線繞組的變壓器,該變壓器改進(jìn)了變壓器內(nèi)導(dǎo)體的電位分布,提高了變壓器的功率密度。其次,設(shè)計(jì)了基于平面鐵芯和ML-PCB(多層印制電路板)繞組的變壓器,該變壓器使繞組布線更加靈活、精準(zhǔn),提高了變壓器批量生產(chǎn)時(shí)其分布參數(shù)的一致性。最后,給出此類變壓器的多種結(jié)構(gòu)拓?fù)浼捌渥兓?guī)律。由于時(shí)間因?yàn)榇祟愖儔浩髦贿M(jìn)行了模型研制和試驗(yàn)。
　　 常規(guī)結(jié)構(gòu)的大功率高頻高壓變壓器由于其匝比很大(>100)而存在嚴(yán)重的分布參數(shù)問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,

7、發(fā)現(xiàn)該變壓器入口特性為容性?；诖税l(fā)現(xiàn),提出在變壓器原邊串聯(lián)一個(gè)較小電感來(lái)補(bǔ)償變壓器分布電容的處理方法,并研制了相應(yīng)的DC-AC-DC變換器。首先,分析了該變換器的工作原理,并給出了設(shè)計(jì)要點(diǎn)。其次,通過(guò)分析靜電除塵負(fù)載的運(yùn)行規(guī)律,得出靜電除塵器的工作特性曲線族和不同運(yùn)行區(qū),給出不同工作區(qū)的判據(jù)。根據(jù)判據(jù)并以振打周期為控制間隔,提出基于數(shù)據(jù)檢索的自學(xué)習(xí)控制策略。以DSP控制芯片為核心研制了靜電除塵控制器的軟硬件部分。再次,針對(duì)大功率高頻高

8、壓等工況特點(diǎn),提出了組合電容均壓方法和增強(qiáng)耐壓特性的PCB板結(jié)構(gòu),優(yōu)化設(shè)計(jì)了硅離子的空間布置,設(shè)計(jì)了高壓高頻整流橋。最后,根據(jù)靜電除塵負(fù)載的特性,搭建了模擬負(fù)載。通過(guò)運(yùn)行試驗(yàn)證實(shí)該變換器不但補(bǔ)償并利用了變壓器固有的分布電容,而且具有軟開(kāi)關(guān)特性、良好的全功率輸出能力、靜電除塵火花閃絡(luò)限流能力和脈沖供電特性,這些特性表明基于變壓器分布電容補(bǔ)償方法的變換器特別適合于靜電除塵電源應(yīng)用且性能優(yōu)良。
　　 靜電除塵電源的工作機(jī)制是大功率高壓

9、功率流的高頻切換,輸出電壓是50kV,采樣和調(diào)理信號(hào)是3～5V,并且伴隨工作過(guò)程電火花和電弧現(xiàn)象頻繁發(fā)生,因此靜電除塵電源的電磁干擾嚴(yán)重。針對(duì)此情況,從干擾源、傳播路徑和被干擾體三者為切入點(diǎn)進(jìn)行了電磁兼容性方面的設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)表明有效的抑制了相互之間的電磁干擾。
　　 在靜電除塵電源監(jiān)控系統(tǒng)中,通信協(xié)議采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)變電站通信協(xié)議IEC60870-5-103,提出了基于EFSM(擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī))的變電站通信協(xié)議一致性模型的描述方法?；?/p>