三相mpps与等效电容负载的匹配性研究

谢友金

（厦门绿洋电气有限公司 福建 厦门 361101）

三相mpps与等效电容负载的匹配性研究

谢友金

（厦门绿洋电气有限公司 福建 厦门 361101）

在超低排放协同治理电除尘器的提效改造中，由于场地空间的限制，在现役电除尘比集尘面积不变的条件下，提高输出平均电压和峰值电压，是电除尘提效改造的关键。文章将通过几种常用高压电源。在等效电容负载状态下的匹配性比较分析，证明三相mpps（毫秒级脉冲）与等效电容负载的匹配性及其应用效果。

高压电源；等效电容；mpps;upps;负载匹配性；峰值响应电压

1 前言

以低低温电除尘器和湿法电除尘器为核心的超低排放协同治理技术路线，得到广泛应用。由于场地空间的限制，在现役电除尘比集尘面积不变的条件下，提高输出平均电压和峰值电压，是电除尘提效改造的关键。本文将通过几种常用高压电源。在等效电容负载状态下的匹配性比较分析，证明三相mpps与等效电容负载的匹配性及其应用效果。

2 电除尘提效改造机理

电除尘选型机理，依据多依奇效率公式：

其中：

A—电除尘集尘总面积，m2；

Q—处理烟气量，m3/h；

ω—粉尘驱进速度，m/s；

α —电除尘指数系数；

S—比集尘面积，m2；

Ea—平均场强，kV/cm；

Ep—峰值场强，kV/cm。

由电除尘多依奇效率公式推导可知，在电除尘本体结构和烟气工况一定的条件下，影响除尘效率的因素，主要取决于粉尘驱进速度ω。粉尘驱进速度ω与平均场强Ea和峰值场强Ep的乘积成正比，即与高压电源施加到等效电容负载的平均电压和峰值电压的乘积成正比。

高压电源提效改造，关键在于如何提高施加到等效电容负载的平均电压和峰值电压。前级电场的粉尘浓度大，闪络击穿电压较低，需要更大的平均电压，用以克服高浓度粉尘可能产生的电晕封闭。后级电场粉尘浓度低，粉尘颗粒更细，比电阻更高，闪络击穿电压更高，粉尘荷电更难，需要提供更高的峰值电压，用以提高高比电阻细微粉尘的荷电效率，克服反电晕。

理想的高压电源及供电模式，既能为前级电场提供更大的平均电压，又能为后级电场提供更高的峰值电压，满足提效改造的要求。

3 额定输出电压与额定输出平均值电压的比较分析

3.1 额定输出电压≠额定输出平均值电压

电除尘用高压电源额定输出电压是根据极间距和电源特性选型的，额定输出电流是根据集尘面积和极配的电流密度换算的。由于电除尘负载是一个典型电容性负载，是非线性的，额定输出电压为有效值，与额定输出平均值电压没有直接关系，所以：

额定输出电压≠额定输出平均值电压；

额定输出电流≠额定输出平均值电流。

3.2 额定输出电压与额定输出平均值电压的关系

（1）单相电源

基本原理：单相交流输入→单相移相调压→单相变压器升压整流输出，施加到电除尘负载上。从电路拓扑上基本遵循正弦波的计算方法，如图1所示。

图1 单项电源电路拓补图

其中：Up—值电压，kV；

Ue—有效值电压（额定输出电压），kV；

Ua—最大平均电压，kV。

额定输出电压与额定输出平均值电压都是通过峰值电压换算出来的。由于电除尘负载是非线性的，负载闪络击穿电压≠额定输出峰值电压，以400mm、额定输出电压选型72kV为例，额定输出峰值电压为102kV，最大平均值电压为64.8kV。在粉尘介质状态下，实际运行时，负载闪络击穿电压明显低于额定输出峰值电压，可控硅导通角一般运行开度在70%～85%之间，实际运行平均值电压在45～55kV之间，对应的闪络击穿峰值电压≤95kV。

（2）高频电源

基本原理：三相交流整流成母线直流电压→单相高频逆变→单相高频变压器升压后整流输出→施加到负载上。本质上属于单相电源特性，其峰值电压与平均值电压和有效值电压的关系，与单相电源特性一致，电路如拓扑图2。

图2 高频电源电路拓补图

虽然高频电源的输出波形特性与单相电源一致，但由于等效电容负载的滤波作用，99%的高频峰值电压被滤除，除了前级电场的高浓度粉尘可能触发闪络放电外，后级电场一般不触发闪络放电，其实际运行平均值电压在55～65kV之间，接近最大平均值电压，比单相电源提高5～10kV。

（3）三相电源

基本原理：Ua、Ub、Uc三相交流同步输入→三相同步升压→Ua、Ub、Uc三相交替叠加整流输出→施加到负载上。电路拓扑上基本遵循三相正弦波的计算方法，如图3所示：

图3 三项电源电路拓补图

其中：U3p—三相峰值电压，kV；

U3e—三相有效值电压（额定输出电压），kV；

U3a—三相平均值电压，kV。

由上述计算公式可知，三相输出是由Ua、Ub、Uc三相正弦波交替叠加形成的。对于同极距400mm，与单相电源额定输出电压72kV比较，三相电源的额定输出电压U3e=1.35×72=97.2kV，三相电源的峰值电压U3p=97.2×1.05=102kV（与单相电源峰值电压一致），三相电源的额定输出平均值电压U3a=0.951×Up=97kV，由于粉尘介质闪络击穿电压比额定输出峰值电压低，设定闪络击穿电压95kV，则三相电源的额定输出有效值电压U3e取90kV，实际运行的输出平均电压为70～75kV，可比单相电源提高15～20kV，比高频电源提高10～15kV。

4 三相mpps与等效电容负载匹配性的比较分析

4.1 等效电容负载能量与额定输出功率的匹配性

电除尘器是典型的电容性负载，根据实测和理论计算经验，每平米集尘面积的等效电容为30pF，假设某电场集尘面积为2500m2，对应等效电容值=2500×30=75nF，设定负载闪络击穿峰值电压值=95kV。则等效电容负载所需能量：

单相电源电流密度一般取0.4mA/m2，2500m2单相电源选型规格为1.0A/72kV，额定输出功率P=1.0×72000=72kW，整流输出频率100Hz，输出波形脉宽t=10ms。高频电源和三相电源的电流密度可取0.4～0.5mA/m2，为计算方便，高频电源选型规格为1.2A/80kV，额定输出功率P=1.2×80,000=96kW，整流输出频率20kHz，输出波形脉宽t=50μs；三相电源选型规格为1.2A/90kV，额定输出功率P=1.2×90,000=108kW，整流输出频率300Hz，输出波形脉宽t=3.3ms。由此可计算出三种电源的额定输出能量。

（1）单相电源的额定输出能量W1

（2）高频电源的额定输出能量WG

（3）三相电源的额定输出能量W3

如果将三种高压电源的额定输出能量除以负载所需能量，换算成%，则：

（1）单相电源

单相电源的额定输出能量是等效电容性负载所需能量的213%，在实际应用中，意味着可控硅导通角达到50%时，就可能触发火花闪络。在实际应用中，我们常常采用变换整流变压器中间抽头，降低输出电压等级（66kV或60kV），来提高可控硅导通角开度，使实际运行平均值电压工作在45～55kV之间，对应的峰值电压在64～78kV之间。

（2）高频电源

高频电源的额定输出能量只有负载所需能量的0.7%，在实际应用中，99%的峰值电压被负载等效电容滤除，除前级电场高浓度粉尘介质，后级基本不触发闪络放电，峰值电压等于额定平均电压，以400mm同极距为例，正常运行平均值电压=峰值电压在55～65kV之间。

（3）三相电源

三相电源的额定输出能量为负载所需能量的105%，与负载基本匹配。在实际应用中，Ua、Ub、Uc设计导通角120°时，以同极距400mm为例，正常运行平均值电压在70～75kV之间，对应峰值电压74～80kV。三相电源的峰值电压比单相电源提高2～10kV，比高频电源提高10～15kV。

4.2 三相mpps脉冲和upps（微秒级脉冲）脉冲供电模式在等效电容性的匹配性比较分析

后级电场粉尘浓度小，粉尘更细，比电阻更高，闪络击穿电压更高，粉尘荷电更难，需要更高的峰值电压，这是普遍共识。mpps和upps脉冲节能供电模式，为后级电场的高比电阻细微粉尘，提高除尘效率和节约能耗创造了条件，是电源供电技术的发展方向。

mpps和upps中文意思分别是毫秒级脉冲和微秒级脉冲。mpps主要是指单相电源和三相电源的间歇脉冲供电模式；upps主要是指高频电源和脉冲电源的间歇脉冲供电模式。

单相电源mpps的脉冲宽度t=10ms，三相电源mpps的脉冲宽度t=3.3ms，高频电源upps的脉冲宽度t=50μs，脉冲电源upps的脉冲宽度t=100μs。mpps和upps两者基本区别在于输出脉冲电压波形的宽度和瞬态输出脉冲功率。

以上述集尘面积2500m2，负载等效电容75nf，电场负载所需的能量W=338J为例。根据能量守恒定律，无论选用哪种脉冲供电模式，W=P×t的关系是应相匹配的，换言之，mpps或upps瞬态输出脉冲功率必须与负载所需能量相匹配。

根据上述比较分析可知，单相电源的额定输出能量W=720J，高频电源的额定输出能量W=4.2J，三相电源的额定输出能量W=356.4J。

脉冲电源要想获得更高的脉冲电压，其瞬态输出脉冲功率：

设定负载闪络脉冲击穿电压95kV，则脉冲电源的瞬态输出脉冲电流：

由此证明，对于相同的等效电容性负载，脉冲电源要想有效提高粉尘荷电效率，瞬态输出脉冲功率应≥3380kW，瞬态输出脉冲电流应≥35.58A。如果脉冲电源的瞬态输出功率≤3380kW，就无法证明脉冲电源比三相mpps脉冲供电模式具有更好的除尘效率。

5 三相全波连续供电和mpps脉冲供电模式的实际应用

5.1 三相全波连续供电模式提效改造后电除尘指数评估

（1）采用三相电源改造单相电源的电除尘指数对比分析

如上述分析，以同极距400mm，异极距d=20cm为例，Ea=Ua/d，Ep=Up/d，单位：kV/cm。单相电源和三相电源的电除尘指数对比分析如表1所示。

（2）采用三相电源改造高频电源电除尘指数评估

如上述分析，以同极距400mm为例，Ea=Ua/d，Ep=Up/d，单位：kV/cm，其中d=20cm。单相电源和三相电源实际运行输出平均值电压如表2所示。

表1 单项电源和三相电源的电除尘指数对比分析表

表2 高频电源和三相电源的除尘指数对比分析表

电除尘指数提高40%，代入多依奇效率公式，等效于比集尘面积提高40%，在本体参数不变的条件下，采用三相高效mpps电源改造后，可等效于增加了半电场的收尘效率。

5.2 三相mpps脉冲节能供电模式下的实际应用

根据上述分析，三相高效mpps脉冲节能电源：采用Ua、Ub、Uc三相同步升压变压器交替叠加整流输出。对于相同极间距，可比单相电源和高频电源获得更高的平均值电压，是显而易见的。三相高效mpps脉冲供电模式：三相mpps的脉冲宽度为3.3ms，与等效电容性负载匹配性好。导通角可100%强行输出，具有峰值电压高，瞬态脉冲电流大，平均电压/电流低的特点。可有效克服末极电场“反电晕”现象，提高细微粉尘荷电效率。

6 结语

如图4所示，上方波形为三相mpps供电模式的二次电压波形，下方为三相mpps供电模式的二次电流波形。图5上方波形为三相全波供电模式的二次电压波形，下方为三相全波供电模式的二次电流波形。图4具有典型的峰值电压高，平均电压和平均电流低的供电特征。是一种在等效电容负载下比较理想的节能供电模式，特别适合高比电阻细微粉尘的供电要求。图5 具有典型的高电压，大电流纯直流的供电特征。这说明如果三相电源没有mpps脉冲供电模式，升级改造后的电耗可能比原单相电源提高50%以上，很容易被理解为是一种高能耗的设备。采用三相高效mpps脉冲供电技术后，在满足达标排放的条件下，可降低电耗30%以上，是一项很有竞争优势的供电控制技术。三相电源，特别是新型三相高效mpps脉冲节能电源，对于现役电除尘的单相电源和高频电源的提效改造，具有大幅提高平均电压和峰值电压的技术优势。采用高效mpps脉冲节能供电模式，施加到负载的峰值电压可得到大幅度地提高，对于提高高比电阻细微粉尘的荷电效率，具有显著效果。

Matching Research on Three-phase mpps and Equivalent Capacitance Load

XIE You-jin

图4 三相mpps模式现场记录电压/电流波形

图5 三相全波模式现场记录电压/电流波形

X701

A

1006-5377（2017）01-0027-04