1、基于 IGBT 逆变技术的除尘器性能改进和节能 摘要： 由于能源和环境成本较高的技术的应用导致能源效率和节能变得越来越重 要（例如二氧化碳的排放量）。粉尘排放量必须低于排放限制 以 维持 无论操作模 式或燃料的过程类型。 基本上，除尘器性能的改进可以通过给除尘器加更大的电压来实现。基于高 压电压源的传统可控硅 可 供应 50/60Hz 的电压纹波，因此处于峰值电压时会出现击穿的现象，即使平均电压较低。高频 IGBT 逆变技术可以提供较高的直流电压平均值进而产生较高的功率。同 时，目前可以在任何时候中断更快的反应闪络。空间电荷密度高，因而避免了等待时间越短 deionisation 需要在更高的
2、平均功率。通过喷雾电极电荷密度增加可以避免高电阻率粉尘的短脉冲叠加。 现有的植物可以 容易的升级只需要更换控制室，而风帆的设置可以保存在很 多设备中。为获得最佳性能的 TR 集可取而代之的是一个高频率（ 500Hz/10kHz） 型。这个概念的一个优势可以在现有的植物中发 现，因为房间之间的连接电缆安 装设置和 TR 仍可高达 120m。 不同的可控硅产生不同的逆变器的 IGBT 栅极电流波形。由于输入 级二极管电桥和电容电压链接导致无功功率需求较低。负载电流时对称的三个阶段。并网电流的谐波是一个标准的二极管整流的典型。这很常见是由于 IGBT 的逆变器电机驱动器使用频繁 这一事实。无功功率的
3、需求较低导致视在功率非常接近有功功率。因此供应变压器的额定视在功率要求连接的负载可重复使用 ，即使除尘器要求较高的电源。未来基于功率因数控制要求输入整流器可以配备一个 IGBT 以限制谐波失真。 有源电力储蓄（实际储蓄）可以通过计算机为基础的能源管理系统计算每个区域的除尘器所需功率。由于高负荷的粉尘除尘器入口一般需要多个领域的中间领域或出口领域的力量 。实际测试表明一个除尘器的总功耗可以显著降低 ，根据不同的运作模式和工艺条件降低除尘器电源会导致进程的改变进而导致较高的灵敏度变化，特别是在收集电极板敲击时 从薄板中释放出来的粉尘时。为避免粉尘排放高峰高电压和电流控制必须与整场的敲击间隔保持同步
4、。增加敲击过程中的电流被证实可以保持低排放量 ，即使是在敲击的过程中。 节能的效果取决于除尘器的运行状况，它们通常在运行过程中会有所不同。本文所示的系统的目的是保持在规定的范围内具有最高优先级的排放量。任何时候的排放量都可以被降低，系统将会尽可能的降低 功耗。在燃煤发电厂它已经表明 30%-60%的电能在运营期限内可以保存。节约用电导致 燃煤发电厂的二氧化碳排放量减少。 除尘器中消耗的功率是在电源中另外产生的。 关键词：电除尘器， IGBT 变流器，节能 1 简介 相对于 SCR（可控硅整流）基于 传统的高压电源的 IGBT 逆变器可以提供更高的动态行为。电压和电流控制更精确，更快速使得静电除
5、尘器效率得到显著提高。 不幸的是，更好的除尘基本上意味着更高的功耗，以及较高的运行成本。 在运用了大量并行和串行技术的大型工业除尘领域中除尘 用了各种不同的方法以适应各领域。在每个 区域中优化工作电压和电流可以通过最低功耗的限制来实现，因为此时除尘器的运行是大大低于排放限值的。 IGBT 逆变器（如图 1）有一个三相电源输入整流器 。连接电容的电压作为 H桥 IGBT 逆变器的能量缓冲。开关频率通常为 10KHz，此时逆变频率选定为 500Hz，因此准确快速的电流和电压调整是可能的。当前频率可以很容易地更改为50Hz/60Hz 以免需要再利用标准的 TR 设置。 图 1 IGBT 逆变电路和逆
6、变器电流波形图 相对于 标准 可控硅 ， 除尘器平均 电流可以显着增加 是 由于 除尘器的电压电流特性 在许多应用中会由于几个因 素而增加。 2 排放的改进 图 2 显示了废气排放对于电晕功率的依赖。图 2 中的高电晕功率是由于 在恒定的直流电压 作用下 导致的排放量显着减少 。除尘器的闪络电压限制了 电机 的 功率 。 闪烁通常发生在 峰值电压，而除尘采用电除尘器上的平均电压而定。 IGBT逆变器的电源 由一个平均直流电压提供 ， 而传统的可控硅电源供应器显示的 是 高电压纹波。 因此， 平均电压 和 IGBT 逆变 器电压 可 达到可 控硅电源的峰值电压 。 每次闪络电压出现下降时电流也会
7、因为空间闪络的消除而降低。 由于 闪络时会有高空间电荷 产 生为了满足 可控硅 的能量供应去离子作用需要在几十毫 秒内完成（例如 50 毫秒） 。 这段时间内是没有电流流过除尘器的，因此除尘器是没有工作的。 IGBT 逆变能产生一个没有纹波的直流电压，一旦发生闪络电流也会立即关断。只有一小 部分电荷仍在 闪络 和 去离子 可 大大缩短 的区域内。因而产生了一个较高的平均电压使得除尘器可以更好的运行，但同时也消耗了更多的能源。 图 2 排放功率与电功率 的 对比 IGBT 逆变器和快速闪络处理系统可 在较高的闪络频率下 运行， 这样可以增加平均功率。如果闪络频率太高除尘器会产生一个雪崩闪络以降低
8、电功率。因此，功率是保持在低于临界状态的条件下，以免出现无 法控制的局部空间电荷。在 满足所有关键条件下的 高压电源运行成功已经证明了 模糊逻辑控制 是正确的，更多的信息可以在 2000 年的相关资料中找到。 3.节能 从根本上来说，改善排放和节能是截然不同的两个目标。经常出现的情况是，由于生产工艺的限制最大电功率不会被强制去满足排放要求。人们发现增加第一个环节的能量供应可以使得后面环节对于能量的要求降低，继而总能量消耗降低。 这个系统是依照各领域的能源消耗以及排放的差异来定的。这种衡量方式是很困难的，因为它涉及的领域较多同时还是处于不断地变化之中。另外一个并发症是由于除尘器电 源的变化导致粉
9、尘排放的响应时间较长。这个规则定的很简单，但是这个快速反应 能量在各区域都能够适应。对运行系统简单优化后再进行微调可以提高准确性和可靠性。在发电厂安装四到五个除尘器可以获得很好的效果。运行三个月以上时根据负载和燃料特性的不同可以节能 40%到 60%。这三个月的测试数据都被记录了下来，详细说明见后面。 4 控制系统 在低排放和低能源消耗下运行大型工业除尘器这种新型两阶段控制系统已经被开发出来。 第一阶段是 各领域的专用控制器， 它包含每个字段完全独立 的控制系统的功能 。第二阶段 是 基于计算机控制系统 的 叠加 对 除尘器厂 进行 优化运行 。图 3 显示 的是一种 控制系统，它 是 使用一
10、种推理免费光纤 网络来进行数据传输的。 PLC 系统（如西门子 公司的 SIMATIC）或工厂控制系统（如西门子公司的TELEPERM）可以 连接 到数据网络。 甚至于 在控制系统中的第二阶段 出现问题时第一阶段将会全面运行以保证除尘器的正常运行，但同时也增加了能源消耗。 图 3. 数据控制系统的网络结构 西门子 公司 已经开发出一种新的控制器除尘器（见图 4）。 该除尘器 具有以下特点： 图 4. 新的 控制器除尘器的 基本部件 A 控制高电压生成（ 电力电子控制（ IGBT/SCR），优化电流或电压，闪络处理（传统和模糊逻辑）； B 电压电流信号的数据采集处理（抽样、取平均值、排除）； C
11、 不同的可编程和记忆操作模式（ 如启动 、 关机 、 满载等 ）； D 电机敲击控制，为收集和喷雾电极计算敲击的时间间隔，适应当前的敲击间隔。 E 数据采集过程信号，例如堆栈 /流排放、锅炉负荷、气温； F 内路诊断 （ 电力电子状态， TR 设置 状态，控制器自检 ）； G 安全功能： 一氧化碳气体联锁，高压开关，门接触 ； H 用于 PROFIBUS 网络 的光纤数据接口； I 新的图形用户界 面 以及 舒适的操作面板 （见图 5）； J 由于数字信号处理单元的新型控制器（ DSP）的精度 K 相对于 控制器的前一个修订版本 该版本的控制器的稳定性和坚固性都得到了提高。同时， 卡的大小和数
12、量可能会减少 。 图 5. 操作面板与图形的彩色显示屏 第二阶段（叠加 阶段 ）的控制和优化是一个 “ 模糊电源管理 ” 的 西门子WINPIC 包工业 计 算机软件模块处理 系统。 在正常操作运行 时它是作为 基于Microsoft Windows操作系统 的一种 任务栏应用 。 该 WINPIC 服务器模块之间通过 PROFIBUS 提供所有 WINPIC 软件模块和现场管理 人员的数据 。 附加软件模块过程 的敲击 优化，数据存储，可视化，监控和操作 。 软件模块之间的数据通信是基于标准的 TCP / IP 通信（见图 6。 ） 因此它们即使在不同的计算机上也可以被执行。 通常是 在特定
13、的电脑上 有意义的执行服务器 、数据库、优化模块。 可视化模块可在任何计算机上执行，可以通过网络访问服务器 （ 如办公室的电脑维修工程师 ）。 图 6. 数据通信结构 “ 模糊电源管理模块 ” （见图 7） 提供了多达 10 个独立的优化除尘器 。 每个除尘器最多可包含 10 个 并行 和 10 个串行领域。用户需要设置以 下参数 ： 1. 排放设定：在堆栈预期排放。该软件试图优化所有电源中的功率，以配合这个平均值 ； 2.关键的排放值：为防止排放过量 功率 /电流的 值必须 快速增长，以避免高排放 ； 3. 延迟：气体 从除尘器到排放测量所需的时间； 4 一些额外的控制参数，以适应动态的过程
14、 ； 图 7. 用户界面和电源管理软件 大概 参数 对于不同的操作模式它可以使用多达 10 个的除尘器参数（ 如工厂启动，不同煤种，工艺条件 ）。它们 可以通过 WINPIC 软件 被操作人员或 自动化系统 回收。 用户界面 提供了控制 的透明度同时 优化 了 操作和状态 。 此外，专家可以访问更多的参数和控制系统 并 可以 对系统 进行微调。 而且能量最小化的 WINPIC 敲击模块实现了集电极协调敲击。间断控制是很重要的，它可以使系统在低功率下运行以避免排放峰值。此外， ESP 的诊断工具也可以实现，例如综合示波器、 I/V 特性扫描、 可视化模块 中 的 数据归档 /趋势图 。所有的信息
15、都被统一在清晰地 ESP 中。 这是不断扩大后，客户的几个图形化的布局要求 。 图 8 给出了一个系统运行的例子。当电流在缓慢下降时排放量维持在一个稳定的状态。敲击不会导致粉尘高峰主要是 由于敲击模块的控制作用。 不同的工艺条件下的能源节约可能会有所不同 。 最大的可能性是要求维持当前的排放量。在一段较长的时间内，从平均值来说节能是可以实现的。在大量的不同除尘器厂测试的结果表明 改善功耗可以达到 30%到 60%。 图 8.该例显示了一个煤炭发电厂的倒闭 参考文献 1.Norbert Grass： 模糊逻辑优化 IGBT 逆变静电除尘器 ， 国际会计准则研讨会论文集 1999 年年度会议电机及电子学工程师联合会 ， 1999.10.4； 2. Norbert Grass： 模糊逻辑控制的电压源转换器 ，德国 埃尔兰 根大学 ， 1997年论文； 3 Norbert Grass： 应用的高电压电源不同类型的工业静电除尘器 ， IEEE 期刊， 2000； 4. Norbert Grass： 模糊逻辑为基础 静电除尘器控制系统 ，工业应用汇刊，
