【静电除尘】电除尘器脉冲供电的技术途径研究

上海交通大学

硕士学位论文

电除尘器脉冲供电的技术途径研究

姓名：耿涛

申请学位级别：硕士

专业：电机与电器

指导教师：李格

20090101

电除尘器脉冲供电的技术途径研究

摘要

静电除尘是一种清除大气污染物粉尘的有力手段之一,目前已经广泛应用于火力发电、水泥、冶金等部门。而作为静电除尘系统中的关键部分，高压电源由于直接影响除尘器的除尘效率和能量损耗，越来受到广泛的关注。研究表明，电除尘器采用脉冲供电比传统的直流高压供电在能耗和抑制反电晕方面都有较大的提高，因此，研究电除尘器的脉冲供电具有重要的意义。

本文首先对电除尘器的工作原理以及电除尘器的供电方式进行了介绍，研究了烟尘比电阻的测量方法和影响比电阻的因素。给出了一种脉冲电源的设计方法：电源系统包括了整流滤波、全桥逆变、变压器升压、高压整流四部分，其中全桥逆变采用了串联谐振实现了软开关技术，降低了开关损耗。高压整流部分采用了倍压整流电路，实现了电压的提升和整流。

之后，采用PSpice软件对系统进行仿真，验证了设计的正确性和合理性，并在仿真的基础上搭建了开环的系统，进行了初步的实验，得到了脉冲宽度小于250μs，峰值电压为30kV以上的脉冲电压输出。最后，对闭环电源系统进行了探讨，设计了基于TL2407的硬件平台，对软件部分进行了初步的研究，这些工作对于脉冲电源的闭环试验具有参考价值。

关键词：电除尘器，数字高压电源，串联谐振，PSpice仿真，倍压整流

STUDY ON TECHNOLOGICAL ROUTE OF ELECTROSTATIC PRECIPITATOR WITH PULSE ENERGIZATION

ABSTRACT

Electrostatic Precipitator (ESP) is an effective way of removing dust in the atmosphere and is widely used in electric power plants, cement and metallurgy industry. As a key part of ESP system, High-voltage power supply receives enormous attention because of its effect on efficiency of dust removing and energy consumption. A lot of researches prove that the pulse energization improves energy efficiency and controls back corona better than DC energization. So it is important to investigate the ESP with pulse energization.

Firstly, the paper introduces the ESP’s principle of operation and its powering modes, research on the way of dust resistivity measuring and factors on resistivity. A kind of pulse power supply design is given: the system includes rectifier filter circuit, full-bridge converter, step up transformer and high voltage rectifier circuit. The full-bridge converter adopts series resonant circuit to realize soft switching technology, decreasing switching losses. Voltage multiplying rectifier is used to multiple voltage and rectification.

Then, the system is simulated by PSpice to verify the design and pen-loop power supply is fabricated for experiment. The pluse voltage whose pulse width is less than 250μs and peak voltage is more than 30kV is got from experiment.Finally, design is given for closed-loop system based on TL2407 and the software framework is discussed，which can be referred for future close loop test.

Keywords: Electrostatic Precipitator, high voltage digital power supply, series resonant，PSpice, pulse circuit，multiplying rectifier

第一章 绪论

1.1 电除尘器发展概况

随着工业的不断发展和人们生活水平的提高，能源消耗急剧增长，由此导致的大气污染问题日趋突出，严重威胁人类生存环境，阻碍经济健康可持续地发展。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，煤炭在一次能源中的比例高达75%左右。大量的煤炭消耗，使我国的大气污染非常严重，1998年2SO 释放总量为2090万吨，烟尘排放量是1452万吨，居世界第一位。

电除尘器作为一种有效的脱除工业废气中固体颗粒的方法诞生于20世纪初期，至今为止已经有近百年的发展历史了，如今己经被广泛应用于冶金、化工、建材等多个领域。随着我国经济建设的快速发展，工业设备的大型化和以煤为主要原料的能源结构，为我国电除尘器的发展提供了广阔的应用空间[1]。

通常所说的电除尘器多指传统的直流供电除尘器，但是电除尘受烟尘比电阻影响较大，比较适宜的比电阻范围为41010~510?cm ×g 。当比电阻过高时，沉积到集尘极上的粉尘不容易释放电荷，随着粉尘层的增厚，造成电荷累积，排斥后来的粒子沉积。更大的危害在于引发反电晕。为了提高电除尘性能，美国的White 在50年代提出了脉冲供电技术，然而，由于缺乏可靠的大功率开关元件将脉冲能量传递给电除尘器，这一技术的工业应用推迟了很多年。到了80年代初，随着高电压技术和电子技术的发展，脉冲电源开始进入实用化阶段，ms 级脉冲电源和μs 级脉冲电源相继应用于实际电除尘中。实际运行结果表明，ms 级脉冲供电可显著提高高比电阻粉尘收集效率，节能10~30%，对于中低比电阻粉尘，在收集效果有所提高的同时，节能30~50%。μs 级脉冲供电在除尘性能和节能效果方面好于ms 级脉冲供电。脉冲供电使电除尘技术有了飞跃性发展，是电除尘技术发展方向之一。

80年代中后期，日本科学家增田闪一率先研制出ns 级脉冲电源用于电除尘，1987年对ns 级窄脉冲供电实验室除尘器进行了性能测试，小于2μs 粒子收集效率提高很多。ns 级窄脉冲供电不仅可以用于除尘，而且可用于净化2SO 、2NO 、挥发性有机

物VOC等多种有害气体，是当前大气污染防治的一个研究热点[2]。

1.2 电除尘器的基本原理

1.2.1 电除尘的基本过程[3]

电除尘的基本过程分为三个阶段：1、进入电除尘器内的粉尘粒子先荷电；2、荷电尘粒移动后沉积（收尘）；3、振打使沉积粉尘脱落（清灰）。

粉尘粒子荷电是通过负极性电晕放电，产生大量的离子，并使其附着在尘粒上来实现的。当在放电极和收尘极之间施加直流高电压，放电极周围的小区域内空气全部电离，可以看到一圈蓝色的光环，此时为电晕放电（下文将详细介绍）。放电极称为电晕极。当外加电压进一步加大，空气电离的范围逐渐扩大，最后导致两极间的空气全部电离。在放电极附近的所谓电晕区内正离子立即被放电极(假定带负电)中和，自由电子和随即形成的负离子则因受电场力的驱使向收尘极移动，并充满到两极间的绝大部分空间。当含尘气流通过电场空间时，气流内粉尘粒子与自由电子或负离子碰撞结合，便实现了粉尘的荷电。荷电程度取决于离子附着多少，要求达到饱和荷电量。

在高压电场内，荷电尘粒形成了一个指向沉尘极的作用力（主要是库仑力），作用力的大小取决与电荷的数目和电场强度，在该力的作用下荷电尘粒具有一定的运动速度，到达沉尘极表面沉积下来，凭借机械力、电力和分子力等共同作用释放掉电荷而

尘粒被捕集后，要定期振打清灰。定期振打的时间应保证极板上的粉尘层堆积到一定厚度，振打时呈片状或块状脱落，避免大量的粉尘重返气流而损失。除沉尘极之外，电晕极亦需要振打，虽然荷正离子尘粒比荷负粒子尘粒少得多，如不振打，电晕极势必包灰而肥大，甚至结瘤，直接影响电晕放电性能，大量电晕电流发射不出而降低乃至为零，使收尘恶化，收尘效率急剧降低。

1.2.2 电晕放电

电晕放电是在大气压或高于大气压条件下，电极表面曲率半径很小，放电空间电场分布不均匀，电极表面附近电场较强时，发生的放电现象。其过程实际上是气体导电过程，当电极之间逐步提高施加电压时，电晕极周围空间的场强首先达到电离的临

界值，在这个小范围的空间内气体率先电离，电压继续升高至很高值后，电离气体将由非自持放电转换为自持放电，在这个不大的区域内电离剧烈地进行，产生大量的正、负离子，并驱向两电极运动。与此同时，伴发出淡蓝色辉光和轻微的气体爆炸声，这就是电晕放电现象。产生放电的电场强度称为临界场强。气体的电离与发光区称为电晕区，该区域以外称之为电晕外区。电晕外区因场强已减弱到气体电离临界值以下，不再产生新的自由电子，只有大量的负离子和少量的自由电子在移向沉尘极过程中，使尘粒荷电，到达沉尘极板上释放电荷也变成中性分子，荷电尘粒移动便形成电晕电流。因此，电晕外区才是尘粒荷电区。

电晕放电的电流强度取决于加在电极之间的电压的大小，电极的形状、极间距离、气体的性质和密度。电晕放电是一种自持放电，因此它不需要外加电离源来引发和维持放电。另外，电晕放电的电压降不取决与于外电路中的电阻，而决定于放电迁移区域的电导；在迁移区域内存在单极性的空间电荷时，它防碍着放电电流的通过，此时电晕放电的电压降大部分落在迁移区域上[4]。

1.2.3 反电晕现象及其影响

电除尘器集尘极上粉尘的不断积累会严重影响电晕电流。因为粉尘层电压的升高或者相应的极间的电压降低都会在一定程度上抑制电晕电流。而粉尘层的电压是与比电阻相关的，粉尘层的比电阻越大，粉尘层的电压就越高。

当粉尘层的比电阻极其高，集尘极上粉尘层的电压会显著地增大，最终超过击穿电压而发生粉尘的电场击穿时，就会产生反电晕现象。反电晕的形成条件用下式来表示：

Eds j d ρ≤×

其中Eds 为粉尘层的击穿电场强度，j 和d ρ分别为电流密度和粉尘层的比电阻。 当粉尘层的比电阻达到11121010?cm ??时，粉尘层的电场强度就开始逐渐超过击穿电场强度（一般为812/kV cm ?）。这时若极间仍有强电场，则击穿时产生的正离子将被迫离开集尘极向极间运动，从而形成火花。当j 与d ρ的乘积远远超过Eds 时，击穿会蔓延到整个集尘极表面，大量的正离子会离开集尘极，形成稳定的反电晕电流向放电极运动。

反电晕是电除尘器收集高比电阻粉尘时出现的重要现象之一,反电晕会降低电场

的击穿电压、产生异号空间电荷并中和起收尘作用的电荷,造成严重二次扬尘,导致ESP 收尘效率下降,影响ESP 正常工作。其具体的影响如下[5]：

粉尘层局部击穿时,在堆积粉层的表面,产生点状的正电晕放电,由于电压的增高,这种正电晕放电容易延伸成闪烁状并向火花放电过渡。火花放电电压显著地降低,会引起火花频发现象,甚至造成激烈的放电线振动,从而产生激烈的火花放电,如果不降低带电电压,就不可能继续稳定地运行。因此必然使集尘极上的平均工作电流强度降低,使影响除尘效率的粉尘有效趋进速度减小,除尘效率大幅度降低。

当粉尘比电阻进一步增高甚至达到12131010?cm ??时,正电晕放电越发旺盛起来,粉尘表面呈现出恰似磷光那样的外观,与此同时放电电流也猛增。这时,自粉尘表面产生的大量正离子与集尘电极附近起收尘作用的负电荷中和,使收尘效率进一步降低,最后,致使收尘作用达到事实上停止的地步。

发生反电晕时,若供电电压不足以使其延伸发展为整个电场的击穿,则粉尘层不断发生反电晕,产生大量异号电荷使电晕电流急剧增大,结果是随反电晕的蔓延、高压供电电流不断波动。如果不降低供电电压就不可能继续稳定运行,因此必须使电晕电流降低,结果是粉尘的荷电量减少,电场强度降低,粉尘的趋进速度减小,除尘效率下降。 发生反电晕时,粉尘层击穿在收尘极表面会造成严重二次扬尘,原沉积的粉尘重返到电场中去,使除尘效率严重下降。因此，为了提高除尘效率，采取有效的防止反电晕的措施是必要的。

1.2.4 防止反电晕的措施

防止反电晕的方法一般有两种，降低粉尘比电阻和采用间歇或者脉冲供电的方式。

一、降低粉尘比电阻 要降低烟尘的比电阻，首先应该弄清比电阻与哪些因素有关。支配比电阻的最大因素是环境的温度和湿度。在绝对干燥时，随着温度的上升，比电阻减少。在一定的绝对湿度下，比电阻随着温度的下降而迅速下降。当除尘器运行温度充分高时，比电阻的值可以下降至产生反电晕的临界值一下，对于特定的除尘器，运行温度和结构则很难改变。

二、间歇或者脉冲供电[6] 当反电晕产生时，电流会急剧上升。分析沉尘极粉尘放电如下，粉尘层可用电阻

R 和电容C 并联而成的电路来模拟。从t=0时刻开始，当恒定的电晕电流0I I =流过粉尘层时，粉尘层的瞬间电压为：

)1(0/0t t e RI Vd ??=

其中0t 为时间常数（0t CR =）由下式来计算

1408.8510s t d ερ?=××（s ）

s ε为粉尘层的介电常数，d ρ为粉尘层的比电阻。

间歇或者脉冲供电可以先于反电晕产生时刻控制电除尘器的供电，当Vd 降到初始值时，再次供电。占空比112/()c T T T γ=+，其中1T 为导通时间，2T 为关断时间。通过控制供电的时间和频率即可达到抑制反电晕的目的。

1.3 电除尘器的供电方式[7]

1.3.1 直流供电方式

电除尘器使用的常规高压供电装置，一般都是由控制系统、变压器和整流器(T/R)装置组成，采用工频(50Hz/60Hz)交流电源。

1907年Cottell 博士成功地创立了世界上第一台工业电除尘器，采用交流变压器和同步机械整流器作为电除尘器的高压电源，到1958年硅整流器的出现，在这期间，电子管高压整流器，硒整流器相继被投入高压电源的使用中，这两种整流器具有它们的优点，比如机械性能好等，但是他们的缺点也是明显的：体积大，效率低。之后硅整流器被普遍应用，电除尘器的供电方式都是将工业交流电转换成高压直流电给电除尘器供电。这种供电方式相对与之前的方式具有体积小、整流效率高、寿命长、机械性能好的优点，但它的缺点也是明显的：

1.电源效率低，一般只有70%~80%；

2.交流输入端电流谐波大，对电网有较大影响；

3.变压器体积很大，成本高。

1.3.2 间歇供电方式

图1-1为间歇供电模式的系统框图，与通用的直流供电方式相比，间歇供电的最

大不同是在晶闸管控制电路上加了周期性的阻断电路。通过这个电路来控制晶闸管的关断，从而获得电除尘器上的间歇电流。导通时间和关断时间可以通过调节器来手动调节或者通过自动控制电路来自动调节。电流值可以通过火花率控制或电流极限控制来自动调节[8]。

间歇供电可降低极间平均电压,增强了振打的清灰效果,减小极板平均积灰厚度,从而提高了电极放电性能,有效抑制反电晕的产生,故适于高比电阻粉尘和易产生反电晕的静电除尘器。间歇供电所消耗的平均功率远低于常规工频整流, 能耗近似与占空比成正比，所以在高比电阻产生反电晕时，间歇供电表现出最好的减小能耗的效果。但间歇供电要求变压器的容量和瞬间输出功率提高且在低比电阻时,降低电场平均电压反而可能增大二次扬尘,故其应用有一定的局限性。

图1-1 间隙供电系统框图

Fig.1-1 Block diagram of intermittent energization power supply equipment

1.3.3 脉冲供电方式

脉冲供电的理论研究起始于1947-1952年，但是由于缺乏可靠的大功率开关器件，实际的应用工作从上世纪七十年代可靠的大功率固体SCR开关器件的开发开始，才再次引起了全世界电除尘接的重新关注，并在80年代中得到了广泛的应用。

脉冲供电的分类按照不同的方法也不尽相同，其中按照脉冲宽度的不同，脉冲供电可分为三类，Masuda的微秒级以下的脉冲，Ion Physics的1-2微秒的脉冲和大量

50-500微秒的脉冲，其中最常见的是50-200微秒的脉冲；按照开关器件的不同，则可以分为晶闸管式，火花间隙和电力闸流管。按照脉冲波形的不同，可分为单脉冲，

脉冲数目可达8个的衰减的脉冲组和震荡的窄脉冲；按电除尘器的连接方式不同则分

为可直接将压脉冲连接至电除尘器和通过脉冲变压器将低压脉冲调高后再连接至电

除尘器两种。

从上世纪80年代开始，脉冲供电技术的可行性逐渐成熟，全球也逐步开始了对

现有高压直流电源的改进，以期实现电除尘器的脉冲供电，其中比较典型的有以下几

个[9]：

F.L.Smidth的微秒级脉冲供电技术 [10]；GEESI设计宽脉冲系统；Ion Physics的脉冲电源研究；Flakt的脉冲供电系统；Lucidyne脉冲供电系统；Masuda的微秒级脉冲

供电系统。

纵观以上的几种应用，GEESI和Ion Physics的宽脉冲系统由于脉宽过高，导致供电效率不高，达不到最佳脉冲供电的要求。Lucidyne脉冲供电系统虽然除尘效率增加

了30%，但是由于有严重的可靠性和维护方面的问题，也不够理想。F.L.Smidth和

Masuda的微秒级脉冲供电技术是比较成功的，其中F.L.Smidth系统的典型参数是脉μ，脉冲重复频率25-400pps，基础直流电压40kV，脉冲幅值60kV，冲宽度50-200s

实际应用了100多台，其可靠性和性能都很好。

1.4 论文的选题及主要研究内容

1.4.1 论文的选题

静电除尘电源是静电除尘系统中的关键部分，其性能直接影响除尘器的除尘效

果。电除尘器的脉冲供电相对于广泛应用的直流供电，具有能耗低和更好的抑制电除

尘器的反电晕现象的优点。在能源日益紧缺，节能成为时代主题的今天，发展高效节

能的电除尘器脉冲供电技术显得更为迫切。

而随着功率电子器件大功率化、高频化的发展，高频高压脉冲电源越来越得到大家的关注，在高频的条件下升压，将大大减小升压变压器的体积，同时采用合适的变换技术还可以使得电源的开关损耗得到降低，这是电除尘器的发展趋势和热点问题。

在这种背景下，选择了课题：电除尘器脉冲供电的技术途径研究。目的是目通过数值仿真及实验分析等手段研究电除尘器脉冲供电方式的实现可能，并初步搭建实验

高压脉冲电源。

1.4.2 论文的主要研究工作

本文的主要研究工作是：

1、脉冲电源的整体设计以及参数的计算，包括逆变电路的选择，功率器件的选

择以及软开关技术，倍压器的比较、选择以及构建，还有模拟负载的制作等。

2、对于粉尘的电阻率测定以及影响因素进行了研究，分析其对电源系统输出的

影响，对闭环电源实验系统的构建具有一定的指导意义

3、运用OrCAD/PSpice软件对电源系统进行仿真，研究谐振电路的工作原理以及

工作参数，倍压器结构和参数选择以及最后的输出分析。

4、搭建实际的实验平台，进行开环电源系统的实验操作，并设计采样电路，初

步搭建闭环电源实验系统。

第二章 烟尘比电阻测量

烟尘比电阻，即电阻率，是烟尘在电场烟道中流动，每厘米长度烟尘表面积导电所具有的电阻，单位为cm ??。由第一章可知，当烟尘的比电阻高于1110cm ??时，如果烟尘层的电场强度大于临界值时，会造成烟尘层的局部击穿，产生反电晕现象，会大大增加电能消耗，降低除尘效率。同样，当烟尘比电阻小于410cm ??时，荷电粉尘容易释放电荷重返气流中而被排出，降低效率的降低[11]。因此，烟尘比电阻的研究对于提高电除尘器性能，改善电除尘器运行性能具有十分重要的意义。

2.1 烟尘比电阻测定

因为电除尘器的运行性能与所处理烟尘比电阻的数值大小关系很大，烟尘比电阻是电除尘器设计时需要知道的一个重要参数，烟尘比电阻的测定亦成为电除尘界所关注的一项重要测试技术。常规粉尘比电阻的测定分实验室测定法和现场测定法2种。

2.1.1 实验测定法

1、平板（圆盘）电极法[12]

圆盘电极法是目前实验室使用较多的粉尘比电阻测定方法，其实验装置如图2-1所示，将粉尘置于金属的灰皿中，灰皿下侧接高压电源负极，粉尘层上面有一活动电极，与一导杆连接，可上下移动。导杆的上端接电流表。整个装置防于一调节箱内，调整好与实际环境相近的温度湿度后，在两个平行的导体板之间施加一定电压，则会有电流通过堆积的粉尘层，电流的大小正比于电流通过粉尘层的面积，反比于粉尘层的厚度。此外电流还与粉尘的介电性质、粉尘的堆积密实程度有关。但是,该电流和施加电压的关系不符合欧姆定律,即比值U/I 不等于定值,它随U 的大小而改变。粉尘比电阻的定义式为：

US Id

ρ= (2-1) 式中ρ为比电阻，U 为加在粉尘层两端面间的电压，I 为尘层中通过的电流，S 为粉尘层端面面积，d 为粉尘层厚度。

图2-1 粉尘比电阻试验装置 Fig.2-1 experimental device of dust specific resistance determination

2、探针法

将测定装置安装在可调节温度的电炉内(温度可达300℃~500℃)，针尖电极接高压电源负极。粉尘从电炉上方装入，并在平板电极上形成一定厚度的粉尘层，在粉尘层内设置一横向探针，为消除边缘效应加装屏蔽环，平板电极(主电极)下端通过毫安表接地，针尖电极与平板电极之间产生电晕放电。测出探针与平板电极之间的电位以及主电极通过的电流和粉尘层厚度及面积就可以计算出粉尘比电阻。其计算公式与3-1类似。

3、同心圆筒测量法[13]

图2-2为一同心圆筒测量装置，图中1为绝缘帽塞，2为恒温箱，3为高压电极，4为圆筒测量电极，5为粉尘。测试时，电压调节到粉尘击穿电压的80~90%，记下仪表上的电压U 和电流I ，则比电阻为：

()212ln h U R R I πρ=

? (2-2) 其中h 为圆筒测量电极的高度，1R 为高压电极外半径，2R 为测量电极的内半径。

图2-2 圆筒测量试验装置

Fig.2-2 experimental device of cylinder dust resistance determination

4、跑道式法

该装置为封闭循环系统，能使气体和悬浮烟尘在系统中循环，其中的测试主件是点-板式测定仪，通过电晕放电使粉尘沉积，再测出粉尘比电阻。为了模拟电除尘现场条件，还设有翼片形电热器和气体增湿水槽。如需进行化学调质，可将所采用溶液或气体加入该系统。点-板电极置于电热恒温箱内(温度300℃~700℃可调)构成比电阻测定仪。施加高电压约20kV，测定其电流就可计算出粉尘比电阻值。

5、梳式电极法[14]。该仪器为实验室和现场两用，该仪器是将电极做成梳(齿)状，固定在2根绝缘套管的端部，在梳式电极上部装刀形电极，梳式电极接高压电源负极，刀形电极接正极(接地)，整个仪器置于加热测定箱内。梳式电极法是利用电除尘原理捕集粉尘，使粉尘逐渐填满梳齿缝隙。断开高压电源后，用高阻计(1012Ω)测定两梳齿电极之间粉尘的电阻值，进一步得出测定时气体温度和湿度下的粉尘比电阻。

2.1.2 现场测定法

1、针尖平板电极法。

测定原理与上述跑道式法中的点-板电极测定装置相同，所不同的是它是现场测定仪，直接测定工业粉尘的比电阻。这种测定仪的优点是测定条件接近于电除尘器的

工况，缺点是粉尘层的厚度难以测定。

2、旋风子法。

测量时将小旋风子置于工业管道内，烟气被吸入小旋风子内，由于离心力的作用，粉尘沉积并落入下部同心圆筒电极的间隙内，用高阻计测出粉尘的电阻值，再进一步计算出粉尘比电阻。该测定仪系测定利用旋风子所收集的粉尘，尘粒较粗，粉尘层较疏松，测定的数值与其他方法相比往往大1~2个数量级。

3、过滤式法。

这种现场比电阻测定仪分为同心圆环式和金属网格式2种，金属网格式系根据平板电极法原理设计，即能高效地对粉尘采集，同时又能进行测定。同心圆环式是用过滤方法在烟气中通过等速采样所采集的粉尘呈圆环形，同心圆环的测定电极与采样器构成一体，测量与采样同步进行。圆环形粉尘层的电阻用高阻表测定，进一步可计算出粉尘比电阻。

2.2 比电阻的影响因素

影响粉尘比电阻的因素不仅仅是外界因素（烟气的温度、湿度、成分、气压等），还包括粉尘的性质和操作条件等。下面将详细介绍一下这些因素对比电阻的具体影响。

2.2.1 温度对比电阻的影响

研究表明，粉尘比电阻的导电机理可分为两类：一种是通过粉尘内部的体积导电，这与粉尘的化学成分有关系；另一种是沿着粒子表面进行表面导电，它与粉尘以及烟气的成分都有关系。前一种导电时的比电阻称之为体积比电阻，它与温度成反比，而后一种比电阻为表面比电阻，与温度成正比。那种导电机理占主导则取决于温度，如图2-3所示。

在低温区域，体积比电阻很高，而表面比电阻因为和温度成正比，在150℃以下，总的比电阻随着温度的升高而升高。而在高温区域，体积比电阻随着温度升高而降低。由此可知，温度超过200℃左右时，粉尘比电阻随着温度的升高而降低，与烟气成分无关；温度低于100.℃时，粉尘比电阻随着温度的降低而降低；温度在150℃左右时，比电阻值最高[15]。

图2-3 粉尘比电阻和温度的关系

Fig.2-3 Relation between resistivity and temperature

2.2.2 湿度对比电阻的影响

实验表明，同温度下，烟气湿度越大，其粉尘的比电阻越小，且由于粉尘颗粒吸附了水分子，粉尘导电性增大。同一粉尘，湿度越大，比电阻最大值越小，而且最大值随湿度的减少而向低温方向移动。图2-4为不同含水量的粉尘的比电阻比较图，其中1~3号曲线分别对应了1%含水量，3%含水量和完全干燥的粉尘的比电阻曲线[16]。

另外，粉尘湿度上升，则电场的击穿电压相应的提高，这就允许电除尘器在高压电场下运行。另外，击穿电压升高后则造成火花放电较难实现，这就保证了在高压电场更难出现反电晕现象，有利于提高电除尘器运行的稳定性，同时也提高了电除尘器的除尘效率。

需要注意的是，湿度对比电阻的影响主要还是对表面比电阻的影响较大，因此，当温度很高时，湿度对比电阻的影响就不显著了，因为表面导电的条件已经不存在了。

图2-4 湿度和比电阻的关系

Fig.2-4 Relation between resistivity and humidity

2.2.3 压强对比电阻的影响

压强对比电阻的影响主要体现在压强对起晕电压的影响上[17]。式2-3为阈值场的计算公式。 ])/(1[2/10r K m E E r δδ+=

（2-3）

其中，r E 为阈值场， m kV E /31000=，

m 是一个描述导体表面状态的系数（0.6＜m ＜1），

T

P +××=?2731094.23δ （2-4） 2/121008.3m K ?×=，

r 为导线的半径。

那么，起晕电压为：

)ln(r h r E V r s = （2-5） 由上述三式可知，当压强P 增大时，放电电压则相对提高，另外，压强同样会影响电晕放电的伏安特性。因此说，相同条件下，烟尘的压强越大，除尘效率越高。

2.2.4 烟气成分及浓度对比电阻的影响

烟气成分对负电晕放电特性影响很大，不同的烟气成分，在电晕放电中电荷载体的有效迁移率也不同。由于电场中电子和中性气体分子相撞形成负离子的概率很大程度上取决于烟气成分，统计显示其差别在数量级上。此外，气体对伏安特性及火花放电电压也有很大影响，尤其是有硫酐含量时，气体对电除尘器运行效果有明显影响。

静电除尘器对含尘浓度有一定的适应范围，当浓度过大时，除尘效率会变低，甚至会终止除尘。在负电晕条件下，电晕电流有三种粒子：电子、负气体离子和带负电的尘粒。由于尘粒的质量和大小远大于离子，因此负电尘粒在电场中的速度会小的多，从而使得负电尘粒所形成的电晕电流很小。随着浓度的提高，带点尘粒的数量增多，虽然电流不大，但是形成的空间电荷很大，而且还会导致空间电荷变少，从而使得总的电晕电流变小，使得除尘效率明显下降[18]。

2.3本章小结

粉尘比电阻是影响电除尘器效率的一个重要的因素，也是设计电除尘器电源所必须考虑的因素，它直接决定了电除尘器电源的各项输出指标。因此本章介绍了烟尘比电阻的有关知识，对于比电阻的各种实验测定和现场测定的方法进行了详细的介绍，另外还对影响粉尘比电阻的因素进行了分析。这些对于我们设计电除尘器电源，提高电除尘器的除尘效率都有很大的帮助。

第三章电源主电路设计

3.1 系统整体结构

本文在新发展IGBT高性能器件基础上, 搭建框图如图3-1所示开环脉冲数控电源实验系统。本电源的输入是220V的工频市电，因此采用交-直-交-直的变换过程，三相工频电源先通过全桥整流电路转化为直流，然后再经过串联谐振的全桥逆变电路得到高频电压，最后通过变压器和整流器（升压倍加器）输出高压到负载上。其中高频逆变部分可由IGBT控制板实现手动或者回馈自动控制。

图3-1 系统原理拓扑图

Fig.3-1 Principle of Circuit topology

3.2 逆变电路设计

3.2.1 全桥逆变电路

单相逆变器电路有推挽逆变电路、半桥逆变电路、全桥逆变电路等，推挽式逆变电路具有结构简单，所需器件少的优点，但是会带来不平衡现象，从而导致变压器饱和，功率管电流过大。而半桥逆变电路与全桥逆变电路相比，相同开关电流和输入电压的情况下，半桥式的输出功率将是全桥式的一半，因此全桥逆变电路相对于半桥逆

变电路来说，更适合于大功率的场合[19]。

图3-2 单相全桥逆变电路原理图

Fig.3-2 Principle diagram of full-bridge convertor

图3-2为一单相全桥逆变电路，功率开关器件Z1和Z4，Z2和Z3分别为一对，构成两个桥臂，D1~D4为续流二极管。工作时，两组相同宽度的脉冲轮流控制两组开关管，使成对的两个桥臂同时导通或关断，两对桥臂交替各导通180°，从而使变压器的初级绕组得到正反对称的双向电流。当Z1和Z4导通，Z2和Z3截止时，电流为电源正极→Z1→CR→T1→Z4→电源负极，此时输出电压为V out。一段时间后，Z1和Z4截止，Z2和Z3导通，则由T1一次侧电流方向决定电流流过Z2、Z3或者D2、D3，但是此时的输出电压为-V out，从而实现了逆变转换[20]。

3.2.2 软开关技术

传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关状态下，开关器件的电流和电压的变化同时进行，如图3-3所示[21]，电压、电流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。除此之外，硬开关在感性关断和容性开通上都有自己的缺陷。

改进上述不足的有效方法就是发展软开关技术。理想的软开通过程：电压先下降到零后,电流再缓慢上升到通态值,此时开通损耗近似为零。另外,因器件开通前电压已下降到零,器件结电容上的电压亦为零。由此可见，软开关技术较好地解决了硬开关的开关损耗、容性开通、感性关断、二极管反向恢复问题。