HF-03D 型电除尘器高频电源IGBT温度升高的原因分析及处理办法

HF-03D 型电除尘器高频电源 IGBT 温度升高的 原因分析及处理办法

许炜力 1 陈行 2

国家能源集团宿迁发电有限公 司

摘 要：高频高压整流电源（简称高频电源）是新一代的电除尘器供电装置，可广泛应用于电力、冶金、化工、水泥等行业的烟气粉尘治理，是传统可控硅工频电源的更新换代产品，具有实现节约电能、高效除尘、保护环境的作用。HF-03D 型电除尘器高频电源是利用高频开关技术形成的逆变式电源，供电电流由一系列窄脉冲构成，可以为电除尘器提供从接近纯直流到脉动幅度很大的各种电压波形。

关键词：温度升高；IGBT模块；风道

0 引言

随着国家环保政策的日趋严格，电力行业各大燃煤电厂已陆续实现了烟气超低排放。电除尘器是烟尘处理的关键一环，直接影响烟囱出口的粉尘排放指标。电除器供电电源从早期的单相电源发展到三相电源和现在的高频电源以及基波叠加激能脉冲电源。新型高压电源的应用，其输出平均 / 峰值电压高，平均电晕功率大，同样的除尘器本体工况下，进一步提高收尘效率，除尘器出口粉尘浓度降至30mg/m3以下，工况良好的情况更降至20mg/m3以下。高频电源被列入《2014年国家鼓励发展的环境保护技术目录》，是目前电除尘器领域应用最广泛的电源。

HF-03D 型电除尘器高频电 源采用串联式谐振回路、高频变压器的输出结构。输入为三相 380V/50Hz 工频交流电，输出直流高压满足 66kV～80kV。

作为一种大功率开关电源，高效但设备运行温度高的问题也很突出，在夏季尤为严重，直接影响到设备运行稳定性，进而影响粉尘排放达标。

国家能源集团宿迁发电有限公司二期采用的是南京国电环保科技有限公司的HF-03D 型电除尘器高频电源。经过两年的投入使用情况来看，该型号高频电源与前两代相比，变压器油温升高已经得到了有效的控制，但IGBT温度异常升高明显，仅2019年6月7月两个月的时间就发生了14起IGBT温度高报警。

1 高频电源IGBT温升原因分析

1.1设备高频率、大功率长周期运行

高频电源的设备温升与其运行参数成正比，工作频率高、输出功率大，则设备运行温度就高。高频电源核心控制元件为 IGBT，即绝缘栅双极型晶体管，通过在栅极和基极之间施加正向电压和负向电压实现 IGBT 的触发和关断。用作高频开关时，随着工作频率的上升开关损耗增大，发热加剧。IGBT 本身可工作在125摄氏度以下，但对于高频电源来说 IGBT 模块属于高热元件，温度最高不得超过85摄氏度，运行温度在70~85摄氏度时为高温状态。长时间运行在高温状态下会加速逆变回路其他元器件如滤波电容、谐振电容等老化，降低使用寿命。

1.2设备运行环境、天气温度影响

环境温度直接影响设备运行温度。夏季炎热， 空气温度接近40摄氏度。高频电源布置在除尘器顶部，除尘器外顶盖为金属表面，太阳直射表面温度最高可达60摄氏度，影响设备散热效果。

目前IGBT模块散热器存在的主要问题是:由于需要在有限空间内排散掉数千瓦的热量，因此铝翅片散热器的翅片布局紧湊，相邻翅片间距离仅为4mm，在我国有些地方空气质量相对较差的背景下，室外空气中的柳絮、浮尘等杂质通过散热翅片时，非常容易堵塞翅片间隙，造成空气流通不畅，影响散热效果，导致高电源超温跳闸。而宿迁电厂夏天发生的IGBT高温报警大部分是由于杨絮堵塞造成的。

1.3设备散热系统的设置

目前HF-03D型高频电源IGBT模块采用的是铝翅片强迫风冷散热，由安装在高频电源柜底部的冷却风机和分布在高频电源柜四周的风道配合进行散热。四个IGBT模块固定在一个铝翅片散热器上，如图2所示，在翅片中间强制通风。铝翅片共66片，单片截面积70mmx300mm，散热总面积2.77㎡铝翅片上端、下端均封闭形成闭合风道，下端进风，风机额定风量1200m³/min。IGBT模块和冷却风道均封装在高频电源柜中。

图2 IGBT模块实物图

2 处理办法

2.1根据实际需求设置运行参数

根据功率变换器的拓扑结构安排，高频电源采用 PWM（脉冲宽度调制）和 PFM（脉冲频率调制）混合调制的方式，主回路串联谐振，构成电流源。以 PFM 控制为主，以PWM 控制为辅，由开关频率控制电除尘高压电场电压、电流。HF-03D 系列高频电源控制方式主要为连续供电方式和脉冲组供电方式。

以宿迁电厂为例，宿迁电厂共有5个电场,前2个电场灰尘量较大，可以高功率运行，后面电场功率依次降低，第4、第5电场可以以脉冲组供电方式运行，从而使高频电源运行在一个合理的功率区间，降低设备的本身温升。

2.2采取有效措施降低运行环境对设备的影响

为降低环境温度的影响，应在除尘器顶部搭设遮阳棚避免阳光直射，从而降低高频电源周围环境温度。电除尘器顶部都安装有轨道吊，配有防雨棚。在原防雨蓬的基础上分别将棚面向两侧延展6~8m， 即可起到极佳的遮阳效果。

对于空气质量较差，空气中浮尘、杨絮较多的地区，可以在高频电源柜及底部四周的风道加装一层滤网，从而有效的防止浮尘、杨絮进入高频电源盘柜内部，阻塞铝翅片中间通风通道。宿迁电厂采取此方式后，在2020年的6月、7月再无发生因杨絮阻塞风道而致使IGBT温度升高的事件，但同时注意定期清理滤网。

2.3优化设备散热系统结构

HF-03D高频电源采用强迫循环风冷，IGBT 实际运行温度高于变压器温度，可扩大铝翅片间宽，探寻导热性能更好的材料，优化风道结构，加大流经 IGBT 散热片的循环风量，从而降低 IGBT 运行温度。对于风冷系统整体而言，日常维保工作中应着重三点 ：现场易对设备进风口和出风口形成遮挡的物体包括电缆桥架、变压器集油盘、通讯电缆、电线等，若存在遮挡要及时整改 ；高频电源安装为两两对称布置，但要有一定错位，不能出现两台高频电源出风口相对的情况，否则会影响散热，要及时整改 ；定期清理进口和出口风道杂物，清扫散热风机叶轮积灰。

3 结束语

从实际应用角度出发，分析高频电源设备IGBT运行温度高的各相关因素，结合新的技术和方法提出降温措施，希望能对日后的检修及运行工作提供帮助。

参考文献

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电气技术与经济 / 研究与开发

2020.10.16