SMPS与IGBT驱动下的电除尘器现代化改造

基于Siemens AG 与 Georg‑Simon‑Ohm Hochschule 超过20年SMPS应用与测试经验的技术综述（作者：Michael Kloeckner, Norbert Grass）

关键词
SMPS, IGBT, power semiconductors, pre-test, test installation, history, space charge, corona suppression, 电除尘器, 能效提升

随着环保排放法规趋严与工业燃料及产能变化，中国的浆纸、钢铁、水泥与化工行业对电除尘器（ESP）提出了更高的治理和能效要求。采用开关式电源（SMPS）配合IGBT等先进功率半导体，可在不大规模改造机械结构的前提下显著提升除尘效率并降低能耗，这也是近二十多年实践验证的结论。本文基于Siemens AG与Georg‑Simon‑Ohm Hochschule的研究与现场改造经验，结合行业应用案例与Enelco在极板、极线与电场优化方面的技术积累，概述SMPS技术演进、试验流程、典型效果及中国市场的应用前景[4][5]。

SMPS自上世纪末引入ESP以来，经历了几代发展：早期以双极晶体管构成的高频逆变器实现了更平滑的高压直流输出；1992年IGBT商用后，控制频率大幅提升，器件更紧凑可靠；2006年以后出现集成IGBT模块与更高功率等级的控制柜，控制策略也从简单PI扩展到含模糊逻辑的优化算法，使脉冲波形、脉宽与电流限幅更灵活，有助抑制空间电荷与快速恢复闪络后的电压[1][2][3]。这些技术使得在入口场使用SMPS可减少由高粉尘浓度导致的电晕抑制，提高粒子充电效率，并在闪络处理时维持较高的平均电晕功率，从而在许多现场获得了显著的排放改善[4]。

在工程实践中，建议先行开展预试验：比对现场测得的收尘效率与设计计算值，核查各场的电气参数与机械状态；用逐场降压观察不透光率变化以估算SMPS潜力，并通过电压—电流曲线外推SMPS运行点。这一预试验方法在多数连续工况下能有效判断改造收益；对间歇性或快速波动工况（如转炉）则建议短期试装SMPS以在真实工况中验证效果[5]。

试装通常为期1–2个月，可能采用单台或多台SMPS与现有50/60Hz变流器组合，尽管老式变压器感应更大但仍能获得显著性能提升。通过现场调校（包括极板抖落节律的调整）与基于模糊逻辑的控制优化，可以实现更高的电晕功率和更稳定的运行。典型案例显示，在某火电厂将首场配置SMPS后，整段供电功率由约240kW降至210kW（节能约12%），个别工况收尘效率提升可超过50%[6]。

需要强调的是，SMPS的潜力受制于ESP的机械与流态条件。若存在电极错位、导流板缺失、布袋和灰斗回收不足或入口气流速度过高，改造效益会被显著削弱。因此改造前应进行全面检修和气流重配，以充分释放SMPS带来的电气优势。此外，针对高阻抗粉尘导致的回电晕（back‑corona），SMPS可通过短脉冲高峰值电流与波形整形实现更优的间歇运行，从而抑制回电晕并提升净化效率[4]。

从电网侧看，SMPS能带来更高功率因数、三相负载平衡及更低谐波注入，这是对大容量装置尤为重要的附加价值。配合远程监控与优化平台（如文献中的SIPREC ODS），可实现运行数据归档、趋势分析与波形诊断，帮助企业持续降低运维成本并满足排放合规要求[1][5]。

面向中国市场，Enelco在极板和电场优化方面的工程经验可以与SMPS技术形成互补：通过改进极线布局、极板间距与导流结构，联合SMPS的快速电压恢复与脉冲可控性，可在水泥、钢铁、造纸与化工等行业实现低成本达标、能耗下降与运维简化的综合效益。未来发展方向包括更高压等级的变压器设计、更快的半导体开关、更先进的在线诊断与基于大数据的运行优化，以应对更严格的排放线与更复杂的工况需求。

结论：采用基于IGBT的SMPS是提升传统ESP性能、降低能耗与满足更严苛排放标准的有效途径。通过预试验与试装评估、结合机械检修与电场优化，可在多数工业场景实现显著收益。对于希望在中国市场快速达标并优化长期运维成本的企业，推荐将SMPS改造纳入烟气治理升级方案，并与具备电除尘器设计与优化经验的供应商（如Enelco）紧密合作以获得最佳成果[4][6]。

参考文献
[1] Norbert Grass, Fuzzy Logic‑Optimizing IGBT Inverter for Electrostatic Precipitators, IEEE IAS 1999 Annual Meeting, Phoenix, 1999.
[2] Norbert Grass, Fuzzy‑Logik‑gesteuerter Spannungs‑Zwischenkreis‑Umrichter für Elektrofilter, Dissertation, University of Erlangen, 1997.
[3] Norbert Grass, Application of different types of high voltage supplies on industrial electrostatics precipitators, IEEE Trans. Plasma Sci., Vol.28, No.5, 2000, pp.1481‑1485.
[4] Norbert Grass, Werner Hartmann, Michael Kloeckner, Application of different types of high‑voltage supplies for electrostatic precipitators, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol.40, No.6, 2004.
[5] Michael Steingraeber, Michael Kloeckner, Norbert Grass, Mobile HV Test System with IGBT Inverter Technology for Electrostatic Precipitators, ICESP XII.
[6] Michael Hausmann, Norbert Grass, Bernhard Piepenbreier, Power Electronic Modeling & Emulation of an Electrostatic Precipitator, ICESP XII.