СИСТЕМА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2022 года по МПК B03C3/68 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области электроэнергетики и, более конкретно, к области источников питания, пригодных для питания электростатических осадителей (ESP).

Предпосылки изобретения

Электростатические осадители (ESP) обычно используются для улавливания и удаления твердых частиц из газового потока в промышленных процессах. Эти устройства могут, например, использоваться для фильтрации твердых частиц из выбросов угольных электростанций, цементных заводов, сталелитейных заводов и сжигания отходов. Одной из причин того, почему ESP являются одним из наиболее часто используемых устройств для фильтрации/улавливания частиц, является то, что они могут обрабатывать относительно большие объемы газа с широким диапазоном входных температур, давлений, объемов пыли и состояний кислого газа. Более того, они могут использоваться для улавливания частиц в широком диапазоне размеров, и они могут осуществлять сбор в сухом и влажном состояниях.

Как следует из его названия, в ESP используются электростатические силы для отделения частиц пыли от газового потока. Традиционный ESP имеет набор коронирующих/излучающих электродов, часто в виде тонких проводов, которые расположены на одинаковом расстоянии между большими пластинами, называемыми осадительными/собирающими электродами, при этом излучающие электроды находятся под высоким напряжением, в то время как собирающие электроды обычно заземлены, но могут также находиться под напряжением противоположной полярности. Обычно к излучающему электроду прикладывается отрицательное высокое напряжение (часто пульсирующее) постоянного тока (DC), создавая отрицательное электрическое поле. Вкратце, обеспечивается прохождение потока газа через отрицательное электрическое поле, создаваемое излучающими электродами, вызывая отрицательный заряд твердых частиц. Затем отрицательно заряженные частицы притягиваются к собирающим электродам, к которым они прилипают. В результате встряхивания или обстукивания этих коллекторных пластин скопившаяся масса "пыли" высвобождается и падает под собственным весом в пылеуловитель (бункер), расположенный под ним. Более подробно, существуют другие этапы процесса, такие как лавинное умножение и вторичное излучение, которые ионизируют молекулы газа, которые, в свою очередь, ионизируют эти твердые частицы и приводят в итоге к образованию отрицательно заряженных частиц, которые отбрасываются отрицательным электрическим полем вокруг излучающих электродов и сильно притягиваются к собирающему электроду.

В ESP обычно используются генераторы импульсов высокого напряжения для наложения импульсов напряжения на напряжение постоянного тока и, таким образом, повышения эффективности разделения или фильтрации частиц. Длительность импульсов обычно составляет порядка 100 мкс, а их частота находится в диапазоне от 1 до 400 импульсов/с. Управление средним током может осуществляться путем изменения частоты повторения импульсов переключающего устройства в системе, при этом поддерживая уровень напряжения, приложенного к электростатическому осадителю. Таким образом, можно устранить или по меньшей мере ограничить образование обратного коронного разряда и связанные с ним негативные эффекты.

Импульсные системы часто делятся на две основные категории, одна из которых основана на переключении при высоком потенциале/напряжении (на вторичной стороне), и другие называются системами на основе импульсных трансформаторов, которые основаны на переключении при низком уровне потенциала (на первичной стороне). Примеры последних, где переключение происходит на первичной стороне, можно найти, например, в US 4052177, US 4600411 и EP 1 652 586, в то время как в EP 1 293 253 раскрыт пример переключения высокого напряжения (т.е., где переключение происходит на вторичной стороне).

В документе US 5575836 раскрыт пылеуловитель с импульсным источником питания. В данном случае переключение 12 организовано на вторичной стороне трансформатора 10. Однако совершенно очевидно, что переключение не выполняется на конечном уровне напряжения. Напротив, в документе US 5575836 требуется импульсный трансформатор 16 для повышения напряжения до конечного уровня.

Однако, несмотря на то, что существует много решений предшествующего уровня техники, всегда существует потребность в дополнительных усовершенствованиях в данной области техники, в частности, в усовершенствованиях с точки зрения уменьшения потерь мощности, уменьшения размеров, затрат, уменьшения пульсации напряжения на выходе и/или отказоустойчивости/надежности.

Сущность изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить систему высоковольтного электропитания для возбуждения электростатического осадителя, которая устраняет все или по меньшей мере некоторые из недостатков, связанных с известными в настоящее время системами с точки зрения потери мощности, размеров, стоимости, снижения пульсаций напряжения на выходе и/или отказоустойчивости/надежности.

Эта задача решена посредством системы высоковольтного электропитания, охарактеризованной в прилагаемой формуле изобретения.

В дальнейшем термин "примерный" следует понимать как служащий в качестве примера, экземпляра или иллюстрации.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предусмотрена система электропитания, вырабатывающая импульсы высокого напряжения (высоковольтные импульсы), накладываемые на опорное напряжение постоянного тока, подходящая для запитывания электростатического осадителя. Эта система высоковольтного электропитания содержит цепь питания переменного тока, выполненную с возможностью генерации первого напряжения питания переменного тока и второго напряжения питания переменного тока, цепь питания постоянного тока, подключаемую (то есть выполненную с возможностью/адаптированную для подключения) между цепью питания переменного тока и электростатическим осадителем, причем цепь питания постоянного тока содержит первый трансформатор и первую цепь выпрямителя для трансформирования и преобразования первого напряжения питания переменного тока в опорное напряжение постоянного тока, и цепь импульсного питания, подключаемую между цепью питания переменного тока и электростатическим осадителем. Цепь импульсного питания содержит второй трансформатор и вторую цепь выпрямителя для трансформирования и преобразования второго напряжения питания переменного тока в импульсное напряжение питания постоянного тока, достаточное для генерации импульсов высокого напряжения, и цепь формирования импульсов, подключаемую между второй цепью выпрямителя и электростатическим осадителем, причем цепь формирования импульсов выполнена с возможностью генерации (и доставки/подачи) импульсов высокого напряжения без дополнительного трансформирования напряжения. Более конкретно, цепь питания переменного тока выполнена таким образом, что частота каждого из первого напряжения питания переменного тока и второго напряжения питания переменного тока составляет в диапазоне от 100 Гц до 5000 Гц.

Таким образом, представлена экономически эффективная и компактная система высоковольтного электропитания (которая может также называться системой генерации импульсов высокого напряжения). Эта система особенно подходит для подачи питания на электростатический осадитель, используемый в приложениях с фильтрацией газовых потоков. Кроме того, система электропитания является более легкой и имеет меньшие потери мощности по сравнению с другими известными традиционными системами.

Настоящее изобретение основано на понимании того, что относительно низкие потери мощности в баке импульсного блока (то есть в цепи питания постоянного тока и в цепи импульсного питания) могут быть достигнуты за счет комбинирования устройства переключения высокого напряжения с двумя источниками питания средней частоты (100 Гц - 5000 Гц). Более подробно, за счет подачи напряжения переменного тока средней частоты на трансформаторы цепи питания постоянного тока и цепи импульсного питания уменьшаются потери мощности из-за меньших сердечников и меньшего числа витков обмотки, и в результате требуется меньшая площадь охлаждающего фланца маслонаполненного бака (в котором находятся цепи), что делает систему в целом легче и меньше. К тому же, переключение высокого напряжения имеет меньшие потери мощности по сравнению с переключением низкого напряжения (таким как, например, в системах, использующих импульсные трансформаторы). Более того, пульсации выходного напряжения на выпрямленных выходах снижаются по сравнению с низкочастотным питанием (например, 50 Гц). Кроме того, частично или полностью устраняется потребность в сглаживающем фильтре на стороне высокого напряжения цепи питания постоянного тока для линейно коммутируемых источников постоянного тока.

Более того, авторы настоящего изобретения поняли, что управляемые полупроводники цепи питания переменного тока (например, биполярные транзисторы с изолированным затвором, IGBT) могут быть размещены в шкафу управления в защищенной внутренней среде, и вырабатываемое напряжение переменного тока средней частоты может подаваться по кабелям в бак импульсного блока (который, как правило, должен находиться вне помещения), в результате чего снижается риск неисправности системы и/или стоимость и сложность изготовления. Для более высокочастотных систем, таких как системы с импульсным источником питания (SMPS), IGBT должны, как правило, размещаться близко к трансформатору цепей формирования импульсов и, следовательно, в окружающей среде вне помещения.

Кроме того, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения цепь питания переменного тока содержит первый силовой инвертор, выполненный с возможностью преобразования питающего напряжения постоянного тока в первое напряжение питания переменного тока, и второй силовой инвертор, выполненный с возможностью преобразования питающего напряжения постоянного тока во второе напряжение питания переменного тока, причем первый силовой инвертор и второй силовой инвертор выполнены с возможностью управления частотой каждого из первого напряжения питания переменного тока и второго напряжения питания переменного тока в диапазоне от 100 Гц до 5000 Гц. Питающее напряжение постоянного тока может, например, вырабатываться посредством цепи трехфазного выпрямителя, подключенной к трехфазной сети (например, 380 В/480 В, 50 Гц/60 Гц). Цепи выпрямителя могут быть неуправляемыми или управляемыми, а также однополупериодными или двухполупериодными в зависимости от технических характеристик и потребностей для предполагаемого применения. Например, силовые инверторы могут быть полномостовыми или полумостовыми однофазными инверторами, в которых используются полупроводниковые переключатели (например, биполярные транзисторы с изолированным затвором, IGBT, или полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник, MOSFET). Так как нагрузкой является индуктивная нагрузка (трансформатор), силовые инверторы могут дополнительно содержать встречно-параллельные диоды или выпрямители с обратной связью, включенные параллельно (подсоединенные параллельно) каждому полупроводниковому переключателю, чтобы обеспечить путь для протекания пикового тока индуктивной нагрузки во время выключения переключателей. Эти встречно-параллельные диоды традиционно встроены в корпуса полупроводниковых приборов.

Кроме того, в соответствии с другим примерным вариантом осуществления настоящего изобретения цепь формирования импульсов содержит накопительный конденсатор, подсоединенный параллельно второй цепи выпрямителя, первую последовательно включенную индуктивность и разделительный конденсатор, соединенный последовательно с накопительным конденсатором, причем первая последовательно включенная индуктивность и разделительный конденсатор подключены далее по ходу относительно накопительного конденсатора в направлении электростатического осадителя, и цепь переключения высокого напряжения, подключенную между накопительным конденсатором и первой последовательно включенной индуктивностью. Кроме того, цепь переключения высокого напряжения содержит по меньшей мере один тиристор и по меньшей мере один диод, соединенный встречно-параллельно с упомянутым по меньшей мере одним тиристором.

Во время использования микроимпульсы формируются путем закрытия переключателей (ключей) цепи переключения высокого напряжения, в результате чего образуется колебательный контур (или резонансный контур) накопительным конденсатором, последовательно включенной индуктивностью, разделительным конденсатором и ESP (который может аппроксимироваться емкостной нагрузкой), что вызывает быстрое увеличение напряжения на ESP и соответствующее падение напряжения на накопительном конденсаторе. Затем ток меняет направление, и напряжение на ESP уменьшается (до уровня напряжения, подаваемого цепью питания постоянного тока), и накопительный конденсатор снова заряжается приблизительно до уровня, выдаваемого второй цепью выпрямителя, тем самым завершая один цикл колебаний. Управление цепью переключения высокого напряжения предпочтительно осуществляется с целью генерации импульсов с частотой 2-200 Гц, например, 50 Гц, 100 Гц или 150 Гц. Управление переключением может осуществляться с помощью подходящей цепи запуска, подключенной, например, к тиристору или цепочке тиристоров, используемой в качестве переключающего(их) элемента(ов) в цепи переключения высокого напряжения.

Более конкретно, разделительный конденсатор расположен между первой последовательно включенной индуктивностью и соединительным узлом цепи питания постоянного тока (которая обеспечивает подачу опорного напряжения постоянного тока на ESP) для того, чтобы подавать и добавлять импульсное напряжение поверх опорного напряжения постоянного тока, а также для предотвращения короткого замыкания питания постоянного тока на импульсное питание.

Более того, в соответствии с другим примерным вариантом осуществления настоящего изобретения цепь формирования импульсов содержит вспомогательную цепь, соединенную параллельно с цепью переключения высокого напряжения и накопительным конденсатором, причем вспомогательная цепь подключена между цепью переключения высокого напряжения и первой последовательно включенной индуктивностью, при этом вспомогательная цепь включает в себя защитную ветвь, содержащую первое сопротивление и последовательно включенный диод для ограничения пиков напряжения в цепи переключения высокого напряжения. Другими словами, защитная ветвь имеет один вывод, соединенный с узлом/точкой соединения между цепью переключения высокого напряжения и последовательно включенной индуктивностью, а другой вывод заземлен. Последовательно включенный диод и сопротивление служат для ограничения пиков напряжения в цепи переключения высокого напряжения при искрообразовании в ESP.

Более того, в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения цепь формирования импульсов содержит вспомогательную цепь, соединенную параллельно с цепью переключения высокого напряжения и накопительным конденсатором, причем вспомогательная цепь подключена между цепью переключения высокого напряжения и первой последовательно включенной индуктивностью, причем вспомогательная цепь включает в себя восстановительную ветвь, содержащую второе сопротивление и вторую последовательно включенную индуктивность для восстановления заряда разделительного конденсатора между импульсами. Другими словами, восстановительная ветвь имеет один вывод, соединенный с узлом/точкой соединения между цепью переключения высокого напряжения и последовательно включенной индуктивностью, а другой вывод заземлен. Разумеется, вышеупомянутые два примерных варианта осуществления могут быть скомбинированы, и цепь формирования импульсов может содержать вспомогательную цепь, имеющую защитную ветвь и восстановительную ветвь. Чтобы улучшить возможность восстановления напряжения на разделительном конденсаторе до тех же значений, что и опорное напряжение постоянного тока, вторая последовательно включенная индуктивность предпочтительно выполнена имеющей относительно высокое значение индуктивности в диапазоне от 0,1 до 10 Генри, а предпочтительно выше 1 Генри.

В соответствии с еще одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения частота каждого из упомянутого первого напряжения питания переменного тока и упомянутого второго напряжения питания переменного тока составляет в диапазоне от 200 Гц до 2000 Гц, таком как, например, от 200 Гц до 600 Гц. В первом диапазоне частот (200-2000 Гц) достигается хороший компромисс между пульсациями выходного напряжения и потерями мощности трансформатора. Однако для большинства традиционных конструкций трансформаторов последний диапазон частот (от 200 до 600 Гц) является предпочтительным.

Далее, в соответствии с другим примерным вариантом осуществления настоящего изобретения, система высоковольтного электропитания дополнительно содержит первый последовательно включенный конденсатор, подключенный между упомянутым первым силовым инвертором и упомянутым первым трансформатором цепи питания постоянного тока, и второй последовательно включенный конденсатор, подключенный между упомянутым вторым силовым инвертором и упомянутым вторым трансформатором цепи импульсного питания. При добавлении конденсаторов на первичной стороне трансформаторов образуется последовательный резонансный контур, который позволяет любым полупроводниковым переключателям, используемым в цепи переменного тока (например, IGBT в силовых инверторах), отключаться при более низких величинах тока, что создает меньшую нагрузку на IGBT и, кроме того, уменьшает пульсации выходного напряжения. Более подробно, когда в цепи имеется только индуктивная нагрузка (обмотки трансформатора), ток в цепи непрерывно увеличивается до тех пор, пока он не будет отключен полупроводниковыми переключателями (ток будет иметь пилообразную форму сигнала). При добавлении последовательно включенных конденсаторов в цепи будет образован последовательный резонансный контур. Тогда при полной мощности выпрямленный ток будет иметь форму полуволновой синусоиды, поэтому полупроводниковые переключатели могут отключаться при меньших значениях тока. Более того, последовательно включенные конденсаторы защищают трансформаторы от любых нежелательных постояннотоковых составляющих (например, в случае ошибочного управления), что может привести к проблемам, связанным с высокими токами насыщения в первичной обмотке.

Кроме того, в соответствии с еще одним примерным вариантом осуществления, частота первого напряжения питания переменного тока выше, чем частота второго напряжения питания переменного тока. Например, напряжение питания переменного тока, подаваемое на цепь питания постоянного тока (первое напряжение питания переменного тока), может иметь частоту 400 Гц, а частота напряжения питания переменного тока, подаваемого на цепь импульсного питания (второе напряжение питания переменного тока), может иметь значение 200 Гц. Нежелательный акустический шум может быть уменьшен путем использования частоты в диапазоне между 400 и 700 Гц, так как может быть исключен первичный дроссель (который вносит большой вклад в шум в цепи), поскольку индуктивность рассеяния первичной обмотки трансформатора обеспечивает достаточную индуктивность, и тем самым уменьшается потребность в первичном дросселе. Естественно, в других примерных вариантах осуществления настоящего изобретения эти две частоты могут быть одинаковыми.

Эти и другие особенности настоящего изобретения будут в дальнейшем уточнены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже.

Краткое описание чертежей

Для иллюстративных целей изобретение будет описано более подробно ниже со ссылкой на варианты его осуществления, проиллюстрированные на прилагаемых чертежах, на которых:

фиг.1 - схематичная блок-схема системы высоковольтного электропитания для запитывания электростатического осадителя в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 - схематичное представление схемы системы высоковольтного электропитания для запитывания электростатического осадителя в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.3А - схематичное представление формы сигнала напряжения на накопительном конденсаторе цепи формирования импульсов во время цикла колебаний в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.3В - схематичное представление формы сигнала тока в цепи импульсного питания и в ESP во время цикла колебаний в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.3C - схематичное представление формы сигнала напряжения на ESP, подключенном к системе высоковольтного электропитания, во время цикла колебаний в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

фиг.4 - схематичная блок-схема альтернативного варианта осуществления цепи импульсного питания на фигуре 2.

Подробное описание изобретения

В последующем подробном описании будут описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако следует понимать, что признаки различных вариантов осуществления являются взаимозаменяемыми между вариантами осуществления и могут комбинироваться различными способами, если в явном виде не указано иное. Несмотря на то, что в последующем описании изложены многочисленные конкретные подробности для обеспечения более полного понимания настоящего изобретения, специалисту в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение может быть осуществлено на практике без этих конкретных подробностей. В других случаях общеизвестные конструкции или функции подробно не описываются, чтобы не затруднять понимание настоящего изобретения.

На фиг.1 показана схематичная блок-схема системы 1 высоковольтного (импульсного) электропитания, особенно подходящей для запитывания электростатического осадителя (ESP) 10. Система 1 может быть разделена на две части: бак 5, 6 импульсного блока и шкаф 2 управления, причем шкаф управления можно рассматривать как управляемую цепь питания переменного тока, выполненную с возможностью генерации напряжения питания баку импульсного блока, который, в свою очередь, трансформирует это напряжение питания до уровня, подходящего для запитывания ESP 10. Более конкретно, бак импульсного блока содержит цепь 6 высоковольтного импульсного питания и цепь 5 высоковольтного питания постоянного тока, при этом бак импульсного блока выполнен с возможностью подачи высокого опорного напряжения постоянного тока (например, величиной в диапазоне от 20 кВ до 150 кВ) с наложенными высоковольтными микроимпульсами (величиной в диапазоне, например, от 40 кВ до 120 кВ) с частотой от 2 до 200 импульсов/с, предпочтительно 100 импульсов/с. Как правило, напряжение, приложенное к коронирующему электроду (ESP), имеет отрицательную полярность, поэтому предыдущие диапазоны напряжения можно понимать как диапазоны от -20 кВ до -150 кВ для опорного напряжения постоянного тока и от -40 кВ до -120 кВ для микроимпульсов.

Цепь 2 питания переменного тока выполнена с возможностью генерации первого напряжения питания переменного тока и второго напряжения питания переменного тока для цепи 5 питания постоянного тока и цепи 6 импульсного питания соответственно. Частота напряжения питания переменного тока находится в диапазоне средних частот, то есть от 100 Гц до 5000 Гц, предпочтительно в диапазоне от 200 Гц до 2000 Гц. При использовании этого устройства (среднечастотное питание вместе с цепью переключения высокого напряжения) могут быть достигнуты преимущества с точки зрения низких потерь, уменьшения размера и веса бака, снижения производственных затрат и т.д. Кроме того, цепь 2 питания переменного тока и, более конкретно, полупроводниковые переключатели (например, IGBT) цепи питания переменного тока, которые выполнены с возможностью управления частотой выходного напряжения, могут быть расположены внутри шкафа управления в защищенной среде, в отличие от известных ранее систем, использующих питание переменного тока с использованием более высоких частот, которые должны быть размещены близкими к трансформатору(ам), который(е) расположен(ы) на открытых площадках в относительно жестких условиях.

На фиг.2 показано схематичное представление схемы системы 1 высоковольтного электропитания в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Со ссылкой на этот чертеж будут описаны дополнительные подробности подблоков системы 1 и их функциональные аспекты. Система 1 высоковольтного электропитания содержит цепь 2 питания переменного тока, которая выполнена с возможностью генерации первого напряжения питания переменного тока и второго напряжения питания переменного тока. Более подробно, цепь 2 питания переменного тока включает в себя первый силовой инвертор 3 и второй силовой инвертор 4, выполненные с возможностью преобразования питающего напряжения постоянного тока в первое и второе напряжения питания переменного тока соответственно. Питающее напряжение постоянного тока вырабатывается посредством цепи 22 питания постоянного тока, содержащей трехфазный выпрямительный мост, подключенный к сети переменного тока (например, 380 В/50 Гц). Естественно, существуют и другие способы подачи подходящего питающего напряжения постоянного тока на силовые инверторы 3, 4, которые известны специалистам в данной области техники (например, с использованием однофазного питания вместо трехфазного, подключения инверторов непосредственно к источнику постоянного тока и т.д.), и поэтому для краткости описание их будет опущено.

Каждый из силовых инверторов 3, 4 содержит набор IGBT-транзисторов со встречно-параллельным диодом, подключенным параллельно каждому транзистору, включенному в мостовой конфигурации. Однако возможны и другие топологии, обычно используемые в приложениях с высокой мощностью, такие как, например, полумостовые инверторы. Несмотря на то, что в проиллюстрированном примере показаны IGBT-транзисторы, возможно применение других полупроводниковых переключателей, таких, например, как MOSFET, биполярные плоскостные транзисторы (BJT) и т.д.

Кроме того, система 1 высоковольтного электропитания имеет цепь 5 питания постоянного тока, подключенную к выходу первого силового инвертора 3. Цепь 5 питания постоянного тока включает в себя первый трансформатор 7 и первую цепь 8 выпрямителя для трансформирования и преобразования первого напряжения питания переменного тока в опорное напряжение постоянного тока (величиной в диапазоне от 20 кВ до 150 кВ) для ESP 10. Отрицательный электрод (т.е. имеющий отрицательный потенциал U_B) первой цепи 8 выпрямителя подключен к коронирующему/излучающему электроду ESP, при этом положительный электрод заземлен.

Более того, цепь 6 импульсного питания подключена между выходом второго силового инвертора 4 и ESP 10, причем цепь импульсного питания имеет второй трансформатор 9 и вторую цепь 11 выпрямителя для трансформирования и преобразования второго напряжения питания переменного тока в импульсное напряжение питания постоянного тока (например, величиной в диапазоне от 40 кВ до 120 кВ). Положительный вывод второй цепи 12 выпрямителя заземлен, при этом отрицательный вывод (имеющий отрицательный потенциал U_C) второй цепи 11 выпрямителя подключен к коронирующему/излучающему электроду ESP 10 через ряд компонентов 23, 24, 27, включенных в цепь 12 формирования импульсов. Тогда цепь 12 формирования импульсов выполнена с возможностью генерации импульсов высокого напряжения для ESP 10 (эти импульсы соответственно накладываются на опорное напряжение U_B постоянного тока).

Далее, система 1 содержит пару необязательных последовательно включенных конденсаторов 41, 42, а именно первый последовательно включенный конденсатор 41, подключенный между первым силовым инвертором 3 и первым трансформатором 7 цепи 5 питания постоянного тока, и второй последовательно включенный конденсатор, подключенный между вторым силовым инвертором 3 и вторым трансформатором 9 цепи 6 импульсного питания. Последовательно включенные конденсаторы 41, 42 образуют последовательный резонансный контур вместе с индуктивностью рассеяния трансформаторов 7, 9 и любыми потенциальными первичными дросселями, поэтому IGBT-транзисторами можно управлять так, чтобы они отключались при меньших величинах тока, тем самым уменьшая потери мощности и увеличивая срок службы IGBT-транзисторов. Кроме того, пульсации выходного сигнала могут быть уменьшены за счет использования последовательно включенных конденсаторов 41, 42.

Далее, цепь 6 импульсного питания содержит цепь 12 формирования импульсов, подключенную между второй цепью 11 выпрямителя и ESP 10. Цепь формирования импульсов выполнена с возможностью генерации и подачи импульсов высокого напряжения на ESP 10. Цепь формирования импульсов может быть выполнена таким образом, что частота повторения импульсов составляет в диапазоне 2-200 Гц, при этом каждый импульс, например, имеет длительность импульса в диапазоне от 50 до 150 мкс. Частотой повторения импульсов управляют надлежащим образом с помощью цепи управления или цепи запуска, подключенной к переключающему(им) элементу(ам) цепи 24 переключения высокого напряжения, однако это будет обсуждено более подробно ниже.

Цепь 12 формирования импульсов имеет накопительный конденсатор 21, подключенный параллельно со второй цепью 11 выпрямителя, то есть между отрицательным (выходным) выводом и положительным выводом второй цепи 11 выпрямителя или между отрицательным выводом второй цепи выпрямителя и заземлением. Таким образом, напряжение на накопительном конденсаторе 21 повышается до того же уровня, что и выходное напряжение постоянного тока второй цепи 11 выпрямителя, в данном случае U_C. Между отрицательным выводом накопительного конденсатора 21 и ESP 10 последовательно подключена первая последовательно включенная индуктивность 23 и цепь 24 переключения высокого напряжения. Между отрицательным выводом накопительного конденсатора 21 и ESP 10 последовательно подключены последовательно включенная индуктивность 23 и цепь 24 переключения высокого напряжения. Цепь 24 переключения высокого напряжения содержит встречно-параллельно включенные тиристор 25 или цепочку тиристоров и диод 26 или цепочку диодов. Другими словами, тиристор(ы) и диод(ы) подключены во взаимно противоположных направлениях проводимости, чтобы позволить диоду или диодам оказывать блокирующее воздействие на направление тока ко второй цепи 11 выпрямителя при выключении тиристора(ов). Цепочки компонентов используются для того, чтобы они были способны выдерживать высокие напряжения в цепи без перегорания и разрушения компонентов.

Цепь управления или цепь запуска (не показана) используется для запуска тиристора(ов) на заранее установленной частоте, чтобы однообразно сформировать последовательный резонансный контур, вызывающий резкое повышение напряжения, V_ESP, на ESP (то есть отрицательный потенциал коронирующего электрода увеличивается) и соответствующее уменьшение напряжения, V_C, на накопительном конденсаторе 21. Это схематично показано на временных диаграммах, представленных на фиг.3A и 3C, где на фиг.3A показано изменение напряжения на накопительном конденсаторе 21 во времени, и более конкретно, во время цикла колебаний, а на фиг.3C показано напряжение на ESP 10 во время цикла колебаний. Кроме того, на фиг.3B показан ток, протекающий через цепь 12 формирования импульсов и в ESP 10 во время цикла колебаний.

Возвращаясь снова к фиг.2, цепь 12 формирования импульсов имеет также разделительный конденсатор 27, подсоединенный последовательно между первой последовательно включенной индуктивностью 23 и коронирующим электродом ESP 10. Разделительный конденсатор 27 способствует подаче и добавлению импульсного напряжения поверх опорного напряжения постоянного тока, а также снижению риска короткого замыкания цепи 5 питания постоянного тока с цепью 6 импульсного питания.

Кроме того, цепь 12 формирования импульсов включает в себя необязательную вспомогательную цепь 30, подсоединенную параллельно с цепью 24 переключения высокого напряжения и накопительным конденсатором 21. Иначе говоря, вспомогательная цепь 30 имеет один вывод, подключенный между цепью 24 переключения высокого напряжения и первой последовательно включенной индуктивностью 23, и другой вывод, подключенный к земле. В данном случае вспомогательная цепь 30 имеет две параллельные ветви 31, 34, причем каждая ветвь имеет один вывод, подключенный к узлу между цепью 24 переключения высокого напряжения и первой последовательно включенной индуктивностью 23, и другой вывод, подключенный на землю. Одна из ветвей обозначена как защитная ветвь 31, которая включает в себя первое последовательно включенное сопротивление 33 и последовательно включенный диод 32 для ограничения пиков напряжения в цепи 24 переключения высокого напряжения. Вспомогательная цепь 30 дополнительно имеет необязательную восстановительную ветвь 34, включающую в себя второе последовательно включенное сопротивление 36 и вторую последовательно включенную индуктивность 35 для восстановления заряда разделительного конденсатора 27 между импульсами. Предпочтительно, вторая последовательно включенная индуктивность имеет относительно высокое значение индуктивности, например, в диапазоне от 0,1 Гн до 10 Гн, такое как, например, 1 Гн.

Следует отметить, что возможны другие примеры вспомогательных цепей 30. В частности, вспомогательная цепь может быть упрощена и включать в себя, например, только восстановительную ветвь, которая может включать в себя только индуктивность или только резистор.

На фиг.4 показан альтернативный вариант цепи 12' формирования импульсов. Компоненты являются по существу такими же, как и в цепи 12 на фиг.2, с некоторыми отличиями.

В данном случае выпрямитель 11 подключен для получения положительного напряжения питания. Кроме того, накопительный конденсатор 21' и цепь 24' переключения высокого напряжения изменили положение, поэтому цепь 24 переключения высокого напряжения подсоединена параллельно с выпрямителем 11, то есть между выходами выпрямителя. При таком решении между выходом выпрямителя и накопительным конденсатором 21' требуется дополнительный импеданс 28, в данном случае – индуктивность, последовательно включенная с сопротивлением.

Защитная ветвь 31 и восстановительная ветвь 34 могут быть подключены таким же образом, как и на фиг.2, то есть параллельно с накопительным конденсатором 21' и цепью 24' переключения.

Несмотря на то, что изобретение было описано со ссылкой на конкретные иллюстративные варианты его осуществления, для специалистов в данной области техники станут очевидными многочисленные различные изменения, модификации и т.п. Например, каждый из силовых инверторов 3, 4 может иметь свои собственные отдельные питания с цепью выпрямителя и конденсатором постоянного тока. Например, цепь 22 питания постоянного тока может быть запитана однофазным переменным током вместо трехфазного переменного тока. Такие и другие очевидные изменения раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при практическом применении заявленного изобретения на основе изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, в формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а существительные в форме единственного числа не исключают формы множественного числа.

Изобретение относится к системам высоковольтного электропитания для запитывания электростатического осадителя. Система имеет цепь питания переменного тока, выполненную с возможностью генерации первого и второго напряжений питания переменного тока, и две цепи питания, подключенные между цепью питания переменного тока и осадителем. Одна из цепей питания представляет собой цепь питания постоянного тока, выполненную с возможностью трансформирования и преобразования первого напряжения питания переменного тока в опорное напряжение постоянного тока для осадителя, в то время как другая цепь представляет собой цепь импульсного питания, имеющую цепь формирования импульсов, выполненную с возможностью генерации и подачи высоковольтных импульсов на осадитель. Цепь питания переменного тока выполнена таким образом, чтобы каждое из напряжений питания переменного тока находилось в диапазоне средних частот, то есть в диапазоне от 100 Гц до 5000 Гц. Обеспечивается экономичная, легкая и компактная система высоковольтного электропитания. 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система (1) высоковольтного электропитания для генерации импульсов высокого напряжения, наложенных на опорное напряжение постоянного тока, подходящая для запитывания электростатического осадителя (10), содержащая:

цепь (2) питания переменного тока, выполненную с возможностью генерации первого напряжения питания переменного тока и второго напряжения питания переменного тока;

цепь (5) питания постоянного тока, подключаемую между упомянутой цепью (2) питания переменного тока и упомянутым электростатическим осадителем (10), содержащую первый трансформатор (7) и первую цепь (8) выпрямителя для трансформирования и преобразования упомянутого первого напряжения питания переменного тока в упомянутое опорное напряжение постоянного тока;

цепь (6) импульсного питания, подключаемую между упомянутой цепью (2) питания переменного тока и упомянутым электростатическим осадителем (10), причем упомянутая цепь импульсного питания содержит:

второй трансформатор (9) и вторую цепь (11) выпрямителя для трансформирования и преобразования упомянутого второго напряжения питания переменного тока в импульсное напряжение питания постоянного тока в диапазоне от 40 кВ до 120 кВ, достаточное для генерации упомянутых импульсов высокого напряжения;

цепь (12; 12') формирования импульсов, подключаемую между упомянутой второй цепью (11) выпрямителя и упомянутым электростатическим осадителем (10), выполненную с возможностью генерации упомянутых импульсов высокого напряжения без дополнительного трансформирования напряжения, причем упомянутая цепь формирования импульсов включает цепь переключения высокого напряжения, содержащую встречно-параллельное подключение цепочки диодов и цепочки тиристоров;

при этом упомянутая цепь питания переменного тока выполнена таким образом, что частота каждого из упомянутого первого напряжения питания переменного тока и упомянутого второго напряжения питания переменного тока составляет в диапазоне от 100 Гц до 5000 Гц.

2. Система (1) высоковольтного электропитания по п.1, в которой упомянутая цепь (12; 12') формирования импульсов содержит по меньшей мере один тиристор (25) и по меньшей мере один диод (26), подсоединенный встречно-параллельно с упомянутым по меньшей мере одним тиристором.

3. Система высоковольтного электропитания по п.1 или 2, в которой упомянутая цепь (2) питания переменного тока содержит:

первый силовой инвертор (3), выполненный с возможностью преобразования питающего напряжения постоянного тока в упомянутое первое напряжение питания переменного тока;

второй силовой инвертор (4), выполненный с возможностью преобразования упомянутого питающего напряжения постоянного тока в упомянутое второе напряжение питания переменного тока; и

при этом упомянутый первый силовой инвертор и упомянутый второй силовой инвертор выполнены с возможностью управления частотой каждого из упомянутого первого напряжения питания переменного тока и упомянутого второго напряжения питания переменного тока в диапазоне от 100 Гц до 5000 Гц.

4. Система (1) высоковольтного электропитания по п.3, в которой упомянутый первый силовой инвертор (3) представляет собой полномостовой или полумостовой однофазный инвертор, включающий в себя полупроводниковые силовые переключатели, такие как IGBT или MOSFET.

5. Система (1) высоковольтного электропитания по п.3 или 4, в которой упомянутый второй силовой инвертор (4) представляет собой полномостовой или полумостовой однофазный инвертор, включающий в себя полупроводниковые силовые переключатели, такие как IGBT или MOSFET.

6. Система (1) высоковольтного электропитания по любому из предыдущих пунктов, в которой упомянутое опорное напряжение постоянного тока и упомянутые импульсы высокого напряжения подаются параллельно на выходе упомянутой системы электропитания.

7. Система (1) высоковольтного электропитания по п.6, в которой упомянутая цепь (12) формирования импульсов содержит:

накопительный конденсатор (21), подключенный между выходными выводами второй цепи (11) выпрямителя,

первую последовательно включенную индуктивность (23) и разделительный конденсатор (27), подключенные последовательно к выходу системы электропитания, и

цепь (24) переключения высокого напряжения, подключенную последовательно между накопительным конденсатором (21) и первой последовательно включенной индуктивностью (23).

8. Система (1) высоковольтного электропитания по п.6, в которой упомянутая цепь (12') формирования импульсов содержит:

цепь (24') переключения высокого напряжения, подключенную между выходными выводами второй цепи (11) выпрямителя,

первую последовательно включенную индуктивность (23) и разделительный конденсатор (27), подключенные последовательно к выходу системы электропитания, и

накопительный конденсатор (21'), подключенный последовательно между цепью (24') переключения высокого напряжения и первой последовательно включенной индуктивностью (23).

9. Система (1) высоковольтного электропитания по п.7 или 8, в которой упомянутая цепь переключения высокого напряжения содержит по меньшей мере один тиристор (25) и по меньшей мере один диод (26), подсоединенный встречно-параллельно с упомянутым по меньшей мере одним тиристором.

10. Система (1) высоковольтного электропитания по одному из пп.7-9, в которой упомянутая цепь (12; 12') формирования импульсов дополнительно содержит защитную ветвь (31), подсоединенную параллельно с упомянутой цепью (24; 24') переключения высокого напряжения и упомянутым накопительным конденсатором (21; 21'), причем упомянутая защитная ветвь (31) содержит первое сопротивление (33) и последовательно включенный диод (32) для ограничения пиков напряжения в цепи (24) переключения высокого напряжения.

11. Система (1) высоковольтного электропитания по одному из пп.5-8, в которой упомянутая цепь (12; 12') формирования импульсов дополнительно содержит восстановительную ветвь (34), подсоединенную параллельно с упомянутой цепью (24) переключения высокого напряжения и упомянутым накопительным конденсатором (21), причем упомянутая восстановительная ветвь (34) содержит второе сопротивление (36) и вторую последовательно включенную индуктивность (35) для восстановления заряда разделительного конденсатора (27) между импульсами.

12. Система (1) высоковольтного электропитания по п.9, в которой упомянутая вторая последовательно включенная индуктивность (35) имеет значение индуктивности в диапазоне от 0,1 Гн до 10 Гн.

13. Система (1) высоковольтного электропитания по любому из предыдущих пунктов, в которой частота каждого из упомянутого первого напряжения питания переменного тока и упомянутого второго напряжения питания переменного тока составляет в диапазоне от 200 Гц до 2000 Гц.

14. Система (1) высоковольтного электропитания по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащая первый последовательно включенный конденсатор (41), подключенный между упомянутым первым силовым инвертором (3) и упомянутым первым трансформатором (7) цепи (5) питания постоянного тока, и второй последовательно включенный конденсатор (42), подключенный между упомянутым вторым силовым инвертором (4) и упомянутым вторым трансформатором (9) цепи импульсного питания.

15. Система (1) высоковольтного электропитания по любому из предыдущих пунктов, в которой частота упомянутого первого напряжения питания переменного тока выше, чем частота упомянутого второго напряжения питания переменного тока.

16. Система (1) высоковольтного электропитания по любому из предыдущих пунктов, подключенная к электростатическому осадителю (10).