CN1008694B - 火花频率自控高压硅整流设备 - Google Patents

Abstract

火花频率(周期)自拉高压硅整流设备是对现有技术中采用火花跟踪自控系统的高压硅整流设备的改进，它由晶闸管交流调压器、高压变压器和高压硅整流器组成，其控制系统除原有的火花跟踪自控系统外，还增设了一个火花频率(周期)自控系统，两者之间有一自控方式选择器。火花频率(周期)自控高压硅整流设备具有本机效率高(95%)、功率因数高(0.99)以及运行安全可靠等特点，可广泛用于静电除尘、净化、原油脱水等领域。

Description

本发明涉及一种高压硅整流设备。

用于静电除尘、净化和原油脱水等技术领域的高压硅整流设备一般由晶闸管交流调压器，高压变压器，高压硅整流器以及控制系统组成，图1是为静电收尘器供电的高压硅整流设备的典型电气原理图。工频单相380伏交流电经交流电抗器JDK和晶闸管交流调压器JTY后由高压变压器GB升压，并由高压硅整流器GZL整流成40～80千伏的脉动直流电压，该脉动直流电压的正端接地，其负端经高压电缆和绝缘子接至收尘器的电晕电极。

现有技术中的高压硅整流设备的自控系统（参见图5）一般是由电压电流检测单元YLJ、电压自动调节单元YT、电流自动调节单元LT、火花检测单元HJ、保护信号综合单元BZ、移相脉冲单元YM以及触发脉冲板CFB组成的火花跟踪自控系统。输入电压电流检测单元YLJ的电流反馈信号取自进线交流电流互感器2LH并输入电流自动调节单元LT，取自高压变压器GB原边的电压反馈信号经反馈变压器FB输入电压电流检测单元YLZ后再输入电压自动调节单元YT，电流自动调节单元LT和电压自动调节单元YT组成双闭环控制系统（电流内环，电压外环），将高压硅整流设备的输出电压（电流）控制在设定的范围内。输入火花检测单元HJ的火花检测信号取自高压输出回路，保护信号综合单元BZ对来自电压电流检测单元YLJ的电压电流信号和来自火花检测单元HJ的火花检测信号加以综合之后由移相脉冲单元YM发出移相脉冲或封锁脉冲，移相脉冲或封锁脉冲通过触发脉冲板CFB输 入晶闸管交流调压器JTY以改变晶闸管触发脉冲相位或封锁晶闸管。

火花跟踪控制的原理如图2所示。当收尘器的电场电压达到火花放电电压极限值时，电场产生火花放电，收尘器的电晕电流则因闪络击穿而急剧增加。这时，火花检测单元HJ即可检测出这一火花放电信号并通过保护信号综合单元BZ和移相脉冲单元YM发出封锁脉冲封锁晶闸管，以迅速切断电晕电流。经过约20ms左右，晶闸管自动解除封锁，电场电压跃升至某一幅值并且按一定速率继续上升至设定值。若火花放电电压极限值变小，则电场电压上升不到设定值就碰到火花控制过程。显然，改变电场电压下降幅值S或者改变电场电压上升时间τ（即上升速率）都能调节火花放电的频率，实现火花跟踪控制。

采用火花跟踪自动控制的高压硅整流设备有以下几个明显的缺陷：

1.电场火花放电电压极限值是随烟气参数、粉尘特性，电极结构和操作条件等因素而不断变化的，当火花放电电压极限值下降时，火花放电频率增加;当火花放电电压极限值上升时，火花放电频率减小;而在火花放电电压极限值超过电压设定值时，甚至不产生火花放电（见图2）。因此，火花放电完全是一种随机的现象，采用火花跟踪控制无法保持恒定的火花放电频率，而火花放电频率过高或过低都意味着电场不是以最大允许的电晕电压和电晕功率工作，也即意味着除尘效率的下降。为了避免这种情况，就必须把电压设定为额定值并且随电场状况的变化不断地人为调节电压下降幅值S和电压上升时间τ，这就大大增加了调整的难度和工作量。

2.改变火花放电时的电压下降幅值S和电压上升时间τ来调节火 花放电频率势必影响除尘效率。例如，要降低火花放电频率就要增大S和τ，这就势必减小输出电压（电流）波形的填充系数，即减小高压直流电压（电流）的平均值，于是就导致了收尘电场强度的降低和收尘效率的下降。

3.火花放电检测信号直接取自高压输出回路的附加电阻，没有采取任何高压隔离措施，一旦高压侧接地不良或附加电阻断丝、虚接，则将对设备和人身造成危害。

鉴于现有高压硅整流设备的上述缺陷，本发明的目的是对高压硅整流设备的控制方法和控制系统加以改进，以提高设备的效率并实现全自动控制;同时对火花放电检测方法和检测系统加以改进，以提高火花检测的灵敏度和安全性。

理论分析表明，静电收尘器的除尘效率与高压硅整流设备的输出状态（输出平均电压和峰值电压）有着密切的关系：

其中K为与集尘面积、烟气流量、烟尘粒径、烟气粘度等有关的系数;Uav为输出平均电压（决定收尘电场强度）;Up为输出峰值电压（决定荷电电场强度）。

由除尘效率公式可知，加到收尘电极间的电压越高、电晕电流越大，则收尘器的效率越高。但是，当收尘器的电压超过始发火花放电电压时，火花放电的频率将随峰值电压成指数规律增加，即：

其中Up为峰值电压;U₁为始发火花放电电压（定义为每分钟产生一次火花放电的电压）;b是数量级为1的经验常数。显然，电场电压还要受到火花放电频率的约束。并不可能无限制地增加。当电场电压未达到始发火花放电电压时除尘效率固然不高;但电场电压过高时火花放电现象严重，甚至会过渡到弧光放电，输出电压的平均值反因火花放电控制而变低，相当部分的输出功率成热损耗，因而除尘效率同样不高。发明人经过反复的试验和现场考察证实，对于每个具体的收尘器都存在着一个与最佳收尘效率相对应的火花放电频率（图3），该火花放电频率也正是与电场平均电压最大值相对应的火花放电频率（图4）;最佳火花放电频率的具体数据因电场而异，一般为每分钟100～120次。

据此，为了实现上述目的，本发明打破了传统的以电压或电流为设定值进行控制的方案，改为直接以火花频率作为自动控制的唯一设定值，通过控制系统将火花放电频率控制在设定的最佳值，以获得最佳收尘效率。为此，本发明在原有火花跟踪自控系统的基础上增设了一个由火花检测单元HJ、火花频率控制单元HPK、电压自动整定单元DYZ以及给定与定时单元GD组成的火花频率自控系统，该火花频率自控系统与火花跟踪自控系统中的电压、电流双闭环控制系统（电流内环，电压外环）一起构成一个三闭环控制系统（电流内环，电压中环，火花频率外环），该三闭环控制系统通过自动调节电场电压将火花放电频率控制在设定的最佳值;与此同时，本发明将高压输出回路的火花放电信号通过一高频直流互感器输入火花检测单元HJ，以实现高压电隔离。以下结合具体实施 例对本发明火花频率自控高压硅整流设备的技术特征做进一步的详细说明。

图5为火花频率自控高压硅整流设备的电气原理图。火花频率自控高压硅整流设备的主要组成部分仍为晶闸管交流调压器、高压变压器和高压硅整流器，为了提高设备的功率因数，本发明取消了高压变压器GB原边所串接的交流电抗器，单相380伏交流电经过由一对反向并联的晶闸管KGT₁和KGT₂组成的相控式交流调压器JTY后直接供给高压变压器GB的原边，经高压变压器GB升压和雪崩型高压硅堆整流器GZL整流后为静电收尘器提供可调高压直流电压。为了实现火花频率控制，本发明除原有的由电压电流检测单元YLJ、电流自动调节单元LT、电压自动调节单元YT、火花检测单元HJ、保护信号综合单元BZ、移相脉冲单元YM以及触发脉冲板CFB组成的火花跟踪自控系统外，还增设了一个由火花检测单元HJ、火花频率控制单元HPK、电压自动整定单元DYZ以及给定与定时单元GD组成的火花频率自控系统。火花频率自控系统与火花跟踪自控系统除共用一个火花检测单元HJ外，之间还有一个由选择开关KK和电位器Ws组成的自控方式选择器，选择开关KK的公共端与电压自动调节单元YT相接，选择开关KK的选择端①和②则分别与电位器Ws和给定与定时单元GD相联。当选择开关KK置于选择端①时，火花频率自控系统与火花跟踪自控系统断开，控制系统仍采取火花跟踪控制方式;当选择开关KK置于选择端②时，火花频率自控系统与火花跟踪自控系统联通并以火花跟踪自控系统为通道实行火花频率自动控制。上述两种自控方式，无论在设备投入运行前还是设备运行过程中， 均可通过选择开关KK任意切换。为了实行高压电隔离，高压输出回路的火花放电检测信号经过一高频直流互感器3LH输入火花检测单元HJ。采取火花频率控制方式时，火花频率自控系统与火花跟踪自控系统中的电流电压双闭环控制系统一起组成一个电流电压频率三闭环控制系统，电流为内环控制，电压为中环控制，火花频率为外环控制。三闭环控制的原理如图6所示。

火花检测单元HJ是火花频率自控系统和火花跟踪自控系统共用的检测单元，其电气原理如图7所示。为了增加火花检测的可靠性，火花检测单元HJ设有两个检测通道，一是由磁耦合多谐振荡器CDZ高频直流互感器3LH、线性集成电路FD₁和偏移电位器W₁组成的高压负载电流检测通道;另一个是由交流互感器2LH、整流回路（包含在电压电流检测单元YLT中）、线性集成电路FD₂和偏移电位器W₂组成的高压变压器初级电流检测通道。磁耦合多谐振荡器CDZ为高频直流互感器3LH提供高频激磁电源，这样不仅可以提高火花检测的灵敏度，而且可以显著缩小互感器的尺寸。高频直流互感器的输出经线性集成电路FD₁进行电平检测，其动作值由偏移电位器W₁整定。取自进线交流电流互感器2LH的另一个火花检测信号由线性集成电路FD₂进行电平检测，其动作值由偏移电位器W₂调整。分别来自两个检测通道的两个火花检测信号经与非门YF“或”后，通过单稳态电路DW延时输出一定宽度的封锁脉冲，经保护信号综合单元BZ和移相脉冲单元YM后封锁晶闸管。

图8是火花频率自控单元HPK的电气原理图，HPK单元由单稳态延时环节DYH、频率/电压变换器PYB、电平比较器DB和 微分电路WD组成，HPK的作用是将来自火花检测单元HJ的火花频率检测信号转换成与火花频率成比例的直流电压信号，并且将该直流电压信号与给定的火花频率电平进行比较，以决定是降低还是提高电场电压，抑或维持原电场电压不变。火花频率设定值f_s由单元外接电位器Wf整定，其允许偏差△f由本单元的电位器W调整。当实际火花频率f＞f_s时，FD₃输出高电平，发光二极管JD₂亮，表示需要提高电场电压;当定时脉冲（约0.5秒一次）到来后，由BG6输出微分的“1”态（相对-V）脉冲信号，推动电压自动整定单元DYZ的电子开关，以提高电场电压。如果f＞f_s+△f，则FD₂输出“1”态电平，二极管JD₁亮，表示应该降低电场电压;在定时脉冲作用下由BG4输出降压脉冲，使电压自动整定单元DYZ的电子开关按顺序打开一级，以降低给定电压。倘若f_s＜f＜f_s+△f，则FD₂和FD₃均输出“0”态电平，二极管JD₁和JD₂都熄灭，表示需维持原电场电压不变，BG4和BG6的集电极不再输出升压或降压脉冲，DYZ单元的电子开关保持原来通断的顺序和个数不变，给定电压也就维持不变。

火花频率自控系统的电压自动整定单元DYZ包括N个（N为自然数）电压自动整定子单元DYZi，图9是一个电压自动整定子单元DYZi的电气原理图。每个电压自动整定子单元DYZi都包括8级顺序记忆电子开关，于是电场强度可分为8N级进行细调。每一级电子开关都由基本的R-S双稳态触发器加上与上一级和下一级电子开关进行逻辑联系的延迟电路组成，电路器件均采用高抗干扰固体组件和0～-15V电源。每级电子开关的输出（即YF₃-₁、 YF₃-₂…YF₁₈-₂的输出）通过两只串联的电阻并联在一起并接至给定与定时单元的输入端，YF₃-₁、YF₃-₂…YF₁₈-₂的一个门并联在一起作为复位用（置-15V）。当采用两个以上电压自动整定子单元DYZi时，子单元之间的联接应当是这样的，即第1子单元第1级的升压脉冲SM（HPK）信号通过YF₆-₁倒相输入YF₂-₁（图中虚线短接）;第1子单元的a端悬空，第2子单元的a端和b端分别接至第1单元的d端和c端。显然，由于每个子单元的输出级电阻值各异，因此即使电路相同，其联接顺序也是不能颠倒的。

给定与定时单元GD包括两部分，一部分是火花频率自控时的给定环节，其电气原理如图10所示;另一部分是为火花频率控制单元HPK提供定时比较脉冲的定时器，其电气原理如图11所示。给定环节的FD是放大倍数为1的反号器，起分压器与电压自动调节单元YT之间的耦合作用。由R₁、W₁、R₂构成的电阻分压中点接至电压自动整定单元DYZ的输出，FD输入端R₃、R₄、R₇、C₁具有比例一一惯性环节特性;BG₁起电子开关作用，R₅接至保护信号综合单元BZ。平常为“1”态电平，BG₁截止;当停机、控制方式切换和电场出现火花时，输入翻成“0”态脉冲，BG₁饱和导通，短路FD的输入信号;当脉冲消失，BG₁恢复截止作用，由C₁的充电电流在R₇上的压降决定系统解封后的电压上跳幅值，并以不变的时间常数按指数规律上升。根据火花频率的不同，电压自动整定单元DYZ接通和断开的电子开关数目也不同，于是输入端分压器中点电位也随之变化，为电场提供不同的正极性的给定电压。

定时器由单结晶体管BG₂驰张振荡器和单稳电路DW组成，振 荡器的振荡周期由W₂调整，BG₂输出窄脉冲经单稳电路DW后获得一定宽度的脉冲，一方面通过发光二极管JD显示，同时为火花频率控制单元HPK提供定时比较脉冲。

由于火花放电周期是火花放电频率的倒数，因此本发明的火花频率控制的方法同样适用于火花周期控制。如将火花频率自控系统中的火花频率控制单元HPK和火花频率设定电位器W_f分别改为火花周期控制单元HZK和火花周期设定电位器W_T，则可设计出火花周期自控高压硅整流设备。采用火花周期控制方式时，火花周期自控系统与火花跟踪控制中的电流电压双闭环控制系统一起构成一个电流电压周期三闭环控制系统（电流为内环控制，电压为中环控制，周期为外环控制），其控制原理如图12所示。火花周期由火花周期设定电位器W_T设定，电场火花周期信号由火花检测单元HJ检测后送入火花周期调节器ZT（即火花周期控制单元HZK），经过比较，判断后发出控制电子开关的信号，输出不同的给定电压。与火花频率控制系统比较，火花周期控制系统由于减少了频率/电压变换的积分环节，故火花周期控制系统对每个火花检测信号都能立即作出反应，其动态性能比火花频率控制系统更优越，尤其在低火花频率（长火花周期）的范围内其控制特性更佳。

本发明火花频率（周期）自控高压硅整流设备具有以下的特点和优点：

1.以火花频率（周期）作为自动控制的唯一设定值，在设备运行中能不断自动调节电场电压使火花放电频率（周期）控制在设定的最佳范围内;同时，在电场出现火花放电时，可按高压变压器和高压硅 堆整流器所允许的最大电压上跳幅值和最短上升时间恢复电场电压，因此显著增大了高压输出电压或电流波形的填充系数，从而大大提高了设备的本机效率。经过两个工厂的长期工业运行表明，火花频率（周期）自动高压硅整流设备的本机效率可达到95%，功率因数可达到0.99，设备利用系数可达到94%。

2.采用高频直流互感器检测高压直流电场火花放电信号，实现了高压回路与控制系统的高压电隔离，不仅保证了设备和人身安全，而且提高了检测的灵敏度。

经过长期的试验和工业运行证明，本发明具有很好的经济效益和社会效益，可以广泛用于发电、建材、冶金、化工、石油等工业部门中的静电除尘、净化、原油脱水等技术领域。

Claims (5)

1、一种适用于静电除尘、净化、脱水等技术领域的高压硅整流设备，至少由晶闸管交流调压阀、高压变压器、高压硅整流器和火花跟踪自控系统组成，工频单相380伏交流电经晶闸管交流调压器JTY调压后由高压变压器GB升压，并由雪崩型高压硅堆整流器GZL整流为40～80千伏的脉动直流电压；所述火花跟踪自控系统至少包括电压电流检测单元YLJ，电压自动调节单元YT、电流自动调节单元LT、火花检测单元HJ、保护信号综合单元BZ、移相脉冲单元YM以及触发脉冲板CFB，输入电压电流检测单元YLJ的电流反馈信号取自进线交流电流互感器2LH并经电压电流检测单元YLJ输入电流自动调节单元LT，取自高压变压器GB原边的电压反馈信号经反馈变压器FB输入电压电流检测单元YLJ后输入电压自动调节单元YT，电流自动调节单元LT和电压自动调节单元YT组成双闭环控制系统(电流内环电压外环)；火花检测信号取自高压输出回路并输入火花检测单元HJ，保护信号综合单元BZ对来自电压电流检测单元YLJ的电压电流信号和来自火花检测单元HJ的火花检测信号加以综合之后由移相脉冲单元YM发出移相脉冲，移相脉冲通过触发脉冲板CFB输入晶闸管交流调压器JTY以改变晶闸管触发脉冲相位；本发明的特征在于它带有一个由所述火花检测单元HJ以及火花频率设定电位器Wf、火花频率控制单元HPK、电压自动整定单元DYZ和给定与定时单元GD组成的火花频率自控系统，所述火花频率自控系统与火花跟踪自控系统除共用一个火花检测单元HJ外，之间还有一个由选择开关KK和电位器Ws组成的自控方式选择器，所述选择开关KK的公共端与电压自动调节单元YT相接，其选择端①和②则分别与电位器Ws和给定与定时单元GD相联，高压输出回路的火花放电检测信号经高频直流互感器3LH输入火花检测单元HJ；当所述选择开关KK置于选择端①时，控制系统仍采取火花跟踪控制方式，当选择开关KK置于选择端②时，火花频率自控系统与火花跟踪自控系统联通并且以火花跟踪自控系统为通道、以火花频率为唯一设定值与所述电流电压双闭环控制系统组成三闭环控制系统(电流内环，电压中环，火花频率外环)，通过自动调节电场电压(电流)，将火花频率控制在设定的范围内。

2、根据权利要求1所述的高压硅整流设备，其特征是所述两个自控系统共用的火花检测单元HJ至少包括一个由磁耦合多谐振荡器CDZ、高频直流互感器3LH、线性集成电路FD₁和偏移电位器W₁组成的高压负载电流检测通道和一个由交流互感器2LH、整流回路（包含在电压电流检测单元YLJ中）、线性集成电路FD₂和偏移电位器W₂组成的高压变压器初级电流控制通道以及与非门YF和单稳态电路DW，来自所述两个检测通道的检测信号经与非门YF“或”后通过单稳态电路DW延时输出一定宽度的封锁脉冲，经保护信号综合单元BZ和移相脉冲单元YM后封锁晶闸管KGT₁和KGT₂。

3、根据权利要求1所述的高压硅整流设备，其特征是所述火花频率控制单元HPK至少包括单稳态延时环节DYH、频率/电压变换器PYB、电平比较器DB以及微分电路WD，来自火花检测单元HJ的火花频率信号经频率/电压变换器PYB转换成与火花频率成比例的直流电压信号，并通过电平比较器DB与给定的火花频率电平进行比较，以决定是降低电场电压还是提高电场电压，抑或维持原电场电压不变。

4、根据权利要求1所述的高压硅整流设备，其特征是所述的电压自动整定单元DYZ包括N个相同的电压自动整定子单元DYZi每个子单元DYZi都包括8级顺序记忆电子开关，每级电子开关均由基本的R-S双稳态触发器和与上一级及下一级逻辑联系的延迟电路组成，每级电子开关的输出（即YF_3-1、YF_3-2…YF_18-2的输出）通过两只串联的电阻并联在一起并接至给定与定时单元GD的输入端，YF_3-1、YF_3-2…YF_18-2的一个门并联在一起置于-15V作为复位用;采用两个以上子单元时，子单元之间的联接方式是这样的，即第一子单元第一级的HPK信号通过YF_6-1倒相输入YF_2-1。第一子单元的a端悬空，第二子单元的a端和b端分别接至第一子单元的d端和c端。

5、根据权利要求1所述的高压硅整流设备，其特征是所述的给定与定时单元GD包括一个火花频率控制给定环节和一个为火花频率控制单元提供定时比较脉冲的定时器;所述给定环节中的FD是放大倍数为1的反号器，由R₁、W₁、R₂构成的电阻分压中点接至电压自动整定单元DYZ的输出，BG₁为电子开关，R₅接至保护信号综合单元BZ;根据火花频率的变化，电压自动整定单元DYZ接通和断开的电子开关数目不同，给定环节输入端分压器中点的电位也随之变化，为电场提供不同的正极性给定电压;所述定时器由单结晶体管BG₂驰张振荡器和单稳态电路DW组成，BG₂输出窄脉冲经单稳态电路DW获得一定宽度的脉冲，一方面通过发光二极管J_D显示，同时为火花频率控制单元HPK提供定时比较脉冲。

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