CN101093963A - 用于静电除尘器的电源 - Google Patents

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Abstract

本公开关于高压AC－DC变流器，其将交流输入电流(1－3)转换为高压直流电流，以便提供给负载(12)，例如，用于给静电除尘器供电。所述变流器包括用于将交流(AC)输入电流转换为高频交流(AC)电流的单元(22)、至少一个用于调节高频交流(AC)电流以满足负载(12)需要的变压器(10)，其中在所述单元(22)和所述变压器(10)之间设置了串联负载谐振回路。实现了拓扑结构的模块化，即存在至少两个连接到同一变压器(10)的单元(22)，以用于将交流(AC)输入电流转换为高频交流(AC)电流。

Description

用于静电除尘器的电源
技术领域
本发明涉及例如用于诸如静电除尘器等高压DC应用的电源。具体地，本发明涉及一种变流器，其包括用于将交流(AC)输入电流转换为高频交流(AC)电流的单元、以及至少一个用于调节高频交流(AC)电流以满足负载需要的变压器，其中在所述单元和所述变压器之间设置谐振回路(resonant tank)。
背景技术
在很多环境中，特别在废气清理环境中，静电除尘器(ESP)非常适合的尘集器。它们的设计坚固并且非常可靠。而且，它们的效率最高。99.9％以上的分离度是常见的。与织物过滤器相比较，由于它们的操作成本低，并且因功能紊乱而造成的损坏风险和故障相当小，因此在很多情况下他们是理所当然的选择。在静电除尘器中，被污染的气体在连接到高压整流器的电极之间传导。通常，这是一种高压变压器，其在原边侧具有晶闸管控制器而在副边侧具有整流桥。
这种装置连接到普通的AC干线，因此被供以50或60Hz频率的电。
功率控制通过改变晶闸管的触发角来实现。触发角越小，即，导通周期越长，则提供给除尘器的电流越多，并且除尘器的电极之间的电压越高。
用于这些ESP的现代电源就是所谓的串联负载谐振变流器(SLR)，其在保持开关损耗最小的同时允许大功率(典型在10-200kW的范围之内)和高电压(50-150kV DC)。R&D的焦点是更高的输出功率。
过去的拓扑结构例如是图1中给出的串联负载谐振变流器，SLR。具有能被开关4单独切换的三相1-3的三相干线由例如包括二极管5的六脉波整流器6进行整流。然而，该整流器也可以是有源开关整流器。整流后的电压由DC链路6中的DC链路电容器13平滑。DC链路电压提供给晶体管桥8(H-桥)，该晶体管桥8包括四个晶体管14、14′、15、15′。所述桥8的输出(高频AC电压)通过谐振回路9连接到变压器10的原边。谐振回路9包括串联的电感器16和电容器17以及原边绕组18，这些元件基本上限定了该谐振回路的谐振频率，相应地，其只能在该谐振频率左右合理地工作。变压器10包括原边绕组18和副边绕组19，并且该变压器10调整给负载12(ESP，50-150kV)的输入电压(干线)。变压器10的副边交流电压由高压整流器11整流并提供给负载12。输出电压通常是负的。
可以通过改变桥8的频率或者通过改变电压源(桥的输出)的占空比来控制该拓扑结构中流动的功率。谐振回路的谐振频率附近的开关频率在正常操作范围内。
谐振电力变流器包括谐振L-C网络，其电压和电流波形在每个开关周期的一个或多个子区间中按照正弦变化。这些正弦变化的幅度大，小纹波近似并不适用。谐振变流器的主要优点在于减小了开关损耗(零电流开关、零电压开关)。可以使半导体器件的导通或关断转换出现在谐振回路电压或电流波形的过零点处，从而减小或消除一些开关损耗机构。因此，与脉宽调制变流器相比，该谐振变流器可以在更高的开关频率下工作。零电压开关还能减少变流器产生的电磁脉冲，而零电流开关可被用于使可控硅整流器换向。在专门应用中，谐振网络可能是不可避免的，在高压变流器中，存在大的变压器漏磁和电感，并且绕组电容导致产生谐振网络。
然而，串联或并联谐振回路也存在不利之处。例如，性能可以在一个操作点上最优化，但不能在宽范围的输入电压和负载功率变化的情况下最优化。此外，即使当未连接负载时，大电流也可能在谐振回路元件中流通，导致在轻负载下的低效率。准正弦波形显示出比等效方波更高的峰值。这些因素导致导通损耗增加，其可能抵消掉开关损耗的减少。谐振变流器通常由开关频率的变化控制。在一些方案中，开关频率的范围可能非常大。
为了增大功率处理能力并建立可扩展设计，采用了模块化。模块化时的基本问题是控制负载分配，即，确保不同模块承担相等或精确限定的负载份额。
发明内容
因此，本发明的目的之一是提供一种改进的高压AC-DC或AC-AC变流器，其分别将交流电流转换成高压直流电流或高压交流电流，以提供给负载。具体地，该改进涉及一种变流器，其包括将交流输入电流转换成高频交流电流的单元，并且其还包括至少一个用于调节高频交流电流以满足负载需求的变压器，其中在所述单元和所述变压器之间设置了谐振回路。
在系统模块化时，在电路之间保持相等的负载分配可以通过以下实现，即提供一个以上，至少两个被连接到同一变压器的用于将交流(AC)输入电流转换成高频交流(AC)电流的单元。这些单元就是所谓的原边电路，通常包括输入整流器、DC链路滤波器和晶体管桥。
谐振回路可以是串联负载谐振回路或并联谐振回路，但优选是串联负载谐振回路。
在串联负载谐振回路的情况下，谐振回路包括串联连接到变压器的原边绕组的第一极(pole)的至少一个第一电感器和至少一个电容器，其中所述电容器位于所述电感器和所述变压器的原边绕组之间。
为了调节谐振频率和谐振回路的一般特性，可以在至少一个单元和变压器的原边绕组的第二极之间放置第二电感器。
将至少两个单元连接到变压器上存在以下几种不同的可能性。一种可能性是每个单元都具有一个单独的全谐振回路，并且将两个(或几个)这种具有单独全谐振回路的单元连接到变压器的原边绕组上。然而，由于存在两个单独谐振回路的事实，因此可能导致环流问题。因此，特别有效的解决方案采用不同的方式，并且至少部分地连接谐振回路，因此对于每个单元，不存在两个真正独立的谐振回路，而是至少两个单元耦合到同一串联负载谐振回路中。例如，这可以通过提供一个这样的拓扑结构来实现，其中，存在由连接到变压器的至少两个单元所共用的至少一个电子部件(电感器或电容器)，以隔开变压器的原边绕组，并且其在任何情况下都是共用的。这个电子部件是有效的，这是因为它确定了耦合到变压器的两个单元的谐振频率，并且它连接所述单元的谐振回路以避免环流。这个共用部件优选为至少一个电容器，其优选直接连接到变压器的原边绕组。
根据本发明的另一优选实施例，至少两个单元的第一输出端各自连接到单独的第一电感器，该单元的所述第一电感器并联设置，其中这些并联的电感器被连接到串联负载谐振回路的一个单个电容器或串联或并联的电容器组。就所述电感器而言，每个单元在它的谐振回路上都是独立的，但是由于存在连接的共用电容器(或电容器组)，因此两个单元只有一个真正的谐振回路。典型地，单个电容器或串联或并联的电容器组优选直接连接到变压器的原边绕组的第一极。
根据本发明的变流器的另一优选实施例，至少两个单元的第二输出端各自连接到单独的第二电感器，所述第二电感器并联设置并都连接到变压器的原边绕组的第二极。
通常，称为单元的原边电路包括至少一个对交流输入电流进行整流的整流器(其可以是二极管桥，但是其也可以是有源可控硅整流器)，并且包括至少一个将得到的直流电流转换为高频交流电流的晶体管桥。优选地，三相输入交流电流在整流器中整流，其中得到的直流电流通过具有两个导线的DC链路输入到晶体管桥，DC链路优选包括滤波器元件，所述滤波器元件例如是两个导线之间的至少一个电容器和/或在至少一个导线中的可选择的至少一个电感器(可行的高阶滤波)，其中晶体管桥优选为具有至少四个可开关晶体管的H-桥。
根据本发明的变流器的另一实施例，所述变压器对高频交流电流进行变换，其中变压器的副边绕组连接到至少一个高压整流器。
典型地，这种变流器的额定功率为20kW以上，优选在20-200kW的范围内，和/或额定输出DC电压高于50kV，优选在50-150kV的范围内。
此外，本发明还涉及静电除尘器，其包括上面详述的变流器。
本发明的其他实施例被概括在从属权利要求中。
附图说明
本发明的优选实施例在附图中示出，其中：
图1示出了现有技术的串联负载谐振变流器的示意性电路；
图2a)示出了现有技术的串联负载谐振变流器的简化示意性电路；图2b)以示意性、简化显示的方式示出了模块化的串联负载谐振变流器的示意性电路；以及
图3以示意性、具体显示的方式示出了模块化的串联负载谐振变流器的示意性电路。
具体实施方式
根据本发明，将两个(或多个)原边电路22(单元22)连接到变压器10的原边绕组18，在所述电路之间保持相等的负载分配。原边电路22包括输入整流器6、DC链路滤波器7以及晶体管桥8，该原边电路22被连接到谐振回路。
可行的实施例为：
(1)在晶体管桥的输出端处连接，或者
(2)在变压器的原边处连接，从而每个单元具有一个谐振回路。
此外，
(3)在高压整流器的输出端处，即完全在负载侧连接。
(1)中的负载分配由晶体管的参数控制，其不能由使用者控制。这些参数是通态电压、开关速度和电感，热特性也将影响电流分布。因此，这样的设计缺少灵活性。
(2)中的负载分配由谐振回路的电感器控制。这在适当远离谐振的频率下工作时能够使负载平衡。接近谐振进行工作将达到高度平衡并且往往对谐振回路的元件值灵敏到几乎无法控制。(2)的另一个缺陷是两个桥在发生晶体管故障(短路)的情况下被封锁。
实施例(3)具有与(2)相同的问题，这可以在(3)中由并联变流器的独立控制来部分解决。(3)还包括用于并联变流器的独立变压器。
为了说明基本原理，在图2a)中，首先给出了根据图1的电路的简化说明。在这个简化图中，原边电路通常包括整流器6、DC链路7和晶体管桥8，并且该原边电路由一个单个单元22表示。这个单元被连接到串联谐振回路9，该串联谐振回路9又连接到变压器10。变换后的交流电压由高压整流器11再次整流。
现在，以下面方式实现模块化，即基本对所述单元22加倍(或三倍，甚至大量单元22也是可能的)，同时谐振回路至少部分被共有，而变压器不变。这在图2b中被示意性示出。谐振回路23的共有以这种方式实现，即，例如为了避免环流，而例如具有至少一个用于谐振回路23的谐振特性的公用关键元件。在这种特定情况下，谐振回路由一个单个电容器C′连接，其对于两个单元22都是有效的，同时每个单元22连接有单独的电感器L1和L2。在这种特定情况下，不仅存在如图1中给出的一个电感器，而且在导线中存在一个电感器L1，并且在每个单元22与变压器10的原边绕组18的第二极之间的连接中存在一个用于每个单元22的附加电感器L2，其中所述一个电感器L1通过电容器C′连接到变压器的原边绕组的第一极。忽略变压器的原边绕组18的电感，谐振回路23的相关电感为L1+L2的总和，而谐振回路23的相关电容为C′。通常，将两个(或多个，在多个单元22的情况下)电感器L1的值选择为相同，并且同样将两个(或多个，在多个单元22的情况下)电感器L2的值选择为相同，而L1与L2根据需要可以相等或不相等。为了使两个单元具有相等的谐振频率，应当选择L1+L2的总和对于两个连接都相等。然而，对于特定应用，还有可能期望所述单元22具有略微不同的谐振频率，因此使两个单元具有不同的(L1+L2)的值，并相应地具有不同的谐振频率。
因此，如图2b所示，提出的方法将谐振电感器分割为两个相等的部分L1和L2，其连接到桥的引线上。在这些电感器的输出端进行并联；通过这样做，在所有工作频率下，获得受控的负载分配。另外，如适当设计的那样，系统中还设置了冗余，变流器在一个晶体管发生故障的情况下仍然能够以降低的功率工作。作为示例，图2示出了两个单元22，但是本发明可以包括任意数量的变流器。半桥和全桥结构都是可行的实施例。
图3中给出了更加具体的拓扑结构。在此例中，三相整流桥6由有源受控元件构成，它的控制单元用附图标记27引用。此外，在该拓扑结构中，在DC链路28中，设置了由两个电容器29和两个电感器30提供的高阶滤波器。晶体管桥8基本上与图1中所示的晶体管桥相同，然而，在此例中，提供了到负线的附加缓冲电容器32和34。还明确示出了晶体管桥8的控制单元31。此外，还示出了可能的电流传感器33，其输出可用于控制。在此例中，电子部件通过两个套管35连接到变压器。在图3显示的右手侧，接着是变压器的原边绕组。
附图标记列表
1-3 三相AC干线
4   开关
5   二极管
6   三相整流桥
7   DC链路
8   晶体管桥，H-桥
9   串联谐振回路
10  变压器
11       高压整流器
12       负载，除尘器
13       7中的电容器
14，15   8中的晶体管
16       9中的电感器
17       9中的电容器
18       10的单个原边绕组
19       10的单个副边绕组
20，21   8和9之间的导线(AC)
22       包括6、7、8的单元
23       并联谐振回路
24       包括L1的23的导线
25       包括L2的23的导线
26       11和12之间的导线
27       6的控制器
28       高阶滤波DC链路
29       28中的高阶滤波器的电容器
30       28中的高阶滤波器的电感器
31       8的控制器
32       缓冲电容器
33       电流传感器
34       缓冲电容器
35       到高压单元的套管
L        9的电感器
C        9的电容器
L1       23的第一电感器
L2       23的第二电感器
C′      23的电容器

Claims (14)

1、高压AC-DC或AC-AC变流器，其用于将交流输入电流(AC，1-3)转换为高压直流(DC)或交流(AC)电流，以提供给负载(12)，所述变流器包括用于将所述交流(AC)输入电流转换为高频交流(AC)电流的单元(22)、至少一个用于调节所述高频交流(AC)电流以满足所述负载(12)需要的变压器(10)，其中在所述单元(22)和所述变压器(10)之间设置谐振回路，
其中，存在至少两个连接到同一变压器(10)的用于将所述交流(AC)输入电流转换为高频交流(AC)电流的单元(22)。
2、根据权利要求1所述的变流器，其中，所述谐振回路包括串联连接到所述变压器(10)的所述原边绕组(18)的第一极的至少一个第一电感器(L1)和至少一个电容器(C′)，并且其中将所述电容器(C′)设置在所述电感器(L1)和所述变压器(10)的所述原边绕组(18)之间。
3、根据权利要求2所述的变流器，其中将第二电感器(L2)设置在至少一个单元(22)和所述变压器(10)的所述原边绕组(18)的第二极之间。
4、根据权利要求1或2所述的变流器，其中至少两个单元(22)耦合到同一串联负载谐振回路(23)。
5、根据权利要求4所述的变流器，其中，存在由连接到所述变压器(10)的至少两个单元(22)所共用的至少一个部件，以隔开所述变压器(10)的所述原边绕组(18)，其确定了耦合到所述变压器的两个单元(22)的谐振频率，其中该共用部件优选为至少一个连接到所述变压器(10)的所述原边绕组(18)的电容器(C′)。
6、根据前述任一项权利要求所述的变流器，其中至少两个单元(22)的第一输出端各自连接到单独的第一电感器(L1)，所述单元(22)的所述第一电感器(L1)并联设置，并且其中，这些并联的电感器(L1)被连接到所述串联负载谐振回路的一个单个电容器(C′)或串联或并联的电容器组。
7、根据权利要求6所述的变流器，其中所述单个电容器(C′)或串联或并联的所述电容器组被连接到所述变压器(10)的所述原边绕组(18)的第一极。
8、根据前述任一项权利要求所述的变流器，其中至少两个单元(22)的所述第二输出端各自连接到单独的第二电感器(L2)，所述第二电感器(L2)并联设置，并且都被连接到所述变压器(10)的所述原边绕组(18)的第二极。
9、根据前述任一项权利要求所述的变流器，其中所述单元(22)包括至少一个对交流输入电流进行整流的整流器(6)，并且包括至少一个用于将得到的直流电流转换为高频交流电流的晶体管桥(8)。
10、根据权利要求9所述的变流器，其中三相输入交流电流(1-3)在所述整流器(6)中被整流，其中所述得到的直流电流通过具有两个导线的包括滤波器元件(13)的DC链路(7)输入到所述晶体管桥(8)，所述滤波器元件优选为所述两个导线之间的至少一个电容器(13)和任选为所述导线的至少一个中的至少一个电感器，并且其中，所述晶体管桥(8)是具有至少四个可开关的晶体管(14、14′、15、15′)的H-桥。
11、根据前述任一项权利要求所述的变流器，其中所述变压器(10)转换所述高频交流电流，其中所述变压器(10)的副边绕组(19)被连接到至少一个高压整流器(11)。
12、根据前述任一项权利要求所述的变流器，其中它的额定功率大于20kW，优选在20-200kW的范围内，和/或额定输出DC电压大于50kV，优选在50-150kV的范围内。
13、根据前述任一项权利要求所述的变流器，其中至多两个单元(22)被连接到一个共用谐振回路(23)。
14、静电除尘器，其包括根据前述任一项权利要求所述的变流器。
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