CN103825476A - 三相晶闸管恒流高压直流电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化工环保设备技术领域，具体公开了一种三相晶闸管恒流高压直流电源；包括：控制系统用于自动化控制三相晶闸管调压电路的输出电压，实现恒流输出；三相晶闸管调压电路用于将三相电源反并联调压后，通过控制系统恒流输出到三相限流电抗器；三相限流电抗器用于限制最大输出电流，并输出到高压发生器；最大输出电流为额定工作电流的2.5倍；高压发生器用于将三相限流电抗器输出的交流高压整流并形成直流高压电流向电捕焦油器供电。本发明改善了直流高压平均值电压与峰值电压的比例，提高了反应器的有效注入功率，增加了焦油雾滴的驱进速度，提高了电捕焦油器的电捕效率，增加了电捕焦油器的收油率。

Description

三相晶闸管恒流高压直流电源

技术领域

本发明涉及化工环保设备技术领域，尤其是涉及一种化工领域内化工环保设备电捕焦油器专用的三相晶闸管恒流高压直流电源。

背景技术

电捕焦油器是利用本体中施加的强电场使气体发生电离，即产生电晕放电，进而使焦油雾滴荷电，并在电场力的作用下，将焦油从气体中分离出来并加以捕集的装置。

电捕焦油器的捕集效率取决于对焦油的驱进速度，而其驱进速度与电晕电流的平均值成正比，还与二次电压平均值成正比；由此可见，要提高捕集效率应尽可能提高电捕焦油器的平均值电压和电流，即功率。

在电捕焦油器行业通常采用单相L-C恒流源和单相晶闸管恒流源作为主要电源使用，这两种电源都是单相电源，与三相电源比较存在如下缺点：单相电源三相不平衡，有缺相损耗；单相电源输出电压纹波系数大，易发生闪络，输出功率较小。

现有技术中还存在三相L-C恒流源，三相L-C恒流源与三相晶闸管恒流源相比较有如下缺点：体积庞大，成本高；恒流为分档台阶式恒流，不利于达到最大输出功率。

目前在电捕焦油器行业还没有三相晶闸管恒流高压电源来有效地解决上述问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种三相晶闸管恒流高压直流电源，本发明改善了直流高压平均值电压与峰值电压的比例，提高了反应器的有效注入功率，增加了焦油雾滴的驱进速度，提高了电捕焦油器的电捕效率，进而增加了电捕焦油器的收油率；可以广泛的应用于电捕焦油器行业。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三相晶闸管恒流高压直流电源，包括：控制系统、三相晶闸管调压电路、三相限流电抗器和高压发生器；

所述控制系统用于自动化控制三相晶闸管调压电路的输出电压，实现恒流输出；

所述三相晶闸管调压电路用于将三相电源反并联调压后，通过所述控制系统恒流输出到所述三相限流电抗器；

所述三相限流电抗器用于限制最大输出电流，并输出到所述高压发生器；所述最大输出电流为额定工作电流的2.5倍；

所述高压发生器用于将所述三相限流电抗器输出的交流高压整流并形成直流高压电流向电捕焦油器供电。

优选的，所述控制系统包括：PLC、控制板、PID控制器、压控振荡器和电流互感器；所述PID控制器和所述压控振荡器均设在所述控制板上，所述PLC与所述控制板的所述压控振荡器和所述电流互感器相连，所述压控振荡器与所述三相晶闸管调压电路相连。

更加优选的，所述控制系统中的所述PLC用于代替电位器给定电流，所述PLC内部设置的阈值电平0～10V给定到所述控制板；所述电流互感器取样所述三相晶闸管调压电路的电流并转换为0～10V电压反馈到所述控制板；给定与反馈共同送入所述控制板内的所述PID控制器；反馈的电压与给定的0～10V电平通过所述PID控制器进行PID运算形成恒流电压，恒流电压将所述三相晶闸管调压电路的输出调为恒流电压，实现恒流；所述控制板内部设有一个所述压控振荡器，所述压控振荡器将0～10V的恒流电压经转换为频率输出。

更加优选的，所述控制系统还包括同步变压器，所述同步变压器为触发晶闸管提供同步信号。

更加优选的，所述三相晶闸管调压电路采用isplsi1016内部计数器；所述isplsi1016内部计数器用于计数完成移相，即计时；决定触发晶闸管脉冲出来的时刻，即输出电压。

更加优选的，所述三相晶闸管调压电路包括六只晶闸管。

更加优选的，所述三相限流电抗器由硅钢片加工成口字型铁芯两边绕铜带而成，用于限制负载发生闪络时的最大输出电流。

更加优选的，所述高压发生器包括高压变压器和硅整流器；所述高压变压器和所述硅整流器相连，所述三相限流电抗器与所述高压变压器相连，所述硅整流器与所述电捕焦油器相连；所述高压变压器用于升高电压，所述硅整流器用于升高后的电压进行整流，形成负高压，送入电捕焦油器。

更加优选的，所述高压变压器将0～380V的电压升至0～55000V,实现升压，再经所述硅整流器整流后形成0～72000V负高压，最后送入电捕焦油器。

更加优选的，所述高压变压器输入采用三角形连接方式，所述高压变压器为三相高压变压器，每一相有两个端子，将一相的尾端接另一相的头端形成三相三角形连接。

本发明的电路控制原理是：控制系统控制三相晶闸管调压电路输出电压在0～380V电压，该输出电压连接三相限流电抗器后再连接高压发生器，高压发生器会输出在0～72KV的高压，高压发生器的输出高压再连接到电捕焦油器。

为完成本电源的主要功能：三相输入、恒流、高压功能，实现过程是：

三相晶闸管调压电路三相输入电压；

控制系统取样三相晶闸管调压电路的电流，控制系统中的PLC用于代替电位器给定电流，PLC内部设置的电平0～10V给定到控制板；电流互感器取样三相晶闸管调压电路的电流并转换为0～10V电压反馈到控制板；给定与反馈共同送入控制板内PID控制器；反馈的电压与给定的0～10V电平通过PID控制器进行PID运算形成恒流电压，恒流电压将所述三相晶闸管调压电路的输出调为恒流电压，从而实现恒流；控制板内部有一个压控振荡器，压控振荡器将0～10V的恒流电压转换为频率输出；再由三相晶闸管调压电路的isplsi1016内部计数器计数完成移相，即计时，决定触发晶闸管脉冲出来的时刻，即输出电压；

高压发生器的高压变压器将0～380V的电压升至0～55000V,实现升压，再经高压发生器的硅整流器整流后形成0～72000V负高压，最后送入电捕焦油器。

三相限流电抗器主要是在电捕焦油器发生电极短路和弧光放电3.3ms内将电流限制在工作电流的2.5倍，3.3ms以外靠PID控制器调节输出电流。

控制方式上设置了：相序自适应、恒流、负载开路控制、过电流、自动寻优和闪络控制，实现了设备全自动控制和现场无人值守。

相序自适应：三相同步信号送入大规模可编程序逻辑集成电路isplsi1016内部计数器后，isplsi1016内部计数器会以其中一相为参考，计算另外二相到来的时间，若另外二相到来的时间和三相同步信号另外二相到来的时间依次对应，则关闭内部数字开关送出正相序触发脉冲；若到来的时间和三相同步信号另外二相到来的时间交叉对应，则启动内部数字开关，送出反相序触发脉冲。

PLC实现了全量程恒流。

负载开路控制：当电捕焦油器发生开路时，高压变压器的输出电压会迅速上升，会击穿高压发生器的整流硅堆和连接用瓷瓶，负载开路控制电路会迅速封锁输出，保护整流硅堆和连接用瓷瓶的安全，PLC会给出故障信号代码，通知上位机。

过电流是将三相输入电流用电流互感器取样，与设置的0-10V阈值电平进行比较，过阈值电平后输出高电平将三相晶闸管调压电路的输出为零。

自动寻优和闪络控制：当电捕焦油器内部发生闪络时，PLC会自动按每次5%的幅度降低输出电压至到消除闪络的发生，并保持该电压；当消除闪络5分钟后，PLC会将输出电压恢复到原电压，以利于除油效率的提高。发生弧光放电时控制回路会将三相晶闸管调压输出的电压降为零，实现灭弧，维持3秒钟再将输出电压升至原电压。

其中，isplsi1016为大规模可编程序逻辑集成电路，isplsi1016是莱迪思(Lattice)半导体公司提供的ISP（在线可编程）复杂可编程逻辑器件（CPLD）,isplsi1016有16个可编程序逻辑单元，每个逻辑单元可以通过编程写出所需要的逻辑功能，16个逻辑单元可以形成更加复杂的逻辑功能。isplsi1016是大规模可编程序逻辑集成电路，可以通过编程形成各种数字电路与复杂逻辑电路，也可以编程形成计数器，其中本发明的主要功能靠内部编程形成的计数器来完成。

其中，所述PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation））控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供了一种三相晶闸管恒流高压直流电源，本发明在相同的平均电压下，三相晶闸管恒流源比单相L-C恒流源和单相晶闸管恒流源的峰值电压低，发生火花的概率大大降低，这一性能的好处是：一、设备运行的安全性能更高；二、在同一本体相同工况下，临界运行电压可以提高1万伏左右，二次电流提高1倍以上，整个运行功率提高2倍以上，运行效率大大提高，收油量大幅增加。

本发明提供了一种三相晶闸管恒流高压直流电源，该直流电源的体积是三相L-C恒流源的一半，成本是其一半；三相晶闸管恒流高压直流电源实现了无级恒流，比三相L-C恒流源有级恒流使用更便利，更容易趋近最大功率输出，其最大功率是三相L-C恒流源的1.1倍。

本发明改善了直流高压平均值电压与峰值电压的比例，提高了反应器的有效注入功率，增加了焦油雾滴的驱进速度，提高了电捕焦油器的电捕效率，进而增加了电捕焦油器的收油率，具有良好的社会和经济效益；可以广泛的应用于电捕焦油器行业。

附图说明

图1示例性的示出了本发明一种三相晶闸管恒流高压直流电源结构示意图；

图2示例性的示出了单相桥式整流电路结构图；

图3示例性的示出了单相桥式整流电路中电压的波形图；

图4示例性的示出了三相桥式整流电路结构图；

图5示例性的示出了三相桥式整流电路中电压的波形图。

图1中所示的附图标记如下：1、三相晶闸管调压电路，2、三相限流电抗器，3、高压发生器，4、电捕焦油器，5、控制系统；

部件1中，SCR为晶闸管；

部件5中，TJ为控制板，TA1为一次电流互感器，TA2为二次电流互感器，L为三相电源输入端子，N为三相电源的零线。

具体实施方式

为了更好的理解本发明所解决的技术问题、所提供的技术方案，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明的实施，但并不用于限定本发明。

在优选的实施例中，图1示例性的示出了本发明一种三相晶闸管恒流高压直流电源结构示意图；包括：控制系统5、三相晶闸管调压电路1、三相限流电抗器（NK）2和高压发生器3；

所述控制系统5用于自动化控制三相晶闸管调压电路的输出电压，实现恒流输出；

所述三相晶闸管调压电路1用于将三相电源反并联调压后，通过所述控制系统恒流输出到所述三相限流电抗器；

所述三相限流电抗器2用于限制最大输出电流，并输出到所述高压发生器；所述最大输出电流为额定工作电流的2.5倍；

所述高压发生器3用于将所述三相限流电抗器输出的交流高压整流并形成直流高压电流向电捕焦油器供电。

在更加优选的实施例中，所述控制系统5包括：PLC、控制板、PID控制器、压控振荡器和电流互感器；所述PID控制器和所述压控振荡器均设在所述控制板上，所述PLC与所述控制板的所述压控振荡器和所述电流互感器相连，所述压控振荡器与所述三相晶闸管调压电路相连。

在更加优选的实施例中，所述控制系统5中的所述PLC用于代替电位器给定电流，所述PLC内部设置的阈值电平0～10V给定到所述控制板；所述电流互感器取样所述三相晶闸管调压电路的电流并转换为0～10V电压反馈到所述控制板；给定与反馈共同送入所述控制板内的所述PID控制器；反馈的电压与给定的0～10V电平所述PID控制器进行PID运算形成恒流电压，恒流电压将所述三相晶闸管调压电路的输出调为恒流电压，从而实现恒流；所述控制板内部设有一个所述压控振荡器，所述压控振荡器将0～10V的恒流电压经光耦隔离并形成方波后转换为频率输出。

在更加优选的实施例中，所述三相晶闸管调压电路1采用isplsi1016内部计数器；所述isplsi1016内部计数器用于计数完成移相，即计时；决定触发晶闸管脉冲出来的时刻，即输出电压。

在更加优选的实施例中，所述三相限流电抗器（NK）2由硅钢片加工成口字型铁芯两边绕铜带而成，用于限制负载发生闪络时的最大输出电流。

在更加优选的实施例中，所述高压发生器3包括高压变压器和硅整流器；所述高压变压器和所述硅整流器相连，所述三相限流电抗器与所述高压变压器相连，所述硅整流器与所述电捕焦油器相连；所述高压变压器用于升高电压，所述硅整流器用于升高后的电压进行整流，形成负高压，送入电捕焦油器。

在更加优选的实施例中，所述高压变压器将0～380V的电压升至0～55000V,实现升压，再经所述硅整流器整流后形成0～72000V负高压，最后送入电捕焦油器4。

在更加优选的实施例中，所述高压变压器输入采用三角形连接方式，所述高压变压器为三相高压变压器，每一相有两个端子，将一相的尾端接另一相的头端形成三相三角形连接。

具体实施例：

三相电源接入三相电源输入端子L后送入三相晶闸管调压电路1的晶闸管SCR中，控制系统5控制三相晶闸管调压电路1实现恒流，调节后的恒流电压送入三相限流电抗器（NK）2进行电流限制后再送入高压发生器3，高压发生器3将0～380V的电压升至0～55000V,经硅整流器整流后形成0～72000V负高压送入电捕焦油器4。

控制部分：三相同步信号由三相电源输入端子L送入控制部分的输入端子，控制板TJ的触发脉冲输出端子与晶闸管SCR的门极相连接，为正确触发晶闸管SCR提供同步信号；由PLC送出恒电流的电平值，晶闸管会输出电压和输出电流，主回路电流的检测由六只电流互感器TA组成，其中三只TA1是一次互感器，TA1为穿芯互感器；其中三只TA2是二次互感器，相当于变流器，TA2将三只一次互感器TA1变换成小电流，实际用5A/0.1A；每只TA2的两个端子和每只TA1的两个端子相连接；检测后的电流形成反馈电流，与PLC送出恒电流的电平值进行PID运算,运算的结果就是恒流信号，该信号会形成触发脉冲，送入晶闸管相对应的控制极,从而实现电压的调节和电流的恒定。

提高电捕焦油器的捕集效率，要尽量提高电捕焦油器的注入功率，以利于提高焦油雾滴的驱进速度。

注入功率的提高就是高压发生器输入电压和电流的提高，高压发生器有一个最佳工作电压，超过这个电压，反应器会发生闪络，甚至产生电弧严重影响电捕效率。KV表显示的是平均电压，而峰值电压的高低决定了闪络点。

下面是单相与三相全桥整流电路输出平均值电压与峰值电压的对比：

单相桥式整流电路输出平均值电压与峰值电压的关系，如图2和图3所示；

输出电压是单相脉动电压，通常它的平均值与直流电压等效，输出平均电压为:

$V_L=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}2\sqrt{2}{V}_2\sin \mathrm{\ωtd\ωt}=\frac{2\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}{V}_2=0.9V_2$

峰值电压为：

$V_P=\sqrt{2}{V}_2$

平均电流为：

$I_L=\frac{2\sqrt{2}{V}_2}{\mathrm{\π}{R}_L}=\frac{0.9V_2}{R_L}=\frac{V_L}{R_L}$

由以上公式我们可以看出平均电压VL=0.9V₂与峰值电压

关系为：

$V_L/V_P=0.9V_2/\sqrt{2}{V}_2=0.64$

即V_L=0.64V_P。也就是说我们看到的直流表头的指示值仅仅是其峰值的0.64倍。

三相全桥整流电路平均值电压与峰值电压的关系，如图4和图5所示；

由波形可见，输出电压波形每隔重复一次，所以计算输出电压平均值在60°内取其平均值即可。

自然换相点处，定义α＝0，但是其线电压相位并不为0，初始相位为π3，所以积分上下限存在一个固定相位偏移。

$U_d=\frac{1}{\mathrm{\π}/3}{\∫}_{\frac{\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\α}}^{\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\α}}\sqrt{2}{U}_{2L}\sin \mathrm{\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)=1.35U_{2L}\cos \mathrm{\α}=2.34U_2\mathrm{coa\α}$

以上公式中U_d为三相桥式整流电路输出电压的平均值，U_2L为三相输入的线电压，U₂为三相输入的相电压，

当α＝0时，即三相桥式不可控整流电路，输出电压为三相线电压的正向包络线，每周期脉动6次，基波频率为300HZ。

其平均值为U_d＝2.34U₂cosα＝2.34U₂＝2.34*220＝514.8V；

其峰值电压即线电压的峰值，峰值为：

$U_d=514.8/538.8=0.955U_P;$

即电压的平均值是峰值的0.955倍，其脉动系数≤0.05，非常接近峰值电压，基本上是一个平稳的直流。

单相电源的平均电压是峰值电压的0.64倍，而三相电源的平均电压是峰值电压的0.955倍，在相同峰值电压下，三相电源的平均电压比单相电源高

(0.955-0.64)0.64＝0.49。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的基本原理之内，所作的任何修改、组合及等同替换等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三相晶闸管恒流高压直流电源，其特征在于，包括：控制系统、三相晶闸管调压电路、三相限流电抗器和高压发生器；

所述控制系统用于自动化控制三相晶闸管调压电路的输出电压，实现恒流输出；

所述三相晶闸管调压电路用于将三相电源反并联调压后，通过所述控制系统恒流输出到所述三相限流电抗器；

所述三相限流电抗器用于限制最大输出电流，并输出到所述高压发生器；所述最大输出电流为额定工作电流的2.5倍；

所述高压发生器用于将所述三相限流电抗器输出的交流高压整流并形成直流高压电流向电捕焦油器供电。

2.根据权利要求1所述的三相晶闸管恒流高压直流电源，其特征在于，所述控制系统包括：PLC、控制板、PID控制器、压控振荡器和电流互感器；所述PID控制器和所述压控振荡器均设在所述控制板上，所述PLC与所述控制板的所述压控振荡器和所述电流互感器相连，所述压控振荡器与所述三相晶闸管调压电路相连。

3.根据权利要求2所述的三相晶闸管恒流高压直流电源，其特征在于，所述控制系统中的所述PLC用于代替电位器给定电流，所述PLC内部设置的阈值电平0～10V给定到所述控制板；所述电流互感器取样所述三相晶闸管调压电路的电流并转换为0～10V电压反馈到所述控制板；给定与反馈共同送入所述控制板内的所述PID控制器；反馈的电压与给定的0～10V电平通过所述PID控制器进行PID运算形成恒流电压，恒流电压将所述三相晶闸管调压电路的输出调为恒流电压，实现恒流；所述控制板内部设有一个所述压控振荡器，所述压控振荡器将0～10V的恒流电压经转换为频率输出。

4.根据权利要求2或3所述的三相晶闸管恒流高压直流电源，其特征在于，所述控制系统还包括同步变压器，所述同步变压器为触发晶闸管提供同步信号。

5.根据权利要求1所述的三相晶闸管恒流高压直流电源，其特征在于，所述三相晶闸管调压电路采用isplsi1016内部计数器；所述isplsi1016内部计数器用于计数完成移相，即计时；决定触发晶闸管脉冲出来的时刻，即输出电压。

6.根据权利要求1所述的三相晶闸管恒流高压直流电源，其特征在于，所述三相晶闸管调压电路包括六只晶闸管。

7.根据权利要求1所述的三相晶闸管恒流高压直流电源，其特征在于，所述三相限流电抗器由硅钢片加工成口字型铁芯两边绕铜带而成，用于限制负载发生闪络时的最大输出电流。

8.根据权利要求1所述的三相晶闸管恒流高压直流电源，其特征在于，所述高压发生器包括高压变压器和硅整流器；所述高压变压器和所述硅整流器相连，所述三相限流电抗器与所述高压变压器相连，所述硅整流器与所述电捕焦油器相连；所述高压变压器用于升高电压，所述硅整流器用于升高后的电压进行整流，形成负高压，送入电捕焦油器。

9.根据权利要求8所述的三相晶闸管恒流高压直流电源，其特征在于，所述高压变压器将0～380V的电压升至0～55000V,实现升压，再经所述硅整流器整流后形成0～72000V负高压，最后送入电捕焦油器。

10.根据权利要求8所述的三相晶闸管恒流高压直流电源，其特征在于，所述高压变压器输入采用三角形连接方式，所述高压变压器为三相高压变压器，每一相有两个端子，将一相的尾端接另一相的头端形成三相三角形连接。

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