CN1038777A - 节能型窄脉冲高压电源 - Google Patents

Abstract

本发明属电除尘技术领域。研制的可卸圆筒式、回转型、放电电极延长了高压快速开关寿命；利用调节“脉冲储能电容器”充电电压的方法，使脉冲重复频率在25～250脉冲/秒范围内连续可调；脉冲储能电容器充电电路，取消限流高压电阻和采用全波整流，提高了高压电源利用率，充电损耗小、转换效率高、变压器体积小。本发明能稳定地产生高压大功率窄脉冲，使除尘器在无火花击穿状态下运行，大大提高除尘效率，并降低电耗50％以上。结构简单，成本相当于普通直流高压电源。

Description

本发明属分离、混合技术领域中的电除尘。

与本发明有关的已有技术，列举下列文献供参考。

1、脉冲高压发生装置（日本专利）

特愿    昭59-166248

出愿    昭59（1984年）8月8日

2、静电集尘器的脉冲电源装置（日本专利）

特愿    昭60-25389

出愿    昭60（1985年）2月13日

3、产生极短脉冲高压的脉冲电源（美国专利）

专利号    4541848

专利日期    1985年9月17日

在静电除尘器中或其他类型除尘器的“粉尘预荷电装置”中，所用的高压电源，已由通常的直流高压电源发展成脉冲高压叠加在直流高压上，现代更应用了“窄脉冲”高压电源。目的都是要消除含尘空气中粉尘比电阻高的情况下，电场内会发生的反电晕异常现象，以改善粉尘荷电状态，大幅度提高静电除尘器的集尘性能。在已有技术中给脉冲形成单元充、放电的高压快速开关装置，都采用固定火花间隙以形成高压脉冲。如“多段式旋转火花隙”，以旋转电极的角度变化来调节导通时间，电极间隙的变化来调整基础电压（如上述参考资料之1、2、3）。但由于旋转电极的旋转速度必须和电源频率同步所以脉冲重复频率不易调整。另一种方案是采用点火高压脉冲外触发控制脉冲的产生，需有专门的装置依据点火脉冲的信号调整放电间隙的大小，以补偿因电极烧蚀引起的放电间隙增大（如上述参考资料3之图3）。由于上述这些系统，处在高电压下工作，其结构复杂，制造和调整困难，不仅增加了脉冲电源成本，而且降低电源运行的可靠性和增加维护工作量。

在已有技术中，控制和调整脉冲重复频率因受交流半波充电，另半波时间内放电的方式所限制，使高压脉冲的重复频率只能与供电电网频率一致，在我国即为50次/秒而不能调整。为了适应不同性质粉尘荷电的要求，脉冲的重复频率又必须相应调整，因而需要增加变频设备，成本因此大大增加，并使此种电源设备复杂化。

上述参考文献3中，由于电路设计的需要（半波周期是向脉冲形成单元充电，另半波周期则是释放贮能，形成脉冲），只能采用交流高压半波整流，给储能脉冲电容器充电。由于不能采用全波整流，所以交流高压变压器的利用率低，变压器体积增加，对大容量电源将显著地增加电源投资。

为了控制向储能脉冲电容器充电电流的大小以免损坏整流元件，已有技术中通常采用高压电阻限流，在大容量电源中，可能需要一组电阻，甚至还要用油冷却，可见其结构之复杂，造价必然高昂，而且电能损耗增大。

综上所述，已有技术中的窄脉冲高压电源，虽然在技术性能上已能满足给静电除尘器中粉尘（特别是高比电阻粉尘）荷电和集尘的要求，但是在上述四个方面存在着结构复杂，造价高昂，运行成本高，运行可靠性差以及能耗大等等问题，以致至今仍不能在大多数情况下取代直流高压电源发挥它优越的捕尘性能。

鉴于上述问题是电除尘技术中急待解决的课题，本发明研制了具有新颖内涵的节能型窄脉冲高压电源如图1。构成的此种脉冲电源，产生的脉冲波型较窄，适用于粉尘比电阻大于10¹³Ω-cm的条件下。它由交流调压器（01）、交流升压高压变压器（02）、全波整流器（03）、扼流电感（04）、脉冲贮能电容器（05）、高压火花隙快速开关（06）、负载（如电除尘器等）（07）、输出电压调节单元（08）、脉冲形成电阻（09）、耦合电容（10）、脉冲阻塞电感（11）、以及直流高压电源（12）等元件及其电路所组成。图中（12）向（07）提供基础电压，L是火花间隙宽度。对于粉尘比电阻在10¹³Ω-cm以下的场合，可将图1电路中（09）去掉;当脉冲电源用于粉尘预荷电时，可将图1电路中（10）、（11）和（12）三个元器件去掉，所产生的脉冲虽然稍宽，但仍能适用，却简化了电源结构和降低了造价。

本发明采用单相（或三相）交流电经全波整流作为高压充电电源（其电压Vs可以调节），通过扼流电感（04）向脉冲储能电容器（05）充电，当（05）上电压Vc达到火花放电间隙（L）的击穿电压Vg时，储能电容器（05）通过高压火花隙快速开关（06）放电产生火花，接通回路，使负载（07）上形成一极窄高压脉冲，给除尘器或粉尘预荷电装置中的粉尘荷电。

根据粉尘性质的不同，负载（07）要求的脉冲电压峰值由高压火花隙快速开关（06）中两放电电极的间隙距离（L）调整设定，当L确定后，击穿电压Vg也就相应地成为定值。

负载（07）要求的脉冲重复频率，由充电电源的电压Vs确定（Vs＞Vg），充电电源的电压Vs越高，则储能电容器（05）上电压Vc上升越快，因而达到火花隙击穿电压Vg的时间越短，即火花发生的间隙时间越短，也就是脉冲重复频率越高。反之，Vs越低则脉冲重复频率越低，如图2。本发明通过调节充电电压的高低，实现了对脉冲重复频率的调节与控制。这一新方案不受电网频率的限制，不要技术复杂费用昂贵的变频设备，获得了能方便地在25～250次/秒脉冲频率范围内连续可调的良好控制性能。可以充分满足除尘器对电源脉冲频率性能的要求。

脉冲电源的关键部件是高压火花隙快速开关。本发明研制了“设定间隙、可卸园筒式、迥转型、自击穿点火放电电极（简称放电电极），如图3。图中只画出一个电极，实际上是两个构造完全一样的电极成对并列配置，两个放电面间的距离即为火花间隙宽度（L），从而构成高压火花隙快速开关。图3的放电电极是由放电面（13）、供电电刷（14）、齿轮（15）、绝缘子（16）、带引出线的金属轴（17）和高压支撑绝缘子（18）等所构成。

两个放电电极的金属轴（17）上的引出线，分别接在图1中的储能电容器（05）和负载（07）上。

放电面（13）是一个可以方便拆装的金属园筒（以黄铜为最佳材料），它根据迥转结构（包括轴承）的需要，通过适当的机械联接方式，能在金属轴（17）上自转动。安装在绝缘子（16）上的齿轮（15）受放电电极上附有的饲服电机及传动螺杆（图中未画出）所驱动，通过绝缘子（16）带动放电面（13）在轴（17）上缓慢旋转。电极的转动部分和固定部分之间用供电电刷（14）联接。火花放电在电极的放电面（13）上进行，由于放电面自转，火花烧蚀不是在一固定点上，所以火花烧蚀引起的间隙（L）的变化将维持在最小限度上，不需要增设自动调整装置。而且放电面的面积大，有利于散热，每次放电仅在转动的放电面上的某一局部进行，烧蚀均匀，所以其使用寿命长。除放电面外，放电电极其他部分不受损坏，只要更换损坏了的放电面（13）即可保证正常运转，与已有技术相比，这是很简易的。两放电极被封装于带排风扇的隔音盒中。由此可见本发明的放电电极寿命长、结构简单、运行可靠，制造成本仅为已有技术的十分之一至几十分之一。

本发明摒弃已有技术中的设计框框，以如上所述的控制调节脉冲重复频率新设计为基础，率先采用了全波整流电源，向储能电容（05）充电，提高了交流高压变压器的利用率，对大容量电源，可因此而显著地减小变压器体积，降低造价。由于脉冲储能电容器充电电路中平均功率虽较低，但火花放电的瞬间，脉冲功率很高，因此通常使用的限流高压电阻的阻值大、功率大，在大容量脉冲电源中甚至是一组高压电阻或要采用油冷却装置，以致充电损耗大，结构复杂、造价高。本发明根据该电路中电流变化率的特点，采用了能良好适应这种特点的扼流电感（04）来代替限流高压电阻，即当对电容器充电时，可自动抑制电流变化率，减小电能损耗;放电瞬间电流变化率很大，（04）的感抗起到了限流保护整流器（03）的作用，这样既满足了电路设计的要求，又降低了充电损耗，大大节省了电耗，比已有技术脉冲能量转换效率大幅度提高，而且使设备结构大大简化，运行可靠。

由上述可知，本发明针对已有技术中存在的四方面问题进行了研究，并采用上述各技术方案使之获得解决，发明了节能型窄脉冲高压电源，其结构简单、制造和使用方便、电能转换效率高、运行电耗低费用少，并且制造成本低，仅相当于普通直流高压电源的造价（已有技术中窄脉冲高压电源的价格是它的几倍至十几倍），其性能可适用于所有电除尘器或粉尘预荷电装置以及适于电除尘的各种粉尘。本发明节能型窄脉冲高压电源为普遍推广具有良好荷电性能的窄脉冲高压电源开拓了广阔的前景。

本发明的一个实施例是在某大钢铁公司硅铁电炉烟尘净化系统上作布袋除尘器的预荷电器的高压电源。烟气粉尘比电阻高达10¹⁴Ω-cm，用直流高压电源供电，5分钟后电场即产生强烈的反电晕，供电电压从30Kv下降至几千伏，几乎没有电晕电流输出，粉尘基本上未能荷电。当采用本发明-节能型窄脉冲高压电源作其电源后，供电脉冲电压始终维持设定的30Kv，电晕电流输出正常，工作稳定，烟尘荷电量增高30～40%，使布袋阻力下降二分之一，节省电能50%以上。该装置的技术指标如下：

脉冲幅度    20～80Kv可调

脉冲宽度    1～2μs

脉冲重复频率    25～400次/秒    连续可调

基础电压    20～50Kv连续可调。

Claims (6)

1、一种能提供高压脉冲电压和电流的，用于静电除尘器中或其他类型除尘器对粉尘进行“预荷电”的装置中，作电源用的节能型窄脉冲高压电源，其特征在于所用的高压火花隙快速开关，采用了新型结构的、长寿命的“设定间隙、可卸园筒式、迥转型、自击穿点火放电电极”；在控制和调整脉冲的重复频率时，率先利用调节脉冲储能电容器充电电压的高低来实现的新技术；脉冲储能电容器充电电路中首次采用了全波整流方式的新设计；以及为控制储能电容器充电电流大小而应用扼流电感取代常用的大型高压电阻(或一组高压电阻)。

2、如权利要求1所述的节能型窄脉冲高压电源中，作高压火花隙快速开关用的“设定间隙、可卸园筒式、迥转型、自击穿点火放电电极”，其特征在于它由两个完全相同的放电电极成对并列配置，两电极间放电间隙的宽度，根据负载对脉冲电压峰值大小的要求不同，而调整设定。

3、如权利要求1、2所述的节能型窄脉冲高压电源中的放电电极，其特征在于成对电极中的每个电极有一个空心园筒状金属（以黄铜最佳）放电面，它通过绝缘子联接齿轮，并受独立的传动装置驱动，能在固定于高压支撑绝缘子、带有引出线的金属轴上自旋转，两者根据迥转结构（包括轴承）的需要，而采取适当的机械联接方式（又能方便地拆卸，以更换新的放电面）。

4、如权利要求1所述的节能型窄脉冲高压电源，其特征在于控制和调整脉冲重复频率的方法，是采用直流高压给脉冲储能电容器充电，通过调节充电电压高低，实现对脉冲重复频率的调节与控制，因此具备了在较宽的频率范围内连续调节的良好控制性能。

5、如权利要求1所述的节能型窄脉冲高压电源，其特征在于采用单相（或三相）交流电源经全波整流形成直流高压电源，向脉冲储能电容器充电，提高了转换效率，使变压器体积大大减小。

6、如权利要求1所述的节能型窄脉冲高压电源，其特征在于采用了能良好适应电路中电流变化率特点的扼流电感线圈，代替沿用的限流高压电阻，以控制储能电容器充电电流的大小。极大地减少充电损耗和简化了本发明结构。

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