DE4008561A1 - Verfahren zum betreiben einer spannungsversorgungseinrichtung fuer ein elektrofilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Span­ nungsversorgungseinrichtung für ein Elektrofilter mit einem Spannungszwischenkreisumrichter und einem nachgeschalteten Schwingkreis, dessen Induktivität als Eingangsinduktivität für einen Hochspannungstransformator dient, der sekundärseitig über einen Gleichrichter an das Elektrofilter angeschlossen ist, und einer im Zwischenkreis angeordneten Kapazität.

Eine vorgenannte Spannungsversorgung ist aus der europäischen Patentschrift 00 34 075 bekannt ist. Diese Anordnung ist inso­ fern nachteilig, da mit dieser Steuerung nur die Wiederholfre­ quenz der Impulse verstellt werden kann, so daß bei wenig Im­ pulsen und großer Filterlast die Gleichspannung am Filter ab­ sinkt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Ein­ richtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß zu­ sätzlich zur Wiederholfrequenz ein weiterer Parameter zur Ände­ rung der Spannung auf der Hochspannungsseite zur Verfügung steht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die der Richtung des Rückschwingstromes im Reihenschwingkreis zugeord­ neten Thyristoren im Umrichter zusätzlich während des Rück­ schwingvorganges zündbar sind.

Durch dieses Hineinzünden der zweiten Brückenhälfte kann der mittlere Energieinhalt des Schwingkreises kontinuierlich einge­ stellt werden. In diesem Betriebszustand fließt ständig Strom im Elektrofilter. Dadurch ergibt sich eine kleine Spannungswel­ ligkeit der am Filter anstehenden Hochspannung.

Bei Elektrofiltern können Filterdurchschläge auftreten. Da hierdurch die Filterspannung zusammenbricht, wird das Filter wirkungslos. Größere Mengen Abgase gelangen folglich ungerei­ nigt ins Freie. Nach Verlöschen des Durchschlags wird das Filter wieder aufgeladen. Während der Aufladezeit, die bei herkömmlichen Filtern bis zu 400 ms beträgt, ist der Reini­ gungseffekt des Elektrofilters reduziert. Dies kann zu einem Überschreiten der zulässigen Grenzwerte der Anlage führen, die z. B. durch die TA Luft vorgegeben sind. Die Anlage darf u. U. mit einem Filter der herkömmlichen Art nicht oder nicht mehr betrieben werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache Spannungsversorgung zu schaffen, die am Filter schnell, d. h. innerhalb weniger Millisekunden, eine hohe Potentialdif­ ferenz, z. B. von 120 kV, aufbaut, also das Filter deutlich schneller als bisher hochfährt und damit die Totzeit so klein wie möglich hält.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Wechselrichter während des Aufladens jedesmal nach einem Nulldurchgang der Stromschwin­ gung gegengeschaltet wird, d. h. der Wechselrichter wird während des Aufladens mit einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des Schwingkreises getaktet.

Der sekundärseitige Gleichrichter ist vorteilhaft als Brücken­ gleichrichter ausgebildet, da dann eine Vollwellengleichrichtung und damit eine bessere Ausnutzung der Transformatorbauleistung erfolgt.

Das Filter kann dabei sowohl mit Gleichspannung als auch nur mit Spannungspulsen als auch mit Gleichspannung, der Spannungspulse überlagert sind, betrieben werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den weiteren Einzelansprüchen.

Die dargestellten Figuren zeigen in:

Fig. 1 eine Versorgungsschaltung für ein Elektrofilter, in

Fig. 2 den primärseitigen Strom- und Spannungsverlauf als Funk­ tion der Zeit, und

Fig. 3 den sekundärseitigen Strom- und Spannungsverlauf als Funk­ tion der Zeit.

Gemäß Fig. 1 ist das Gehäuse 1 des Elektrofilters mit dem Erdpo­ tential verbunden. In das Gehäuse 1 ragt eine Elektrode 2, an die eine Hochspannung von z. B. 120 kV angelegt werden soll. Die Elektrode 2 ist über einen Gleichrichter 3 mit der sekundärsei­ tigen Wicklung 42 eines Hochspannungstransformators 4 verbunden. Der Gleichrichter 3 ist als Brückengleichrichter 31 bis 34 aus­ gebildet, da dann Vollwellengleichrichtung erfolgt, was die Effizienz des Transformators 4 erhöht.

Die primärseitige Wicklung 41 des Hochspannungstransformators 4 ist über eine Kapazität 5 an eine gleichspannungsgespeiste Wech­ selrichterbrückenschaltung, bestehend aus schaltbaren Leistungs­ halbleitern 61-64, wie z. B. Thyristoren oder Leistungstran­ sistoren, jeweils mit parallel gegengeschalteten Dioden 65-68, angeschlossen. Im folgenden wird die Verwendung von Thyristoren geschildert; die Verwendung von anderen schaltbaren Leistungs­ halbleitern wie z. B. GTO′s ist völlig äquivalent.

Die Wechselrichterschaltung 6 wird von einer Gleichspannung U ge­ speist, beispielsweise von einer mittels Dioden 71 bis 76 oder Thyristoren gleichgerichteten Drehspannung. Die Verwendung von Thyristoren ermöglicht es, die mittlere Spannung des Zwischen­ kreises einzustellen, es steht also in diesem Falle ein weiterer Parameter zur Änderung der Spannung auf der Hochspannungsseite zur Verfügung.

Parallel zur Wechselrichterschaltung 6 befindet sich ein Konden­ sator 8, der die Gleichspannung glättet. Falls nötig, kann die Gleichspannung zusätzlich mittels einer in Reihe geschalteten Induktivität 9 geglättet werden.

Zum Anlegen der Hochspannung wird ein Thyristorenpaar - 61, 62 oder 63, 64 - von der Steuerung 11 gezündet. Nach dem Zünden beispielsweise der Thyristoren 61 und 62 fließt eine Halbwelle des Stromes I_P durch die Wicklung 41 und lädt den Kondensator 5 auf. Hierbei wächst der Strom I_P durch die Wicklung 41 an, bis an der Wicklung keine Spannung mehr abfällt. Da zu diesem Zeit­ punkt der Strom I_P durch die Wicklung 41 maximal ist und nicht abrupt auf Null sinken kann, wird der Kondensator 5 weiter auf­ geladen. Nach dem Abklingen der Halbwelle des Stromes I_P durch die Wicklung 41 ist der Kondensator 5 überladen, d. h. am Kon­ densator 5 liegt eine Potentialdifferenz U_K an, die größer ist als die Eingangsspannung U, mit der der Wechselrichter 6 ge­ speist wird. Dieser Potentialüberschuß hat zwei Effekte: Zum einen werden die Thyristoren 61 und 62 gelöscht, zum anderen fließt ein Rückschwingstrom über die Dioden 65 und 66 auf den Kondensator 8. In dieses Rückschwingen hinein werden die Thyri­ storen 63 und 64 von der Steuerung 11 gezündet. Da die Spannung U am Schwingkreis, der hauptsächlich aus dem Kondensator 5 und den Streuinduktivitäten der Wicklungen 41 und 42 gebildet wird, dadurch gegengepolt wird, fließt eine der ersten Halbwelle des Stromes I_P entgegengerichtete Halbwelle. Diese Halbwelle erreicht betragsmäßig größere Werte als die erste Halbwelle, da am Konden­ sator 5 eine Spannung anliegt, die diesen Stromfluß zusätzlich unterstützt. Der erhöhte Stromfluß durch die Wicklung 41 erhöht betragsmäßig die Spannung U_K, die nach Abklingen des Stromflus­ ses durch die Wicklung 41, nur mit umgekehrten Vorzeichen, am Kondensator 5 anliegt. Diese zusätzlich erhöhte Spannung U_K löscht die Thyristoren 63 und 64, und es fließt wieder ein Rück­ schwingstrom, nun über die Dioden 67 und 68 auf den Kondensator 8. Zum Aufladen des Elektrofilters werden in dieses Rückschwin­ gen hinein von der Steuerung 11 die Thyristoren 61 und 62 gezün­ det und der Wechselrichter 6 damit erneut gegengepolt. Der Kon­ densator 5 wird folglich noch stärker umgeladen, während des Rückschwingens wird wieder gegengeschaltet usw., man betreibt also den Schwingkreis nahe der Resonanzfrequenz. Da hierdurch ein immer höherer Strom I_P primärseitig durch den Transformator 4 fließt, wird sekundärseitig eine immer höhere Wechselspannung er­ zeugt, die nach Gleichrichten durch den Gleichrichter 3 an die Elektrode 2 des Elektrofilters angelegt wird. Die Filtersspannung U_F steigt daher sehr schnell auf die Filterendspannung U_max an.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die mit einer Schaltung und einem Ver­ fahren wie oben beschrieben erzielten Ergebnisse. Fig. 2 zeigt den primärseitigen Stromverlauf I_P durch die Wicklung 41 und die am Kondensator 5 anliegende Spannung U_K als Funktionen der Zeit t. Man sieht deutlich, daß sich Strom- und Spannungsampli­ tude bei jeder Halbwelle erhöhen. Ein solches Aufschaukeln ist typisch für Resonanzen.

In Fig. 3 sind die Filterspannung U_F und der gleichgerichtete Filterstrom I_F dargestellt. Auch hier steigt die Schwingungs­ amplitude des Filterstroms I_F sehr rasch an. Die Filterspannung U_F steigt mit jeder Stromhalbwelle und erreicht bereits nach 3 Millisekunden einen Wert von 120 kV.

Nach Erreichen einer einstellbaren Spannung - im angeführten Beispiel 120 kV - wird vom Resonanz- bzw. Anfahrbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet. Dies geschieht dadurch, daß die Taktfrequenz deutlich erniedrigt wird, z. B. auf 1/5 der Anfahrfrequenz.

Je nach Filterauslegung, Filterspannung, Filterlast, Luftfeuch­ tigkeit usw. kann ein Filterdurchschlag auftreten. Ein derarti­ ger Durchschlag wird von der Steuerung 11 z. B. durch ein ab­ ruptes Absinken des Potentials der Leitung 10 detektiert. Ande­ re Möglichkeit zur Durchschlagserkennung sind z. B. in der be­ reits genannten EP-PS 00 34 075 und in der EP-PS 01 08 963 beschrieben.

Wenn ein Filterdurchschlag eintritt, wird in der Steuerung 11 der Zähler für Filterdurchschläge um eins erhöht. Falls nach einer vorgegebenen und veränderbaren Wartezeit zwischen 0 und beispielsweise 200 Millisekunden der Durchschlag immer noch stattfindet, wird der Zähler für nicht selbstverlöschende Durchschläge inkrementiert, andernfalls der Zähler für selbst­ verlöschende Durchschläge.

Falls der Durchschlag nicht von selbst verlöscht, wird der Wech­ selrichter 6 von der Steuerung 11 nicht mehr angesteuert. Der Filterdurchschlag verlöscht daher, da das Elektrofilter keine Energiezufuhr mehr erhält. Nach einer einstellbaren Wartezeit von z. B. 50 Millisekunden wird von der Steuerung 11 der Wech­ selrichter 6 durch Zünden der Thyristoren 61 und 62 wieder in Betrieb genommen.

Falls der Durchschlag innerhalb der Durchschlagswartezeit von selbst verlöscht, werden keine weiteren Maßnahmen ergriffen.

Falls die Zahl der Durchschläge eine vorgegebene Grenze - z. B. 10 Durchschläge pro Minute - übersteigt, wird auf zu hohe Fil­ terendspannung U_max erkannt. In diesem Fall wird die Frequenz, mit der der Wechselrichter 6 getaktet wird, verringert, z. B. um 1% des gegenwärtigen Wertes, und/oder die Zeitspanne zwischen dem Nulldurchgang der Stromschwingung und dem Gegenschalten des Wechselrichters 6 vergrößert, z. B. um 1% des gegenwärtigen Wertes. Eine verringerte Schaltfrequenz des Umrichters 6 senkt die Filterendspannung U_max, da der Mittelwert des Filterstroms I_F abnimmt. Eine Vergrößerung der Zeitspanne zwischen dem Null­ durchgang der Stromschwingung und dem Gegenschalten des Wechsel­ richters 6 verringert ebenfalls die Filterendspannung, da dann die Anregung nicht mehr so nahe der Resonanzfrequenz des Schwing­ kreises erfolgt.

Falls in einem einstellbaren Zeitraum von z. B. ebenfalls einer Minute kein einziger Durchschlag eintritt, wird auf zu niedrige Filterspannung U_F erkannt. In diesem Fall wird die Frequenz, mit der der Wechselrichter 6 gegengeschaltet wird, erhöht, z. B. um 1% ihres derzeitigen Wertes. Für die Auswirkungen auf die Fil­ tergrenzspannung U_max gilt die umgekehrte Argumentation des vor­ hergehenden Absatzes.

Abschließend werden im folgenden nochmals die wesentlichen Teile der Erfindung zusammengestellt: Stand der Technik ist, daß ein gleichspannungsgespeister Wechselrichter 6, dem parallel eine Kapazität 8 beigeordnet ist, ein Schwingkreis nachgeschaltet ist, dessen Induktivität 41 als Eingangsinduktivität eines Hoch­ spannungstransformators 4 benützt wird, und die Ausgangsindukti­ vität 42 des Hochspannungstransformators 4 über einen Gleich­ richter 3 an ein Elektrofilter angeschlossen ist. Das Kennzeich­ nende der Erfindung ist, daß der Wechselrichter 6 gegengeschal­ tet wird, sowie die Stromschwingung, die durch das Anstoßen des Schwingkreises entsteht, ihren Nulldurchgang hat.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Spannungsversorgungseinrich­ tung für ein Elektrofilter mit einem Spannungszwischenkreisum­ richter und einem nachgeschalteten Schwingkreis, der mindestens eine Induktivität enthält, die als Eingangsinduktivität für einen Hochspannungstransformator benützt wird, der sekundärsei­ tig über einen Gleichrichter, insbesondere einen Brückengleich­ richter, mit dem Elektrofilter verbunden ist, und einer im Zwi­ schenkreis angeordneten Kapazität, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wechselrichter (6) im Inter­ vall, das mit dem Nulldurchgang der Stromschwingung, die durch das Anstoßen des Schwingkreises entsteht, beginnt, gegengeschal­ tet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeitspanne zwischen dem Nulldurch­ gang der Stromschwingung und dem Gegenschalten des Wechselrich­ ters (6) variabel ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wechselrichter (6) während des Anfahrens mit einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des Schwingkreises gegengeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz, mit der der Wechselrichter (6) gegengeschalten wird, veränderbar ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrich­ tung das Elektrofilter mit konstanter Gleichspannung versorgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrich­ tung das Elektrofilter mit Spannungspulsen versorgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrich­ tung das Elektrofilter mit Gleichspannung versorgt, der Span­ nungspulse überlagert sind.

8. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz, mit der der Wechselrichter (6) getaktet wird, erniedrigt wird, wenn die Zahl der Filterdurchschläge innerhalb eines vorgegebenen Zeit­ raums eine vorgegebene Grenze übersteigt, und/oder erhöht wird, wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums kein Filterdurch­ schlag auftritt.

9. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne zwischen dem Nulldurchgang der Stromschwingung und dem Gegenschalten des Wechselrichters (6) erhöht wird, wenn die Zahl der Filterdurch­ schläge innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums eine vorgegebene Grenze übersteigt, und/oder erniedrigt wird, wenn innerhalb ei­ nes vorgegebenen Zeitraums kein Filterdurchschlag auftritt.