EP0197369B1 - Verfahren und Einrichtung zur Versorgung eines Elektroabscheiders mit Hochspannungsimpulsen - Google Patents

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EP0197369B1
EP0197369B1 EP86103602A EP86103602A EP0197369B1 EP 0197369 B1 EP0197369 B1 EP 0197369B1 EP 86103602 A EP86103602 A EP 86103602A EP 86103602 A EP86103602 A EP 86103602A EP 0197369 B1 EP0197369 B1 EP 0197369B1
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voltage
voltage transformer
transformer
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thyristor
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Richard Dipl.-Ing. Dallhammer
Gerhard Dipl.-Ing. Dönig
Hartmut Dipl.-Ing. Gaul
Walter Dipl.-Ing. Schmidt
Franz Dipl.-Ing. Neulinger
Helmut Dipl.-Ing. Schummer
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Siemens AG
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Metallgesellschaft AG
Siemens AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/66—Applications of electricity supply techniques
    • B03C3/68—Control systems therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S323/00—Electricity: power supply or regulation systems
    • Y10S323/903—Precipitators

Definitions

  • the invention relates to a method for supplying an electrical separator with high-voltage pulses, which are generated by excitation of a high-voltage transformer coupled on the secondary side to the electrical separator with the aid of direct voltage. Furthermore, the invention relates to a device for supplying an electrical separator with high-voltage pulses, in which the primary winding of a high-voltage transformer coupled on the secondary side to the electrical separator can be excited from a direct-voltage source via a direct-current regulator that can be controlled by a first control unit.
  • the high-voltage pulses are generally generated by energizing the primary winding of a high-voltage transformer which is coupled on the secondary side to the electrical separator.
  • Such devices are known for example from DE-OS 32 46 057.
  • the object of the present invention is therefore to provide a generic method, which ensure a consistently high quality of the transmission of the high-voltage pulses.
  • the advantage of the disclosed solution resides in the cyclical feedback of the magnetization of the high-voltage transformer and in the resulting undiminished transmission of the high-voltage pulses to the electrical separator.
  • the device shown in Fig. 1 for supplying an electric separator A draws its energy from a three-phase network with phases R, S, T. Via controllable rectifiers G1 to G6, a variable voltage DC voltage is generated at the capacitor C1 and by the first control unit S1 Controlled firing of the thyristor T1 to the primary winding W1 of the high-voltage transformer H, whereby a high-voltage pulse is induced in the secondary winding W2. This reaches the electrical separator A via a coupling capacitance C2 and is superimposed on the direct voltage DC present there via a resistor R2, so that additional charge carriers are generated in the electrical separator A without the formation of an arc.
  • the diode G7 conducts currents oscillating back from the electrical separator A via the high-voltage transformer H to the capacitance C1 and in this respect serves in a known manner for energy recovery and also for protection of the longitudinal thyristor T1.
  • Other conventional protective measures (series connection of several thyristors, monitoring of the release time, protective ignition, current limitation by chokes, etc.) are also possible for the thyristor T1, but are not shown in detail.
  • the ignition frequency specified by the first control unit S1 to the thyristor T1 depends on the operating parameters of the electrostatic precipitator A, such as the type of dust, the dust loading, the desired degree of dust separation or the DC voltage DC.
  • FIGS. 2 and 3 where the voltage u 'and the current i' of the electrostatic precipitator A are shown in the event that the proposed demagnetization of the high-voltage transformer H is not yet used (for the measurement, the source of the DC voltage DC is not connected to the electrical separator A or the resistor R2).
  • the thyristor T1 is ignited by the first control unit S1 and the primary winding W1 of the high-voltage transformer H excited.
  • the high-voltage pulse thus induced in the secondary winding W2 of the high-voltage transformer H charges the capacitive-acting electrical separator A to the voltage value ü up to the time t2.
  • the flooding of the core of the high-voltage transformer H between times t2 and t3 is not exactly the same as the flooding between times t1 and t2 (see FIG. 3: i2 ⁇ i1). Therefore, even when using magnetically soft core materials, residual magnetization of the core of the high-voltage transformer H remains after transmission of the pulse and increases with each subsequent pulse until the core material is magnetically saturated and further pulses are no longer or only insufficiently transmitted.
  • This primary-side short-circuit completes the discharge process of the electrodepositor A via the magnetically coupled series resonant circuit W2, C2 up to the point in time t5, so that the successive opposite flows through the core are approximately the same and thus have an effect on the remanent magnetization of the high-voltage transformer Neutralize H.
  • the time t4 at which the control unit S2 ignites the thyristor T2 can be as close as desired to the time t3 at which the discharge current becomes zero. 4 and 5, there is a clear margin between these times only for drawing reasons.
  • the thyristor T2 could even immediately after the time t2, d. H. after the return of the thyristor T1 in the blocking state, are fired to support the discharge process. Then, however, the part of the energy which oscillates back, which is otherwise charged back to the capacitor C1 between the times t2 and t3, would be destroyed by the short-circuit of the primary winding caused by thyristor T2 and resistor R1.
  • connection shown in Fig. 1 between the first control unit S1 and the second control unit S2 is used to synchronize the control unit S2 with respect to the control unit S1 in order, for. B. to rule out untimely ignitions of the thyristor T2 or - with a given pulse width - to operate a pure timing control of S2.
  • a permanent counter-flooding of the high-voltage transformer H in can support the demagnetization be provided in a manner known per se such that a tertiary winding W3 applied to its core is supplied by a direct current which is oriented in the opposite direction to the primary excitation and which, for. B. can be obtained in a conventional manner from the AC network (see low voltage transformer N, rectifier G9 to G12, capacitance C3).
  • control units S1 and S2 need not necessarily be in the form of separate systems; their combination into a central control unit is useful in many practical cases.
  • the avoidance of the magnetic saturation of the high-voltage transformer H leads to an effective transmission of pulses from the primary side of the high-voltage transformer H to the secondary side and thus to the electrical separator A.
  • the transmission of pulses from the secondary side to the primary side is possible undiminished, so that in particular in the event of short-circuits in the electrical separator A, especially in the event of arcing between the electrodes, voltage surges can occur on the primary side of the high-voltage transformer H, which must be kept away from the longitudinal thyristor T1.
  • the short-circuiting of the primary winding W1 can also be considered for this purpose.
  • the thyristor T3 is z. B. via the current limiting resistor R1 parallel to the primary winding W1. If their voltage exceeds a critical value, the breakdown diode BOD becomes conductive and ignites the thyristor T3 via the resistor R3 and the diode G8, so that the voltage on the primary winding W1 breaks down.
  • the current flowing through thyristor T3 is oriented in the opposite direction to the current that thyristor T2 has to carry cyclically.
  • the functions of the thyristors T2 and T3 can thus be combined in a single controllable semiconductor switching element if it is bidirectionally conductive.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung eines Elektroabscheiders mit Hochspannungsimpulsen, die durch primärseitige Erregung eines sekundärseitig an den Elektroabscheider gekoppelten Hochspannungstransformators mit Hilfe von Gleichspannung erzeugt werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Versorgung eines Elektroabscheiders mit Hochspannungsimpulsen, bei der die Primärwicklung eines sekundärseitig an den Elektroabscheider gekoppelten Hochspannungstransformators über einen von einer ersten Steuereinheit steuerbaren Gleichstomsteller aus einer Gleichspannungsquelle erregbar ist.
  • Bei Elektroabscheidem hat es sich zur Erhöhung des Staubabscheidegrades als wirkungsvoll erwiesen, die Elektroden neben einer möglichst nahe an der Durchschlagsgrenze geführten Gleichspannung zusätzlich mit Hochspannungsimpulsen variabler Amplitude und Frequenz zu beaufschlagen, um zusätzliche Ladungsträger im Elektroabscheider zu erzeugen, ohne die Ausbildung eines Lichtbogens zu provozieren. Die Erzeugung der Hochspannungsimpulse geschieht in aller Regel durch Erregung der Primärwicklung eines Hochspannungstransformators, der sekundärseitig an den Elektroabscheider gekoppelt ist. Derartige Einrichtungen sind beispielsweise aus der DE-OS 32 46 057 bekannt.
  • Im praktischen Betrieb solcher Versorgungseinrichtungen tritt nun häufig das Problem auf, daß mit den übertragenen Impulsen das Kemmaterial des Hochspannungstransformators sukzessive in die magnetische Sättigung getrieben wird, da die Impulse vorzugsweise unipolar sind, d. h. nur spannungserhöhend wirken. Bei den gegebenen hohen Impulsfrequenzen ist der Sättigungszustand rasch erreicht, mit der Folge, daß weitere Impulse nicht mehr oder nur noch in unbecfriedigender Qualität auf den Elektroabscheider gelangen und der Wirkungsgrad der Einrichtung abfällt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines gattungsgemäßen Verfahrens, weiches eine gleichbleibend hohe Qualität der Übertragung der Hochspannungsimpulse gewährleisten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • Der Vorteil der offenbarten Lösung beruht in der zyklischen Rückführung der Magnetisierung des Hochspannungstransformators und in der dadurch gewährleisteten ungeschmälerten Übertragung der Hochspannungsimpulse auf den Elektroabscheider.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart. Die Maßnahmen nach Anspruch 2 bzw. 3 bieten den zusätzlichen Vorteil eines Schutzes der Impulserzeugungseinrichtung gegen vom Elektroabscheiders über den Hochspannungstransformator zurückschwingende Spannungsgröße.
  • Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigen :
    • Fig. 1 eine Einrichtung zur Versorgung eines Elektroabscheiders mit Hochspannungsimpulsen,
    • Fig. 2 und 3 Diagramme mit den Verläufen von Spannung bzw. Strom des Elektroabscheiders ohne erfindungsgemäße Entmagnetisierung des Hochspannungstransformators,
    • Fig. 4 und 5 Diagramme mit den Verläufen von Spannung bzw. Strom des Elektroabscheiders mit erfindungsgemäßer Entmagnetisierung des Hochspannungstransformators.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Versorgung eines Elektroabscheiders A bezieht ihre Energie aus einem Drehstromnetz mit den Phasen R, S, T. Über steuerbare Gleichrichter G1 bis G6 wird an der Kapazität C1 eine Gleichspannung variabler Höhe erzeugt und durch von der ersten Steuereinheit S1 gesteuertes Zünden des Thyristors T1 an die Primärwicklung W1 des Hochspannungstransformators H gelegt, wodurch in dessen Sekundärwicklung W2 ein Hochspannungsimpuls induziert wird. Dieser gelangt über eine Koppelkapazität C2 an den Elektroabscheider A und überlagert sich der dort über einen Widerstand R2 anliegenden Gleichspannung DC, so daß im Elektroabscheider A zusätzliche Ladungsträger, ohne Ausbildung eines Lichtbogens, erzeugt werden.
  • Die Diode G7 leitet vom Elektroabscheider A über den Hochspannungstransformator H zurückschwingende Ströme auf die Kapazität C1 ab und dient insofern in bekannter Weise einer Energierückgewinnung und auch einem Schutz des Längsthyristors T1. Weitere konventionelle Schutzmaßnahmen (Reihenschaltung mehrerer Thyristoren, Überwachung der Freiwerdezeit, Schutzzündung, Strombegrenzung durch Drosseln etc.) für den Thyristor T1 sind ebenfälls möglich, aber nicht näher dargestellt.
  • Die von der ersten Steuereinheit S1 dem Thyristor T1 vorgegebene Zündfrequenz hängt von den Betriebsparametem des Elektroabscheiders A ab, wie etwa der Staubart, der Staubbeladung, dem angestrebten Staubabscheidegrad oder der Gleichspannung DC.
  • Um die Funktionsweise und das Problem der herkömmlichen Impulserzeugungseinrichtung zu verdeutlichen, wird nun auch auf Fig. 2 und 3 Bezug genommen, wo die Spannung u' und der Strom i' des Elektroabscheiders A für den Fall dargestellt sind, daß die vorgeschlagene Entmagnetisierung des Hochspannungstransformators H noch nicht angewendet wird (für die Messung ist die Quelle der Gleichspannung DC nicht an den Elektroabscheider A bzw. den Widerstand R2 angeschlossen).
  • Zum Zeitpunkt t1 wird der Thyristor T1 von der ersten Steuereinheit S1 gezündet und die Primärwicklung W1 des Hochspannungstransformators H erregt. Der hierdurch in der Sekundärwicklung W2 des Hochspannungstransformators H induzierte Hochspannungsimpuls lädt den kapazitiven wirkenden Elektroabscheider A bis zum Zeitpunkt t2 auf den Spannungswert ü auf. Anschließend, bis zum Zeitpunkt t3, entlädt sich der Elektroabscheider A zwar wieder (i' < 0) über den aus Koppelkondensator C2 und die Sekundärwicklung W2 bestehenden Reihenschwingkreis, jedoch nicht vollständig : Eine Restladung und Restspannung verbleiben auf dem Elektroabscheider A, vor allem deshalb, weil der primärseitig induzierte Entladestrom, der über die Diode G7 auf die Kapazität C1 zurückschwingt, gegen die Spannung an der Kapazität C1 fließen muß.
  • Demnach ist die Durchflutung des Kems des Hochspannungstransformators H zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 nicht engegengesetzt gleich der Durchflutung zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 (siehe Fig. 3 : i2 < i1). Deshalb bleibt auch bei Verwendung magnetisch weicher Kemwerkstoffe nach Übertragung des Impulses eine Restmagnetisierung des Kerns des Hochspannungstransformators H zurück und steigert sich mit jedem nachfolgenden Impuls, bis das Kemmaterial magnetisch gesättigt ist und weitere Impulse nicht mehr oder nur noch unzureichend übertragen werden.
  • Bezugnehmend auf Fig. 4 und 5, in denen die Spannung u und der Strom i des Elektroabscheiders A für den Fall dargestellt sind, daß die vorgeschlagene Entmagnetisierung des Hochspannungstransformators H eingesetzt wird (Messung wieder ohne Gleichspannung DC), wird die Lösung des aufgezeigten Problems beschrieben. Die Unsymmetrie der Durchflutung des Hochspannungstransformators H im Laufe der Übertragung eines Impulses wird beseitigt, indem nach dem Impuls, zumindest nach Rückkehr des Thyristors T1 in den Sperrzustand, zum Zeitpunkt t4 ein z. B. über einen Strombegrenzungswiderstand R1 parallel zur Primärwicklung W1 des Hochspannungstransformators H liegender Thyristor T2 von einer zweiten Steuereinheit S2 aufgrund von Informationen aus der ersten Steuereinheit S1 und/oder Meßsignalen vom Hochspannungstransformator H oder Elektroabscheider A kurzzeitig, d. h. maximal für die Zeit bis zum Beginn des nächsten Impulserzeugungszyklus, in. den leitenden Zustand gesteuert wird.
  • Durch diesen primärseitigen Kurzschluß wird der über den magnetisch angekoppelten Reihenschwingkreis W2, C2 ablaufende Entladevorgang des Elektroabscheiders A bis zum Zeitpunkt t5 vervollständigt, so daß die aufeinanderfolgenden entgegengesetzten Durchflutungen des Kerns dem Betrage nach etwa gleich sind und sich somit in ihrer Wirkung hinsichtlich remanenter Magnetisierung des Hochspannungstransformators H neutralisieren.
  • Der Zeitpunkt t4, zu dem die Steuereinheit S2 den Thyristor T2 zündet, kann beliebig nahe am Zeitpunkt t3, zu dem der Entladestrom Null wird, liegen. Lediglich aus zeichnerischen Gründen liegt in Fig. 4 und 5 zwischen diesen Zeitpunkten eine deutliche Spanne. Rein von der Entmagnetisierungsfunktion her könnte der Thyristor T2 sogar schon unmittelbar nach dem Zeitpunkt t2, d. h. nach Rückkehr des Thyristors T1 in den Sperrzustand, gezündet werden, um den Entladevorgang zu unterstützen. Dann würde aber der Teil der dabei zurückschwingenden Energie, der zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 sonst auf die Kapazität C1 zurückgeladen wird, durch den über Thyristor T2 und Widerstand R1 bewirkten Kurzschluß der Primärwicklung vernichtet.
  • Zur Bestimmung des Zündzeitpunktes t4 des Thyristors T2 braucht die Steuereinheit S2 nicht unbedingt Meßsignale von der Hochspannungsseite des Hochspannungstransformators H auszuwerten, um festzustellen, wann der in der Sekundärwicklung W2 fließende Entladestrom des Elektroabscheiders A zu Null wird. Infolge der gegebenen magnetischen Kopplung erfüllt die wesentlich einfacher durchzuführende Messung des primärseitig induzierten Entladestroms denselben Zweck. Da der zurückschwingende Entladestrom zunächst über die Diode G7 fließen muß, genügt sogar eine Überwachung des Stromes durch diese Diode :
    • Wird er null (Zeitpunkt t3), kann die Steuereinheit S2 den Thyristor T2 zum beschriebenen Zweck zünden (in Fig. 4 und 5 im Zeitpunkt t4).
  • Die in Fig. 1 dargestellte Verbindung zwischen der ersten Steuereinheit S1 und der zweiten Steuereinheit S2 dient der Synchronisierung der Steuereinheit S2 bezüglich der Steuereinheit S1, um z. B. unzeitgemäße Zündungen des Thyristors T2 auszuschließen oder - bei gegebener Impulsbreite - eine reine Zeitsteuerung von S2 zu betreiben.
  • Wenn infolge des Energieaufwandes für die Erzeugung von Ladungsträgem im Elektroabscheider A oder infolge ohmscher Verluste der beschriebene Entladevorgang des Elektroabscheiders A trotz Vollständigkeit nicht zu einer symmetrischen Durchflutung des Kerns des Hochspannungstransformators H ausreicht, kann als Zusatzmaßnahme zur Unterstützung der Entmagnetisierung eine permanente Gegendurchflutung des Hochspannungstransformators H in an sich bekannter Weise vorgesehen werden dergestalt, daß eine auf seinem Kern aufgebrachte Tertiärwicklung W3 von einem gegensinnig zur Primärerregung orientierten Gleichstrom, der z. B. in herkömmlicher Weise aus dem Wechselstromnetz gewonnen werden kann (siehe Niederspannungstransformator N, Gleichrichter G9 bis G12, Kapazität C3), durchflossen wird.
  • Die Steuereinheiten S1 und S2 müssen nicht notwendigerweise in Form getrennter Systeme vorliegen ; ihre Zusammenfassung zu einer Zentralsteuereinheit bietet sich in vielen praktischen Fällen an.
  • Die Vermeidung der magnetischen Sättigung des Hochspannungstransformators H führt zu einer wirkungsvollen Übertragung von Impulsen von der Primärseite des Hochspannungstransformators H auf die Sekundärseite und damit auf den Elektroabscheider A. Ebenso ist dann aber die Übertragung von Impulsen von der Sekundärseite auf die Primärseite ungeschmälert möglich, so daß insbesondere im Fall von Kurzschlüssen im Elektroabscheider A, speziell bei Überschlägen zwischen den Elektroden, Spannungsstöße auf der Primärseite des Hochspannungstransformators H auftreten können, die vom Längsthyristor T1 ferngehalten werden müssen. Neben den bereits erwähnten konventionellen Schutzmaßnahmen kommt zu diesem Zweck wiederum die Kurzschließung der Primärwicklung W1 in Betracht.
  • Der Thyristor T3 liegt hierzu z. B. über den Strombegrenzungswiderstand R1 parallel zur Primärwicklung W1. Übersteigt deren Spannung einen kritischen Wert, wird die Durchbruchdiode BOD leitfähig und zündet über den Widerstand R3 und die Diode G8 den Thyristor T3, so daß die Spannung an der Primärwicklung W1 zusammenbricht. Der hierbei durch den Thyristor T3 fließende Strom ist entgegengesetzt zu dem Strom orientiert, den der Thyristor T2 zyklisch zu führen hat. Die Funktionen der Thyristoren T2 und T3 lassen sich also in einem einzigen steuerbaren Halbleiterschaltelement vereinigen, wenn es bidirektionai leitfähig ist.

Claims (3)

1. Verfahren zur Versorgung eines Elektroabscheiders mit Hochspannungsimpulsen, die durch primärseitige Erregung eines sekundärseitig an den Elektroabscheider gekoppelten Hochspannungstransformators mit Hilfe von Gleichspannung erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Hochspannungsimpulsen, insbesondere zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochspannungsimpulsen und insbesondere unmittelbar nach jedem Hochspannungsimpuls, die Magnetisierung des Hochspannungstransformators (H) durch kurzzeitiges Kurzschließen seiner Primärwicklung (W1) reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer primärseitig auftretenden Überspannung, insbesondere im Fall eines Überschlages zwischen den Elektroden des Elektroabscheiders (A), die Primärwicklung (W1) des Hochspannungstransformators (H) - kurzgeschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine der Magnetisierung entgegenwirkende zusätzliche Gleichspannungserregung des Hochspannungstransformators (H).
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