ES2368913T3 - Sistema generador de impulsos para precipitador electrostático. - Google Patents

Sistema generador de impulsos para precipitador electrostático. Download PDF

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Abstract

Un sistema generador de impulsos para generar impulsos de alta tensión para activar un precipitador electrostático (10), en que dicho sistema comprende: - Una primera fuente de alimentación (1) y una segunda fuente de alimentación (2), en que dicha segunda fuente de alimentación (2) está prevista para precargar dicho precipitador electrostático (10) a una tensión de corriente continua; - Un condensador de almacenamiento (7) y una inductancia en serie; - Un dispositivo interruptor (5) acoplado en paralelo con un dispositivo rectificador antiparalelo (6); y en que dicho sistema está previsto para ser acoplado a dicho precipitador electrostático (10); caracterizado porque dicho dispositivo interruptor (5) tiene un electrodo de puerta y porque dicho dispositivo interruptor (5) tiene capacidad de desconexión controlable, siendo controlable por una señal de puerta suministrada a dicho electrodo de puerta.

Description

Sistema generador de impulsos para precipitador electrostático
CAMPO DE LA INVENCIÓN
Esta invención se refiere a un sistema generador de impulsos para generar impulsos de alta tensión para activar un precipitador electrostático (ESP, del inglés “ElectroStatic Precipitator”), en que dicho sistema comprende una primera fuente de alimentación y una segunda fuente de alimentación, en que dicha segunda fuente de alimentación está prevista para precargar dicho precipitador electrostático a una tensión de corriente continua; un condensador de almacenamiento y una inductancia en serie; y un dispositivo interruptor acoplado en paralelo con un dispositivo rectificador antiparalelo; en que dicho sistema está previsto para ser acoplado a dicho precipitador electrostático.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los precipitadores electrostáticos pueden usarse para la recogida y consecuente retirada de partículas de un flujo de gas en procesos industriales. La densidad de partículas en el flujo de gas puede reducirse significativamente cargando las partículas mediante la generación, a través del electrodo de descarga del precipitador electrostático, de portadores de carga para que queden fijados a las partículas en el flujo de gas, y aplicando un campo de alta tensión de forma que las partículas cargadas son forzadas hacia el ánodo positivo del precipitador electrostático, retirando con ello las partículas cargadas del flujo de gas. Las partículas recogidas forman una capa de polvo en el ánodo del precipitador electrostático, la cual es retirada periódicamente por medio de dispositivos de golpeo.
El rendimiento de un precipitador electrostático activado puede quedar perjudicado al tratar partículas de polvo de alta resistividad. El polvo de alta resistividad provoca un campo eléctrico elevado en la capa de polvo de las partículas recogidas en el precipitador electrostático, que a su vez puede provocar la rotura eléctrica de la capa de polvo, un fenómeno conocido como “corona invertida” (back-corona) o “retro-ionización” (back-ionization).
La corona invertida significa que se generan iones positivos por la rotura de la capa de polvo, lo que neutraliza los iones negativos beneficiosos generados por los electrodos de descarga, que se usan para cargar negativamente las partículas de polvo. El resultado es una tensión reducida aplicada al precipitador electrostático y una reincorporación de las partículas de polvo de vuelta al flujo de gas debido a pequeñas erupciones en la capa de polvo.
En precipitadores electrostáticos actuales que son activados por impulsos, se aplica a los precipitadores electrostáticos típicamente una tensión de corriente continua suave con impulsos de alta tensión superpuestos de corta duración. La anchura de los impulsos es típicamente del orden de o superior a 100 μs, repetidos con una cierta frecuencia en el intervalo de 1 a 400 impulsos/s. La intensidad de corriente media puede ser controlada variando la frecuencia de repetición de impulsos de un dispositivo interruptor en el sistema, al tiempo que se mantiene el nivel de tensión aplicado al precipitador electrostático. De este modo es posible limitar o eliminar en gran medida la generación de una corona invertida y sus efectos negativos. Debe observarse que el condensador de almacenamiento, el dispositivo interruptor y la inductancia constituyen un circuito resonante en serie.
Existen dos arquitecturas principales de sistemas de impulsos para precipitadores: una basada en la acción del interruptor a potencial bajo y otra basada en la acción del interruptor a potencial alto. El primer tipo comprende normalmente un transformador de impulsos y la acción del interruptor tiene lugar en el lado primario como se explica en los documentos US 4.052.177, US 4.600.411 y EP 0 108 963. El documento EP 1 293 253 A2 es un ejemplo del segundo tipo, en que la acción del interruptor tiene lugar a un potencial alto.
El documento US 4.600.411 describe un sistema de impulsos con un transformador con un arrollamiento primario y uno secundario y un interruptor de tiristor. Una fuente de alimentación está conectada a un inductor de carga en serie con un condensador de carga y un inductor de protección frente a picos conectados al arrollamiento primario del transformador. Una red de fijación que comprende un diodo de fijación y una combinación en paralelo de un resistor y un condensador está conectada entre el empalme del inductor de protección frente a picos y el condensador de carga para limitar la tensión aplicada al inductor de protección frente a picos y al arrollamiento primario del transformador.
El documento US 4.854.948 describe otro sistema de impulsos con un transformador con un arrollamiento primario y uno secundario, una fuente de alimentación conectada a un condensador de almacenamiento y un circuito de tiristor conectado al arrollamiento primario del transformador. Un diodo conectado a una conexión en paralelo de un condensador y un resistor constituye un circuito para la protección del circuito de tiristor. Una fuente de tensión suministra una tensión de base de por ejemplo 35 kV a un separador de polvo electrostático acoplado al arrollamiento secundario del transformador. Un detector está acoplado al separador de polvo para detectar variaciones rápidas de tensión que ocurrirán en caso de chispas en el separador de polvo y para permitir que el circuito de tiristor se convierta en conductor, protegiendo con ello el circuito de tiristor. Sin embargo, este detector incrementa el coste del sistema de impulsos.
El documento US-A-4 592 763 describe la operación de un sistema de alimentación para impulsos usado para la activación eléctrica de precipitadores electrostáticos (ESP). El sistema del documento US-A-4 592 763 contiene un tiristor usado como interruptor. Sin embargo, un tiristor por naturaleza no tiene capacidad de desconexión.
El documento US-A-4 238 810 describe un circuito de control relacionado con la operación de rectificadores de alta tensión tradicionales (conjuntos T-R, de Transformador-Rectificador) usados para la activación eléctrica de precipitadores electrostáticos (ESP). Estos conjuntos T-R son conectados a la red eléctrica (50 Hz en Europa) y aplican una tensión de corriente continua no filtrada con una ondulación de 100 Hz considerable al material de carga de ESP (30). La intensidad de corriente suministrada al material de carga de EPS (30) consta de partes de semiondas sinusoidales (66, 67) con una duración menor que medio periodo de la frecuencia de línea (10 ms), determinada por el ángulo de disparo usado en la activación de los tiristores de frecuencia de línea controlados en fase (16, 17). La amplitud de estos impulsos de corriente suministrados al material de carga de ESP es típicamente de unos pocos amperios.
Es deseable mejorar la eficiencia de los sistemas descritos en los documentos US 4.592.763, US 4.238.810, US
4.600.411 y US 4.854.948. Además, ni los documentos US 4.592.763, US 4.238.810, US 4.600.411 ni el US
4.854.948 tratan el problema de que el núcleo del transformador queda saturado al producirse chispas dentro del precipitador electrostático, lo que perjudica sustancialmente la operación del precipitador electrostático. Finalmente, los dispositivos interruptores en los sistemas conocidos están sujetos a tasas altas potencialmente dañinas de di/dt en el caso que aparezcan chispas en el precipitador electrostático, acortando con ello su vida útil.
OBJETO Y SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Constituye por lo tanto el objeto de la invención proporcionar un sistema generador de impulsos con una eficiencia mejorada. Constituye además un objeto de la invención proporcionar un sistema generador de impulsos con un transformador, en que se alivie la saturación del núcleo del transformador. Constituye además un objeto de la invención proporcionar un sistema con protección mejorada del dispositivo interruptor.
Este objeto se consigue cuando el sistema generador de impulsos mencionado en el párrafo inicial está caracterizado por las propiedades de la reivindicación 1. Con ello, se hace posible aplicar impulsos con una anchura reducida al precipitador electrostático en comparación con sistemas actuales generadores de impulsos; esto proporciona una eficiencia sustancialmente mejorada del sistema, de acuerdo con experimentos realizados en precipitadores ESP piloto, debido a una mejor reducción del fenómeno de corona invertida y mayores tensiones máximas, dando lugar a que se carguen mejor las partículas. El dispositivo interruptor puede ser cualquier dispositivo interruptor apropiado capaz de ser desconectado, por ejemplo un interruptor de semiconductores tal como un IGBT (del inglés “Insulated Gate Bipolar Transistor”, transistor bipolar de puerta aislada), IGCT (del inglés “Integrated Gate-Commutated Thyristor”, tiristor controlado por puerta integrada), GTO (del inglés “Gate Turn-Off thyristor”, tiristor desconectable por puerta).
En una realización preferida, el sistema comprende además un transformador con un arrollamiento primario y uno secundario, en que la primera fuente de alimentación, el condensador de almacenamiento, el dispositivo interruptor y el dispositivo rectificador antiparalelo acoplado en paralelo están acoplados al arrollamiento primario del transformador; en que la segunda fuente de alimentación y un condensador de acoplamiento están acoplados al arrollamiento secundario del transformador; y en que el sistema está previsto para ser acoplado al precipitador electrostático a través del condensador de acoplamiento. Con ello, se proporciona una realización ventajosa del sistema adaptada para sistemas generadores de impulsos del tipo que comprende un transformador. El condensador de almacenamiento es cargado por la primera fuente de alimentación hasta un nivel de tensión adecuado y la segunda fuente de alimentación genera una tensión alta de corriente continua de base. El condensador de acoplamiento evita un cortocircuito de la segunda fuente de alimentación por el arrollamiento secundario.
En otra realización preferida del sistema, la primera fuente de alimentación está conectada a un terminal del condensador de almacenamiento, en que el otro terminal del condensador de almacenamiento está conectado a un terminal de un arrollamiento primario de un transformador, y en que el otro terminal del arrollamiento primario del transformador está conectado a un terminal común. Además, el dispositivo interruptor y el dispositivo rectificador antiparalelo están conectados en paralelo, de los que un terminal del dispositivo interruptor está conectado entre la primera fuente de alimentación y el condensador de almacenamiento y el otro terminal del dispositivo interruptor está conectado al terminal común; un terminal del arrollamiento secundario del transformador está conectado al terminal común y el otro terminal del arrollamiento secundario del transformador está conectado al precipitador electrostático a través del condensador de acoplamiento; y la segunda fuente de alimentación está conectada al empalme entre el condensador de acoplamiento y el precipitador electrostático. Con ello, se proporciona otra realización ventajosa del sistema adaptada para sistemas generadores de impulsos del tipo que comprende un transformador. Debe observarse que el terminal común puede estar puesto a tierra o no, dependiendo de los requisitos de las fuentes de alimentación.
Durante una operación normal, no es infrecuente que se produzcan chispas dentro del precipitador electrostático. Como se explica en el documento EP 0 054 378, puede producirse una chispa durante la aplicación de un impulso de alta tensión (en cuyo caso la chispa es denominada una “chispa de impulso”) o en el intervalo de tiempo entre dos impulsos consecutivos (en cuyo caso el impulso es denominado una “chispa de corriente continua”). En el tipo de sistemas generadores de impulsos que comprende un transformador de impulsos, la tensión a través del condensador de acoplamiento durante ambos tipos de chispas está conectada directamente al arrollamiento secundario, causando la saturación del transformador de impulsos y posiblemente dañando el dispositivo interruptor.
En otra realización preferida más, el dispositivo interruptor está previsto para ser desconectado antes del instante de tiempo del cruce por cero natural de la intensidad de corriente de impulso aplicada al precipitador electrostático. El dispositivo interruptor puede ser desconectado ventajosamente justo antes del instante de tiempo del cruce por cero natural de la intensidad de corriente de impulso aplicada al precipitador electrostático. Sin embargo, el uso de un dispositivo interruptor con capacidad de desconexión también permite desconectar la corriente de impulso en el precipitador electrostático mucho antes de su cruce por cero natural, si es necesario. Debido a que la mayoría de las chispas en el precipitador electrostático se producen cerca del instante de tiempo del cruce por cero de la intensidad de corriente de impulso en el precipitador electrostático, lo que coincide con el máximo del impulso de tensión, el dispositivo interruptor será desconectado al producirse el cruce por cero. De este modo, si aparece una chispa después del cruce por cero de la intensidad de corriente en el precipitador electrostático, el interruptor habrá sido ya desconectado entonces. Si se produce una chispa antes de este punto, la intensidad de corriente de impulso se incrementará y el interruptor debe ser desconectado antes de que la intensidad de corriente sea demasiado elevada. En ambos casos es necesario incluir un camino alternativo para la corriente eléctrica principal, y esto se consigue típicamente usando una red de diodos adecuada en paralelo.
Actualmente, los dispositivos interruptores usados en sistemas comerciales generadores de impulsos son tiristores (SCR, del inglés “Silicon Controlled Rectifier”, rectificador controlado de silicio). Su conmutación natural inherente hace uso necesariamente de métodos de protección sofisticados como los descritos en los documentos EP 0 145 221 y EP 0 212 854. Algunas chispas resultan en una pico de tensión o sobretensión aplicado al dispositivo interruptor. Se ha descrito una solución con un diodo de funcionamiento libre insertado en paralelo con el arrollamiento primario como en los documentos 4.600.411 y EPO 0 108 963.
De acuerdo con una realización preferida de la invención, el sistema comprende además un circuito de fijación conectado al empalme entre el condensador de almacenamiento y la fuente de alimentación. De este modo, el circuito de fijación está conectado lo más cerca posible del dispositivo interruptor. Con ello, se crea un camino para la corriente provocada por la energía almacenada en el sistema (a saber en la inductancia de fuga del transformador de impulsos) cuando el dispositivo interruptor está desconectado, protegiendo así el dispositivo interruptor al limitar la tensión a su través, si el condensador en la red de fijación tiene un valor alto. Además, el circuito de fijación minimiza la saturación del transformador de impulsos en el caso de chispas, ya que toma energía del sistema. Preferentemente, el circuito de fijación comprende un diodo en serie con un condensador y un resistor en paralelo con el diodo. El condensador sirve para limitar la tensión a través del interruptor durante la desconexión y el resistor sirve para limitar la intensidad de corriente durante la descarga del condensador de fijación cuando el interruptor es conectado.
En una realización alternativa preferida de la invención, el sistema comprende un circuito de fijación conectado al empalme entre el condensador de almacenamiento y el arrollamiento primario del transformador, en que el circuito de fijación comprende una conexión en serie de un resistor de amortiguación, un diodo de fijación y un banco de condensadores. Aquí, el banco de condensadores mantenido a una tensión adecuada sirve para evitar la saturación del transformador de impulsos entre impulsos durante la operación normal y el resistor de amortiguación sirve para limitar considerablemente la di/dt en caso de chispas de impulso.
Preferiblemente, el anterior circuito de fijación comprende además una fuente de alimentación de corriente continua auxiliar, un resistor de carga, un transistor, un resistor de descarga y un diodo de referencia. La fuente de alimentación de corriente continua auxiliar sirve para mantener limitada la tensión sobre el banco de condensadores en caso de chispas en el precipitador electrostático. Con ello, los problemas de saturación del núcleo del transformador son reducidos en cuanto a que el incremento de la tensión en el banco de condensadores debido a los picos de intensidad de corriente causados por chispas en el precipitador ESP es compensado por una descarga a través del resistor de descarga y el transistor.
Se prefiere que el sistema de acuerdo con la invención comprenda un circuito supresor (snubber) conectado en paralelo al dispositivo interruptor y al dispositivo rectificador antiparalelo. La razón es la inductancia parásita de la conexión por cable entre el interruptor y la red de fijación. El circuito supresor limita la tasa de aumento de la tensión a través del dispositivo interruptor (dv/dt) cuando está desconectado; con ello se proporciona una protección del dispositivo interruptor.
Finalmente, se prefiere que el sistema de acuerdo con la invención comprenda además una red de polarización conectada al arrollamiento primario del transformador, en que la red de polarización comprende una fuente de tensión, un resistor de limitación y una bobina de choque (choke) de polarización. La red de polarización mejora la eficiencia del núcleo del transformador en cuanto a que puede ser magnetizado en dos polaridades; con ello puede usarse un núcleo de transformador más pequeño y de este modo más barato.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La invención será explicada más completamente a continuación en conexión con ejemplos de realizaciones preferidas y con referencia al dibujo, en el cual:
la figura 1 es un diagrama de bloque del sistema de impulsos de acuerdo con la invención;
la figura 2 muestra diagramas de la tensión de puerta aplicada al dispositivo interruptor, la tensión y la intensidad de corriente (ipulse) a través del precipitador electrostático, durante la operación normal;
la figura 3 muestra diagramas de formas de onda de la tensión a través del precipitador electrostático (UESP), la intensidad de corriente a través del dispositivo interruptor, la intensidad de corriente a través del diodo de fijación en la figura 1 y la tensión a través del dispositivo interruptor, en caso de que aparezca una chispa justo antes del cruce por cero de la intensidad de corriente a través del dispositivo interruptor;
la figura 4 muestra las formas de onda de la tensión y la intensidad de corriente del condensador de
acoplamiento antes, durante y después de una chispa de corriente continua, sin el uso de la red de
fijación;
la figura 5 muestra formas de onda similares a las de la figura 4, durante una chispa de corriente continua, con el uso de de la red de fijación preferida;
la figura 6 muestra un diagrama de un sistema con una red de fijación alternativa conectada en paralelo con el arrollamiento primario; y
la figura 7 muestra las formas de onda de la tensión a través del arrollamiento primario del transformador de
impulsos respectivamente con y sin el uso del banco de condensadores en la red de fijación
alternativa mostrada en la figura 6.
En todos los dibujos, elementos iguales están denotados por los mismos números de referencia.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERIDAS
La figura 1 es un diagrama de bloques del sistema de impulsos de acuerdo con la invención. Se muestra una primera fuente de alimentación 1, a la que se hace referencia en lo que sigue como fuente de alimentación de impulsos 1, y una segunda fuente de alimentación 2, a la que se hace referencia en lo que sigue como una fuente de alimentación de corriente continua 2, previstas para activar un precipitador electrostático 10. La fuente de alimentación de corriente continua 2 está prevista para precargar el precipitador electrostático 10 a una tensión de corriente continua, típicamente en el rango de 25 – 50 kilovoltios. Ambas fuentes de alimentación 1, 2 son alimentadas por una línea eléctrica trifásica 19.
El número de referencia 18 denota el circuito principal del sistema de acuerdo con la invención. La figura 1 muestra además que la fuente de alimentación de impulsos 1 está conectada a un terminal del condensador de almacenamiento 7 a través de una bobina de choque de filtrado 3, mientras que el otro terminal del condensador de almacenamiento 7 está conectado a un terminal de un arrollamiento primario de un transformador 9. El otro terminal del arrollamiento primario del transformador 9 está conectado a un terminal común. El terminal común puede estar puesto a tierra o no, dependiendo de los requisitos de las fuentes de alimentación.
El circuito principal 18 comprende además un dispositivo interruptor 5 y un dispositivo rectificador antiparalelo 6 conectado en paralelo, en que un terminal del dispositivo interruptor 5 está conectado entre la primera fuente de alimentación 1 y el condensador de almacenamiento 7 y el otro terminal del dispositivo interruptor 5 está conectado al terminal común. El dispositivo interruptor 5 es un interruptor de semiconductores con capacidad de desconexión, por ejemplo un IGBT, IGCT o GTO. Un circuito supresor 14 está conectado en paralelo al dispositivo interruptor 5 y al dispositivo rectificador antiparalelo 6 y consta de un condensador de supresión y de un resistor de supresión. Un valor adecuado de la capacidad del condensador de supresión podría ser de algunas décimas de nF y un valor
adecuado de la resistencia del resistor de supresión podría ser de unos pocos cientos de Ω.
El sistema principal 18 comprende además una inductancia en serie (no mostrada) en serie con el arrollamiento primario del transformador 9. Esta inductancia puede ser considerada como la inductancia de fuga del transformador 9 y por lo tanto no se muestra en la figura 1.
Un terminal del arrollamiento secundario del transformador 9 está conectado al terminal común y el otro terminal del arrollamiento secundario del transformador 9 está conectado a los electrodos de descarga (cátodos) del precipitador electrostático 10 a través de un condensador de acoplamiento 8. El electrodo o ánodo de recogida del precipitador electrostático 10 está conectado al terminal común. La fuente de alimentación de corriente continua 2 está conectada al empalme entre el condensador de acoplamiento 8 y el precipitador electrostático 10 a través de la bobina de choque de filtrado 4.
Además, el circuito principal 18 contiene una red de fijación que consta de un diodo 11 en serie con un condensador 12 y un resistor 13 en paralelo con el diodo 11. La red de fijación mostrada en la figura 1 está conectada al empalme entre el condensador de almacenamiento 7 y la bobina de choque de filtrado 3, es decir en paralelo a la conexión en paralelo que consta del dispositivo interruptor 5, el diodo antiparalelo 6 y el circuito supresor 14. El otro terminal de la red de fijación 11-13 está conectado al terminal común.
Finalmente, el sistema mostrado en la figura 1 contiene una red de polarización conectada al arrollamiento primario del transformador 9, en que la red de polarización comprende una fuente de tensión 15, un resistor de limitación 16 una bobina de choque de polarización 17.
La fuente de alimentación de impulsos 1 genera una tensión UPS para cargar el condensador de almacenamiento 7 y el arrollamiento primario de un transformador de impulsos 9 a través de la bobina de choque de filtrado 3. El transformador de impulsos 9 tiene típicamente una relación de transformación en el rango de 15-30. Un nivel de corriente continua de alta tensión en el precipitador electrostático 10 es creado por la fuente de alimentación de corriente continua 2 que carga el precipitador electrostático 10 a la tensión -UDC a través de la bobina de choque de filtrado 4. Preferiblemente, la inductancia de la bobina de choque de filtrado 3 es de entre aproximadamente 50 mH y aproximadamente 100 mH y la inductancia de la bobina de choque de filtrado 4 es de entre aproximadamente 300 mH y aproximadamente 800 mH.
El condensador de acoplamiento 8 conectado en serie con el arrollamiento secundario del transformador de impulsos 9 es usado para evitar el cortocircuito de la fuente de alimentación de corriente continua 2 con el transformador de impulsos 9. El condensador de acoplamiento 8 es cargado a la tensión -UDC a través del arrollamiento secundario del transformador de impulsos 9.
Un impulso de alta tensión es generado cuando el interruptor de semiconductores 5 es activado y con ello se forma un circuito oscilante en serie. El circuito oscilante en serie consta del condensador de almacenamiento 7, la inductancia de fuga del transformador de impulsos 9, que no se muestra por motivos de simplicidad, el condensador de acoplamiento 8 y la capacidad del precipitador electrostático 10 (típicamente 30-40 pF/m2 de área de recogida). La intensidad de corriente a través del circuito oscilante en serie tiene una forma de onda sinusoidal (véase la figura 2). En el semiciclo positivo la corriente circula a través del interruptor de semiconductores 5 y en el semiciclo negativo a través del diodo antiparalelo 6. De este modo, la energía no consumida en la generación de coronas y en pérdidas es devuelta al condensador de almacenamiento 7, proporcionando un ahorro significativo de energía.
Con el fin de utilizar el núcleo del transformador de impulsos 9 más efectivamente, el transformador de impulsos es magnetizado en la dirección opuesta previamente a la generación de cada impulso. Esto se realiza mediante una red de polarización que consta de una fuente de tensión 15, un resistor de limitación 16 y una bobina de choque de bloqueo 17, y como resultado una corriente de polarización circula a través del arrollamiento primario del transformador de impulsos 9. Valores típicos de la fuente de tensión 15 son de entre 10 y 20 V de corriente continua, mientras que el valor del resistor de limitación 16 es preferiblemente de unos pocos ohmios. Además, la inductancia de la bobina de choque de bloqueo 17 es ventajosamente de 0 a aproximadamente 200 mH.
La red de fijación conectada en paralelo con el interruptor de semiconductores 5 consta, como se ha mencionado anteriormente, de un diodo de fijación 11, un condensador de fijación 12 y un resistor de limitación 13. El valor del condensador de fijación 12 es relativamente alto (típicamente por encima de 0,5 mF) con el fin de limitar el incremento de la tensión a unos pocos cientos de voltios cuando un impulso de corriente circula a través de él en el caso de una chispa de corriente continua o cuando el interruptor 5 es desconectado antes de o al producirse el cruce por cero de la intensidad de corriente. El valor del resistor de fijación 13 es preferiblemente de unos pocos cientos de ohmios.
Debido a la inductancia parásita de la conexión por cable entre el interruptor 5 y la red de fijación, se proporciona el circuito supresor 14 para limitar la tasa de aumento de la tensión a través del interruptor 5 cuando el interruptor está desconectado.
La figura 2 muestra diagramas de la tensión de puerta aplicada al dispositivo interruptor, la tensión y la intensidad de corriente (ipulse) a través del precipitador electrostático, durante una operación normal. Se muestra la forma de onda 20 de la intensidad de corriente secundaria de impulso (ipulse), es decir la intensidad de corriente a través del circuito que contiene el arrollamiento secundario del transformador 9, el condensador de acoplamiento 8 y el precipitador electrostático 10, durante una operación normal de impulsos, en que el interruptor está desconectado al producirse el cruce por cero 25 de la intensidad de corriente de impulso 20. Además, se muestra la tensión 22 aplicada al precipitador electrostático 10 durante la operación normal de impulsos. La desconexión del interruptor 5 es controlada por la señal de puerta (ugate) 24. El cruce por cero 25 de la intensidad de corriente de impulso 20 coincide en el tiempo con la señal de puerta 24 evolucionando hacia cero, lo que se indica por el número de referencia 25 en la figura 2. La amplitud del impulso de intensidad de corriente secundario 21 es de varios cientos de amperios y su duración está claramente por debajo de 100 μs. La amplitud de la tensión 23 (es decir la amplitud de la tensión de corriente continua suave con impulsos superpuestos) aplicada al precipitador electrostático 10 puede exceder 100 kV.
La figura 3 muestra diagramas de formas de onda de la tensión (UESP) aplicada al precipitador electrostático 10, la intensidad de corriente (iswitch) a través del interruptor 5, la intensidad de corriente (idiode) a través del diodo de fijación 11 de la figura 1 y la tensión (Uswitch) a través del interruptor 5, en el caso de que aparezca una chispa justo antes del cruce por cero de la intensidad de corriente (iswitch) a través del interruptor 5. En la figura 3 se muestra el número de referencia 31 que denota la forma de onda de la tensión (uESP) aplicada al precipitador electrostático 10 (véase la figura 1) y la caída de tensión provocada por la chispa está indicada por la subida vertical 32. El número de referencia 33 denota la forma de onda de la intensidad de corriente (iswitch) a través del interruptor 5 (véase la figura 1), el número de referencia 36 denota la intensidad de corriente (idiode) a través del diodo de fijación 11 (véase la figura 1) y los números de referencia 37, 38, 39 denotan la tensión (uswitch) a través del interruptor 5 (véase la figura 1). El número de referencia 30 denota el cruce por cero de la intensidad de corriente a través del interruptor. La señal de puerta 24 (véase la figura 2) que controla la desconexión del interruptor 5 es la misma en que en la figura 2.
Debido a que la chispa se produce antes del cruce por cero 30, la intensidad de corriente a través del interruptor empieza a aumentar en el instante de la chispa y luego va hacia cero cuando el interruptor es desconectado, es decir en el instante de tiempo del cruce por cero anticipado de la intensidad de corriente a través del interruptor 5. Esto se muestra como una caída vertical 34 de la forma de onda 33 de la intensidad de corriente (iswitch) a través del interruptor 5. En este instante de tiempo, la corriente conmuta al diodo de fijación 11, lo que se muestra como una subida vertical 35 de la forma de onda 36 de la intensidad de corriente (idiode) a través del diodo de fijación 11. Puede verse a partir de la figura 3 que el diodo de fijación 11 sobrepasa todo el pico de intensidad de corriente. Esta intensidad de corriente tiene una amplitud de varios kA y para evitar una sobretensión a través del interruptor 5, el condensador de fijación 12 tiene que tener un valor alto, típicamente en el rango de más de 0,5 mF.
Como se ha mencionado, se muestra también en la figura 3 un diagrama de la forma de onda 37 de la tensión (uswitch) a través del interruptor 5. El aumento de tensión en la tensión de interruptor 37 es de sólo unos pocos cientos de voltios 38. Inmediatamente después del instante en que la intensidad de corriente (idiode) 36 a través del diodo de fijación 11 se anula, la tensión a través del interruptor 5 cae a un valor más bajo 39 determinado por la tensión residual del condensador de almacenamiento 7 y el condensador de acoplamiento 8.
La figura 4 muestra las formas de onda de la tensión (u) y la intensidad de corriente (i) del condensador de acoplamiento antes, durante y después de una chispa de corriente continua en el caso en que el sistema mostrado en la figura 1 no contiene la red de fijación (que consta del diodo de fijación 11, el condensador de fijación 12 y el resistor de limitación 13) mostrada en la figura 1.
La figura 4 muestra formas de onda relevantes 40, 45 en el caso en el que se produce una chispa de corriente continua, que causa saturación del transformador de impulsos 9 (véase la figura 1). Haciendo referencia a la figura 1, la saturación es causada por el hecho de que el condensador de acoplamiento 8 es cargado a una tensión igual a UDC que es aplicada directamente al arrollamiento secundario del transformador de impulsos 9 cuando una chispa de corriente continua aparece en el precipitador electrostático 10. La forma de onda 40 de la intensidad de corriente (i) a través del condensador de acoplamiento 8 y la forma de onda 45 de la tensión a través del condensador de acoplamiento 8 sin el uso de la red de fijación 11-13 muestra saturación del transformador de impulsos. La chispa de corriente continua se produce en un instante de tiempo denotado por 42, que es unos pocos milisegundos posterior a un impulso de corriente 41 normal. El condensador de acoplamiento 8 está cargado a una tensión 46 justo por debajo de UDC, y cuando la integral tensión-tiempo aplicada al núcleo excede la máxima densidad de flujo de éste, el núcleo se satura y un impulso de intensidad de corriente elevada 43 circulará a través del condensador de acoplamiento 8. Al final de este impulso de intensidad de corriente 43, la polaridad de la tensión se ha invertido, lo que se muestra por 47. Pasado algún tiempo el núcleo está nuevamente saturado y un nuevo impulso de corriente 44 circulará en el circuito, en la dirección opuesta. Como se muestra en la figura 4, las amplitudes de los impulsos de corriente y la tensión a través del condensador de acoplamiento 8 después de la chispa de corriente continua disminuyen con el tiempo; esto es debido a pérdidas en el circuito. El proceso de saturación anteriormente descrito del transformador continúa hasta que la energía se ha reducido considerablemente debido de las pérdidas en el circuito.
Durante la saturación del transformador, el sistema no funciona de acuerdo con su propósito. Además, la intensidad de corriente de saturación 43, 44 en el arrollamiento secundario del transformador 9 puede tener una amplitud de más de 1 kA y es por lo tanto perjudicial para la vida útil de los principales componentes del sistema. Mediante el uso de la red de diodo de fijación, la situación mejora claramente, lo que se ilustra en la figura 5.
La figura 5 muestra formas de onda similares a las de la figura 4, durante una chispa de corriente continua, con el uso de la red de fijación 11-13 preferida, es decir en el sistema mostrado en la figura 1. En la figura 5, el número de referencia 50 denota la intensidad de corriente del condensador de acoplamiento y el número de referencia 55 denota la tensión del condensador de acoplamiento. En la figura 5, una chispa de corriente continua aparece en el instante de tiempo denotado por 53, es decir después de un impulso normal 51. En este caso, el diodo de fijación 11 tiene polarización directa y un impulso de intensidad de corriente 52 circula a través del diodo de fijación 11, el condensador de fijación 12, el transformador de impulsos 9 y el condensador de acoplamiento 8. La amplitud de este impulso de intensidad de corriente 52 es menor que la amplitud del impulso de intensidad de corriente 43 en el caso mostrado en la figura 4 debido a una diferente impedancia de circuito por la inclusión del circuito de fijación 11-13. Este impulso de intensidad de corriente en la figura 5 descarga 56 la tensión a través del condensador de acoplamiento 8 hasta un cierto valor 57. La saturación tiene lugar sólo una vez, lo que se muestra con el impulso de corriente 54, que descarga adicionalmente el condensador de acoplamiento 8. Subsiguientemente, la tensión a través del condensador de acoplamiento 8 tiende hacia cero (y subsiguientemente hacia la tensión -UDC con impulsos superpuestos) y ya no tendrá lugar la saturación. De este modo, la red de fijación 11-13 mejora sustancialmente la eficiencia del sistema mostrado en la figura 1 y reduce los efectos perjudiciales de impulsos de intensidad de corriente elevada en los principales componentes del sistema.
La figura 6 muestra un diagrama de un sistema con una red de fijación alternativa conectada en paralelo al arrollamiento primario del transformador 9. Esta red de fijación alternativa está conectada al empalme (denotado por 68) entre el condensador de almacenamiento 7 y el arrollamiento primario del transformador 9, y contiene una conexión en serie de un resistor de amortiguación 60, un diodo de fijación 61 y un banco de condensadores 62 conectada al terminal común. La red de fijación contiene además una conexión en serie de una fuente de alimentación de corriente continua 63 y un resistor de carga 64 conectada en paralelo al banco de condensadores
62. Además, una conexión en serie de un transistor 66 y un resistor de descarga 65 está acoplada en paralelo al banco de condensadores 62. Finalmente, un diodo de referencia 67 en serie con un resistor está acoplado en paralelo al banco de condensadores 62.
La tensión del banco de condensadores 62 es mantenida a un valor constante de alrededor de 10-50 V por medio de la fuente de tensión 63 junto con el resistor de carga 64, el resistor de descarga 65 y el transistor 66. El interruptor de semiconductores 5 es desconectado al producirse el cruce por cero de la intensidad de corriente (véase la figura 2). En el caso en que aparecen chispas y el interruptor ha sido desactivado, una intensidad de corriente de impulso elevada de varios kA circulará a través de la red de fijación 60-67 elevando la tensión a través del banco de condensadores 62. Cuando esta tensión excede el nivel deseado determinado por el diodo de referencia 67, el resistor de descarga 65 y el transistor 66 descargarán el banco de condensadores 62.
La fuente de tensión 63 es necesaria para cargar el banco de condensadores 62 y mantener su tensión en el nivel correcto cuando el sistema de impulsos está conectado, evitando de este modo la saturación del transformador de impulsos.
El resistor de amortiguación 60 conectado entre el terminal con corriente 68 del transformador de impulsos 9 y el ánodo del diodo de fijación 61 está previsto para extraer energía del sistema en el caso de que se produzca una chispa y con ello reduce la tasa de aumento de la intensidad de corriente a través del diodo de fijación. El valor de este resistor de amortiguación 60 es típicamente de 50 mΩ o superior, mientras que el valor del resistor de carga 64 y del resistor de descarga 65, respectivamente, es de aproximadamente 10 Ω o menos y de aproximadamente 1 Ω o menos, respectivamente.
La figura 7 muestra las formas de onda de la tensión a través del arrollamiento primario del transformador de impulsos 9 con y sin, respectivamente, el uso del banco de condensadores 62 y la circuitería asociada en la red de fijación alternativa mostrada en la figura 6. Así, la figura 7 muestra el efecto del banco de condensadores 62. En la figura 7, el diagrama superior ilustra la forma de onda 72 de la tensión (u) a través del arrollamiento primario del transformador de impulsos 9 sin el uso del banco de condensadores 62 y la circuitería asociada, mientras que el diagrama inferior ilustra la forma de onda 75 de la tensión (u) a través del arrollamiento primario del transformador de impulsos 9 con el uso del banco de condensadores 62 y la circuitería asociada.
Debido a que el diodo de fijación tiene polarización directa durante el intervalo de tiempo entre dos impulsos, la amplitud 74 de la tensión aplicada al arrollamiento primario del transformador 9 sería amortiguada por este diodo y mantenida a una tensión igual a la tensión de estado activado directa del diodo (< 1 V). Luego, después de unos pocos impulsos el núcleo del transformador de impulsos 9 se saturaría. Por lo tanto, es necesario mantener esta tensión (u) a través del arrollamiento primario del transformador de impulsos 9 en un nivel de 10-50 V por medio de la fuente de tensión 63 y el resistor de carga 64 como se muestra mediante la forma de onda de tensión 75. Este nivel de tensión de 10-50 V está denotado por el número de referencia 76 y debe ser mantenido constante, pero debido al impulso de intensidad de corriente generado durante la formación de una chispa, esta tensión tenderá a incrementarse. El resistor de descarga 65 y el interruptor 66 están destinados a realizar una función de descarga de modo que el nivel de tensión 76 pueda ser mantenido constante.
En aplicaciones en las que una anchura de impulso de corriente por encima de 100 μs es suficiente, podría usarse un tiristor (SCR) como interruptor en vez de un dispositivo interruptor con capacidad de desconexión. Este tiristor se desconecta por sí mismo cuando la intensidad de corriente cae por debajo del valor de sostenimiento, pero debe ser protegido frente a chispas de impulso, por ejemplo como se describe en el documento EP 0 212 854. En una aplicación con tiristor podrían usarse las dos soluciones de redes de fijación mostradas por 11-13 en la figura 1 y por 60-67 en la figura 6, proporcionando la necesaria protección del dispositivo interruptor en el caso de chispas y minimizando la saturación del transformador de impulsos como se ha descrito previamente.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un sistema generador de impulsos para generar impulsos de alta tensión para activar un precipitador electrostático (10), en que dicho sistema comprende:
     Una primera fuente de alimentación (1) y una segunda fuente de alimentación (2), en que dicha segunda fuente de alimentación (2) está prevista para precargar dicho precipitador electrostático (10) a una tensión de corriente continua;
     Un condensador de almacenamiento (7) y una inductancia en serie;
     Un dispositivo interruptor (5) acoplado en paralelo con un dispositivo rectificador antiparalelo (6); y
    en que dicho sistema está previsto para ser acoplado a dicho precipitador electrostático (10); caracterizado porque dicho dispositivo interruptor (5) tiene un electrodo de puerta y porque dicho dispositivo interruptor (5) tiene capacidad de desconexión controlable, siendo controlable por una señal de puerta suministrada a dicho electrodo de puerta.
  2. 2. Un sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un transformador (9) con un arrollamiento primario y uno secundario, y porque
     dicha primera fuente de alimentación (1), dicho condensador de almacenamiento (7), dicho dispositivo interruptor (5) y dicho dispositivo rectificador antiparalelo (6) acoplado en paralelo están acoplados a dicho arrollamiento primario de dicho transformador;
     dicha segunda fuente de alimentación (2) y un condensador de acoplamiento (8) están acoplados a dicho arrollamiento secundario de dicho transformador (9); y
     dicho sistema está previsto para ser acoplado a dicho precipitador electrostático (10) a través de dicho condensador de acoplamiento (8).
  3. 3. Un sistema generador de impulsos según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque
    dicha primera fuente de alimentación (1) está conectada a un terminal de un condensador de almacenamiento (7), en que el otro terminal de dicho condensador de almacenamiento (7) está conectado a un terminal de un arrollamiento primario de un transformador (9), y en que el otro terminal de dicho arrollamiento primario de dicho transformador (9) está conectado a un terminal común,
    dicho dispositivo interruptor (5) y dicho dispositivo rectificador antiparalelo (6) están conectados en paralelo, de los que un terminal de dicho dispositivo interruptor (5) está conectado entre dicha primera fuente de alimentación (1) y dicho condensador de almacenamiento (7) y el otro terminal de dicho dispositivo interruptor (5) está conectado a dicho terminal común,
    un terminal de dicho arrollamiento secundario de dicho transformador (9) está conectado al terminal común y el otro terminal del arrollamiento secundario de dicho transformador (9) está conectado a dicho precipitador electrostático (10) a través de dicho condensador de acoplamiento (8), y
    dicha segunda fuente de alimentación (2) está conectada al empalme entre dicho condensador de acoplamiento (8) y dicho precipitador electrostático (10).
  4. 4.
    Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho dispositivo interruptor (5) está previsto para ser desconectado antes del instante de tiempo del cruce por cero natural de la intensidad de corriente de impulso (ipulse) aplicada al precipitador electrostático.
  5. 5.
    Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque comprende además un circuito de fijación (11, 12, 13) conectado al empalme entre el condensador de almacenamiento y la primera fuente de alimentación (1).
  6. 6.
    Un sistema según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho circuito de fijación comprende un diodo (11) en serie con un condensador (12) y un resistor (13) en paralelo con el diodo (11).
  7. 7.
    Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque comprende además un circuito de fijación (60, 61, 62) conectado al empalme entre el condensador de almacenamiento (7) y dicho arrollamiento primario de dicho transformador (9), en que dicho circuito de fijación comprende una conexión en serie de un resistor de amortiguación (60), un diodo de fijación (61) y un banco de condensadores (62).
  8. 8.
    Un sistema según la reivindicación 7, caracterizado porque dicho circuito de fijación comprende además una fuente de alimentación de corriente continua (63), un resistor de carga (64), un transistor (66), un resistor de descarga (65) y un diodo de referencia (67).
  9. 9.
    Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque un circuito supresor (14) está conectado en paralelo a dicho dispositivo interruptor (5) y dicho dispositivo rectificador antiparalelo (6).
  10. 10.
    Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque comprende además una red de polarización conectada a dicho arrollamiento primario de dicho transformador (9), en que dicha red de polarización comprende una fuente de tensión (15), un resistor de limitación (16) y una bobina de choque de polarización (17).
    Figura 1
    Figura 2
    Figura 3
    Figura 4
    Figura 5 Figura 6
    Figura 7
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