ITMI952314A1 - ELECTRONIC CIRCUIT FOR GENERATING HIGH VOLTAGE ELECTRIC PULSES IN A PULSE POWER SUPPLY FOR AN ELECTROSTATIC PRECIPITATOR - Google Patents
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Abstract
Un circuito risonante comprende un primo gruppo di un interruttore statico protetto da diodi DSAS e da diodi di libera circolazione e un secondo gruppo di una capacità polmone carica in corrente continua, una capacità di separazione della corrente continua di base e un'induttanza, i due gruppi generando un impulso di tensione ad ogni innesco dell'interruttore statico così che nel circuito passa una corrente oscillante formata da una sola semionda positiva e da una sola semionda negativa (Fig. 6).A resonant circuit comprises a first group of a static switch protected by DSAS diodes and free circulation diodes and a second group of a lung capacity charged in direct current, a capacity for separating the basic direct current and an inductance, the two groups generating a voltage pulse at each trigger of the static switch so that an oscillating current formed by a single positive half-wave and a single negative half-wave passes through the circuit (Fig. 6).
Description
La presente invenzione riguarda un circuito lettronico per generare impulsi elettrici ad alta tensione in un alimentatore ad impulsi per un recipitatore elettrostatico, in particolare un alimentatore ad impulsi capace di generare un campo ionizzante ad alta tensione nel precipitatore lìlettxoatatico. The present invention relates to an electronic circuit for generating high voltage electrical pulses in a pulsed power supply for an electrostatic receiver, in particular a pulsed power supply capable of generating a high voltage ionizing field in the electrostatic precipitator.
E' noto che i precipitatori elettrostatici sono utilizzati per rimuovere il particolato solido dai fumi prodotti da impianti industriali. Il funzionamento di questi precipitatori elettrostatici è basato sul fatto che i fumi carichi di polvere passano at traverso una camera dove le singole particelle di polvere acquistano una carica elettrica per assorbimento di ioni liberi generati da un campo ionizzante ad alta tensione e tali ioni liberi passano dagli elettrodi di emissione a quelli di raccolta trascinando con se dette particelle che vi sono trattenute per effetto dell'attrazione elettrica molecolare. Electrostatic precipitators are known to be used to remove solid particles from fumes produced by industrial plants. The operation of these electrostatic precipitators is based on the fact that the fumes charged with dust pass through a chamber where the individual dust particles acquire an electric charge by absorption of free ions generated by a high voltage ionizing field and these free ions pass through the emission electrodes to the collection electrodes by dragging with them said particles which are retained there by effect of the molecular electric attraction.
Gli alimentatori ad impulsi applicano agli elettrodi isolati del precipitatore (elettrodi di emissione) una tensione continua (tensione continua di base) alla quale sono sovrapposti impulsi ad alta tensione di breve durata (da qualche decina a qualche centinaia di microsecondi) con una frequenza di ripetizione che generalmente arriva fino ad alcune centinaia di impulsi al secondo. Pulse power supplies apply to the isolated electrodes of the precipitator (emission electrodes) a direct voltage (basic direct voltage) on which are superimposed high voltage pulses of short duration (from a few tens to a few hundred microseconds) with a repetition frequency which generally reaches up to a few hundred pulses per second.
Attualmente detti alimentatori sono realizzati mediante circuiti che generano gli impulsi a tensione relativamente bassa innalzando poi il loro valore di tensione con l'impiego di trasformatori elevatori. Questa tecnica presenta lo svantaggio di essere molto costosa poiché fa uso di un costoso trasformatore elevatore: ciò comporta un maggiore peso dell'alimentatore ed inoltre un notevole ingombro. Currently said power supplies are made by means of circuits which generate the pulses at a relatively low voltage and then raise their voltage value with the use of step-up transformers. This technique has the disadvantage of being very expensive since it uses an expensive step-up transformer: this involves a greater weight of the power supply and also a considerable bulk.
La presente invenzione riguarda un circuito dotato di soli componenti in alta tensione con i quali l'impulso è prodotto dalla corrente di scarica di un "condensatore polmone" preventivamente caricato e ubicato in un circuito risonante del quale fa parte integrante la capacità del precipitatore, tale circuito essendo destinato in modo particolare a un alimentatore per precipitatore elettrostatico. The present invention relates to a circuit equipped with only high voltage components with which the pulse is produced by the discharge current of a "lung capacitor" previously charged and located in a resonant circuit of which the precipitator capacity is an integral part, such circuit being particularly intended for an electrostatic precipitator power supply.
Così, il circuito elettronico inventato è atto a generare impulsi elettrici ad alta tensione negli elettrodi isolati di un precipitatore elettrostatico; come caratterizzato nelle rivendicazioni, il circuito è un circuito risonante comprendente :a) un primo gruppo rii almeno nn interruttore statico protetto con diodi DSAS (SYMMETRICAL SILICON OVERVOLTAGE SUPPRESSQRS) e diodi di libera circolazione; b) un secondo gruppodi almeno una capacità polmone carica in corrente continua costituita da un condensatore polmone e dalla stessa capacità del precipitatore, da almeno un capacità di separazione della corrente continua di base e da almeno un'induttanza; detti primo e secondo gruppo producendo un impulso ad alta tensione ogni volta che è prodotto un innesco dell'interruttore statico così che nel circuito risonante passa una corrente oscillante sensibilmente formata da una sola semionda positiva e da una sola semionda negativa. Thus, the invented electronic circuit is adapted to generate high voltage electric pulses in the isolated electrodes of an electrostatic precipitator; as characterized in the claims, the circuit is a resonant circuit comprising: a) a first group of at least nn static switch protected with DSAS (SYMMETRICAL SILICON OVERVOLTAGE SUPPRESSQRS) diodes and free circulation diodes; b) a second group of at least one lung capacitor charged in direct current consisting of a buffer capacitor and the same capacitance of the precipitator, by at least one capacitance for separating the basic direct current and by at least one inductance; said first and second groups producing a high voltage pulse each time a static switch is triggered so that an oscillating current sensibly formed by a single positive half wave and a single negative half wave passes in the resonant circuit.
In detto circuito il condensatore polmone può essere caricato utilizzando la stessa sorgente che fornisce la tensione continua di base. Alternativamente, il condensatore polmone può essre caricato utilizzando una sorgente a corrente continua separata dalla sorgente che fornisce la tensione continua di base. In said circuit, the buffer capacitor can be charged using the same source that supplies the basic direct voltage. Alternatively, the buffer capacitor can be charged using a separate DC source from the source providing the basic DC voltage.
Un vantaggio della seconda soluzione è dato dalla indipendenza che si ottiene nel regolare la tensione continuadi base e quella impulsiva ,così che tali regolazioni possono essere realizzate co le due sorgenti in serie oppure in parallelo fra loro. An advantage of the second solution is given by the independence obtained in regulating the continuous base voltage and the impulse voltage, so that these adjustments can be made with the two sources in series or in parallel with each other.
L 'inserzione delle due sorgenti in parallelo è particolarmente vantaggiosa quando devono essere usate tensioni molto elevate (ad es. 80-110 KV di tensione continua di base ed altrettanto per quella impulsiva), potendosi così avere le due sorgenti con un morsetto in comune ed a potenziale di terra. The insertion of the two sources in parallel is particularly advantageous when very high voltages must be used (for example 80-110 KV of basic direct voltage and the same for the impulsive one), as it is possible to have the two sources with a common terminal and at ground potential.
L 'invenzione sarà descritta più in dettaglio qui di seguito con riferimento alle figure in cui la - Fig. 1 è lo schema di un circuito elettronico, la -_Fig. 2 è un primo diagramma , la The invention will be described in more detail hereinafter with reference to the figures in which - Fig. 1 is the diagram of an electronic circuit, Fig. 2 is a first diagram, la
Fig. 3 è uno schema di collegamenti, la Fig. 3 is a connection diagram, la
- Fig. A è un secondo diagramma, la - Fig. A is a second diagram, la
- Fig. 5 è un terzo diagramma. e la - Fig. 5 is a third diagram. and the
- Fig. 6 è uno schema che mostra i componenti principali di un alimentatore. - Fig. 6 is a diagram showing the main components of a power supply.
La Fig. 1 mostra , indipendentemente dal tipo di inserzione , il circuito oscillante attraverso il quale si scarica il condensatore "polmone". Nella figura sono indicati con: Fig. 1 shows, regardless of the type of insertion, the oscillating circuit through which the "lung" capacitor is discharged. In the figure they are indicated with:
C1 il condensatore "polmone" mantenuto carico da nna sorgente a c.c, C1 the "lung" capacitor kept charged from nna source to dc,
- M1 e M2, rispettivamente, il morsetto positivo (generalmente al potenziale,di terra) ed il morsetto negativo delljalimentatore che mantiene carico il condensatore suddetto. - M1 and M2, respectively, the positive terminal (generally at ground potential) and the negative terminal of the power supply which keeps the aforementioned capacitor charged.
C2 il condensatore di blocco della tensione continua di base alla quale è sovrapposto l ' impulso di tensione. C2 the basic DC voltage blocking capacitor on which the voltage pulse is superimposed.
rispettivamente il morsetto positivo e negativo del condensatore C2. respectively the positive and negative terminal of the capacitor C2.
- M5 il morsetto degli elettrodi di tensione del precipitatole. - M5 the terminal of the precipitator voltage electrodes.
il morsetto facente capo agli elettrodi del precipitatore che generalmente sono al potenziale di terra. the terminal connected to the precipitator electrodes which are generally at ground potential.
- R la resistenza equivalente che tiene conto dell'energia dissipata nel precipitatore (per effetto corona nel circuito etc.). - R the equivalent resistance which takes into account the energy dissipated in the precipitator (due to the corona effect in the circuit, etc.).
- L l'induttanza del circuito risonante . - L the inductance of the resonant circuit.
TH un gruppo di tiristori in serie, con l'innesco dei quali è periodicamente dato Inizio alla corrente di scarica del condensatore polmone TH a group of thyristors in series, with the triggering of which the discharge current of the lung capacitor is periodically initiated
- D1 diodi di ritorno, in antiparallelo, per la circolazione in senso inverso della suddetta corrente oscillante di scarica, - D1 return diodes, in antiparallel, for the reverse circulation of the aforementioned oscillating discharge current,
- D2 i diodi di libera circolazione ("freewheeling")_ - D2 the "freewheeling" diodes _
- PREC il precipitatone elettrostatico, - PREC the electrostatic precipitatone,
II circuita funziona come descritto qui sotto: Un impulso di innesco ai gates dei tiristor! produce una corrente oscillante di scarica formata da due so_li semiperiodi e una tensione impulsiva ai capi del precipitatone che hanno l'andamento delle curve rappresentate in The circuit works as described below: A trigger pulse to the thyristor gates! produces an oscillating discharge current formed by two single half-periods and an impulsive voltage at the ends of the precipitatone which have the trend of the curves represented in
Fig. 2 nella quale sono indicate con: Fig. 2 in which they are indicated with:
- S1 la semionda di corrente "diretta" che ttraversa i tiristori, - S1 the half-wave of "direct" current that crosses the thyristors,
- S2 la semionda di corrente "inversa che attraversa i diodi, - S2 the half-wave of reverse "current flowing through the diodes,
- S3 la porzione di semionda di corrente "diretta" che percorre in senso inverso i diodi per effetto della cosiddetta "carica residua" , - S3 the portion of the "direct" current half-wave which flows through the diodes in the opposite direction due to the effect of the so-called "residual charge",
l'impulso di tensione ai capi del precipitatore. the voltage pulse across the precipitator.
Anche con riferimento alla Fig. 1, si nota che a causa della dissipazione di energia essenzialmente dovuta all'effetto corona (componente dissipatore R), la semionda S2 ha un valore medio inferiore a quello della semionda S1 e pertanto, anche per effetto della corrente S3, al termine della scarica rimane nel precipitatole una tensione residua che si aggiunge alla tensione continua di base. Also with reference to Fig. 1, it is noted that due to the dissipation of energy essentially due to the corona effect (dissipator component R), the S2 half-wave has a lower average value than that of the S1 half-wave and therefore, also due to the effect of the current S3, at the end of the discharge a residual voltage remains in the precipitatole which is added to the base direct voltage.
n assenza di carica residua nei diodi D1, la scarica cesserebbein corrispondenza dell'annullarsi della semionda S2 ed il fenomeno avrebbe termine senza sovratensioni di interruzione perchè esso cesserebbe con corrente nulla attraverso l'induttanza L . n absence of residual charge in the diodes D1, the discharge would cease in correspondence with the cancellation of the half wave S2 and the phenomenon would end without interruption overvoltages because it would cease with zero current through the inductance L.
Invece a causa della carica residua, si manifestano, notevoli sovratensioni ai api della colonna dei tiristori (TH) e dei diodi (D1) che necessariamente devono essere assorbite con resistenze ed induttanze inserite in parallelo. On the other hand, due to the residual charge, considerable overvoltages occur in the bees of the thyristor (TH) and diode (D1) column which necessarily must be absorbed with resistances and inductances inserted in parallel.
Tenuto conto che con elevati valori delle tensioni di impulso e con i valori delle capacità dei grossi precipitatori le ampiezze delle semionde di corrente S1 e S2 sono di molte centinaia o anche di oltre un migliaio di ampère, l'intensità delle correnti di interruzione della carica residua è fortissima e conseguentemente sono necessari dispositivi di protezione in parallelo ai tiristori che dissipano potenze molto elevate, con enormi od insuperabili difficoltà di smaltimento del calore sviluppato e con basso rendimento dell'alimentatore nel suo insieme. Taking into account that with high values of the impulse voltages and with the values of the capacitances of the large precipitators, the amplitudes of the half-waves of current S1 and S2 are many hundreds or even over a thousand amperes, the intensity of the charge interruption currents residual is very strong and consequently protection devices are required in parallel to the thyristors which dissipate very high powers, with enormous or insuperable difficulties in dissipating the heat developed and with low efficiency of the power supply as a whole.
Tale Inconveniente è eliminato con l'introduzione dei diodi di libera circolazione (free-wheelingl che impediscono il brusco annullamento della corrente di carica residua. This drawback is eliminated with the introduction of free-wheeling diodes which prevent the abrupt cancellation of the residual charge current.
Detti diodi (indicati con la sigla P2) sono disposti come in Fig.1. Said diodes (indicated with the abbreviation P2) are arranged as in Fig.1.
Essi fanno sì che: They ensure that:
- il potenziale del morsetto sia sempre vincolato al potenziale di terra per qualsiasi sovratensione che si verifichi tra i morsetti M3 e M1 con polarità positiva sul morsetto M3. - the potential of the terminal is always linked to the earth potential for any overvoltage that occurs between terminals M3 and M1 with positive polarity on terminal M3.
- le sovratensioni di qualsiasi natura tra i morsetti M1 e M3 con polarità negativa sul morsetto M3 siano anch'esse praticamente senza effetto sui tiristori e sui diodi perchè hanno polarità opposta alla tensione esistente ai capi del condensatore C1. - overvoltages of any nature between terminals M1 and M3 with negative polarity on terminal M3 are also practically without effect on the thyristors and diodes because they have opposite polarity to the voltage existing across capacitor C1.
La Fig. 3 fa comprendere che le eventuali sovratensioni parziali che si possono avere sui singoli tiristori TH sono eliminate con l'uso dei diodi DSAS i quali intervengono a "soglia" in presenzadi sovratensioni assorbendo tutta l'energia ad essa associata Fig. 3 makes it clear that any partial overvoltages that may occur on the single TH thyristors are eliminated with the use of DSAS diodes which intervene at "threshold" in the presence of overvoltages, absorbing all the energy associated with it.
La Fig. A mostra la caratteristica v-i dei DSAS che sono particolari dispositivi bidirezionali costituiti da coppie di diodi a "valanga' connessi back-to-back. Fig. A shows the v-i characteristic of DSAS which are particular bidirectional devices constituted by pairs of back-to-back "avalanche" diodes.
La Fig.5 mostra che, quando Intervengono i DSAS in presenza di una sovratensione si produce un "taglio" dei picchi di tensione superiori alla soglia di intervento dei DSAS. Fig. 5 shows that, when the DSAS intervene in the presence of an overvoltage, a "cut" of the voltage peaks higher than the intervention threshold of the DSAS is produced.
La Fig. 6 è lo schema di un alimentatore ad alta tensione che genera una tensione continua di base a cui sono sovrapposti degli impulsi di breve durata con frequenza di Ripetizione variabile. Tutti i Scomponenti dell'alimentatore sono montati in un cassone bagno d'olio siliconico per il raffreddamento l'isolamento. Lo schema comprensibile di per se; si richiamano qui di seguito soltanto i componenti principali; un precipitatore elettrostatico PREC, - un trasformatore ad alta tensione 1 per la tensione continua di base , - un primo ponte raddrizzatore ad alta tensione 2, - un trasformatore ad alta tensione 3 per la tensione continua di generazione degli impulsi ( che col trasformatore 1 realizza l'alternativa citata più sopra riguardo alla sorgente separata per caricare il condensatore polmone), - un secondo ponte raddrizzatore ad alta tensione - colonne tiristori-diodi per la generazione dell'impulso ad alta tensione 5, Fig. 6 is the diagram of a high voltage power supply that generates a continuous base voltage on which are superimposed some short duration pulses with variable repetition frequency. All the power supply components are mounted in a silicone oil bath box for cooling the insulation. The scheme is understandable in itself; only the main components are recalled below; an electrostatic precipitator PREC, - a high voltage transformer 1 for the basic direct voltage, - a first high voltage rectifier bridge 2, - a high voltage transformer 3 for the direct voltage generating the pulses (which with transformer 1 realizes the alternative mentioned above with regard to the separate source for charging the buffer capacitor), - a second high voltage rectifier bridge - thyristor-diode columns for generating the high voltage pulse 5,
- condensatori 6, - 6 capacitors,
- partitori per la misura delle tensioni 7, - dividers for voltage measurement 7,
- diodi di libera circolazione 8, - free circulation diodes 8,
- induttanza del circuito risonante 9. - inductance of the resonant circuit 9.
Nel circuito avviene che una tensione alternata a 380 V è elevata a mezzo dei due trasformatori elevatori 1 e 3 e le tensioni in uscita sono entrambe raddrizzate a mezzo dei due ponti raddrizzatori 2 e 4; la tensione continua che esce dal ponte 2 fornisce la tensione "continua di base", mentre la tensione continua che esce dal ponte raddrizzatore 4 carica i condensatori 6 (nel complesso equivalenti al "condensatore polmone"). Con l'innesco della colonna di tiristori 5 il circuito risonante si chiude e, come spiegato precedentemente, si può disporre di impulsi di tensione ai capi del precipitatore. In the circuit, an alternating voltage of 380 V is raised by means of the two step-up transformers 1 and 3 and the output voltages are both rectified by means of the two rectifier bridges 2 and 4; the direct voltage coming out of the bridge 2 supplies the "base direct" voltage, while the direct voltage coming out of the rectifier bridge 4 charges the capacitors 6 (on the whole equivalent to the "buffer capacitor"). With the triggering of the thyristor column 5, the resonant circuit closes and, as previously explained, voltage pulses can be available across the precipitator.
Come già detto, lo schema di Fig. 1, è dato a solo titolo di esempio; nelle realizzazioni industriali lo schema può avere moltissime varianti non sostanziali, fermo restando quanto caratterizza la presente invenzione costituita dalla generazione degli impulsi di tensione mediante componenti putti in alta tensione e costituenti l'assieme sopradescritto, senza l'interposizione di trasformatori d'impulso elevatori di tensione, in particolare a mezzo sia dei diodi di libera circolazione per la protezione della colonna del tiristori, che dei diodi DSAS per la protezione dei singoli tiristori. In particolare, i componenti che realizzano il circuito risonante del quale fa parte la capacità del precipitatore. possono avere un ordine di successione differente da quello indicato,. As already said, the diagram of Fig. 1 is given as an example only; in industrial realizations the scheme can have many non-substantial variations, without prejudice to what characterizes the present invention constituted by the generation of voltage pulses by means of high voltage putti components and constituting the assembly described above, without the interposition of step-up pulse transformers voltage, in particular by means of both the free circulation diodes for the protection of the thyristor column, and the DSAS diodes for the protection of the single thyristors. In particular, the components that make up the resonant circuit of which the precipitator capacitance is part. may have a different order of succession from that indicated.
Inoltre, si comprende che possono essere usati Come interruttori statici, in luogo dei tiristori, componenti pome i GTO (Gjìte Turn Off) , gli IGBT (Insulat_ed Gate Bipolar Transistor), gli MCT_ ( Mos Controlled Thyristor) o simili, capaci^di aprire e chiudere il circuito. Furthermore, it is understood that components such as GTO (Gjìte Turn Off), IGBT (Insulat_ed Gate Bipolar Transistor), MCT_ (Mos Controlled Thyristor) or similar, capable of opening and close the circuit.
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