JP4961279B2 - 静電集塵器用の電源 - Google Patents

Description

本発明は、静電集塵器のような例えば高電圧ＤＣ用途用の電源に関する。特に本発明は、交流（ＡＣ）入力電流を高周波交流（ＡＣ）電流に変換するユニット及び高周波交流（ＡＣ）電流を負荷の要求に適合する少なくとも１つの変圧器から構成されているコンバータに関する。この場合、共振タンクが、このユニットとこの変圧器との間に設けられている。

多くの場合、特に煙道ガスのクリーニングでは、静電集塵器（ＥＳＰ）は、非常に適した塵収集器である。これらの静電集塵器の構造は、丈夫でかつ非常に信頼できる。しかも、これらの静電集塵器は最も効率が良い。99.9％より上の分離度は普通である。布フィルタと比較した場合に、これらの静電集塵器の操作コストは低く、故障による損傷及び停止のリスクがかなり小さいので、これらの静電集塵器は、多くの場合で自然な選択である。静電集塵器では、汚染されたガスが、高電圧整流器に接続されている電極間に誘導される。一般にこの高電圧整流器は、一次側のサイリスタ制御部及び二次側の整流器ブリッジを有する高電圧変圧器である。

この配置は、ＡＣ電源に対して連結されていて、したがって50Hz又は60Hzである周波数で供給される。

電力制御部は、サイリスタの点弧角を変えることによって影響を受ける。点弧角が小さい程、つまり導通周期が長い程、より大きい電流が、集塵器に供給され、より高い電圧が、集塵器の電極間に印加される。

これらのＥＳＰ用の最近の電源は、いわゆる直列共振形コンバータ（ＳＬＲ）である。この直列共振コンバータは、（一般に10〜200kW の範囲内の）高電力及び高電圧（50〜150kV DC）を可能にする一方で、同時にスイッチング損失を最小にする。研究開発の焦点は、高出力電力である。

使用される構成は、例えば図１中に与えられるような直列共振形コンバータ，ＳＬＲである。スイッチ４によって個々に切り替えられ得る３つの相１〜３を有する三相電源が、例えばダイオード５から構成される６パルス整流器６によって整流される。しかしながらこの整流器は、能動的に切り替えられる整流器でもよい。整流された電圧が、ＤＣリンク６内のＤＣリンクコンデンサ１３によって平滑される。ＤＣリンク電圧が、４つのトランジスタ１４，１４′１５，１５′から構成されるトランジスタブリッジ８（Ｈブリッジ）に印加される。このブリッジ８の出力（高周波ＡＣ電圧）が、共振タンク９を介して変圧器１０の一次側に結合される。この共振タンク９は、直列接続されたインダクタ１６及びコンデンサ１７並びに１次巻線１８と共に構成されている。これらの素子は、基本的に共振タンクの共振周波数を規定する。これに応じてこの共振タンクは、この共振周波数の周りで適切に作動され得る。１次巻線１８及び２次巻線１９から構成される変圧器１０は、入力電圧（電源）を負荷１２（ＥＳＰ50〜150kV ）に適合する。変圧器１０の２次交流電圧が、高電圧整流器１１によって整流され、負荷１２に印加される。この出力電圧は、通常は負である。

このような構成における出力の流れが、ブリッジ８の周波数を変えることによって又は電圧源（ブリッジ出力）のデューティー比を変えることによって制御され得る。共振タンクの共振の近くのスイッチング周波数が、通常動作内にある。

共振電力コンバータは、共振ＬＣネットワークを有する。これらのＬＣネットワークの電圧波形及び電流波形が、各スイッチング周期の１つ以上の部分区間に正弦曲線状に変化する。

これらの正弦曲線の変化は大きい。そして小リプル近似(small ripple approximation)は利用しない。共振コンバータの主な利点は、減少したスイッチング損失である（零電流スイッチング，零電圧スイッチング）。半導体装置のターンオン又はターンオフが、タンク電圧又は電流の波形の零クロスで発生し得る。その結果、スイッチング損失のメカニズムの幾つかが低減又は除去される。それ故に共振コンバータは、比較できるパルス幅変調コンバータより高いスイッチング周波数で作動できる。零電圧スイッチングは、コンバータによって生成された電磁パルスも低減する。そして零電流スイッチングは、シリコン制御整流器を整流するために使用され得る。特殊な用途では、共振ネットワークは、高電圧コンバータと同様に、変圧器の重要なリーケージがあり、インダクタンス及び巻線の静電容量が共振ネットワークを構成することが必須であるかもしれない。

しかしながら欠点も、直列共振タンク又は列共振タンクに対して存在する。例えば性能が、１つの動作点で最適にされ得るものの、広範囲の入力電圧及び負荷電力の変換では最適にされ得ない。負荷が遮断されている時でも、さらなる有効電流がタンク素子に通電し、軽い負荷での効率を悪くする。擬似正弦波は、等価な矩形波より高いピーク値を示す。これらの状態は、伝導損失を増大させる。これらの損失は、スイッチング損失の低減を相殺しうる。共振コンバータは、多くの場合にスイッチング周波数を変えることによって制御される。幾つかの構成では、スイッチング周波数の範囲は非常に大きくできる。

出力の処理能力を向上させるため、測定可能な構成を確立するため、モジュール化が使用される。モジュール化する時の重要な事項は、負荷の分配を制御すること、つまり異なるモジュールが負荷を等しく又は良好に決定された分配で受け取ることを保証することである。

それ故に本発明の課題の１つは、交流を負荷に供給される高電圧直流に変換するか又は高電圧交流にそれぞれ変換する、改良された高電圧ＡＣ−ＤＣコンバータ又はＡＣ−ＡＣコンバータを提供することにある。特にこの改良は、交流の入力電流を高周波交流電流に変換するユニット及びこの高周波交流電流を負荷の要求に適合する少なくとも１つの変圧器から構成されるコンバータに関する。この場合、共振タンクが、このユニットとこの変圧器との間に存在する。

システムをモジュール化した場合に、回路間の等しい負荷の分配が保持される。この場合、交流（ＡＣ）の入力電流を高周波交流（ＡＣ）電流に変換するため、１つより多い、すなわち少なくとも２つのユニットが、同じ変圧器に接続されている。これらのユニットは、一般に入力整流器，ＤＣリンクフィルタ及びトランジスタブリッジから構成されているいわゆる１次回路である。

共振タンクは、直列共振タンク又は並列共振タンクでもよい。しかしながら、直列共振タンクが好ましい。

直列共振タンクの場合、共振タンクは、変圧器の１次巻線の第１極に直列接続されている少なくとも１つの第１インダクタ及び少なくとも１つのコンデンサから構成される。この場合、このコンデンサは、インダクタと変圧器の１次巻線との間に位置する。

共振タンクの共振周波数及び全体的な挙動を調整するため、第２インダクタを少なくとも１つのユニットと変圧器の１次巻線の第２極との間に設置することが可能である。

少なくとも２つのユニットを変圧器に接続する幾つかの異なる可能性がある。１つの可能性は、各ユニットに対して個々の完全な共振タンクを持たせること、そして個々の完全な共振タンクを有する２つ（又は幾つかの）のこのようなユニットを変圧器の１次巻線に接続することである。しかしながらこのことは、２つの個々の共振タンクがあることの事実に起因して循環電流の問題を起こしうる。それ故に特に有効な解決手段は、異なる方法であり、少なくとも一部が、共振タンクに結合する。すなわち、純粋に独立した２つの共振タンクが各ユニットに対して存在するのではなくて、少なくとも２つのユニットが、同じ直列共振タンクに接続されている。このことは、例えば変圧器に接続されている少なくとも２つのユニットに共通するこの変圧器の１次巻線から離れている少なくとも１つの電子素子（インダクタ又はコンデンサ）が存在する構成を提供することによって可能である。この変圧器は、どんな場合でも共通である。この電子素子が、両ユニットと変圧器との結合時の共振周波数を決定し、この変圧器がこれらのユニットに接続して循環電流を阻止する点で、この電子素子は有効である。好ましくはこの共通の素子は、変圧器の１次巻線に好ましくは直接に接続された少なくとも１つのコンデンサである。

本発明のさらに好適な実施の形態によれば、少なくとも２つのユニットの第１出力部がそれぞれ、個々の第１インダクタに接続されていて、これらのユニットの第１インダクタが、並列に接続されている。この場合、これらの並列接続されているインダクタは、１つの単一コンデンサに接続されているか又は直列共振タンクに対して直列若しくは並列にあるコンデンサ群に接続されている。これらのインダクタに関しては、各ユニットは、その共振タンクと独立しているものの、接続されている１つの共通のコンデンサ（又はコンデンサ群）が存在するので、２つのユニットに対する純粋な共振タンクは１つだけ存在する。一般に単一のコンデンサ又は直列若しくは並列にあるコンデンサ群が、変圧器の１次巻線の第１極に好ましくは直接に接続されている。

本発明のコンバータのさらに好適な実施の形態によれば、少なくとも２つのユニットの第２出力部がそれぞれ、個々の第２インダクタに接続されている。これらの第２インダクタはそれぞれ、並列に配置されていて、変圧器の１次巻線の第２極に接続されている。

一般に、ユニットとして構成された１次回路は、交流の入力電流を整流する少なくとも１つの整流器（この整流器は、ダイオードブリッジでもよいし、しかし能動的なシリコン制御整流器でもよい）及び生成された直流を高周波交流電流に変換する少なくとも１つのトランジスタブリッジから構成される。好ましくは、３相入力交流電流が、整流器内で整流される。この場合、生成された直流が、２つの導線を有し、好ましくはフィルタ要素から構成されているＤＣリンクを介してトランジスタブリッジに入力される。このフィルタ要素は、例えば２つの導線間の少なくとも１つのコンデンサ及び／又はオプションでこれらの導線の少なくとも一方にある少なくとも１つのインダクタから構成される（可能な高域濾波）。この場合、トランジスタブリッジは、好ましくは少なくとも４つの切り替え可能なトランジスタを有するＨブリッジである。

本発明のコンバータのさらに好適な実施の形態によれば、変圧器が、高周波交流電流に変換する。この場合、変圧器の２次巻線が、少なくとも１つの高電圧整流器に接続されている。

一般にこのようなコンバータは、20kVより大きい出力に対して、好ましくは20〜200kV の範囲内で及び／又は50kVより大きい出力ＤＣ電圧に対して、好ましくは50〜150kV の範囲内で定格されている。

さたに本発明は、詳しく上述したコンバータから構成されている静電集塵器に関する。

本発明のさらなる実施の形態は、従属請求項中に記載されている。

本発明の好適な実施の形態は、添付図面に示されている。

本発明によれば、２つ（又はそれより多い）１次回路２２（ユニット２２）が、変圧器１０の１次巻線１８に接続されていて、回路間の等しい負荷の分配を維持する。入力整流器６，ＤＣリンクフィルタ７及びトランジスタブリッジ８から構成されている１次回路２２が、共振タンクに接続されている。
可能な実施の形態は、
（１）トランジスタブリッジの出力での接続、又は
（２）変圧器の１次側及び各ユニットに対する共振タンクでの接続であり、さらに
（３）完全に負荷側のような高電圧整流器の出力での接続である。

（１）での負荷の分配は、ユーザによって制御され得ないトランジスタのパラメータによって決定される。オン状態の電圧，スイッチングスピード及びインダクタンスが列挙される。熱による挙動も、電流の分配に影響する。このような構成は、柔軟性に欠ける。

（２）での負荷の分配は、共振タンクのインダクタによって決定される。この決定は、共振からかなり離れている周波数で作動する時に負荷を安定にする。共振に近い動作は、安定性を高くし、多くの場合にほとんど制御不可能に共振タンク内の要素の値に対して敏感である。（２）のもう１つの欠点は、両ブリッジがトランジスタの故障（短絡）時に遮断されることである。

実施の形態（３）は、（２）と同じ問題を被る。この問題の一部は、並列接続されたコンバータを個々に制御することによって解決される。（３）も、並列接続されたコンバータに対して独立した変圧器を有する。

図２ａ）中で基本原理を説明するため、最初に図１による回路を簡単にして示す。この簡略化した例では、一般に整流器６，ＤＣリンク７及びトランジスタブリッジ８から構成されている１次側の回路が、単一のユニット２２によって示されている。このユニットは、直列共振タンク９に接続されている。この直列共振タンク９は、今度は変圧器１０に接続されている。変換された交流電圧が、高電圧整流器１１によって再び整流される。

こうしてモジュール化が実現される。ユニット２２は、基本的に二重（又は三重、さらに多い数のユニット２２が可能である）である一方で、共振タンクの少なくとも一部は、トランジスタと同様に分配されている。このことは、図２ｂ）中に概略的に示されている。共振タンク２３の共振特性に対する少なくとも１つの共通の主要要素での循環電流を阻止するように、共振タンク２３が分配される。この特殊な場合では、共振タンクが、単一コンデンサＣ′によって結合される。このコンデンサＣ′は、両ユニット２２に対して有効である。その一方で各ユニット２２に対する接続部は、固有のインダクタＬ１及びＬ２を有する。この特殊な場合では、図１中に示された１つのインダクタだけではなくて、インダクタＬ１が導線中に存在する。このインダクタＬ１は、コンデンサＣ′を介して変圧器の１次巻線の第１極に接続されている。各ユニット２２に対する追加のインダクタＬ２が、各ユニット２２と変圧器１０の１次巻線１８の第２極との間に接続されている。変圧器の１次巻線１８のインダクタを無視した場合、共振タンク２３に関連するインダクタは、和Ｌ１＋Ｌ２によって与えられる。共振タンク２３の関連するコンデンサは、Ｃ′によって与えられる。一般に、２つ（多数のユニット２２の場合は多数）のインダクタＬ１の値は同じに選択され、２つ（多数のユニット２２の場合は多数）のインダクタＬ２の値も同じに選択される一方で、Ｌ１及びＬ２は、必要に応じて同じか又は異なってもよい。両ユニットに対して同じ共振周波数を有する場合、Ｌ１＋Ｌ２は、両接続部に対して同じに選択される。しかしながら特定の用途に対しては、これらのユニット２２に対して僅かに異なる共振周波数を有すること、すなわち２つのユニットに対して異なる値の（Ｌ１＋Ｌ２）及びこれに対応する異なる共振周波数を有することが望ましい。

したがって図２ｂ中に示されたような提案された方法は、共振インダクタをブリッジの端子に接続されている２つの部分Ｌ１及びＬ２に分割する。これらのインダクタの出力部が、並列接続されている；負荷が、この並列接続によって全ての動作周波数に対して制御分配される。さらに冗長性が、適切に構成されるようにシステム内に構築される。コンバータが、故障した１つのトランジスタによって減少した出力でも依然として作動できる。図２は、例として２つのユニット２２を示す。この発明は、多数のコンバータから構成される。ハーフブリッジ及びフルブリッジの双方の構成が、可能な実施の形態である。より詳しい構成が、図３中に示されている。この場合、３相整流ブリッジ６が、能動的に制御される素子によって示されている。これらの素子の制御部が、符号２７で示されている。さらにこの構成では、２つのコンデンサ２９によって提供された高域フィルタ及び２つのインダクタ３０が、ＤＣリンク２８内に存在する。トランジスタブリッジ８は、図１中に示されたものと実質的に同一である。しかしながらこの場合、追加のスナバコンデンサ３２及び３４が、負線に対して設けられている。トランジスタブリッジ８用の制御ユニット３１も明瞭に示されている。さらに電流センサ３３の可能性が示されている。この電流センサ３３の出力が、制御に使用され得る。この場合、電子部品が、２つのスリーブ３５によって変圧器に取り付けられている。変圧器の１次巻線が、図３の右側に続く。

従来の技術による直列共振形コンバータの概略回路を示す。 ａ）従来の技術による直列共振形コンバータの簡略化した概略回路を示す；ｂ）モジュール化した直列共振形コンバータの概略回路を簡単な図で示す。 モジュール化した直列共振形コンバータの概略回路を詳しい図で示す。

符号の説明

１−３ ＡＣ電源の３相
４ スイッチ
５ ダイオード
６ ３相整流ブリッジ
７ ＤＣリンク
８ トランジスタブリッジ
９ 直列共振タンク
１０ 変圧器
１１ 高電圧整流器
１２ 負荷，静電集塵器
１３ ７内のコンデンサ
１４，１５ ８のトランジスタ
１６ ９のインダクタ
１７ ９のコンデンサ
１８ １０の単一１次巻線
１９ １０の単一２次巻線
２０，２１ ８と９との間の導線（ＡＣ）
２２ ６，７及び８を有するユニット
２３ 並列接続された共振タンク
２４ Ｌ１を有する２３の導線
２５ Ｌ２を有する２３の導線
２６ １１と１２との間の導線
２７ ６の制御部
２８ 高域濾波ＤＣリンク
２９ ２８内の高域フィルタのコンデンサ
３０ ２８内の高域フィルタのインダクタ
３１ ８の制御部
３２ スナバコンデンサ
３３ 電流センサ
３４ スナバコンデンサ
３５ 高電圧ユニットに対するスリーブ
Ｌ ９のインダクタ
Ｃ ９のコンデンサ
Ｌ１ ２３の第１インダクタ
Ｌ２ ２３の第２インダクタ
Ｃ′ ２３のコンデンサ

Claims (11)

1. 交流入力電流（ＡＣ，１〜３）を静電集塵器の負荷（１２）に供給すべき高電圧の直流（ＤＣ）又は交流（ＡＣ）に変換する高電圧ＡＣ−ＤＣ又はＡＣ−ＡＣコンバータから構成された前記静電集塵器であって、当該コンバータは、交流（ＡＣ）の入力電流を高周波交流（ＡＣ）電流に変換するユニット（２２）から構成され、少なくとも１つの変圧器（１０）が、この高周波交流（ＡＣ）電流を前記負荷（１２）の要求に適合し、共振タンクが、前記ユニット（２２）と前記変圧器（１０）との間に存在する静電集塵器において、
   交流（ＡＣ）の入力電流を高周波交流（ＡＣ）電流に変換する少なくとも２つのユニット（２２）が、前記同じ変圧器（１０）に接続されていて、少なくとも２つのユニット（２２）が、前記同じ直列共振タンク（２３）に接続されていて、前記変圧器（１０）に接続されている少なくとも２つのユニット（２２) に共通する前記変圧器（１０) の１次巻線（１８) から離れている少なくとも１つの素子が存在し、この素子が、当該両ユニット（２２) と前記変圧器との結合時の共振周波数を決定し、この共通の素子は、好ましくは前記変圧器（１０）の前記１次巻線（１８）に接続されている少なくとも１つのコンデンサ（Ｃ′）であることを特徴とする静電集塵器。
2. 前記共振タンクは、前記変圧器（１０）の前記１次巻線（１８）の第１極に直列接続されている少なくとも１つの第１インダクタ（Ｌ１）及び少なくとも１つのコンデンサ（Ｃ′）から構成され、このコンデンサ（Ｃ′）は、前記インダクタ（Ｌ１）と前記変圧器（１０）の前記１次巻線（１８）との間に位置する請求項１に記載の静電集塵器。
3. インダクタ（Ｌ２）が、少なくとも１つのユニット（２２）と前記変圧器（１０）の前記１次巻線（１８）の第２極との間に位置する請求項２に記載の静電集塵器。
4. 少なくとも２つのユニット（２２）の第１出力部がそれぞれ、個々の第１インダクタ（Ｌ１）に接続されていて、これらのユニット（２２) の第１インダクタ（Ｌ１）が、並列に接続されていて、これらの並列接続されているインダクタ（Ｌ１）は、１つの単一コンデンサ（Ｃ′）に接続されているか又は前記直列共振タンクに対して直列若しくは並列にあるコンデンサ群に接続されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電集塵器。
5. 単一のコンデンサ（Ｃ′）又は直列若しくは並列にあるコンデンサ群が、前記変圧器（１０) の前記１次巻線（１８）の第１極に接続されている請求項４に記載の静電集塵器。
6. 少なくとも２つのユニット（２２）の第２出力部がそれぞれ、個々の第２インダクタ（Ｌ２）に接続されていて、これらの第２インダクタ（Ｌ２）はそれぞれ、並列に配置されていて、前記変圧器（１０) の前記１次巻線（１８) の第２極に接続されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電集塵器。
7. 前記ユニット（２２) は、交流の入力電流を整流する少なくとも１つの整流器（６）及び生成された直流を高周波交流電流に変換する少なくとも１つのトランジスタブリッジ（８）から構成され、前記第１インダクタ（Ｌ１）及び前記第２インダクタ（Ｌ２）が、前記トランジスタブリッジ（８）のトランジスタ（１４，１５）の端子に接続されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の静電集塵器。
8. ３相入力交流電流（１〜３）が、前記整流器（６）内で整流され、生成された直流が、２つの導線を有し、好ましくはフィルタ要素から構成されているＤＣリンク（７）を介して前記トランジスタブリッジ（８）に入力され、このフィルタ要素は、２つの導線間の少なくとも１つのコンデンサ（１３) 及びオプションでこれらの導線の少なくとも一方にある少なくとも１つのインダクタから構成され、前記トランジスタブリッジ（８）は、少なくとも４つの切り替え可能なトランジスタ（１４，１４′，１５，１５′）を有するＨブリッジである請求項７に記載の静電集塵器。
9. 前記変圧器（１０）は、高周波交流電流に変換し、この変圧器（１０）の２次巻線が、少なくとも１つの高電圧整流器（１１）に接続されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の静電集塵器。
10. 前記静電集塵器は、20kVより大きい出力に対して、好ましくは20〜 200kVの範囲内で及び／又は50kVより大きい出力ＤＣ電圧に対して、好ましくは50〜 150kVの範囲内で定格されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の静電集塵器。
11. ２つ以下のユニット（２２）が、１つの共通の共振タンク（２３）に接続されている請求項１〜１０のいずれか１項に記載の静電集塵器。

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