KR100638940B1 - 전압 펄스를 발생시키기 위한 펄스 발생기 및 관련 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유도성 또는 용량성 부하(C3)용, 특히 정전 먼지 분리기(F)용 전압 펄스를 발생시키기 위한 펄스 발생기에 관한 것이다. 상기 펄스 발생기는 에너지-저장 커패시터(C1)를 포함하고, 상기 에너지-저장 커패시터는 부하(C3)로 흐르는 전류(I)가 제로를 통과할 경우 자기 개방되도록 제어 가능한 스위치(U)와 직렬로 직렬 동조 회로에 접속된다. 본 발명에 따른 방법에 있어서, 에너지-저장 커패시터(C1)는 직렬 동조 회로의 1/2 진동주기 동안에만, 한번의 방전 동작으로 제어 가능한 스위치(U)의 개방 및 폐쇄에 의해 부하(C3)로 방전된다.

Description

전압 펄스를 발생시키기 위한 펄스 발생기 및 관련 방법 {PULSE GENERATOR FOR GENERATING A VOLTAGE PULSE AND CORRESPONDING METHOD}
본 발명은 정전 먼지 분리기에서 사용하기 위한 용량성 부하용 전압 펄스를 발생시키기 위한 펄스 발생기에 관한 것이다. 또한 본 발명은 전압 펄스를 발생시키기 위한 방법에 관한 것이다.
연료가 공급된 발전소 및 예컨대 종이-,시멘트- 및 금속 가공 산업과 같은 수많은 다른 산업 공정에서 먼지 제거를 위해 정전 먼지 분리기(전기 필터)가 사용되고, 상기 분리기에서, 가스 흐름 내에 존재하는 먼지 성분은 강력한 전계에 의해 충전되어, 전극에 전달되고 거기서 분리된다. 먼지 입자의 도전성 및 크기 분포에 따라, 특히 2 개의 문제점이 발생된다:
i) 미세한 먼지 성분은 종종 굵은(coarse) 먼지 성분보다 잘 분리되지 않는다 ; 이로 인해, 먼지 환경 오염 한계치에 관련하여 강화되는 법적 요구를 충족시키기 위해, 앞으로 복잡하게 후방 접속된 기계 필터가 사용되거나, 또는 기존의 필터 장치가 상응하게 재장치되어야 한다.
ii) 이미 분리된 먼지 층에 대한 정전 충전에 의해, 분리된 먼지 성분이 다시 방출되는 플래시 오버가 종종 발생된다 ; 이로 인해, 전기 필터의 효과가 현저하게 감소할 수 있다.
예컨대 DE 196 14 195 C1호에는 상기 문제점들을 방지하기 위해, 전계 강도를 높이기 위해 전기 고출력 펄스가 결정적 영향을 미치는 정전 먼지 분리기를 사용하는 것이 공지되어 있다. 이로 인해 특별히 미세한 먼지에 대한 분리도가 상승될 뿐만 아니라, 필터 내에서 분리된 먼지 층의 충전이 감소된다. 기술적인 이유로 인해, 필요한 전기 고출력 펄스가 발생될 경우에 지금까지는 50㎲ 내지 수 밀리 초의 비교적 긴 펄스 지속 시간이 사용되었고, 충분한 지속시간을 가진 상기 펄스는 현재 구입할 수 있는 상업 파워 반도체에 의해 발생될 수 있다.
또한 J. Miller, A. Schwab 저 " 작동에 적합한 전기 필터 내에 있는 미세한 먼지 차단 회로"(연구 보고서 FZKA-PEF 140, University Karlsruhe, 1966)에서는, 상기 방법을 이용하기 위한 최적의 펄스 지속시간이 먼지 층의 형태에 따라, 수 10kV 내지 100 kV의 전압 진폭에서는 10 ㎲까지라는 것이 공지되어 있다. 이 경우 전환될 펄스 전류는 수 킬로 암페어이다. 그러나 지금까지는 펄스 반복률이 300 Hz인 경우 1년 동안의 에러 없는 작동에 대응되는 10 밀리어드 펄스까지의 수명을 가진 펄스를 발생시킬 수 있는 시판되는 표준 부품이 없었다.
따라서 DE 196 14 195 C1호에는, 자기 스위치를 이용한 후속적인 펄스 압축에 의해, 수명은 길지만 부하는 상대적으로 낮은 조합 반도체 소자를 사용하는 것이 제시되어 있다. 이를 위해 상기 자기 스위치는 사이리스터 스위치와 직렬 접속되고, 에너지-저장 및 펄스 형성을 위해 적어도 2 개의 고전압-펄스 커패시터가 사용된다. 상기 회로 개념에 있어서의 실제적인 문제점으로서는, 60 kV까지의 사이리스터 스위치용 높은 작동 전압 및 필요한 열 방출, 및 가능한 자기 스위치의 제한된 수명을 들 수 있다. 우선 전체 시스템의 손실 전력의 상당 부분을 야기하는 저항이 사용되는 것이 문제점이다. 왜냐하면 용량성 부하에 저장된 에너지의 일부분만이 회복될 수 있기 때문이다.
Journal of Electronicststics(25(1990), 페이지 23-40)에서는 펄스 발생기용 정전 원리가 기술되어 있다. 특히 여기서 통상적으로 공진회로가 사용되고, 높은 전압이 직접 발생되거나 또는 낮은 전압이 변압기에 의해 높은 전압으로 변환되는 것이 공지되어 있다. 또한 DE 41 04 386 A1 에는, 특히 펄스 변압기가 사용된, 전자 펜서(fencer)에서 사용되는 펄스 발생기가 기술되어 있다.
마지막으로 GB 1 581 763 A에는 용량성 부하에서 전압 펄스가 사용되기 위한 펄스 전압원이 공지되어 있고, 상기 펄스 전압원은 정전압원 및 정전압원과 접속된 충전 가능 커패시터를 포함한다. 상응하는 회로 수단을 통해, 미리 설정된 높이 및 미리 설정된 퍼즈(pause)의 펄스 전압이 발생될 수 있다. 상기 간행물에서는 펄스 전압원으로부터 부하에 걸리는 직류 전압을 분리하기 위하여, 펄스 전압원에 직렬 접속된 제 2 고전압 장치가 사용되고, 상기 장치를 통해 전체 펄스 전류는 고전압 펄스가 발생되는 동안 흐른다. 부하측 고전압 장치의 펄스 전류의 제어 및 펄스 전압원이 고전압 전위와 접속된다는 것은 추가적인 기술적 요구 조건을 나타내며, 기술적으로 상당한 비용으로만 충족될 수 있다.
선행 기술에서 출발하여 본 발명의 목적은 상기 언급된 단점을 없애고, 기존 장치를 크게 변경하지 않으면서 그의 효율을 개선하는, 전압 펄스를 발생시키기 위한 펄스 발생기를 제공하는 데 있다. 또한 본 발명의 목적은 전압펄스의 발생 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따라 제 1 목적은 장치 독립 청구항 1의 특징에 따라, 제 2 목적은 방법 독립 청구항 11의 특징에 따라 달성된다. 개선예는 각 종속항에 제시된다.
본 발명에서, 펄스 발생기는 제어 가능한 스위치와 직렬 접속된 에너지-저장 커패시터를 포함한다. 상기 스위치는 동조 회로와 직렬로, 부하로 흘러가는 전류의 영교차시에 자기 개방(self-opening)된다. 영교차 후에 역방향으로 흐르는 전류를 부하로 가이드 하기 위한 정류기가 상기 스위치와 병렬 접속된다. 부하가 실제로 용량성이면, 에너지-저장 커패시터의 커패시턴스는 부하의 커패시턴스보다 큰데, 부하의 커패시턴스보다 적어도 10배이다. 또한, 에너지-저장 커패시터를 충전하기 위해 적어도 하나의 제 1 직류 전압 공급부가 제공된다. 본 발명은 특히 다음의 장치를 규정하며, 상기 장치에서는
- 변압기가 없는 펄스 발생기가 형성되고,
- 출력 펄스의 진폭이 저장 커패시터의 전압보다 크고,
- 스위치의 회복 시간이 전류 반파의 전류 흐름 지속 시간보다 작고,
- 스위치에 병렬 접속된 정류기는 영교차 이후에 부하로 역방향으로 흐르는 전류를 가이드하기 위해 존재하고,
- 상기 정류기의 저장 전하는 제 1 전류 반파가 지속되는 동안 부하로 전달되는 전하보다 작고, 및
- 스위칭 소자 및 정류기를 통해 흐르는 전류는 부하내의 전류와 실제로 같다
청구항 11에 따른 방법에 있어서, 동조 회로에 직렬 접속된 에너지-저장 커패시터는 직렬 동조 회로(series tuned circuit)의 단지 1/2 진동 주기 동안 한 번의 방전 과정으로 제어 가능한 스위치의 폐쇄 및 개방에 의해 부하로 방전되고, 약간 작은 제 2 전류 반파로 일시적으로 부하에 저장된 에너지에 의해 다시 충전된다.
청구항 제 1항 또는 제 11항에 따른 조치에 의해, 수 10kV 진폭 및 수 마이크로 초의 펄스 지속시간을 가진 짧은 고전압 펄스가 수 100 Hz의 높은 펄스 반복율로 이미 시판되는 전기 소자에 의해 발생될 수 있고, 수명 및 전력 손실로 제한된 자기 스위치도 필요 없고, 손실과 연관된 저항기도 필요 없다.
또한 본 발명에 따른 펄스 발생기 또는 본 발명에 따른 방법은 발전소의 황산- 및 질소 산화물 폐가스를 정화하는데도 사용될 수 있다. 또한 이를 위해 10kV 진폭 이상의 고전압 펄스, 수 ㎲의 펄스 지속 시간 및 kA 이상의 펄스 전류가 요구된다. 새로운 연구에서는 상응하는 출력 펄스 기술을 이용할 수 있는 경우에 상기 방법이 경제적으로 수행되는 것으로 밝혀졌으며, 이것은 예컨대 G.Dinelli 의 "An intergrated approach for flue gas cleaning by impulse energization techniques"("Current enviromental applications of electrostatic precipitation" 에 대한 IEEE 세미나, 다이제스트 no. 118, p. 6/1ff., 런던, UK 1991)에 공지되어 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 발생기 또는 본 발명에 따른 방법은 필요한 펄스 파라미터에 대해 수동 소자가 상응하게 매칭될 경우, 또한 다른 용도, 예컨대 엔진 폐가스를 정화하기 위해 맥동된 방전에 의해 펄스를 발생시킬 경우 또는 플라스마 이머전 이온 주입(Plasmaimmersions - ion implantation)을 위해 펄스를 발생시킬 경우에도 사용될 수 있다.
부하로 흐르는 전류의 영교차시 자기 개방되도록 제어 가능한 스위치가 제공되기 때문에, 스위치의 제어를 위해 필요한 전자 제어 장치가 매우 간소화된다. 왜냐하면 스위치의 패쇄만이 트리거링 될 필요가 있기 때문이다.
본 발명의 추가 바람직한 실시예에서 스위치에 병렬 접속된 정류기가 영교차 이후에 부하로 역방향으로 흐르는 전류를 가이드하기 위해 제공된다. 이로 인해, 부하 상의 전압이 신속하게 감소되고, 전체 펄스 지속 시간이 제한된다. 또한 실제 용량성 부하에 있어서, 용량성 부하로 방전되는 전하의 적어도 일부분이 다시 저장 커패시터로 다시 피드백될 수 있다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시예는 각 종속항에 따라 제시된다.
본 발명의 추가 설명을 위해 도면의 실시예가 참고된다.
도 1은 본 발명에 따른 펄스 발생기의 개략적인 회로도이고,
도 2는 펄스 발생기의 동작을 나타내기 위해, 제어 가능한 스위치를 통해 흐르는 전류, 인가되는 전압, 부하 상의 전압 및 부하로부터 에너지-저장 커패시터로 피드백되는 전류가 시간에 대해 도시되는 다이어그램이고,
도 3은 직렬 접속된 다수의 사이리스터를 포함한 제어 가능한 스위치의 실시예이고,
도 4는 도 3에 따른 회로의 바람직한 동작 모드에서 발생되는 사이리스터 상의 전압이 시간에 대해 도시된 다이어그램이고,
도 5는 펄스 발생기에서 용도에 적합한 제어 가능한 스위치의 추가의 바람직 한 실시예를 도시한다.
도 1에 따라 펄스 발생기는 에너지-저장 커패시터(C1) 및 각각 여기에 직렬 접속되는 대략 10 μH에 달하는 코일(L2 및 L4)로 이루어진 직렬 동조 회로를 포함한다. 상기 직렬 동조 회로에서 제어 가능한 스위치(U)가 직렬 접속되고, 상기 스위치는 그의 기능을 나타내기 위해 상징적으로 2 개의 직렬 접속된 부분 스위치(U1 및 U2)로 도시되고, 부분 스위치(U2)는 폐쇄되는 스위치이고, 부분 스위치(U1)는 개방되는 스위치이고, 양 기능은 단일 전자 소자(액티브 반도체 장치), 예컨대 사이리스터, IGBIT 또는 GTO에도 통합될 수 있다. 실시예에서 스위치(U)는 각 용도별로 필요한 스위칭 성능을 발휘하기 위해, 각각 다수의 제어 가능한 액티브 반도체 장치를 포함한 회로로 형성된다. 스위치(U)는 또한 역방향으로 차단되는 가스 방전 스위치, 예컨대 사이러트론에 의해서도 구현될 수 있다.
에너지-저장 커패시터(C1)의 커패시턴스는 부하(C3)의 커패시턴스보다 크다. 특히 에너지-저장 커패시터(C1)의 커패시턴스는 부하(C3)의 커패시턴스보다 3 배, 바람직하게 10 배 이상 더 크다. 실시예에서 에너지-저장 커패시터(C1)는 대략 1μF의 커패시턴스를 가지고, 제 1 직류 전압 공급부(V1)로부터, 실시예에서 그의 인덕턴스가 각각 40 mH 인 코일(L1 및 L3)을 통해, 대략 25 kV내지 30 kV 의 직류 전압으로 충전된다. 이 경우 에너지-저장 커패시터(C1)의 출력측 단자는 고-인덕턴스 코일(L3)을 통해 충전 과정동안 접지 전위로 유지된다.
등가 회로도에서 정전 먼지 분리기(F)는 용량성 부하(C3) 및 저항기(R1)를 전기적인 특징으로 하고, 상기 저항기는 먼지 분리기(F)를 통해 흐르는 코로나 전류를 고려한다. 제 2 직류 전압 공급부(V2)에 의해 먼지 분리기(F)가 전형적으로 대략 50kV 의 고전압 전위로 작동된다.
정전 먼지 분리기(F)에 대한 공급 라인에 분리 커패시터(C2)가 접속되고, 상기 분리 커패시터는 제 2 직류 전압 공급부(V2)에 의해 발생되는 기본-또는 필터 전압을 펄스가 발생되는 제 1 직류 전압 공급부(V1)로부터 분리되게 한다.
코일(L4) 및 거기에 직렬 접속된 저항기(R2)(실제로 약 0.1 Ω을 갖는)는 에너지-저장 커패시터(C1)로부터 먼지 분리기(F)까지의 공급 라인의 인덕턴스 및 저항을 나타낸다.
용량성 부하(C3)상의 전압 펄스의 발생은 스위치(U)의 폐쇄에 의해서 즉, 부분 스위치(U2)가 폐쇄된 경우 부분 스위치(U1)의 폐쇄에 의해 이루어진다. 이로 인해, 음 고전압 전위로 충전되던 에너지-저장 커패시터(C1)의 측면이 접지 전위로 된다; 이로 인해, 전하 유지의 이유에서, 에너지-저장 커패시터(C1)의 출력측 또는 L3측 단자가 같은 높이의 양 전위로 상승된다. 이렇게 발생된 전하 펄스는 소자 L4,C2 및 R2를 통해 용량성 부하(C3)로 진동하고, 거기서 펄스형 전압 상승을 야기한다. 다른 말로 하면: 전류(I)가 스위치(U)의 폐쇄 이후에 에너지-저장 커패시터(C1)로부터 용량성 부하(C3)로 흐르고, 상기 부하를 충전한다.
에너지-저장 커패시터(C1)의 커패시턴스가 용량성 부하(C3)의 커패시턴스보다 훨씬 더 클 경우, 전하의 유지로 인해 용량성 부하(C3)에서의 전압 펄스의 진폭이 에너지-저장 커패시터(C1)의 충전 전압에 비해 거의 2배가 되고, 근사적으로 즉, 손실을 고려하지 않으면 식 UC3 = 2* V1* C1/(C1+C3) 이 충족된다.
먼지 분리기(F)에서 에너지-저장 커패시터(C1)의 전하의 일부분이 코로나 방전 형태로 먼지의 충전 및 전달을 위해 사용된다. 이것은 등가 회로도에서 용량성 부하(C3)에 대해 병렬로 접속된 저항기(R1)로 나타내어진다. 용량성 부하(C3)의 짧은 전체 펄스 지속시간을 유지하기 위해, 코로나 방전시 사용되지 않는 전하가 신속하게 다시 방출되어야 한다. 이 경우 용량성 부하(C3)상에 머무는 전하는 특히 높은 펄스 반복율에서 전체 손실을 감소시키기 위해, 가급적 손실 없이 에너지-저장 커패시터(C1)로 다시 피드백될 수 있어야 한다. 이것은 전류가 영교차할 경우 자기 개방되는 스위치(U), 예컨대 사이리스터 회로, 특히 다수의 사이리스터의 직렬 회로를 사용할 경우에 스위치(U)에 대해 역병렬 접속된 정류기에 의해 가능하고, 실시예에서는 N 개의 직렬 접속된 고속 고전압 다이오드 또는 고전압 정류기(D1,...,DN)(다이오드 체인)에 의해 가능하다. 자기 개방(자기 소거)되지 않는 전기 스위치, 예컨대 IGBT, 역병렬(back-to-back parallel) 접속된 사이리스터 또는 GTO-사이리스터로 형성된 회로를 사용할 경우에, 소정의 개방시점에서 소거를 야기하는 제어 신호가 공급되어야 한다.
실시예에서 스위치(U)용으로 사용된 사이리스터는 에너지-저장 커패시터(C1)로부터 용량성 부하(C3)로 재충전하는 과정이 종결된 이후에 영교차를 확인하고, 전류 흐름을 확실하게 차단하기 시작하므로, 다이오드 체인(D1,...,DN)이 전하 피드백을 전달받아야만 한다. 따라서 다이오드 체인(D1,...,DN)은 스위치(U)에서의 유해한 음 전압 펄스를 다이오드 체인(D1,...,DN)의 순방향 전압 강하에 상응하는 값으로 제한함으로써, 스위치(U)에서의 유해한 음 전압 펄스의 동시 발생을 방지한다.
따라서 직렬 발진기의 진동을 방지하기 위해, 에너지-저장 커패시터(C1)의 방전 과정이 직렬 동조 회로의 단지 1/2 진동 주기 동안으로 제한된다. 자기 개방되지 않고, 전류 흐름을 양 방향으로 도전하는 액티브 반도체 장치가 제어 가능한 스위치(U)용으로 사용된다면, 에너지-저장 커패시터(C1)의 방전 과정이 진동의 1/2 주기보다 작은 지속 시간으로 제한될 수 있다. 또한 상기 액티브 반도체 장치로 형성된 스위치(U)는 다음 1/2 주기에서 상응하는 액티브 반도체 장치에 대한 제어(폐쇄)에 의해 용량성 부하(C3)의 방전시 또는 일반적으로 부하상의 전압의 감소시 전류를 가이드할 수 있음으로써, 병렬 접속된 정류기가 요구되지 않는다. 따라서 정류기와 사이리스터 회로의 조합을 사용하는 데 있어서의 장점은 이를 위해 요구된 전자 제어 장치의 간소함에 있다. 왜냐하면, 방전 과정을 시작하기 위한 점화 펄스 외에 추가 제어 신호가 필요 없기 때문이다.
도 2는 발생되는 전류- 및 전압 신호에 의해 펄스 발생기의 동작을 도시한다. 스위치(U)의 폐쇄 이후에. 전류(I)(스위치- 또는 충전 전류)가 스위치(U)를 통해 흐르기 시작한다("스위치 전류", 커브 a). 동시에 용량성 부하(C3)의 전압이 상승되고("필터 전압", 커브 b), 대략 4 ㎲ 이후에 최대 대략 43 kV의 최대 전압에, 인가된 기본 전압 50 kV, 즉 93kV의 전체 전압에 도달한다. 스위치(U)내에서의 전류 영교차의 시점에서 스위치(U)가 차단되기 시작하고, 스위치 전류(I1)(충전 전류)가 0으로 리턴한다. 그러나 역방향으로 다이오드 체인(D1,...DN)의 다이오드가 도전되고, 용량성 부하(C3)의 전하가 에너지-저장 커패시터(C1)로 피드백된다("다이오드 전류", 커브 c). 따라서 전류(I)는 방전-또는 다이오드 전류(I2)로서 충전 전류(I1)에 대해 역방향으로 흐른다. 또한 이에 상응하여 용량성 부하(C3)상의 전압도 다시 신속하게 대략 기본 전압으로 감소한다. 따라서 결과적으로 먼지 분리기(F)의 전압 펄스는 대략 43 kV 의 진폭, 및 대략 4.5 ㎲의 1/2 폭을 가진다. 다이어그램에서 또한 스위치(U)상의 전압 강하가 도시된다("스위치 전압", 커브 d). 이것은 스위치(U)가 모두 폐쇄될 경우, 실제적으로 동일하게 0 이고, 스위치(U)가 개방될 경우에는 음 값으로 강하하고, 이 값은 다이오드 체인(D1,...DN)의 순방향 전압 강하에 상응한다.
수동 소자, 특히 C1,C2,L2 및 L4의 적합한 선택에 의해, 펄스 지속 시간이 대략 1 ㎲에서 수 10 ㎲까지의 광범위한 한계로 변경된다. C3 과 비교하여 C1 의 선택은 펄스 진폭 대 C1의 충전 전압의 비율을 결정할 뿐만 아니라, C1에 저장된 에너지도 결정한다. C1/C3 = 10 의 비율이 선택될 경우, R2 내의 손실에 의한 댐핑을 고려하여 UC3/UC1 = 1.72 의 비율을 얻을 수 있다(댐핑이 없으면 1.82의 값이 기대될 수 있다).
전압 배가 회로(voltage doubling circuit)의 선택된 형태는 접속되는 전압이 겨우 대략 25 kV일 경우에 대략 40 kV의 진폭을 가진 고전압 펄스의 발생을 가능하게 한다. 이로 인해, 스위치(U)용으로 고전압 고정 사이리스터가 사용될 수 있다. 예컨대 7kV 이상의 차단 전압(예컨대 EUPEC Typ T1503N75T, [4])을 가진 광-트리거 가능 사이리스터(TH1,...,TH4)를 사용할 경우, 도 3에 따라 4개의 직렬 접속된 사이리스터(TH1,...,TH4)의 값에 의해 상기 사이리스터(TH1,...,TH4)의 전류 상승률이 최대 2kA/㎲를 초과하지 않고 스위치(U)의 충분한 전체 차단 전압이 얻어진다. 그 외에도 광-트리거링 성능에 의해, 광 도파관을 통해 플로팅 드라이브(floating drive)를 사용하는 것이 가능함으로써, 사이리스터(TH1,...,TH4)의 트리거링을 위한 회로 비용이 상당히 감소되고, 동작 특성은 다수의 직렬 접속된 사이리스터(TH1,...,TH4)가 전기 트리거링될 경우보다 더 안전하다.
광-트리거 가능 사이리스터(TH1,...,TH4)의 소위 오버-헤드-트리거링 성능을 이용할 경우, 제어가 매우 바람직하게 간소화된다. 이러한 경우, 직렬 접속된 사이리스터(TH1,...,TH4) 중 단 하나, 예컨대 사이리스터(TH1)가 트리거 제어부(Z)에 의해 트리거링되어야 한다. 상기 사이리스터(TH1)가 스위치-온되면, 사이리스터 스택(TH1,...,TH4)에서 나타나는 전압은 계속해서 스위치-오프되어 있는 나머지 사이리스터(TH2,...,TH4)를 통해 분배된다. 상기 나머지 사이리스터(TH2,...,TH4)의 전압이 개별 사이리스터(TH2,...,TH4)의 각 오버-헤드-전압 강도를 초과하는 즉시, 상기 사이리스터(TH2,...,TH4)가 트리거링되지 않고도 스위치-온됨으로써, 전체 사이리스터 스택(TH1,...,TH4)이 단 시간 내에 스위치-온되어, 펄스 발생 과정을 시작한다.
또한 각 사이리스터(TH1,...,TH4)에 고주파 전압 피크에 대한 보호 회로가 할당된 상기 회로는 커패시터(C) 및 저항기(R)로 이루어진다. 매우 바람직한 회로에서 사이리스터(TH1,...,TH4)를 금지된 초과 전압으로부터 보호하는 금속 산화물-배리스터가 저항기(R)용으로 사용된다.
도 4는 상기 사이리스터(TH1,...,TH4) 중 하나의 스위칭 특성을 도시하고, 제 1 사이리스터(TH1)는 전기적으로 또는 광학적으로 광학 도파로를 통해 트리거링된다. 추가 사이리스터(TH2,...,TH4)("과전압 사이리스터", TH2,TH3,TH4)에서 나타나는 초과 전압에 의해, 상기 사이리스터가 짧은 지연을 가지고 스위치-온됨으로써, 결국 사이리스터 스택(TH1,...,TH4)상의 전체 전압("전체 스택 전압", TH1,...,TH4)이 브레이크 다운된다. 명료하게 설명하기 위해, 상기 실시예에서는 오버-헤드-트리거링된 사이리스터는 대략 상이한 전압에서 트리거링된다고 가정한다.
또한 전류 용량 및 전류 상승률의 상승은 도 4의 사이리스터 (TH1,...,TH4)를 각각 하나의 사이리스터 회로로 대체함으로써 이루어질 수 있고, 상기 사이리스터 회로는 그 일부분으로서의 2개 또는 다수의 개별 사이리스터의 병렬 회로로 이루어진다.
사이리스터(TH2, ... ,TH4) 대신에 다른 다른 오버-헤드-트리거링 가능한 액티브 반도체 장치, 예컨대 애벌런치 항복(avalanche break down) 특성 곡선을 가진다이오드들이 사용될 수도 있다.
많은 사용 목적을 위해, 사이리스터의 최대 허용 가능 파라미터 범위가 크게 초과되도록 높은 전압, 전류 및 전류 상승률이 요구된다. 이러한 경우 이용 가능한 개별 사이리스터의 직렬- 및 병렬 회로의 조합들이 종종 비경제적으로 또한 기술적으로도 신뢰할 수 없을 정도로 작동할 수 있다. 이러한 경우 도 5에 따른 부분 스위치(U2)의 폐쇄 기능이 요구된 파라미터를 충족시키는 가스 방전 스위치(G)로 대체되는 것이 바람직하다. 이 경우 전류 역방향에서 요구되는 스위치(U1)의 개방 기능은 가스 방전 스위치(G)와 직렬 접속되고 다이오드 체인(D1,...,DN)과 유사하게 형성된, 적합하게 설계된 정류기(D1',..., DN')에 의해 충족된다.
다이오드 체인(D1',...,DN')을 통해 전류가 흐르는 위상동안 가스 방전 스위치(G)를 통해서는 전류가 흐르지 않기 때문에, 상기 스위치는 상기 위상이 끝날 때까지 그의 내전압을 회복할 수 있고, 이어서 에너지-저장 커패시터(C1)에서 다시 나타나는 고전압을 견딜 수 있다. 짧은 스위칭 시간 및 높은 전류 부하 용량을 가진 내고전압(high-voltage-resistance) 반도체 다이오드를 제조하는 것이 사이리스터에서 가능한 것보다 기술적으로 더 간단하기 때문에 이러한 회로 변형이 가능하다.
상기 변형에 매우 적합한 스위치는 특히 예컨대 사이러트론(thyratron), 슈드 스파크 스위치(pseudo-spark switch), 크로스아트론스(crossatrons), 트리거링된 진공 방전기, 및 고속 수소 충전 압력 방전기와 같이 특히 저압 영역에서 수소 충전 트리거 가능한 가스 방전 스위치이다. 상기 스위치들에서는 공통적으로 스위칭 과정이 이루어진 이후에 내전압이 다시 매우 신속히 높아진다; 이러한 특성은 전형적으로 수 마이크로 초의 지속시간을 가진 다이오드 체인(D1,...,DN)의 짧은 도전 위상동안, 상기 스위치가 그의 완전한 내전압에 다시 도달하는 것을 보장하기 위해 필요하다.
펄스 형성을 위한 상기 회로는 특히 부하가 거의 용량성인 경우에 사용하기에 적합하다. 수동 소자의 파라미터의 상응하는 선택에 의해, 유도성 부하에 있어서도 최적화가 가능하다. 매우 바람직하게, 비교적 전압 레벨이 낮으며, 소자의 수가 적을 경우에는 부하에서 사용되지 않은 전기 에너지는 거의 손실 없이 에너지-저장 커패시터(C1)로 피드백될 수 있다. 상기 회로에서 저항기 및 (지속적으로 손실과 연관된)자기 스위치가 생략될 수 있고, 이로 인해 효율이 극도로 상승된다. 이로 인해 상기 회로는 무엇보다 높은 펄스 반복율을 가진 고전압 펄스를 발생시키는데 적합하다. 즉 높은 평균 전체 출력을 사용할 경우 적합하다.
개별 실시예에 의해 기술되는 본 발명에 있어서, 충분한 회복 시간을 가진 반도체 회로 소자가 존재하지 않는다는 것이 수용될 수 있다. 고속 회로 소자 및 병렬 고속 정류기로 이루어진 특정 조합에 의해, 제 2 전류 반파가 일어나는 동안 상기 회로 소자가 회복할 수 있는 것이 가능하다. 또한 상기 정류기가 전류 흐름을 전달함으로써 상기 회로 소자에는 부하가 걸리지 않기 때문에 상기 회로 소자는 자유롭고, 이로 인해 여기서 회복 시간이 한정된다. 그러나 소정의 기능은 한편으로는 상기 회로 소자가 회복 시간을 가지고, 다른 한편으로는 상기 정류기가 상기 C3으로 전달된 전하보다 작은 저장 전하를 가지는 경우에만 달성된다.

Claims (25)

  1. 정전 먼지 분리기(F)에서 사용하기 위한 유도성 또는 용량성 부하(C3)용 전압 펄스를 발생시키기 위한 펄스 발생기로서,
    - 자기 개방(self-opening)되고 제어 가능한 스위치(U1,U2), 에너지-저장 커패시터(C1), 고전압-분리 커패시터(C2) 및 인덕터(L2,L4)가 직렬로 접속되고, 부하(C3)와 병렬로 접속되고,
    - 상기 에너지-저장 커패시터(C1)는 상기 부하(C3)보다 상당히 크고,
    - 상기 에너지-저장 커패시터(C1)용 충전 회로(V1,L1,L3)가 상기 스위치(U1,U2)에 병렬 접속되고, 상기 에너지-저장 커패시터(C1) 및 상기 인덕터(L2,L4)와 직렬 접속되고,
    - 상기 먼지 분리기에 고전압 전위를 인가시키기 위한 추가 전압 공급장치(V2)가 제공되고,
    - 상기 펄스 발생기 및 상기 고전압 공급장치(V2)가 커패시터(C2)에 의해 용량성으로 분리되고,
    - 다이오드(D1,...,DN)로 이루어진 프리휠링(freewheeling) 회로가 상기 스위치(U1,U2)와 병렬로 접속되는, 펄스 발생기.
  2. 제 1항에 있어서,
    정류기가 다수의 직렬 접속된 다이오드(D1,...,DN)로 이루어진 액티브 반도체 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 펄스 발생기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제어 가능한 스위치(U)가 사이리스터 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 펄스 발생기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 사이리스터 회로에 광학적으로 트리거 가능한 사이리스터(TH1,...,TH4)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 펄스 발생기.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 사이리스터 회로가 다수의 직렬 접속 사이리스터 유닛을 포함하고, 각 사이리스터 유닛은 하나의 개별 사이리스터(TH1 ,..., TH4) 또는 다수의 병렬 접속 사이리스터로 형성되는 것을 특징으로 하는, 펄스 발생기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 직렬 접속 사이리스터 유닛 중 단 하나만 트리거 제어부(Z)에 접속되는 것을 특징으로 하는, 펄스 발생기.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제어 가능한 스위치(U)로서 하나의 가스 방전 스위치(G) 및 하나의 정류기(D1',..., DN')로 이루어진 직렬 회로가 제공되는 것을 특징으로 하는, 펄스 발생기.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 에너지-저장 커패시터(C1)가 상기 부하 커패시터(C3)보다 최소 10 배 이상 큰 것을 특징으로 하는, 펄스 발생기.
  9. 제 2항에 있어서,
    - 변압기가 없는 펄스 발생기가 형성되고;
    - 상기 스위치(U)의 회복 시간이 전류 반파의 전류 흐름 지속 시간보다 작고;
    - 상기 스위치(U)에 병렬 접속된 정류기는 영교차 이후에 부하(C)로 역방향으로 흐르는 전류(I)를 안내하기 위해 존재하고;
    - 상기 정류기의 저장 전하는 제 1 전류 반파가 지속되는 동안 부하(C3)로 전달되는 전하보다 작은 것을 특징으로 하는, 펄스 발생기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 정류기의 순방향 전압 강하가 상기 스위치(U)의 순방향 전압 강하보다 작은 것을 특징으로 하는, 펄스 발생기.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 따른 펄스 발생기를 이용하여 유도성 또는 용량성 부하(C3)용 전압 펄스를 발생시키기 위한 방법에 있어서,
    직렬 동조 회로에 접속된 에너지-저장 커패시터(C1)가 상기 직렬 동조 회로의 1/2 진동 주기 동안에만, 한번의 방전 과정에서 제어 가능한 스위치(U)의 폐쇄 및 개방에 의해 부하(C3)로 방전되고, 상기 에너지-저장 커패시터(C1)의 방전시 상기 커패시터로부터 방출된 전하 중 일부분이 상기 스위치(U)에 병렬 접속되고, 프리휠링 다이오드들(D1...,D4)로 형성된 정류기를 통해 피드백되는 것을 특징으로 하는, 전압 펄스 발생 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    전류(I)의 영교차시 자기 개방되도록 상기 제어 가능한 스위치가 사용되는 것을 특징으로 하는, 전압 펄스 발생 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 정류기에는 다수의 직렬 접속된 다이오드(D1,...,DN)가 사용되는 것을 특징으로 하는, 전압 펄스 발생 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 용량성 부하(C3)상의 전압 펄스의 크기는 상기 에너지-저장 커패시터(C1)의 커패시턴스와 상기 부하(C3)의 커패시턴스 사이의 비율의 선택에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는, 전압 펄스 발생 방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 제어 가능한 스위치로서 사이리스터 회로가 사용되는 것을 특징으로 하는, 전압 펄스 발생 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 사이리스터 회로중 하나 이상의 사이리스터(TH1,...,TH4)가 광학적으로 트리거링되는 것을 특징으로 하는, 전압 펄스 발생 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 사이리스터 회로로서 다수의 직렬 접속된 사이리스터 유닛이 사용되고, 각 사이리스터 유닛은 하나의 사이리스터(TH1,...,TH4) 또는 다수의 병렬 접속된 사이리스터로 형성되는 것을 특징으로 하는, 전압 펄스 발생 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 직렬 접속된 사이리스터 유닛 중 단 하나만 트리거링되는 것을 특징으로 하는, 전압 펄스 발생 방법.
  19. 제 11항에 있어서,
    상기 제어 가능한 스위치(U)로서 상기 정류기(D1',..., DN')와 직렬 접속된 가스 방전 스위치(G)가 사용되는 것을 특징으로 하는, 전압 펄스 발생 방법.
  20. 제 11항에 있어서,
    상기 용량성 부하(C3)에 기본 전압(V2)이 인가되는 것을 특징으로 하는, 전압 펄스 발생 방법.
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