RU2115214C1

RU2115214C1 - Pulse power supply for electrical apparatuses with corona- forming discharge electrodes

Info

Publication number: RU2115214C1
Application number: RU96124151A
Authority: RU
Inventors: Виктор Дмитриевич Бочков; Александр Максимович Зыков; Игорь Николаевич Гнедин
Original assignee: Виктор Дмитриевич Бочков; Александр Максимович Зыков; Игорь Николаевич Гнедин
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 1998-07-10

Abstract

FIELD: power supply for apparatuses with corona-forming electrodes, such as electric precipitators, ozone generators, miscellaneous devices carrying reactive and resistive loads. SUBSTANCE: power supply has DC voltage source, voltage changer, storage capacitor, working pulse generator, and control pulse generator. Voltage changer has pulse transformer whose primary winding is connected to DC voltage source through additional switch and output of working pulse switch is connected through series-connected nonlinear inductance coil and diode to primary winding of pulse transformer. This eliminates oscillating process in input circuit caused by capacitive load, for example, across precipitator electrodes, and makes it possible to return excess pulse energy to DC voltage source. EFFECT: improved reliability. 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике импульсного питания электрических аппаратов с коронообразующими разрядными электродами, например электрофильтров, генератора озона и других аппаратов с комплексной электрической нагрузкой (реактивной и активной). The invention relates to techniques for switching power supplies to electric devices with corona-forming discharge electrodes, for example, electrostatic precipitators, an ozone generator and other devices with a complex electric load (reactive and active).

Использование для питания аппаратов с коронообразующими разрядными электродами высоковольтного постоянного напряжения при увеличении последнего ограничено появлением обратных пробоев и недостаточной электрической прочностью электродной системы. Повысить величину прикладываемого к электродам напряжения без потери электрической прочности аппарата можно только за счет дополнительного питания его импульсным напряжением. The use of high-voltage constant voltage for supplying devices with corona-forming discharge electrodes with an increase in the latter is limited by the appearance of reverse breakdowns and the insufficient electric strength of the electrode system. It is possible to increase the value of the voltage applied to the electrodes without losing the electric strength of the apparatus only due to additional power supply by its pulse voltage.

Известен импульсный источник питания электрических аппаратов с разрядными коронообразующими электродами, содержащий источник постоянного напряжения, преобразователь напряжения, накопительную емкость, коммутатор рабочих импульсов и генератор управляющих импульсов. Преобразователь напряжения в этом импульсном источнике питания выполнен в виде удвоителя напряжения, содержащего накопительную емкость и последовательно соединенную цепочку с индуктивностью и тиристорным ключом, а коммутатор рабочих импульсов представляет собой подключенную к преобразователю напряжения формирующую емкость и связывающий ее с коронирующими электродами электрофильтра ротационный искровой разрядник. Управление частотой повторения импульсов осуществляется микропроцессорным контроллером, синхронизирующим включение тиристорного ключа и скорость вращения ротора искрового разрядника. Такой источник питания обеспечивает генерацию мощных наносекундных импульсов, однако двойной контур формирования импульса при необходимости синхронизации работы разрядника с включением тиристорного ключа усложняет его конструкцию. Кроме того, строго говоря, данный источник формирует не импульс, а цуг затухающих колебаний с периодом

где
L - индуктивность монтажа; C_н - емкость накопительного конденсатора; C_ф - емкость электродной системы электрического аппарата. Ценность последующих за первой полуволной колебаний для коронообразования мала, тогда как на них расходуется значительная часть запасенной в накопителе энергии, что снижает КПД аппарата.Known pulsed power supply of electrical devices with discharge corona-forming electrodes containing a constant voltage source, voltage converter, storage capacity, a switch of working pulses and a control pulse generator. The voltage converter in this switching power supply is made in the form of a voltage doubler containing a storage capacitor and a series-connected circuit with an inductance and a thyristor switch, and the working pulse commutator is a forming capacitor connected to the voltage converter and connecting it to the corona electrodes of the electrostatic precipitator with a rotary spark gap. The pulse repetition rate is controlled by a microprocessor controller that synchronizes the inclusion of the thyristor switch and the rotation speed of the spark gap rotor. Such a power source provides the generation of powerful nanosecond pulses, but the double pulse formation circuit, if necessary, synchronizes the operation of the arrester with the inclusion of a thyristor switch complicates its design. In addition, strictly speaking, this source does not form an impulse, but a train of damped oscillations with a period

Where
L is the mounting inductance; C _n - the capacity of the storage capacitor; C _f - the capacity of the electrode system of the electrical apparatus. The value of the vibrations subsequent to the first half-wave for corona formation is small, while a significant part of the energy stored in the energy storage device is spent on them, which reduces the efficiency of the device.

Достигаемым результатом изобретения является повышение КПД аппарата с коронообразующими электродами при формировании мощных наносекундных импульсов на комплексной (преимущественно емкостной) нагрузке. The achieved result of the invention is to increase the efficiency of the apparatus with corona-forming electrodes during the formation of powerful nanosecond pulses at a complex (mainly capacitive) load.

Это достигается тем, что в импульсном источнике питания электрических аппаратов с разрядными коронообразующими электродами, содержащем источник постоянного напряжения, преобразователь напряжения, накопительную емкость, коммутатор рабочих импульсов и генератор управляющих импульсов, согласно изобретению преобразователь напряжения выполнен с импульсным трансформатором, первичная обмотка которого подключена к источнику постоянного напряжения через дополнительный коммутатор, а выход коммутатора рабочих импульсов подключен через последовательно включенные нелинейную индуктивность и диод к первичной обмотке импульсного трансформатора. This is achieved by the fact that in a pulsed power supply of electric devices with discharge corona-forming electrodes containing a constant voltage source, voltage converter, storage capacitance, operating pulse commutator and control pulse generator, according to the invention, the voltage converter is made with a pulse transformer, the primary winding of which is connected to a source DC voltage through an additional switch, and the output of the working pulse switch is connected through consequently included a non-linear inductance and the diode to the primary winding of the pulse transformer.

На фиг. 1 изображена принципиальная структурная схема предлагаемого импульсного источника питания применительно к электрофильтру; на фиг. 2 - та же схема с более подробным раскрытием структурных элементов; на фиг. 3 - эпюры электрических напряжений U относительно текущего времени t на основных структурных элементах схемы при прохождении импульсов. In FIG. 1 shows a schematic structural diagram of the proposed switching power supply as applied to an electrostatic precipitator; in FIG. 2 - the same diagram with a more detailed disclosure of structural elements; in FIG. 3 - plots of electrical voltages U relative to the current time t on the main structural elements of the circuit during the passage of pulses.

Для питания электрофильтра (ЭФ) 1 с системой коронирующих и осадительных электродов 2 и 3 соответственно и общей электрической емкостью C_Ф используются первый источник 4 постоянного напряжения (ИПН-1) и импульсный источник 5, содержащий второй источник 6 постоянного напряжения (ИПН-2), преобразователь 7 напряжения (ПН), накопительную емкость 8 (C1), коммутатор 9 (V1) рабочих импульсов и генератор 10 управляющих импульсов (ГУИ). Преобразователь 7 напряжения выполнен с импульсным трансформатором 11 (T1, фиг. 2), первичная обмотка которого подключена к источнику 6 ИПН-2 через дополнительный коммутатор 12, а выход коммутатора 9 V1 рабочих импульсов подключен через последовательно включенные нелинейную индуктивность 13 (L1) и диод 14 (D1) к первичной обмотке 15 импульсного трансформатора 11 T1. Вторичная обмотка 16 этого трансформатора через выпрямительный диод 17 (D3) подключена к накопительной емкости 8 C1. Общая точка выхода коммутатора 9 V1 и нелинейной индуктивности 13 L1 соединена с земляной (минусовой) шиной через диод 18 (D2), включенный последовательно с диодом 14 D1. Источник 4 ИПН-1 соединен с коронирующими электродами 2 электрофильтра 1 через токоограничительный элемент 19, а импульсный источник 5 - через переходную емкость 20 (C2). Коммутатор 9 V1 может быть выполнен в виде тиратрона различной конструкции (фиг. 1, 2) с управляющим электродом 21, подключенным к одному из выходов генератора 10 управляющих импульсов непосредственно (фиг. 1) или через импульсный трансформатор 22 (T2). Коммутатор 12 (V2) может быть выполнен в виде полностью управляемого ключа-таситрона. Накопительная емкость 8 C1 может быть выполнена в виде пакетного набора последовательно-параллельно соединенных конденсаторов, а коронирующие электроды 2 для более равномерного распределения импульсного заряда могут быть подсоединены к источникам питания через индуктивности 23 (L) (фиг. 2). Резисторы 24 (R1) и 25 (R2)(фиг. 2) служат для подачи соответственно на тиристор 9 V1 и таситрон 12 V2 напряжений обратной связи.To power the electrostatic precipitator (EF) 1 with a system of corona and precipitation electrodes 2 and 3, respectively, and with a total electric capacity C _F , the first constant voltage source 4 (IPN-1) and a pulse source 5 containing the second constant voltage source 6 (IPN-2) are used , voltage converter 7 (PN), storage capacitance 8 (C1), switch 9 (V1) of operating pulses and a control pulse generator 10 (GUI). The voltage converter 7 is made with a pulse transformer 11 (T1, Fig. 2), the primary winding of which is connected to the source 6 IPN-2 through an additional switch 12, and the output of the switch 9 V1 operating pulses is connected through a series-connected non-linear inductance 13 (L1) and a diode 14 (D1) to the primary winding 15 of the pulse transformer 11 T1. The secondary winding 16 of this transformer through a rectifying diode 17 (D3) is connected to the storage tank 8 C1. The common exit point of the switch 9 V1 and non-linear inductance 13 L1 is connected to the ground (negative) bus through the diode 18 (D2), connected in series with the diode 14 D1. The source 4 IPN-1 is connected to the corona electrodes 2 of the electrostatic precipitator 1 through a current-limiting element 19, and the pulse source 5 through a transition capacitance 20 (C2). The switch 9 V1 can be made in the form of a thyratron of various designs (Fig. 1, 2) with a control electrode 21 connected to one of the outputs of the control pulse generator 10 directly (Fig. 1) or through a pulse transformer 22 (T2). The switch 12 (V2) can be made in the form of a fully managed tacitron key. The storage capacitance 8 C1 can be made in the form of a packet set of series-parallel connected capacitors, and the corona electrodes 2 for a more uniform distribution of the pulse charge can be connected to power sources through inductors 23 (L) (Fig. 2). Resistors 24 (R1) and 25 (R2) (Fig. 2) are used to supply feedback voltages to thyristor 9 V1 and tacitron 12 V2, respectively.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В начальном состоянии накопительная емкость 8 C1 не заряжена, на электродах 2, 3 электрофильтра 1 имеется только постоянное напряжение смещения, подаваемое от источника 4 ИПН-1 через токоограничительный элемент 19 L2, обеспечивающий коронный ток низкого уровня. С источника 6 ИПН-2 на вход преобразователя 7 напряжения подается высоковольтное постоянное напряжение (порядка 15 кВ), а с генератора 10 управляющих импульсов - импульс U_V2 (фиг. 3а) на включение коммутатора 12 V2. При этом через первичную обмотку 15 импульсного трансформатора 11 T1 потечет ток, формирующий фронт импульса, снимаемого с его вторичной обмотки 16 через выпрямительный диод 17 D3 и заряжающего накопительную емкость 8 C1. При достижении на последней рабочего напряжения U_C1-70-100 кВ (фиг. 3б) коммутатор 12 V2 отключает емкостный накопитель 8 C1 от источника 6 ИПН-2 и на управляющий электрод 21 коммутатора-тиратрона 9 V1 подается импульс U_V1 (фиг. 3в) запуска от ГУИ 10. При срабатывании тиратрона 9 происходит заряд импульсом U_ЭФ (фиг. 3г) от накопительного конденсатора 8 C1 через индуктивности 23 L конструктивных емкостей C_Ф электродов 2, 3 электрофильтра 1. При этом накопительная емкость 8 C1 через включенный тиратрон 9 V2, нелинейную индуктивность 13 (L1) и диод 14 (D1) оказывается подключенной также параллельно источнику 6 ИПН-2. В сочетании с диодом 18 D2 это позволяет устранить колебательный процесс во входной цепи, вызываемой емкостным характером нагрузки (C_Ф электрофильтра), и осуществить рекуперацию избыточной энергии импульса в источник 6 постоянного напряжения, питающий генератор импульсов 5. Конструктивные параметры нелинейной индуктивности 13 L1 выбираются таким образом, чтобы задержка срабатывания этой индуктивности была больше фронта импульса напряжения на нагрузке (электродах электрофильтра). Благодаря этому первоначальное сопротивление индуктивности 13 L1 весьма велико и не оказывает влияния на процесс заряда межэлектродной емкости C_Ф электрофильтра. После заряда емкости C_Ф до максимального напряжения, в пределе равного удвоенному значению напряжения на накопительной емкости 8 C1, если C1 >> C_Ф, индуктивность 13 L1 насыщается и ее сопротивление резко уменьшается. Поскольку напряжение на накопительной емкости 8 C1 много больше напряжения источника 6 ИПН-2, запасенная на накопительной емкости и электродах электрофильтра энергия возвращается в указанный источник питания. Для того, чтобы накопительная емкость и межэлектродная емкость электрофильтра не перезаряжались через насыщенную индуктивность 13 L1, диод 14 D1 и источник 6 ИПН-2, включен диод 18 D2, который ограничивает напряжение накопительной емкости и межэлектродной емкости электрофильтра на "нулевом уровне". Диод 14 D1 ограничивает поступление постоянного напряжения источника 6 ИПН-2 в выходную цепь в паузах между импульсами.In the initial state, the storage capacitance 8 C1 is not charged, on the electrodes 2, 3 of the electrostatic precipitator 1 there is only a constant bias voltage supplied from the IPN-1 source 4 through the current-limiting element 19 L2, which provides a low-level corona current. From source 6 IPN-2, a high-voltage constant voltage (of the order of 15 kV) is supplied to the input of voltage converter 7, and pulse U _V2 (Fig. 3a) is turned on from the generator 10 of the control pulses to turn on the 12 V2 switch. In this case, a current will flow through the primary winding 15 of the pulse transformer 11 T1, forming the front of the pulse removed from its secondary winding 16 through the rectifying diode 17 D3 and charging the storage capacitance 8 C1. When reaching the last operating voltage U _C1 -70-100 kV (Fig. 3b), the switch 12 V2 disconnects the capacitive storage 8 C1 from the source 6 IPN-2 and a pulse U _V1 is supplied to the control electrode 21 of the thyratron switch 9 _V1 (Fig. 3c ) start from GUI 10. When the thyratron 9 is triggered, a charge U _UF (Fig. 3d) is charged from the storage capacitor 8 C1 through inductors 23 L of the structural capacitance C _{F of the} electrodes 2, 3 of the electrostatic precipitator 1. At the same time, the storage capacitance 8 C1 through the included thyratron 9 V2, non-linear inductance 13 (L1) and diode 14 (D1) is connected also parallel to source 6 IPN-2. In combination with the 18 D2 diode, this eliminates the oscillatory process in the input circuit caused by the capacitive nature of the load (C _{Φ of the} electrostatic precipitator) and recuperates the excess pulse energy to a constant voltage source 6, which supplies the pulse generator 5. The design parameters of the nonlinear inductance 13 L1 are chosen as so that the response delay of this inductance is greater than the front of the voltage pulse at the load (electrostatic precipitator electrodes). Due to this, the initial resistance of the inductance 13 L1 is very large and does not affect the charge process of the interelectrode capacitance C _{Ф of the} electrostatic precipitator. After charging the capacitance C _Ф to the maximum voltage, in the limit equal to twice the voltage value on the storage capacitor 8 C1, if C1 >> C _Ф , the inductance 13 L1 is saturated and its resistance decreases sharply. Since the voltage at the storage capacitance 8 C1 is much higher than the voltage of the IPN-2 source 6, the energy stored at the storage capacitance and electrodes of the electrostatic precipitator is returned to the specified power source. In order for the storage capacitance and the interelectrode capacitance of the electrostatic precipitator not to be recharged through the saturated inductance 13 L1, the diode 14 D1 and source 6 IPN-2, the diode 18 D2 is turned on, which limits the voltage of the storage capacitance and interelectrode capacitance of the electrostatic precipitator to the “zero level”. The diode 14 D1 restricts the supply of direct voltage to the source 6 IPN-2 in the output circuit in the pauses between pulses.

Claims

A switching power supply of electrical apparatuses with discharge corona-forming electrodes, comprising a constant voltage source, a voltage converter, a storage capacitor, a switch for working pulses and a control pulse generator, characterized in that the voltage converter is made with a pulse transformer, the primary winding of which is connected to a constant voltage source through an additional the switch, and the switch output of the working pulses is connected through series-connected elineynuyu inductance and the diode to the primary winding of the pulse transformer.