專利名稱：用于靜電除塵器的電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及例如用于諸如靜電除塵器等高壓DC應用的電源。具體地，本發明涉及一種變流器，其包括用于將交流(AC)輸入電流轉換為高頻交流(AC)電流的單元、以及至少一個用于調節高頻交流(AC)電流以滿足負載需要的變壓器，其中在所述單元和所述變壓器之間設置諧振回路(resonant tank)。
背景技術：
在很多環境中，特別在廢氣清理環境中，靜電除塵器(ESP)非常適合的塵集器。它們的設計堅固并且非常可靠。而且，它們的效率最高。99.9％以上的分離度是常見的。與織物過濾器相比較，由于它們的操作成本低，并且因功能紊亂而造成的損壞風險和故障相當小，因此在很多情況下他們是理所當然的選擇。在靜電除塵器中，被污染的氣體在連接到高壓整流器的電極之間傳導。通常，這是一種高壓變壓器，其在原邊側具有晶閘管控制器而在副邊側具有整流橋。
這種裝置連接到普通的AC干線，因此被供以50或60Hz頻率的電。
功率控制通過改變晶閘管的觸發角來實現。觸發角越小，即，導通周期越長，則提供給除塵器的電流越多，并且除塵器的電極之間的電壓越高。
用于這些ESP的現代電源就是所謂的串聯負載諧振變流器(SLR)，其在保持開關損耗最小的同時允許大功率(典型在10-200kW的范圍之內)和高電壓(50-150kV DC)。R&D的焦點是更高的輸出功率。
過去的拓撲結構例如是圖1中給出的串聯負載諧振變流器，SLR。具有能被開關4單獨切換的三相1-3的三相干線由例如包括二極管5的六脈波整流器6進行整流。然而，該整流器也可以是有源開關整流器。整流后的電壓由DC鏈路6中的DC鏈路電容器13平滑。DC鏈路電壓提供給晶體管橋8(H-橋)，該晶體管橋8包括四個晶體管14、14′、15、15′。所述橋8的輸出(高頻AC電壓)通過諧振回路9連接到變壓器10的原邊。諧振回路9包括串聯的電感器16和電容器17以及原邊繞組18，這些元件基本上限定了該諧振回路的諧振頻率，相應地，其只能在該諧振頻率左右合理地工作。變壓器10包括原邊繞組18和副邊繞組19，并且該變壓器10調整給負載12(ESP，50-150kV)的輸入電壓(干線)。變壓器10的副邊交流電壓由高壓整流器11整流并提供給負載12。輸出電壓通常是負的。
可以通過改變橋8的頻率或者通過改變電壓源(橋的輸出)的占空比來控制該拓撲結構中流動的功率。諧振回路的諧振頻率附近的開關頻率在正常操作范圍內。
諧振電力變流器包括諧振L-C網絡，其電壓和電流波形在每個開關周期的一個或多個子區間中按照正弦變化。這些正弦變化的幅度大，小紋波近似并不適用。諧振變流器的主要優點在于減小了開關損耗(零電流開關、零電壓開關)。可以使半導體器件的導通或關斷轉換出現在諧振回路電壓或電流波形的過零點處，從而減小或消除一些開關損耗機構。因此，與脈寬調制變流器相比，該諧振變流器可以在更高的開關頻率下工作。零電壓開關還能減少變流器產生的電磁脈沖，而零電流開關可被用于使可控硅整流器換向。在專門應用中，諧振網絡可能是不可避免的，在高壓變流器中，存在大的變壓器漏磁和電感，并且繞組電容導致產生諧振網絡。
然而，串聯或并聯諧振回路也存在不利之處。例如，性能可以在一個操作點上最優化，但不能在寬范圍的輸入電壓和負載功率變化的情況下最優化。此外，即使當未連接負載時，大電流也可能在諧振回路元件中流通，導致在輕負載下的低效率。準正弦波形顯示出比等效方波更高的峰值。這些因素導致導通損耗增加，其可能抵消掉開關損耗的減少。諧振變流器通常由開關頻率的變化控制。在一些方案中，開關頻率的范圍可能非常大。
為了增大功率處理能力并建立可擴展設計，采用了模塊化。模塊化時的基本問題是控制負載分配，即，確保不同模塊承擔相等或精確限定的負載份額。
發明內容
因此，本發明的目的之一是提供一種改進的高壓AC-DC或AC-AC變流器，其分別將交流電流轉換成高壓直流電流或高壓交流電流，以提供給負載。具體地，該改進涉及一種變流器，其包括將交流輸入電流轉換成高頻交流電流的單元，并且其還包括至少一個用于調節高頻交流電流以滿足負載需求的變壓器，其中在所述單元和所述變壓器之間設置了諧振回路。
在系統模塊化時，在電路之間保持相等的負載分配可以通過以下實現，即提供一個以上，至少兩個被連接到同一變壓器的用于將交流(AC)輸入電流轉換成高頻交流(AC)電流的單元。這些單元就是所謂的原邊電路，通常包括輸入整流器、DC鏈路濾波器和晶體管橋。
諧振回路可以是串聯負載諧振回路或并聯諧振回路，但優選是串聯負載諧振回路。
在串聯負載諧振回路的情況下，諧振回路包括串聯連接到變壓器的原邊繞組的第一極(pole)的至少一個第一電感器和至少一個電容器，其中所述電容器位于所述電感器和所述變壓器的原邊繞組之間。
為了調節諧振頻率和諧振回路的一般特性，可以在至少一個單元和變壓器的原邊繞組的第二極之間放置第二電感器。
將至少兩個單元連接到變壓器上存在以下幾種不同的可能性。一種可能性是每個單元都具有一個單獨的全諧振回路，并且將兩個(或幾個)這種具有單獨全諧振回路的單元連接到變壓器的原邊繞組上。然而，由于存在兩個單獨諧振回路的事實，因此可能導致環流問題。因此，特別有效的解決方案采用不同的方式，并且至少部分地連接諧振回路，因此對于每個單元，不存在兩個真正獨立的諧振回路，而是至少兩個單元耦合到同一串聯負載諧振回路中。例如，這可以通過提供一個這樣的拓撲結構來實現，其中，存在由連接到變壓器的至少兩個單元所共用的至少一個電子部件(電感器或電容器)，以隔開變壓器的原邊繞組，并且其在任何情況下都是共用的。這個電子部件是有效的，這是因為它確定了耦合到變壓器的兩個單元的諧振頻率，并且它連接所述單元的諧振回路以避免環流。這個共用部件優選為至少一個電容器，其優選直接連接到變壓器的原邊繞組。
根據本發明的另一優選實施例，至少兩個單元的第一輸出端各自連接到單獨的第一電感器，該單元的所述第一電感器并聯設置，其中這些并聯的電感器被連接到串聯負載諧振回路的一個單個電容器或串聯或并聯的電容器組。就所述電感器而言，每個單元在它的諧振回路上都是獨立的，但是由于存在連接的共用電容器(或電容器組)，因此兩個單元只有一個真正的諧振回路。典型地，單個電容器或串聯或并聯的電容器組優選直接連接到變壓器的原邊繞組的第一極。
根據本發明的變流器的另一優選實施例，至少兩個單元的第二輸出端各自連接到單獨的第二電感器，所述第二電感器并聯設置并都連接到變壓器的原邊繞組的第二極。
通常，稱為單元的原邊電路包括至少一個對交流輸入電流進行整流的整流器(其可以是二極管橋，但是其也可以是有源可控硅整流器)，并且包括至少一個將得到的直流電流轉換為高頻交流電流的晶體管橋。優選地，三相輸入交流電流在整流器中整流，其中得到的直流電流通過具有兩個導線的DC鏈路輸入到晶體管橋，DC鏈路優選包括濾波器元件，所述濾波器元件例如是兩個導線之間的至少一個電容器和/或在至少一個導線中的可選擇的至少一個電感器(可行的高階濾波)，其中晶體管橋優選為具有至少四個可開關晶體管的H-橋。
根據本發明的變流器的另一實施例，所述變壓器對高頻交流電流進行變換，其中變壓器的副邊繞組連接到至少一個高壓整流器。
典型地，這種變流器的額定功率為20kW以上，優選在20-200kW的范圍內，和/或額定輸出DC電壓高于50kV，優選在50-150kV的范圍內。
此外，本發明還涉及靜電除塵器，其包括上面詳述的變流器。
本發明的其他實施例被概括在從屬權利要求中。
本發明的優選實施例在附圖中示出，其中圖1示出了現有技術的串聯負載諧振變流器的示意性電路；圖2a)示出了現有技術的串聯負載諧振變流器的簡化示意性電路；圖2b)以示意性、簡化顯示的方式示出了模塊化的串聯負載諧振變流器的示意性電路；以及圖3以示意性、具體顯示的方式示出了模塊化的串聯負載諧振變流器的示意性電路。
具體實施例方式
根據本發明，將兩個(或多個)原邊電路22(單元22)連接到變壓器10的原邊繞組18，在所述電路之間保持相等的負載分配。原邊電路22包括輸入整流器6、DC鏈路濾波器7以及晶體管橋8，該原邊電路22被連接到諧振回路。
可行的實施例為(1)在晶體管橋的輸出端處連接，或者(2)在變壓器的原邊處連接，從而每個單元具有一個諧振回路。
此外，(3)在高壓整流器的輸出端處，即完全在負載側連接。
(1)中的負載分配由晶體管的參數控制，其不能由使用者控制。這些參數是通態電壓、開關速度和電感，熱特性也將影響電流分布。因此，這樣的設計缺少靈活性。
(2)中的負載分配由諧振回路的電感器控制。這在適當遠離諧振的頻率下工作時能夠使負載平衡。接近諧振進行工作將達到高度平衡并且往往對諧振回路的元件值靈敏到幾乎無法控制。(2)的另一個缺陷是兩個橋在發生晶體管故障(短路)的情況下被封鎖。
實施例(3)具有與(2)相同的問題，這可以在(3)中由并聯變流器的獨立控制來部分解決。(3)還包括用于并聯變流器的獨立變壓器。
為了說明基本原理，在圖2a)中，首先給出了根據圖1的電路的簡化說明。在這個簡化圖中，原邊電路通常包括整流器6、DC鏈路7和晶體管橋8，并且該原邊電路由一個單個單元22表示。這個單元被連接到串聯諧振回路9，該串聯諧振回路9又連接到變壓器10。變換后的交流電壓由高壓整流器11再次整流。
現在，以下面方式實現模塊化，即基本對所述單元22加倍(或三倍，甚至大量單元22也是可能的)，同時諧振回路至少部分被共有，而變壓器不變。這在圖2b中被示意性示出。諧振回路23的共有以這種方式實現，即，例如為了避免環流，而例如具有至少一個用于諧振回路23的諧振特性的公用關鍵元件。在這種特定情況下，諧振回路由一個單個電容器C′連接，其對于兩個單元22都是有效的，同時每個單元22連接有單獨的電感器L1和L2。在這種特定情況下，不僅存在如圖1中給出的一個電感器，而且在導線中存在一個電感器L1，并且在每個單元22與變壓器10的原邊繞組18的第二極之間的連接中存在一個用于每個單元22的附加電感器L2，其中所述一個電感器L1通過電容器C′連接到變壓器的原邊繞組的第一極。忽略變壓器的原邊繞組18的電感，諧振回路23的相關電感為L1+L2的總和，而諧振回路23的相關電容為C′。通常，將兩個(或多個，在多個單元22的情況下)電感器L1的值選擇為相同，并且同樣將兩個(或多個，在多個單元22的情況下)電感器L2的值選擇為相同，而L1與L2根據需要可以相等或不相等。為了使兩個單元具有相等的諧振頻率，應當選擇L1+L2的總和對于兩個連接都相等。然而，對于特定應用，還有可能期望所述單元22具有略微不同的諧振頻率，因此使兩個單元具有不同的(L1+L2)的值，并相應地具有不同的諧振頻率。
因此，如圖2b所示，提出的方法將諧振電感器分割為兩個相等的部分L1和L2，其連接到橋的引線上。在這些電感器的輸出端進行并聯；通過這樣做，在所有工作頻率下，獲得受控的負載分配。另外，如適當設計的那樣，系統中還設置了冗余，變流器在一個晶體管發生故障的情況下仍然能夠以降低的功率工作。作為示例，圖2示出了兩個單元22，但是本發明可以包括任意數量的變流器。半橋和全橋結構都是可行的實施例。
圖3中給出了更加具體的拓撲結構。在此例中，三相整流橋6由有源受控元件構成，它的控制單元用附圖標記27引用。此外，在該拓撲結構中，在DC鏈路28中，設置了由兩個電容器29和兩個電感器30提供的高階濾波器。晶體管橋8基本上與圖1中所示的晶體管橋相同，然而，在此例中，提供了到負線的附加緩沖電容器32和34。還明確示出了晶體管橋8的控制單元31。此外，還示出了可能的電流傳感器33，其輸出可用于控制。在此例中，電子部件通過兩個套管35連接到變壓器。在圖3顯示的右手側，接著是變壓器的原邊繞組。
附圖標記列表1-3 三相AC干線4 開關5 二極管6 三相整流橋7 DC鏈路8 晶體管橋，H-橋9 串聯諧振回路10 變壓器
11 高壓整流器12 負載，除塵器13 7中的電容器14，15 8中的晶體管16 9中的電感器17 9中的電容器18 10的單個原邊繞組19 10的單個副邊繞組20，21 8和9之間的導線(AC)22 包括6、7、8的單元23 并聯諧振回路24 包括L1的23的導線25 包括L2的23的導線26 11和12之間的導線27 6的控制器28 高階濾波DC鏈路29 28中的高階濾波器的電容器30 28中的高階濾波器的電感器31 8的控制器32 緩沖電容器33 電流傳感器34 緩沖電容器35 到高壓單元的套管L9的電感器C9的電容器L1 23的第一電感器L2 23的第二電感器C′ 23的電容器
權利要求
1.高壓AC-DC或AC-AC變流器，其用于將交流輸入電流(AC，1-3)轉換為高壓直流(DC)或交流(AC)電流，以提供給負載(12)，所述變流器包括用于將所述交流(AC)輸入電流轉換為高頻交流(AC)電流的單元(22)、至少一個用于調節所述高頻交流(AC)電流以滿足所述負載(12)需要的變壓器(10)，其中在所述單元(22)和所述變壓器(10)之間設置諧振回路，其中，存在至少兩個連接到同一變壓器(10)的用于將所述交流(AC)輸入電流轉換為高頻交流(AC)電流的單元(22)。
2.根據權利要求1所述的變流器，其中，所述諧振回路包括串聯連接到所述變壓器(10)的所述原邊繞組(18)的第一極的至少一個第一電感器(L1)和至少一個電容器(C′)，并且其中將所述電容器(C′)設置在所述電感器(L1)和所述變壓器(10)的所述原邊繞組(18)之間。
3.根據權利要求2所述的變流器，其中將第二電感器(L2)設置在至少一個單元(22)和所述變壓器(10)的所述原邊繞組(18)的第二極之間。
4.根據權利要求1或2所述的變流器，其中至少兩個單元(22)耦合到同一串聯負載諧振回路(23)。
5.根據權利要求4所述的變流器，其中，存在由連接到所述變壓器(10)的至少兩個單元(22)所共用的至少一個部件，以隔開所述變壓器(10)的所述原邊繞組(18)，其確定了耦合到所述變壓器的兩個單元(22)的諧振頻率，其中該共用部件優選為至少一個連接到所述變壓器(10)的所述原邊繞組(18)的電容器(C′)。
6.根據前述任一項權利要求所述的變流器，其中至少兩個單元(22)的第一輸出端各自連接到單獨的第一電感器(L1)，所述單元(22)的所述第一電感器(L1)并聯設置，并且其中，這些并聯的電感器(L1)被連接到所述串聯負載諧振回路的一個單個電容器(C′)或串聯或并聯的電容器組。
7.根據權利要求6所述的變流器，其中所述單個電容器(C′)或串聯或并聯的所述電容器組被連接到所述變壓器(10)的所述原邊繞組(18)的第一極。
8.根據前述任一項權利要求所述的變流器，其中至少兩個單元(22)的所述第二輸出端各自連接到單獨的第二電感器(L2)，所述第二電感器(L2)并聯設置，并且都被連接到所述變壓器(10)的所述原邊繞組(18)的第二極。
9.根據前述任一項權利要求所述的變流器，其中所述單元(22)包括至少一個對交流輸入電流進行整流的整流器(6)，并且包括至少一個用于將得到的直流電流轉換為高頻交流電流的晶體管橋(8)。
10.根據權利要求9所述的變流器，其中三相輸入交流電流(1-3)在所述整流器(6)中被整流，其中所述得到的直流電流通過具有兩個導線的包括濾波器元件(13)的DC鏈路(7)輸入到所述晶體管橋(8)，所述濾波器元件優選為所述兩個導線之間的至少一個電容器(13)和任選為所述導線的至少一個中的至少一個電感器，并且其中，所述晶體管橋(8)是具有至少四個可開關的晶體管(14、14′、15、15′)的H-橋。
11.根據前述任一項權利要求所述的變流器，其中所述變壓器(10)轉換所述高頻交流電流，其中所述變壓器(10)的副邊繞組(19)被連接到至少一個高壓整流器(11)。
12.根據前述任一項權利要求所述的變流器，其中它的額定功率大于20kW，優選在20-200kW的范圍內，和/或額定輸出DC電壓大于50kV，優選在50-150kV的范圍內。
13.根據前述任一項權利要求所述的變流器，其中至多兩個單元(22)被連接到一個共用諧振回路(23)。
14.靜電除塵器，其包括根據前述任一項權利要求所述的變流器。
全文摘要
本公開關于高壓AC－DC變流器，其將交流輸入電流(1－3)轉換為高壓直流電流，以便提供給負載(12)，例如，用于給靜電除塵器供電。所述變流器包括用于將交流(AC)輸入電流轉換為高頻交流(AC)電流的單元(22)、至少一個用于調節高頻交流(AC)電流以滿足負載(12)需要的變壓器(10)，其中在所述單元(22)和所述變壓器(10)之間設置了串聯負載諧振回路。實現了拓撲結構的模塊化，即存在至少兩個連接到同一變壓器(10)的單元(22)，以用于將交流(AC)輸入電流轉換為高頻交流(AC)電流。
文檔編號H02M5/44GK101093963SQ20071013798
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月22日 優先權日2006年6月23日
發明者P·A·G·蘭斯塔德 申請人:阿爾斯通技術有限公司