УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРА

Настоящее предложение относится к электротехнике, а именно к источникам питания электрофильтров (ЭФ), представляющих собой нагрузку с ярко выраженной емкостной составляющей.
Такие источники должны обеспечивать необходимую эффективность пылеочистки во всем известном диапазоне удельных электрических сопротивлений пыли, при низких эксплуатационных расходах и удельных энергозатратах на пылеочистку, высокий электрический КПД, надежность источника высоковольтного питания ЭФ в режиме непрерывных штатных пробоев.
Известно высоковольтное устройство униполярного питания [патент № ЕР 0192553, дата опубликования 1986-08-27], которое содержит сетевой мостовой выпрямитель, Г-образный LC - фильтр сетевой нижней частоты, мостовой транзисторный инвертор, выходной последовательный резонансный колебательный контур, повышающий трансформатор, две вторичные обмотки, подсоединенные к своим диодным мостам, параллельно мостам подключены накопительные конденсаторы, которые подключены последовательно, нагрузка подключена к выходным концам последовательно соединенных конденсаторов. Амплитуда выходного напряжения регулируется путем изменения длительности импульса управления транзисторами. Напряжение на нагрузке измеряется с помощью высоковольтного делителя подключенного параллельно нагрузке. Амплитуда напряжения на нагрузке пропорциональна длительности импульсов на управляющих электродах транзисторов. Однако при работе на емкостную нагрузку такое устройство не обеспечивает надежную работу в условиях частых пробоев.
Известно также устройство униполярного питания электрофильтра, принятое в качестве прототипа [патент США № US 5639294, дата опубликования 1997-06-17]. Устройство содержит сетевой мостовой выпрямитель, высокочастотный мостовой транзисторный инвертор, выходной повышающий трансформатор с вторичной обмоткой, подсоединенной к диодному мосту, нагрузка-электрофильтр подключена к диодному мосту через демпфер. Амплитуда выходного напряжения регулируется путем изменения длительности импульса управления транзисторами. Напряжение на нагрузке измеряется
с помощью высоковольтного делителя подключенного параллельно нагрузке, а ток - с помощью шунтового резистора. Амплитуда напряжения на нагрузке пропорциональна длительности импульсов на управляющих электродах транзисторов.
Недостатком этого устройства является то, что сетевое напряжение подается после выпрямителя непосредственно на коммутационные приборы. Такое включение приводит к скачкообразному потреблению энергии из сети при восстановлении напряжения на электрофильтре после пробоя. Частота пробоев 1-0,5 пробоя в секунду. Когда источников питания много, то возникают интенсивные импульсные помехи по сетевому питанию в первичной сети, что снижает надежность работы всей системы. Кроме того наличие резистора в выходной цепи снижает его кпд.
Целью настоящего предложения является повышение надежности и электрического кпд устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для питания электрофильтра, содержащее сетевой трехфазный выпрямитель, включенный на его выходе высокочастотный мостовой транзисторный инвертор, повышающий высокочастотный трансформатор с первичной обмоткой, включенной в диагональ инвертора, и высоковольтной вторичной обмоткой, через выпрямитель связанной с нагрузкой-электрофильтром, датчики напряжения и тока электрофильтра и блок управления, дополнительно введены промежуточный емкостной накопитель, включенный на выходе сетевого выпрямителя и два высокочастотных дросселя, через которые первичная обмотка высокочастотного трансформатора включена в диагональ мостового инвертора. При этом сетевой выпрямитель выполнен управляемым, что позволяет обеспечить максимально возможный кпд зарядного устройства при отсутствии бросков тока в питающей сети. Включение высокочастотных дросселей обеспечивает формирование в высокочастотном трансформаторе тока с пологими фронтами, что повышает кпд устройства. При этом вторичная обмотка высокочастотного трансформатора выполнена секционированной, каждая секция подключена к своему выходному выпрямителю, по входу и выходу зашунтированному соответствующим высокочастотным конденсатором. Это позволяет обеспечить заданную симметричную форму фронтов с учетом влияния паразитных емкостей вводов высокочастотного трансформатора на «землю», что также повышает кпд устройства. Блок управления, связанный входами с датчиками напряжения и тока электрофильтра, а выходами - с управляющими электродами транзисторов инвертора, выполнен с возможностью управления сетевым выпрямителем.
Для пояснения существа предложения на фиг.1 приведена структурно-принципиальная электрическая схема источника с высокочастотной связью с сетью
(ИВЧС), обеспечивающая формирование униполярного высокого напряжения на частоте более 10 кГц. На фиг.2 приведена циклограмма работы основных таймеров системы управления (СУ), на фиг.3 представлена структурно-функциональная схема СУ, а на фиг.4 - осциллограмма напряжения на нагрузке при отработке циклограммы изменения высокого напряжения на ЭФ при штатном пробое ЭФ.
Устройство для питания электрофильтра, схема которого приведена на фиг.1 содержит выпрямитель 5, подключенный к трехфазной сети 1 через дроссели 2, 3, 4. Выпрямитель 5 содержит тиристоры 6. На выходе выпрямителя включен делитель напряжения 8, соединенный с входом 7 блока управления 29. Выход 9 блока управления 29 связан с подмодулятором 10 тиристоров 6. Конденсатор фильтра нижних частот 11 включен на выходе выпрямителя 5 и на входе высокочастотного мостового инвертора 12. Датчик 13 тока зарядки конденсатора 12 связаны с входными клеммами 20 и 0 блока управления 28. Транзисторы 14-17 инвертора 12 через подмодуляторы 18-21 связаны соответственно с выходными клеммами 22-25 блока управления 29. Через дроссели 26, 27 в диагональ мостового инвертора 12 включена первичная обмотка 31 повышающего высокочастотного трансформатора 32, зашунтированная конденсатором 30. Перечисленные выше элементы, кроме обмотки 31, образуют низковольтную часть 28 источника питания. Вторичные обмотки 33, 34, 35 повышающего высоковольтного высокочастотного трансформатора 32 зашунтированы корректирующими конденсаторами 36, 37, 38 и питают выпрямители 39, 40, 41, выходы которых зашунтированы конденсаторами 42, 43, 44, соединенными последовательно и через параллельно соединенные дроссель 45 и резистор 46, а также шунт 47 замкнутыми на нагрузку (ЭФ) 52, содержащую собственную емкость 53 и собственное сопротивление 54. Параллельно нагрузке 52 включен делитель напряжения 48. Шунт 47 и делитель 48 соединены соответственно с входными клеммами 49, 50 блока управления 29. Перечисленные элементы схемы, кроме нагрузки и блока управления, образуют высоковольтную часть 51 источника питания.
В исходном состоянии все коммутаторы силовой схемы закрыты и напряжение на нагрузке равно нулю.
Электрическая схема (фиг.1) работает следующим образом:
- исходное состояние - все напряжения отсутствуют;
- включается сетевое питание устройства 28 напряжением 220/380 В, например частотой 50-60 Гц и подается на клеммы «сеть» 1 на дроссели 2, 3, 4 и далее на регулируемый выпрямитель 6 выпрямительного блока 5 и блока управления (БУ) 29;
- полученное постоянное напряжение с частотой пульсаций 100 Гц заряжает конденсатор фильтра нижних частот 11, поступает на сток транзисторов 14, 16, с помощью делителя 8 определяется уровень выпрямленного напряжения, информация об уровне этого напряжения поступает на блок 29 по каналу 7, имеющего гальваническую развязку с сетью (например оптическому);
- все источники сетевого питания блока 29 заряжаются и устройство готово к пуску;
1
- кнопкой «пуск» (П) на блоке 29 осуществляется пуск устройства (t - фиг.2), при этом блок 29 по каналу связи 9 подает сигнал на подмодулятор 10, который осуществляет формирование отпирающих импульсов с плавно увеличивающейся фазой включения, обеспечивая плавную зарядку до максимального значения силового конденсатора 11, при этом напряжение на закрытых коммутаторах (транзисторах) 14, 15, 16, 17, например, мостовой схемы инвертора 12 плавно увеличивается;
- ток зарядки автоматически поддерживается постоянным, определяется как падение напряжения на резисторе 13 и по каналу 20 с гальванической развязкой передается на блок 29;
2
- когда кончается зарядка конденсатора 11, блок 29 по каналам с гальванической развязкой 22, 23, 24, 25 формирует импульсы управления, например прямоугольной формы минимальной длительности (начиная с момента времени t), которые поступают попарно на подмодуляторы 18, 21 и 19, 20, мостового инвертора 12, при этом длительность импульсов плавно увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на нагрузке, а отсутствие сквозных токов отслеживается автоматически;
- на дросселях 26, 27 конденсаторе 30, и первичной обмотке 31 высокочастотного трансформатора 32, включенных в диагональ мостового инвертора, выделяется это высокочастотное напряжение;
- на вторичных обмотках 33, 34, 35 повышающего высоковольтного высокочастотного трансформатора 32 и корректирующих конденсаторах 36, 37. 38 появляется высокочастотное напряжение повышенной амплитуды, которое с помощью диодных мостов 39, 40, 41 выпрямляется и заряжает соответственно конденсаторы 42, 43, 44;
- выпрямленное постоянное напряжение, полученное на конденсаторах 42, 43, 44, суммируется и получается униполярное постоянное высокое напряжение, которое через дроссель 45 (например, с ферритовым сердечником), резистор 46 и шунт 47, дающий информацию о токе, поступает на высоковольтный делитель 48, дающий информацию о напряжении ЭФ, через каналы с гальванической развязкой 49, 50 сигналы поступают на блок (28), далее высокое напряжение полученное от трансформаторно-выпрямительного
блока 51, поступает на нагрузку 52 (ЭФ) содержащую собственную емкость 53 и собственное сопротивление 54.
- после достижения напряжением своего номинального значения, выставленного заранее уставкой, прекращается увеличение длительности импульса управления транзисторами 22, 23, 24, 25;
- в дальнейшем осуществляется автоматическое изменение длительности импульсов управления при изменении сопротивления нагрузки для поддержания постоянства напряжения на ней, уменьшение длительности при увеличении сопротивления и увеличение длительности при уменьшении сопротивления, кроме того, амплитуда напряжения на нагрузке изменяется согласно заданному ранее алгоритму;
3
- при штатном выключении ИВЧС, снятию сигнала «пуск», сначала отключается регулируемый выпрямитель 5 (время t), а затем, уменьшается длительность импульса управления и после достижения минимальной длительности (время 14), снимается управление с инвертора 12.
Для повышения надежности работы высокочастотного инвертора в условиях регулярных штатных электрических пробоев в электрофильтре используется высокочастотные дроссели 26, 27 включенные в диагональ моста инвертора 12 последовательно с нагрузкой - первичной обмоткой 31 высокочастотного трансформатора 32 и конденсатор 30, включенный параллельно первичной обмотке 31.
Задача блока 28 (фиг.3) - обеспечение работоспособности всех систем высоковольтного устройства, контроль, диагностика и индикация параметров. Блоком 28 осуществляется:
- выработка управляющих импульсов;
- удержание иерархии времени задержек таймеров;
- диагностика режима работы всего устройства;
- автоматическое отслеживание максимального значения амплитуды высокого напряжения на нагрузке согласно заданному ранее в блоке 28 алгоритму управления.
Блок 29 (фиг.3) состоит из двух регуляторов: первый 101 обеспечивает плавную зарядку силового конденсатора, а второй 102 - управление работой инвертора при отработке заданного алгоритма.
Сетевое напряжение 1 поступает на датчик перехода через ноль 104, выходной сигнал которого включает таймер 105 плавного изменения фазы открытия тиристоров блока выпрямителя 5, управление которым осуществляется по фотоусилителя 10 по оптическому каналу 9 световым импульсом после фото излучателя 106. Параметры работы
таймера определяются блоком управления 107 по заданному алгоритму (задающему скорость нарастания напряжения на накопительном конденсаторе 11).
2
Второй регулятор 102 осуществляет плавное уменьшение или увеличение длительности управляющих импульсов транзисторов силового инвертора и таким образом изменение выходного напряжения на нагрузке 52. После подачи команды «Пуск» на включение (время t), включается таймер выдержки 108, который включает генератор частоты повторения импульсов 109 инвертора 12. По каналам 50 и 49 относительно земли (или нулевой шины) осуществляется постоянное определение амплитуды напряжения 110 и тока 111 нагрузки 54. Одновременно по каналу 49 отслеживается устройством 112 число пробоев за единицу времени в нагрузке. Далее с помощью компаратора 113 согласно уставке 114 отслеживается допустимое количество пробоев, а компаратором 115 согласно уставке 116 отслеживается максимально допустимое значение тока нагрузки 54. Максимальное значение напряжения отслеживается компаратором 117 согласно уставке 118. Все три параметра ограничения напряжения на нагрузке поступают на логический элемент 119, который определяет максимально допустимую длительность импульсов управления силовыми транзисторами инвертора 12. Устройство 120 вырабатывает импульсы управления таймерами 121, которые поступают на формирователь длительности импульсов управления 122, и далее на соответствующие оптические устройства управления 123, 124, 125, 126 формирующие оптические каналы управления 22, 23, 24, 25 подмодуляторами 18, 19, 20, 21 транзисторов мостового инвертора 12.
Форма напряжения на нагрузке (фиг.4) представляет собой высокое униполярное напряжение при очень малом уровне пульсаций и определяется, кроме характера нагрузки - заданным алгоритмом управления.
Система управления высоковольтным источником питания с высокочастотной связью обеспечивает автоматическое регулирование по времени амплитуды высокого напряжения отрицательной полярности, подаваемого на ЭФ согласно заложенному ранее в блок 29 алгоритму. Алгоритм управления определяется заранее согласно опытному исследованию электрофизических особенностей пылеочистки конкретного типы пыли и физико-химических параметров твердых частиц пылевоздушной смеси.
Управление работой устройства осуществляется от блока управления 29 вторичным источником питания с высокочастотной связью, его транзисторными коммутаторами 14, 15, 16, 17 через каналы связи 22, 23, 24, 25 посредством: импульсных устройств обеспечивающих гальваническую развязку (разделительных трансформаторов, световодного оптического канала, оптронов или др.).
Амплитуда напряжения питания регулируется путем изменения длительности управляющих импульсов поступающих на транзисторные коммутаторы 14, 15, 16, 17 источника питания с высокочастотной связью, установленных в первичной цепи обмотки 31 высоковольтного высокочастотного трансформатора 32. Выбор параметров индуктивности дросселей 26. 27 в инверторе 12 осуществляется таким образом, чтобы способствовать подавлению высокочастотной составляющей первой гармоники напряжения в первичной обмотке 31 силового высоковольтного трансформатора 32 и выделению основной частоты первой гармоники инвертора 12, а также своим реактивным сопротивлением способствуют ограничению амплитуды тока транзисторов при коротком замыкании во вторичной обмотке межу собой или на землю.
Силовой выпрямитель обеспечивает выпрямление сетевого напряжения, которое подается на «мостовую» схему 3 высокочастотного инвертора 18 устройства для питания электрофильтра. Включение транзисторов 14, 15, 16, 17 осуществляется попарно таким образом, чтобы через первичную обмотку 31 высоковольтного высокочастотного трансформатора 32 проходил ток переменного направления.
1
2
3
1
5
2
6
7
3
8
9
1
5
2
3
7
3
10
Амплитуда напряжения (фиг.4) U, U, U на нагрузке (ЭФ) 54 постоянно измеряется с помощью высоковольтного делителя 48. После достижения первого максимального значения U через время Δt, блок 29 прекращает быстрое увеличения длительности импульса, управляющего силовыми транзисторами 14, 15, 16, 17 инвертора 12, таким образом, переходя к дальнейшему плавному увеличению длительности до максимального значения U. Через время Δt скорость увеличения длительности управляющих импульсов транзисторами 14, 15, 16, 17 уменьшается еще больше. Через время Δt длительность управляющих импульсов, а, соответственно, и амплитуда напряжения на нагрузке U становятся настолько большими, что ЭФ пробивается, и емкость ЭФ коронирующий электрод - осадительный электрод разряжается, за время разряда в ЭФ Δt напряжение спадает практически до нуля. Через время де ионизации пыле воздушного потока Δt между электродами ЭФ напряжение опять начинает нарастать. Нарастает до уровня U в течение времени Δt. В дальнейшем весь процесс увеличения длительности управляющих импульсов, а соответственно и напряжения на ЭФ U повторяется до момента нового пробоя при напряжении U. Длительность Δt времени работы ЭФ в этих циклах каждый раз от пробоя к пробою изменяется таким образом, чтобы поддерживать максимально возможное напряжение U на ЭФ. Время отсутствия напряжения Δt должно быть как можно меньше так как ЭФ в это время не работает. Пробой в ЭФ должен носить искровой характер, то есть в момент пробоя отключается высокочастотный инвертор 12.
3
3
Устройство ограничения максимального напряжения U и тока ЭФ работает таким образом, что увеличение длительности импульсов управления прекращается тогда, когда какой-либо из параметров: максимальное пробивное напряжение, ток, число пробоев в единицу времени достигнет заданного заранее уставкой значения. Блок 29 обеспечивает накопление импульсов пробоя при напряжении U в ЭФ путем преобразования количества импульсов в логическое напряжение. Если количество импульсов (логическое напряжение) больше заданных, то это также способствует прекращению увеличения длительности импульса управления транзисторами 14, 15, 16, 17.