用于静电除尘器的电源的制作方法

专利名称：用于静电除尘器的电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于诸如静电除尘器等高压DC应用的电源。
背景技术：
在很多环境中，尤其是在废气治理方面，静电除尘器(ESP)是非常适 合的灰尘收集器。他们的设计坚固并且非常可靠。而且，他们效率最高。 99.9%以上的分离度是常见的。与织物过滤器相比，由于它们的操作成本低， 并且因功能紊乱而造成的损坏和填塞风险相当小，因此在很多情况下他们 是理所当然的选择。在静电除尘器中，被污染的气体在连接到高压整流器 的电极中传导。通常，这是一种高压变压器，其在初级侧具有晶闸管控制 器，在次级侧具有整流桥。
这种装置连接至普通的AC干线，因此被供以频率为50或60Hz的交 流电。
功率控制通过改变晶闸管的触发角来实现。触发角越小，即，导通周 期越长，则提供给除尘器的电流越多，并且除尘器的电极之间的电压越高。
用于这些ESP的现代电源就是所谓的串联负载谐振变换器(SLR)，其 在保持开关损耗最小的同时允许大功率(典型在10-200kW的范围之内)和 高电压(50-150kVDC)。 R&D的焦点是更高的输出功率。
过去的拓扑结构例如是图1中给出的串联负载谐振变换器SLR。具有 能被开关4单独切换的三相1-3的三相干线由例如包括二极管5的六脉波整 流器6进行整流。然而，该整流器也可以是有源开关整流器。整流后的电 压由DC链路6中的DC链路电容器13平滑。将DC链路电压提供给晶体 管桥8(H-桥)，该晶体管桥8包括四个晶体管14、 14'、 15、 15'。所述桥8 的输出(高频AC电压)经由谐振回路(resonant tank) 9连接到变压器10的 初级。谐振回路9包括串联的电感器16和电容器17以及初级绕组18，这 些元件基本上限定了该谐振回路的谐振频率，相应地，其只能在该谐振频
5率左右合理地工作。变压器10包括初级绕组18和次级绕组19，并且该变 压器IO对提供给负载12(ESP， 50-150kV)的输入电压(干线)进行调整。变压 器10的次级交流电压由高压整流器11整流并提供给负载12。输出电压通 常是负的。
为了增大功率处理能力并建立可扩展设计，采用了模块化。模块化时 的基本问题是控制负载分配，即，确保不同的模块承担相等或精确限定的 负载份额。
高压变压器10是该系统中的关键部件。由于高频操作，因此变压器IO 可以被制造得很小。这样，与低频设计相比，功率密度很高，这导致了大 的电场和对高效率的需求。
通常，将用于ESP电源的变压器浸在油中以便获得适当的电绝缘。并 且，在需要的情况下，使用固态绝缘材料，以便增强系统。
高压、高频AC电场的存在引起了绝缘系统的部分放电(PD)，这种部分 放电会随着时间使系统恶化。
高操作重点关注变压器的寄生部件，这些寄生部件是漏电感器、绕组 电容器和磁化电感器。第一个对操作的影响最大。漏电感器串联连接至谐 振回路电感器，并且在设计中不得不将该漏电感器看作是电路元件。因此， 它需要由设计来控制和限定。

发明内容
因此，本发明的根本目标问题之一在于提供一种改进的高压AC-DC变 换器，该高压AC-DC变换器将交流电变换为提供给负载的高压直流电。
本发明优选通过提供一种包括至少一个变压器的变换器来改进这样的 系统，其中，具体而言，所述变压器在AC侧包括至少一个初级绕组，并且 在DC侧包括至少两个次级绕组。
因此，本发明的一个关键特征在于下列事实在变压器的DC侧设置一 个以上的次级绕组，该变压器变得更加容错，这是由于即便次级侧的一个 绕组被短路，也不会必然导致整个系统的故障。并且，可以确保在次级绕 组之间没有磁耦合。另外，提供一种模块化系统，其允许通过增加或移除 独立的次级绕组来进行扩展或縮减。此外，设置几个独立的次级绕组允许磁心具有尽可能宽的横截面，同 时使得磁心中的磁路的长度尽可能的短。因此，增大了变压器的效率，并 且磁心需要更少的材料，这导致更高的成本效率。
根据变换器的实施例，它是这样的类型包括至少一个用于对交流输 入电流进行整流的整流器(整流器可以是无源型，例如二极管桥，它也可以 是具有有源受控变压器的有源开关型)，它还包括至少一个用于将所获得的 直流电变换为交流电的晶体管桥。所述变压器对所获得的交流电(即，晶 体管桥的输出)进行变压，并且它包括至少两个连接至各自的次级绕组的 高压整流器，其中所述高压整流器的输出电压串联连接。再次，这增大了 系统的模块度，由于每个次级绕组具有其自身的高压整流器，其中每个次 级绕组包括独立的相关联的磁心。此外，由于这种模块化系统，简化了控 制。
本发明的这个方案(即， 一个整流器连接到各自的次级绕组)在中频
至高频范围(例如，20-40 kHz)的高压应用中具有特别的优点。该解决方 案允许在减小部件和材料上的应力的情况下处理功率变换。当将现有技术 的设计应用于高压功率变换时，现有技术的设计将导致体积较大的设计。
根据另一优选实施例，在整流器中，对三相输入交流电(例如，来自于 干线，50或60Hz)进行整流，将获得的直流电经由具有两条导线的DC链 路输入到晶体管桥，其中该DC链路包括滤波器元件，所述滤波器元件优选 由所述两条导线之间的至少一个电容器(也可以是高阶滤波器)给定，并且优 选将该晶体管桥构造成是具有至少四个可开关晶体管或多个四个可开关晶 体管的H桥。
优选地，在所述晶体管桥与所述变压器之间设置谐振回路，所述谐振 回路优选包括至少一个串联谐振器，其具有至少一个电感器和至少一个电 容器。因此，优选地，所述变换器是被称为串联负载谐振变换器(SLR)的类型。
在本发明的另一实施例中，相应地，该变压器包括至少两个磁心，其 中每个次级绕组与独立的磁心相关联。原则上，几个次级绕组可以具有一 个磁心。然而，优选的是每个次级绕组都具有磁心。这会产生不同的特性， 这是因为这样的变压器实际上像独立的初级绕组和独立的次级绕组一样工作。因此，为每个次级绕组提供一个磁心使得该系统真正的模块化并且电 流总是相同的。
如上所述，总体上，每个次级绕组优选连接到独立的高压整流器，并
且所有高压整流器串联连接以增加总的DC电压。
变压器可以具有两个次级绕组；然而，优选具有至少4个次级绕组， 优选具有至少8个次级绕组，以及甚至更优选具有至少16个次级绕组。再 次，为了具有真正的模块性，优选的是在每种情况下，每个次级绕组具 有其自身的独立的磁心。如上所述，这些次级绕组中的每一个优选连接到 独立的高压整流器。
同样地，在初级侧，可以具有若干个绕组，因此，根据另一优选实施 例，变压器包括至少两个初级绕组。
从构成的角度来看，它还是优选的，如果在闭合的磁心周围设置至少 四个次级绕组，那么将初级绕组设置或缠绕成穿过所述磁心的开口。
在这种系统中，可以将初级绕组设置成环，该环包括至少两个线匝， 并且将由至少两个次级绕组和相关联的闭合磁心构成的两个组布置成变压 器的两个基本平行的柱上的同轴层叠体。
给出了另一种结构将初级绕组设置成是两个环，每个环包括至少两 个线匝，其中具有至少8个次级绕组，优选具有16个次级绕组(每个次级绕 组具有相关联的闭合磁心)，并且其中，将四个组布置在变压器的四个基本 平行取向的柱的同轴层叠体中，每个组具有至少两个次级绕组以及相关联 的独立闭合磁心，优选每个组具有至少四个次级绕组以及相关联的独立闭 合磁心。
当然，每个绕组会引起杂散场。为了对相邻的初级绕组的杂散场效应 进行优化消除，可以选择将初级绕组的两个环连通，以便在四柱结构中产 生取向相反且自消除的杂散场。
通常可以至少部分将变压器浸在油中，优选全部浸在油中。
典型地，这种变换器的额定功率高于20 kW，优选在20-200 kW的范 围内，和/或额定输出DC电压高于50kV，优选在50-150kV的范围内。
本发明还涉及将这种变换器用作静电除尘器的电源，因此它还涉及静 电除尘器，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的变换器。
8本发明的其他实施例被概括在从属权利要求中。


在附图中示出了本发明的优选实施例，在附图中
图1示出了根据现有技术的串联负载谐振变换器的示意性电路；
图2示出了变压器结构的示意性电路；
图3示出了变压器的可能四柱结构的透视图4示出了变压器的两柱结构的说明图5示出了变压器的四柱结构的说明图；以及
图6示出了变压器的四柱结构的初级绕组布置的示意图。
具体实施例方式
本发明提出了一种新型结构的变压器绕组和铁心。它还包括高压整流 器。基本原则是将多个高压模块串联连接(例如，在本设计中，16个模块)。 每个模块包括独立的铁心、高压绕组和绝缘材料。每个独立的铁心连接到 高压整流器。整流器的输出串联连接。输出的总和形成总输出电压。放置 这些模块，使得所采用的初级绕组穿过所有模块。主绝缘(初级至次级)例如 由绝缘材料管组成。
例如，可以是两柱结构或四柱结构，其中每个柱由围绕闭合磁心的次 级绕组的层叠体形成。柱的数量不仅影响该设计的物理尺寸、高度宽度比， 而且还影响磁路(漏电感器)的杂散场、双极-四极特性等。
在下文中，将借助示例性实施例来描述本发明，其中应该将该描述解 释为示出了可能的实现方式，而非用于限制后附权利要求的保护范围。图2 示出了在图1给出的拓扑中的变压器结构，并且该图基本上详细描述了图1 中由附图标记10指定的部分。根据本发明，所述变压器是以模块化方式构 造的，即一方面，将初级绕组分成独立的多个初级绕组，在这种情况下， 提供四个独立的初级绕组22、 23、 24和25，它们通过导线20和21连接至 谐振回路9。这些独立的初级绕组22-25串联连接。
同样地，在次级绕组侧，将该结构分成多个独立的元件。因此，对于 每个初级绕组而言，具有多个由附图标记27表示的次级绕组。具体而言，与先前的技术相比，这些次级绕组27中的每一个通过独立的磁心30耦合 至相应的初级绕组。因此，初级绕组与次级绕组之间的串扰不会受具有一 个初始绕组、 一个磁心和几个次级绕组的影响，但是为每个次级绕组提供 了独立的磁心。此外，每个独立的次级绕组27包括它自身的高压整流器， 其中每个高压模块28例如包括二极管桥，并且在控制和平衡需要时，高压 模块28还可以包括相应的附加元件。
所有独立的高压模块28串联连接，其中获得的这些电压相加在一起， 从而形成了最后的总高压，例如，它可以用于静电除尘器的板。
图3示出了这种变压器的可能实现方式的透视图。可以看到具有四个 独立的层叠体，它们彼此平行排列。
这些层叠体中的每一个是闭合磁心的同轴层叠体，次级绕组27缠绕在 所述闭合磁心的周围。在缠绕于磁心周围的次级绕组的开口的中心中，通 常设置绝缘材料管，其中一方面，该绝缘材料管用于将次级绕组与初级绕 组绝缘，另一方面，该绝缘材料管用作支撑结构。初级绕组穿过这些管的 开口，这些管的底端由附图标记35表示，为了清楚起见，在图3中未示出 初级绕组。这四个层叠体由托架结构32固定在一起，该托架结构32本身 附着到盖板31。在该图中，可以看到盖板具有圆形结构，它适用于覆盖有 油的容器，其中整个变压器都浸在油中。在四个侧面，该结构包括托架板 34，在该托架板34上可以安装用于独立的次级绕组27的高压整流器。此 外，它还包括底座33。
不仅可以是图3中给出的四柱结构，而且还可以是图4中给出的两柱 结构。这里，在闭合磁心的周围设置了两个分别由七个次级绕组构成的层 叠体，并且将初级绕组22-25设置成通过这些同轴安装的次级绕组的中心开 口 ，所述初级绕组22-25通过导线20和21连接到谐振回路。在这种情况下， 高压模块28安装在一个单个的侧托架板34上。
在图5中，给出了四柱结构的更加详细的视图。它示出了初级绕组22、 23、 24和25的两个闭合结构。为了对这些初级绕组的杂散场或漏场进行优 化消除，将这些初级绕组连接成使得第一组初级绕组22、 23被提供了与第 二组初级绕组24、 25相反的电流，从而使得这些相邻系统的杂散场彼此抵 消。图6示出了这一点。此外，仅提供了两个侧板34来安装高压模块。
10图6示意性示出了图5中所示的四柱结构的初级绕组的布置。图6以 简化的方式示出了四柱结构，该四柱结构具有由数字1、 2、 3和4表示的 初级绕组，其中输入点A位于绕组1的顶部，输出点B位于绕组3的末端。 在右边，示出了初级绕组的相应示意性布置，即开始于输入点A，结束于 输出点B。通过该布置，每个初级绕组具有两个环。此外，初级绕组的截 面顶视图指示了在四个柱中的电流的方向。
通过以这样一种方式布置初级绕组，使得它们的杂散(漏)场具有相反的 方向，抵消了这些场，从而减小了变压器的总漏磁通。因此，就损耗和体 积而言，可以获得更有效的设计。
附苣3标记列表1-3三相AC干线
4开关
5二极管
6三相整流桥
7DC麟
8晶体管桥，H-桥
9串联谐振回路
10顿器
11高压整流器
12负载，除尘器
137中的电容器
14、158中的晶体管
169中的电
179中的电容器
1810中的单个初级^^且
1910中的单个次级鄉
20、218与9之间的导线(AC)
22-25串联的初级绕组
2611与12之间的导线27 28中的次级绕组
28 高压模块
29 28中的高压整流器
30 27中的3te铁心
31 盖板
32 托架结构
33 底座
34 用于高压整流器的托架板
35 初级绕组的开口
权利要求
1、一种用于将交流电(1-3)变换为提供给负载(12)的高压直流电的高压AC-DC变换器，所述变换器包括至少一个变压器(10)，其中所述变压器包括至少一个位于AC侧的初级绕组(18、22-25)和至少两个位于DC侧的次级绕组(27)，所述变换器进一步包括至少一个用于对交流输入电流进行整流的整流器(6)，所述变换器包括至少一个将所获得的直流电变换为交流电的晶体管桥(8)，所述变压器(10)用于对所获得的交流电进行变压，并且所述变换器包括至少两个连接至每个所述次级绕组(27)的高压整流器(11、29)，其中所述高压整流器(11、29)的输出电压串联连接。
2、 根据权利要求1所述的变换器，其中在所述整流器(6)中，对三相输 入交流电(l-3)进行整流，其中将所获得的直流电经由具有两条导线的DC 链路(7)输入到所述晶体管桥(8)，其中所述DC链路(7)包括滤波器元件(13)， 所述滤波器元件优选由所述两条导线之间的至少一个电容器(13)给定，并且 其中所述晶体管桥(8)是具有至少四个可开关晶体管(14、 14'、 15、 15')的H 桥。
3、 根据权利要求1或2所述的变换器，其中在所述晶体管桥(8)与所述 变压器(10)之间设置谐振回路(9)，所述谐振回路(9)优选包括至少一 个串联谐振器，所述串联谐振器具有至少一个电感器(16)和至少一个电容器 (17)。
4、 根据前述权利要求中的任一项所述的变换器，其中所述变压器(IO) 包括至少两个磁心(30)，其中每个次级绕组(27)优选与独立的磁心(30)相关联。
5、 根据前述权利要求中的任一项所述的变换器，其中每个次级绕组(27) 连接至独立的高压整流器(ll、 29)，并且所有高压整流器(ll、 29)串联连接 以增加总的DC电压。
6、 根据前述权利要求中的任一项所述的变换器，其中所述变压器(IO)包括至少4个次级绕组(27)，优选包括至少8个次级绕组(27)，并且甚至更优选包括至少16个次级绕组(27)，在每种情况下，所述次级绕组(27)优选与相等数量的独立磁心(30)进行组合。
7、 根据前述权利要求中的任一项所述的变换器，其中所述变压器(IO)包括至少两个初级绕组(22-25)。
8、 根据前述权利要求中的任一项所述的变换器，其中在闭合的磁心(30)周围设置至少四个次级绕组(27)，将所述初级绕组(18、 22-25)设置成穿过所述磁心(30)的开口。
9、 根据权利要求8所述的变换器，其中所述初级绕组(18、 22-25)被设置成环，该环包括至少两个线匝，并且其中将由至少两个次级绕组(27)和相关联的闭合磁心(30)构成的两个组布置成所述变压器的两个基本平行的柱上的同轴层叠体。
10、 根据权利要求8所述的变换器，其中所述初级绕组(18、 22-25)被设置成是两个环，每个环包括至少两个线匝，其中具有至少8个次级绕组(27)，优选具有16个次级绕组(27)，并且其中，将四个组布置在所述变压器的四个基本平行取向的柱的同轴层叠体中，每个组具有至少两个次级绕组(27)以及相关联的闭合磁心(30)，优选每个组具有至少四个次级绕组(27)以及相关联的闭合磁心(30)。
11、 权利要求IO所述的变换器，其中所述初级绕组(18、 22-25)的所述两个环相互连接，以在四柱结构中产生取向相反且自消除的杂散场。
12、 根据前述权利要求中的任一项所述的变换器，其中所述变压器至少部分浸在油中，优选全部浸在油中。
13、 根据前述权利要求中的任一项所述的变换器，其中它的额定功率高于20kW,优选在20-200 kW的范围内，和/或额定输出DC电压高于50kV，优选在50-150 kV的范围内。
14、 静电除尘器，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的变换器。
全文摘要
本公开涉及一种用于将交流电(1-3)变换为提供给负载(12)的高压直流电的高压AC-DC变换器，其中该负载(12)例如是静电除尘器。所述变换器包括至少一个变压器(10)，其中所述变压器包括至少一个位于AC侧的初级绕组(18、22-25)和至少两个位于DC侧的次级绕组(27)。所述变换器进一步包括至少一个用于对交流输入电流进行整流的整流器(6)，所述变换器包括至少一个将所获得的直流电变换为交流电的晶体管桥(8)，所述变压器(10)对所获得的交流电进行变压，并且所述变换器包括至少两个连接至每个所述次级绕组(27)的高压整流器(11、29)，其中所述高压整流器(11、29)的输出电压串联连接。
文档编号H02M7/06GK101496269SQ200780027720
公开日2009年7月29日 申请日期2007年6月20日 优先权日2006年6月23日
发明者P·A·G·拉斯特德 申请人:阿尔斯通技术有限公司