专利名称：高直流电压发电机、发电方法以及使用该发电机的除尘器的制作方法
技术领域：
本发明涉及高直流(DC)电压发电机、发电方法以及使用该发 电机的除尘器。
背景技术：
现有的高DC电压发电机包括
.电流开关单元，适于接收直流作为输入、提供多相电压和电流 作为输出，该电流由相互间有相移的N个周期性电流构成，N个周期 性电流的相移在O到2Tt的弧度内均匀分布，其中2兀对应于周期性电 流的基频f。的一个周期，N是一个大于或等于3的整数，开关单元有 在DC输入点和输出点之间并联的N个支路，每个支路由上半支路和 下半支路通过中点串联而构成，每个中点传送多相电流的相移周期电 流中的相应的一个，每个上半支路或下半支路包括适于在没有电流流 过该半支路的断开状态和电流可在^f壬一方向流过该半支路的导通状 态之间切换的可控开关；
.连接到开关单元的输出的变压器，该变压器适于将多相电压转 换成具有更大幅度的多相高电压；
.连接到变压器的次级的整流器，该整流器适于将来自变压器的 多相高电压变换为整流的高电压；和
.控制单元，用于控制开关单元的开关。
在这些现有的直流发电机中，电流开关单元的开关是双向的，即， 它们双向传输电流。
现有的高直流电压发电机以令人满意的方式工作。然而，现在期 望提高这些发电机的电力效率并在更紧凑和更轻的配置中实现。本发明致力于提供一种具有提高的电力效率和提高的以瓦/千克
(W/kg )为单位的每单位质量的功率(power per unit mass)的高直流电 压发电才几。
发明内容
因此，本发明提供了一种高直流电压发电机，其中 .每个开关包括与二极管串联的可控晶体管以形成单向电流开 关，电 流能够在导通状态下仅从正极端流向负极端；和 .控制单元适用于
.使上半支路的开关只在另一上半支路的开关处于导通 状态时瞬时从导通状态切换到断开状态；
.使下半支路的开关只在另一下半支路的开关处于导通 状态时瞬时从导通状态切换到断开状态。
在上述发电机中，由于只有在并联连接的开关允许DC持续流通 时开关才从导通状态转到断开状态，所以从电流源接收到的DC从未 间断过。通过从不中断DC，有可能避免电压尖峰(voltage peak)， 由此避免出现电流谐波并且不需要滤除这些谐波的设备。这最终有可 能减少发电机的整体尺寸并提高其性能。电流源也使得有可能克服用 于通过相应的二极管对i电容器充电的变压拳的缺点。
此外，为避免在初级绕组之间的寄生耦合，单向电流开关的存在 使得当两个上半支路或两个下半支路中的两个开关同时处于导通状 态时避免在变压器的初级绕组中流过短路电流成为可能。通过避免发 生这种短路电流，限制了电流谐波，并提高了发电机的电力效率。
发电机的实施例可包括如下特征的一个或多个
.控制单元适于使每一个开关在每个时段1/f。内从导通状态转到 断开状态和从断开状态转到导通状态仅仅一次；
271 7T
.控制单元适于使每个开关保持在导通状态不超过i + .基频f。高于1千赫(kHz);
.整流器包括至少一个整流器和电压倍增级，每一级包括.N个输入点Eu，每一个输入点Eu不通过单向电流开关而 连接到来自变压器的高电压的第i相(相位，phase), i是在 1到N的范围中的一个整数；
.一个输入点E2，不通过单向电流开关而连接到多相高电 压的中性(neutral)点；
.N个出口点S"，每个出口点Su不通过单向电流开关而连
接到多相高电压的第i相；
.一个输出点S2，不通过单向电流开关而连接到多相高电压 的中性点，该输出点是整流并倍增的DC电压的输出点；
.N个电容器Cu,每个电容器di不通过单向电流开关而 在输入Eu和输出点Su之间连接；
.N个单向电流开关Iu，每个开关Iu不通过电容器而在输
出点S2和Su之间连接，开关Iu允许电流在整流并倍增的电压为
负时只从输出点S2流到输出点Su、或在整流并倍增的电压为正 时反向流动；
.电容器C2，不通过单向电流开关而在输入点E2和输出点 S2之间连接；
.N个单向电流开关I2i，每个开关12|不通过电容器而在输
出点Su和输入点E2之间连接，开关12;允许电流对负的整流并 倍增的电压只从电容器Cu流到电容器C2、对正的整流并倍增的 电压反向^充动；
.整流器包括串联连接的至少第一和第二整流倍增级，即， 第一级的输出点Su和S2分别直接连接到第二级的输入点E"和 E2,发电机包括一个高DC电压选择器，适用于将第一级的输出 点S2连接到高DC电压输出端，或者可替换地，将第二级的输 出点S2连接到同一高DC电压输出端；
.N等于3,其中变压器有连接成三角形结构的三个初级绕 组，每个初级绕组连接到电流开关单元传递的多相电流的相应 相，其中变压器有连接成星形结构的三个次级绕组，每个次级绕组传递多相高电压的相应相；
.在上半支路或下半支路的开关从断开状态切换为导通状态 的瞬时和另一上半支路或下半支路的开关从导通状态切换为断
开状态的瞬时之间的时间间隔小于3foW o
发电机的这些实施例还具有以下优点
.使每一个开关在每一时间段l/fQ从导通状态切换到断开状 态及相反不多于一次限制了切换次数，从而限制了该发电机产生 的谐波；
27T 7C
.使单向开关保持在导通状态不超过N + 2N的方式消除 了在频率3f。处的电流谐波；
.为开关单元选择大于lkHz的工作频率使得变压器和发电
机更紧凑；
.用单向开关Iu和12j并借助于电容器di和C2构成的整流器
的结构使得电压能以简单的方式同时整流并倍增；
.使用高DC电压选择器使得产生多个不同的高DC电压并
同时提供相同的电功率变得简单；
.对变压器的初级使用三角形结构和对变压器的次级使用星
形结构用来减少电流谐波和具有次级的中性点；
.将在两个不同的上半支路(或两个不同的下半支路)上的 两个可控开关从导通状态切换为断开状态的瞬时之间的时间间 隔选择为小于1/ (3Nf。)，以用来降低电流谐波。 本发明还提供了借助于上述发电机产生高DC电压的方法，该方 法包括以下步骤
.使上半支路的开关只在另一上半支路的开关处于导通状态时瞬 时从导通状态切换到断开状态；
.使下半支路的开关只在另一下半支路的开关处于导通状态时瞬
时从导通状态切换到断开状态。
最后，该发明还提供静电除尘器，包括國上述高DC电压发电机；
-至少一个电极，用于电离烟中的粉尘(灰尘)，该电极连接 到高压发电机；和
國至少一个板，用于吸引电离的粉尘，该板连接到一个参考电势。
当阅读如下仅以非限制性的例子方式给出并参照附图进行的说
明时，本发明将会得到更好的理解。其中
图l是使用高DC电压发电机的静电除尘器的示意图2是说明在图1的除尘器中使用的高DC电压发电机的原理的
电子概略图3是用图2的发电机产生高DC电压的方法的流程图；和 图4至6是控制图2的发电机的开关的信号的时序图。 在图中，使用相同的标示来表示相同的部件。
具体实施例方式
在下面的说明中，对本领域技术人员熟知的特征和功能不进行详 细i兌明。 .
图l示出了配有将减少粉尘的烟雾6释放到大气中的壁炉4的工 业设施(设备)2。该i史施2还包括充有粉尘的烟在其中流动的管道8。 在管道8和烟囱6之间插有至少一个静电除尘器10的罩体 (enclosure)。除尘器10适用于在烟通过烟囱4释放出之前消除存在 于烟中的大比例的灰尘。
通常情况下，除尘器由多个罩体构成，烟相继通过罩体除去其粉 尘。这些罩体也被称为"场"。为了简化图l,只示出了一个罩体12。 该罩体12在一侧与管道8流体连接，另一侧与烟囱4流体连接。
罩体12包括
.电极14，适于电离存在于烟中的粉尘；和.板16，连接到例如在本例中是地面的参考电势，电离的灰尘沉 积在该板上。
在图1中，电离的粉尘用其中标有符号"-"的小云团表示。 烟穿过罩体12流动的方向用箭头F表示。
该除尘器10还包括锤18,该锤适于拍打板16的一面，以分离 积累在板16的另一面上的粉尘。
装料斗20位于垂直低于板16处，以收集在板16被锤18敲击时 变为分离的粉尘。
装料斗旨在将分离的粉尘引到例如诸如卡车22的料斗的容器中。
电极14电连接到负的高DC电压发电机24。这里使用术语"高 电压，，指幅值的绝对值大于10千伏(kV)的DC电压。优选地，产生的 高DC电压的绝对值小于500 kV。
一般来说，发电机24通过数据传输网络26连接到适于控制除尘 器10的操作的监控器28。
图2更具体地示出了发电机24。
一般来说，发电机24连接到可控DC源34。例如，源34是后 面有断路器(chopper)的三相整流器，适用于从电力网传送的三相 交流电(AC)产生带有低抖动(<30%)的DC。在这里，电力网是 配送300至400伏的交流电压、50赫兹到60赫兹范围内的频率的三 相交流电的网络。
一般来说，该源被纳入与包含发电机24的壳体相同的壳体中。
源34传送的DC用箭头I表示。
源34包括正极端36和负极端38。
发电机24依次包括
.电流切换单元40，适于产生三相AC;
.变压器42，适于从切换单元40产生的三相AC来产生高电压 的三相AC;
.整流-倍增器44，适于对变压器42产生的高电压三相AC同时整流和倍增以产生整流并倍增的DC电压；和
.选择器46，适于选择整流并倍增的DC电压作为负的高DC电 压传送给电极14。
开关单元40具有输入点50和用于DC的输出点52,其分别连 接到正极端36和负极端38。
开关单元40还具有三个支路开关54-56，其在点50和52之间并 行连接。
每个支路54-56包括一个中点，分别以标示60-62表示。 中点60至62分别连接到变压器42的相应的初级绕组68-70的 一端64-66。
支路54-56彼此间相同，只是其各自的中点60-62连接到变压器 42的不同的初级绕组上。因此下面只详细^兌明支路54。
支路54包括在点60和点50之间连接的上半支路和在点60和点 52之间连接的下半支路。上半支路和下半支路有标示为74和76的各 自的可控开关，它们只单向输送电流。
以举例的方式，开关74由二极管78与绝缘栅双极晶体管(IGBT ) 80串联构成。二极管78的阳极连接到点50，而二极管78的阴极连 接到晶体管80的集电极。晶体管80的集电极与中点60相连。
以类似的方式，开关76例如由IGBT82与二极管84串联构成。 晶体管82的集电极连接到中点60，该晶体管的发射极连接到二极管 84的阳极。二极管84的阴极连接到点52。
电容器86-88在初级绕组68-70的相应的终端之间并行连接。选 择电容器86-88的电容值以减少渗漏自感效应，并提高变压器的电磁 兼容(EMC)性。
变压器42的初级绕组68-70连接成三角形。初级绕组通过磁芯 90与连接为星形结构的三个次级绕组磁耦合。相连在一起的次级绕组 92-94的一端连接到中性点96，转而连接到地面98。
次级绕组和初级绕组之间的匝数比3_大于10，以侵 使相对地电 压的相幅值增加至少10倍的因数。在这个例子中，选择的比例3_大
ii于或等于27。
次级绕组92-94的另一端直接连接到整流-倍增器44的第一级 102的相应的输入En、 Eu和Eu。
整流-倍增器44由多级串联构成。例如，这里示出了四级102-105。 每一级将使其输入端的三相电压乘以一个预定的系数K。
级102有三个输入点Eu、 E12、 Eu和输入E;i,输入E2通过具有 低电阻的电阻R连接到中性点96,电阻R作为分流用于电流测量。
级102还包括四个输出点Sn， S12， Su和S2。
最后，级102包括
.三个电容器Cu、 Q2和Cu，每一个都有一个板直接连接
到各自的输入点En、 Eu或Eu，其另一个板直接连接到各自的
输出点S 、 S,2或S13;
.三个二极管，分别标示为In、 112和113，每一个的阴极
与各自的输入点Sn、 S,2和Su直接连接，其阳极直接连接到输
出点S2;
.电容器C2， 一侧直接连接到输入点E2，另一侧直接连接
到输出点S2;和
.三个二极管121、 122和123,其阳极直接连接到各自的输 出点Sn、 Su或Sn,其阴极直接连接到输入点E2。 二极管In、 I12、 I13、 I21、 122和123形成单向开关，适于只在单 向传输电流。
在这里，在级102中的二极管的方向选择为在输出S2产生负 的整流和倍增的电压。
之后的级103-105与级102相同，它们一个接一个地串联。所谓 "串联"，应理解为，下一级的输入点En-Eu和E2分别与上一级的输
出点Su-S,3和S2连接。
这些级的每一个的输出点S2连接到选择器46的相应的输入点 110-113。
选择器46包括一个可控开关116，该可控开关可在多个位置之间切换，以便将输入点110-113中选定的一个连接到高DC电压的输 出端120。
输出120通过扼流阻抗(choke impedance) 122连接到发电机 24的高DC电压输出124。
扼流阻抗122由电阻器和电感器形成，配置为在地面和输出124 之间有短路发生时限制电流的幅值。
输出124连接到电极14。
最后，发电机24包括控制单元130。该单元130尤其适用于控 制开关单元40的各个可控开关和适用于控制选择器46。此外，本例 中的单元130还适于控制源34，以控制DC的幅度I及其电压。
单元130通过网络26连接到监控器28,使得监控器28能够远 程控制发电机24的运作。
下面参考图3的方法来描述发电机24的运作。
最初，在步骤150，单元130调整源34以设定DC的幅度I。这 也作为执行对发电机24产生的高DC电压的幅度的一些调整。
然后，在步骤152，单元130控制选择器46以将其输入点110-113 中的一个连接到输出点120。这使得发电机24提供的高DC电压的值 可被选择。不过应注意，与对DC的幅度的操作不同，发电机24提 供的电功率与选择器46中的开关116的位置无关。因此，选择器46 用于选择一个高电压，同时通过输出124提供相同的电功率。
一旦高DC电压被选定，在步骤154，单元130使开关单元40 的支路54-56的开关根据图4至图6中所给的时序图进行切换。
图4至图6分别表示在支路54-56中的开关的切换。在这些图中， 横坐标代表时间t。纵坐标代表开关被发现所处的状态。更精确地， 当信号等于"l"时，上半支路的开关闭合，下半支路的开关断开。当 信号取值"0，，时，下半支路和上半支路的开关都断开。最后，当信号 取值"-l，，时，上半支路的开关断开，下半支路的开关闭合。
图4-6示出了开关单元的操作的仅仅一个周期1/f。。该周期对应 于在图中所示的值27T。如图4-6的时序图中所示，该切换开关40的开关承受全波控制，即，每一个开关在每一个周期中从导通状态切换
到断开状态和从断开状态到导通状态只进行一次。此外，该单元130 只有在另一上半支路中的开关已经在导通的状态下时才使上半支路 中的开关从导通状态切换到断开状态，以避免中断直流。该单元130 对下半支路中的开关也实行同样的策略。因此，源34所产生的直流 电从不中断。
此外，为了限制电流谐波，在将上半支路的开关从断开状态切换 为导通状态之间的时间比将另一个上半支路从导通状态切换为断开 状态的时间早一个时间间隔At。将时间间隔At选得相对于1/fo小。 一般来说，将时间间隔At选得小于1/ (3foN)，并且优选为小于1/ (10foN)，其中N是切换单元40产生的多相电流的相数。在图4-6 中，间隔被放大显示，以便它可以被看到。同样的情况也适用于在下 半支路中的开关的切换。
最后，将每一个开关处于导通的时间选择为等于2兀/3+At，这样， 开关单元消耗的直流I是永久性的。
一般来说，切换开关40操作的基频f()是介于1 kHz和1兆赫 (MHz)的范围内。优选地，所选的频率fo等于变压器42的并行谐振 频率。
可以想到，并行谐振频率是变压器的初级绕组所感知的未加,载阻 抗在最大时的频率。在该频率下，变压器消耗最低的磁化电流。
在这里，频率f。大于10kHz并小于100kHz。
大量的其它的实施例是可能的。例如，开关的单向开关可由晶闸 管制成。二极管78可在IGBT80的上游端或下游端。
整流-倍增器44可被简单的整流器替代，不具有放大DC的能力。 串联的所选变流-放大器的级数是任意的。然而，最好是小于12。
有可能改变发电机24以使它产生正的高DC电压而不是负的高 DC电压。为此，只需将二极管Iu、 112、 113、 121、 122和123改为相同 的但反向连接的二极管即可。
最后，开关单元40可以很容易地改为产生多于三相的多相电流。 在这样的实施例中，变压器42和整流-倍增器44应相应调整。
权利要求
1、一种高DC电压发电机，该发电机包括.电流开关单元(40)，适于接收直流作为输入、提供多相电压和电流作为输出，该电流由相互间有相移的N个周期性电流构成，N个周期性电流的相移在0到2π的弧度的范围内均匀分布，其中2π对应于周期性电流的基频f0的一个周期，N是一个大于或等于3的整数，开关单元有在DC输入和输出点(50，52)之间并联的N个支路(54-56)，每个支路由上半支路和下半支路通过中点(60-62)串联而构成，每个中点传送多相电流的相移周期电流中的相应的一个，每个上半支路或下半支路包括适于在电流流过所述半支路的导通状态和没有电流可在任一方向流过所述半支路的断开状态之间切换的可控开关(74，76)；.连接到开关单元(40)的输出的变压器(42)，该变压器适于将多相电压转换成具有更高幅度的多相高电压；.连接到变压器(42)的次级的整流器(44)，该整流器适于将来自变压器的多相高电压变换为整流的高电压；和.控制单元(130)，用于控制开关单元的开关；该发电机的特征在于.每个开关(74，76)包括与二极管串联的可控晶体管以形成单向电流开关，电流只可以在导通状态下从正极端流向负极端；和.该控制单元(130)适用于.使上半支路的开关(74)只在另一上半支路的开关处于导通状态时瞬时从导通状态切换到断开状态；.使下半支路的开关(76)只在另一下半支路的开关处于导通状态时瞬时从导通状态切换到断开状态。
2、如权利要求l所述的发电机，其特征在于，控制单元(130) 适于使每一个开关(74， 76)在每一个周期1/f。内从导通状态转到断 开状态和从断开状态转到导通状态仅仅一次。
3、 如权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，控制单元(130)2tc 穴适于使每个开关保持在导通状态不超过7 + ;。
4、 如上述权利要求中任一所述的发电机，其特征在于，基频f0 大于1 kHz。
5、 如上述权利要求中任一所述的发电机，其特征在于，整流器 (44)包含至少一个整流器和电压-倍增器级(102-105)，每一级包括.N个输入点E1P每一个输入点Eu不通过单向电流开关而连接 到来自变压器的高电压的第i相，i是在l到N的范围中的一个整数； .一个输入点E2,不通过单向电流开关而连^^妻到多相高电压的中性点；.N个出口点S出每个输出点Su不通过单向电流开关而连接到 多相高电压的第i相；.一个输出点S2，不通过单向电流开关而连接到多相高电压的中 性点，该输出点是整流并倍增的DC电压的输出点；.N个电容器di,每个电容器Cu不通过单向电流开关而在输入 Eu和输出点Su之间连接；.N个单向电流开关Iu，每个开关Iu不通过电容器而在输出点S2 和Su之间连接，开关Iu允许电流只在整流并倍增的电压为负时从输 出点S2流到输出点Su，或在整流并倍增的电压为正时反向流动；.电容器C2，不通过单向电流开关而在输入点E2和输出点S2之间 连接；以及.N个单向电流开关I2i，每个开关I2i不通过电容器而在输出点和输入点E2之间连接，开关Iu允许电流对于负的整流并倍增的电压只从电容器di流到电容器C2，而对于正的整流并倍增的电压反向流 动。
6、 如权利要求5所述的发电机，其特征在于，整流器(44)至 少包括串联的第一和第二整流和倍增级(102-105)，即，第一级的输 出点S"和S2分别直接连接到第二级的输入点En和E2，并且其中发 电机包括一个高DC电压选择器(46)，该高DC电压选择器(46)适用于将第一级的输出点S2连接到高DC电压输出端，或者可替换地， 将第二级的输出点S2连接到同一高DC电压输出端。
7、 如上述权利要求中任一项所述的发电机，其特征在于，N等 于3，并且其中变压器(42 )有连接成三角形的三个初级绕组(68-70 )， 每个初级绕组连接到电流开关单元(40)发送的多相电流的相应相， 并且其中变压器有连接成星形的三个次级绕组(92-94),每个次级绕 组发送多相高电压的相应相。
8、 如上述权利要求中任一项所述的发电机，其特征在于，在上 半支路或下半支路的开关(74, 76)从断开状态切换为导通状态的瞬 时和情况可能是另一上半支路或下半支路的开关从导通状态切换为 断开状态的瞬时之间的时间间隔(At)小于1/ (3f。N)。
9、 一种借助于根据上述任一权利要求的发电机产生高DC电压 的方法，该方法的特征在于，包括以下步骤.使(154)上半支路的开关(74)只在另一上半支路的开关处于 导通状态时瞬时从导通状态切换到断开状态；.使(154)下半支路的开关(76)只在另一下半支路的开关处于 导通状态时瞬时从导通状态切换到断开状态。
10、 一种静电除尘器，包括.高DC电压发电机(24 );; .至少一个电极(14)，适用于电离烟中的粉尘，该电极连4到 高压发电机；和至少一个板(16)，适用于吸引电离的粉尘，该板连接到一个参 考电势；该静电除尘器的特征在于，该电压发电机(24)是依照权利要求 1-8中的一个的。
全文摘要
本发明公开了一种直流高压发电机、发电方法以及使用该发电机的除尘器。该发明涉及直流高压发电机，该直流高压发电机包括直流单向开关(74，76)和能够控制开关操作的驱动器单元(130)，只有当并联的开关是在导通状态时，该驱动器单元才使开关(74)从导通状态转换到断开状态。
文档编号H02M3/24GK101606310SQ200880001818
公开日2009年12月16日 申请日期2008年1月7日 优先权日2007年1月8日
发明者C·托梅 申请人:萨姆斯技术公司