高直流电压发电机、发电方法以及使用该发电机的除尘器

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。

说明书

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0到2π的弧度内均匀分布，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任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)的高直流电压发电机。

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电容器充电的变压器的缺点。

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/f₀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；

.控制单元适于使每个开关保持在导通状态不超过

.基频f₀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E_1i，每一个输入点E_1i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_1i，每个出口点S_1i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C_1i，每个电容器C_1i不通过单向电流开关而在输入E_1i和输出点S_1i之间连接；

.N个单向电流开关I_1i，每个开关I_1i不通过电容器而在输出点S₂和S_1i之间连接，开关I_1i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S_1i、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I_2i，每个开关I_2i不通过电容器而在输出点S_1i和输入点E₂之间连接，开关I_2i允许电流对负的整流并倍增的电压只从电容器C_1i流到电容器C₂、对正的整流并倍增的电压反向流动；

.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S_1i和S₂分别直接连接到第二级的输入点E_1i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

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1/f₀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；

.使单向开关保持在导通状态不超过的方式消除了在频率3f₀处的电流谐波；

.为开关单元选择大于1kHz的工作频率使得变压器和发电机更紧凑；

.用单向开关I_1i和I_2i并借助于电容器C_1i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/(3Nf₀)，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：

-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

-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。

附图说明

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1是使用高DC电压发电机的静电除尘器的示意图；

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；

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说明。

图1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。该设施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1，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500kV。

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。因此下面只详细说明支路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IGBT 82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n大于10，以便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n大于或等于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E₁₁、E₁₂和E₁₃。

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E₁₁、E₁₂、E₁₃和输入E₂，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S₁₁，S₁₂，S₁₃和S₂。

最后，级102包括：

.三个电容器C₁₁、C₁₂和C₁₃，每一个都有一个板直接连接到各自的输入点E₁₁、E₁₂或E₁₃，其另一个板直接连接到各自的输出点S₁₁、S₁₂或S₁₃；

.三个二极管，分别标示为I₁₁、I₁₂和I₁₃，每一个的阴极与各自的输入点S₁₁、S₁₂和S₁₃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I₂₁、I₂₂和I₂₃，其阳极直接连接到各自的输出点S₁₁、S₁₂或S₁₃，其阴极直接连接到输入点E₂。

二极管I₁₁、I₁₂、I₁₃、I₂₁、I₂₂和I₂₃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E₁₁-E₁₃和E₂分别与上一级的输出点S₁₁-S₁₃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“1”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“-1”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/f₀。该周期对应于在图中所示的值2π。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Δt。将时间间隔Δt选得相对于1/f₀小。一般来说，将时间间隔Δt选得小于1/(3f₀N)，并且优选为小于1/(10f₀N)，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2π/3+Δt，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f₀是介于1kHz和1兆赫(MHz)的范围内。优选地，所选的频率f₀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f₀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IGBT 80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I₁₁、I₁₂、I₁₃、I₂₁、I₂₂和I₂₃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。