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(fā)明涉及用于諸如靜電除塵器等高壓DC應用的電源。
背景技術：
在很多環(huán)境中，尤其是在廢氣治理方面，靜電除塵器(ESP)是非常適 合的灰塵收集器。他們的設計堅固并且非?？煽俊６?，他們效率最高。 99.9%以上的分離度是常見的。與織物過濾器相比，由于它們的操作成本低， 并且因功能紊亂而造成的損壞和填塞風險相當小，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 的電極中傳導。通常，這是一種高壓變壓器，其在初級側具有晶閘管控制 器，在次級側具有整流橋。
這種裝置連接至普通的AC干線，因此被供以頻率為50或60Hz的交 流電。
功率控制通過改變晶閘管的觸發(fā)角來實現(xiàn)。觸發(fā)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(xiàn)代電源就是所謂的串聯(lián)負載諧振變換器(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(50-150kVDC)。 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(lián)負載諧振變換器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。將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)經由諧振回路(resonant tank) 9連接到變壓器10的 初級。諧振回路9包括串聯(lián)的電感器16和電容器17以及初級繞組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
5率左右合理地工作。變壓器10包括初級繞組18和次級繞組19，并且該變 壓器IO對提供給負載12(ESP， 50-150kV)的輸入電壓(干線)進行調整。變壓 器10的次級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。
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，確保不同的模塊承擔相等或精確限定的 負載份額。
高壓變壓器10是該系統(tǒng)中的關鍵部件。由于高頻操作，因此變壓器IO 可以被制造得很小。這樣，與低頻設計相比，功率密度很高，這導致了大 的電場和對高效率的需求。
通常，將用于ESP電源的變壓器浸在油中以便獲得適當?shù)碾娊^緣。并 且，在需要的情況下，使用固態(tài)絕緣材料，以便增強系統(tǒng)。
高壓、高頻AC電場的存在引起了絕緣系統(tǒng)的部分放電(PD)，這種部分 放電會隨著時間使系統(tǒng)惡化。
高操作重點關注變壓器的寄生部件，這些寄生部件是漏電感器、繞組 電容器和磁化電感器。第一個對操作的影響最大。漏電感器串聯(lián)連接至諧 振回路電感器，并且在設計中不得不將該漏電感器看作是電路元件。因此， 它需要由設計來控制和限定。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的根本目標問題之一在于提供一種改進的高壓AC-DC變 換器，該高壓AC-DC變換器將交流電變換為提供給負載的高壓直流電。
本發(fā)明優(yōu)選通過提供一種包括至少一個變壓器的變換器來改進這樣的 系統(tǒng)，其中，具體而言，所述變壓器在AC側包括至少一個初級繞組，并且 在DC側包括至少兩個次級繞組。
因此，本發(fā)明的一個關鍵特征在于下列事實在變壓器的DC側設置一 個以上的次級繞組，該變壓器變得更加容錯，這是由于即便次級側的一個 繞組被短路，也不會必然導致整個系統(tǒng)的故障。并且，可以確保在次級繞 組之間沒有磁耦合。另外，提供一種模塊化系統(tǒng)，其允許通過增加或移除 獨立的次級繞組來進行擴展或縮減。此外，設置幾個獨立的次級繞組允許磁心具有盡可能寬的橫截面，同 時使得磁心中的磁路的長度盡可能的短。因此，增大了變壓器的效率，并 且磁心需要更少的材料，這導致更高的成本效率。
根據(jù)變換器的實施例，它是這樣的類型包括至少一個用于對交流輸 入電流進行整流的整流器(整流器可以是無源型，例如二極管橋，它也可以 是具有有源受控變壓器的有源開關型)，它還包括至少一個用于將所獲得的 直流電變換為交流電的晶體管橋。所述變壓器對所獲得的交流電(即，晶 體管橋的輸出)進行變壓，并且它包括至少兩個連接至各自的次級繞組的 高壓整流器，其中所述高壓整流器的輸出電壓串聯(lián)連接。再次，這增大了 系統(tǒng)的模塊度，由于每個次級繞組具有其自身的高壓整流器，其中每個次 級繞組包括獨立的相關聯(lián)的磁心。此外，由于這種模塊化系統(tǒng)，簡化了控 制。
本發(fā)明的這個方案(即， 一個整流器連接到各自的次級繞組)在中頻
至高頻范圍(例如，20-40 kHz)的高壓應用中具有特別的優(yōu)點。該解決方 案允許在減小部件和材料上的應力的情況下處理功率變換。當將現(xiàn)有技術 的設計應用于高壓功率變換時，現(xiàn)有技術的設計將導致體積較大的設計。
根據(jù)另一優(yōu)選實施例，在整流器中，對三相輸入交流電(例如，來自于 干線，50或60Hz)進行整流，將獲得的直流電經由具有兩條導線的DC鏈 路輸入到晶體管橋，其中該DC鏈路包括濾波器元件，所述濾波器元件優(yōu)選 由所述兩條導線之間的至少一個電容器(也可以是高階濾波器)給定，并且優(yōu) 選將該晶體管橋構造成是具有至少四個可開關晶體管或多個四個可開關晶 體管的H橋。
優(yōu)選地，在所述晶體管橋與所述變壓器之間設置諧振回路，所述諧振 回路優(yōu)選包括至少一個串聯(lián)諧振器，其具有至少一個電感器和至少一個電 容器。因此，優(yōu)選地，所述變換器是被稱為串聯(lián)負載諧振變換器(SLR)的類型。
在本發(fā)明的另一實施例中，相應地，該變壓器包括至少兩個磁心，其 中每個次級繞組與獨立的磁心相關聯(lián)。原則上，幾個次級繞組可以具有一 個磁心。然而，優(yōu)選的是每個次級繞組都具有磁心。這會產生不同的特性， 這是因為這樣的變壓器實際上像獨立的初級繞組和獨立的次級繞組一樣工作。因此，為每個次級繞組提供一個磁心使得該系統(tǒng)真正的模塊化并且電 流總是相同的。
如上所述，總體上，每個次級繞組優(yōu)選連接到獨立的高壓整流器，并
且所有高壓整流器串聯(lián)連接以增加總的DC電壓。
變壓器可以具有兩個次級繞組；然而，優(yōu)選具有至少4個次級繞組， 優(yōu)選具有至少8個次級繞組，以及甚至更優(yōu)選具有至少16個次級繞組。再 次，為了具有真正的模塊性，優(yōu)選的是在每種情況下，每個次級繞組具 有其自身的獨立的磁心。如上所述，這些次級繞組中的每一個優(yōu)選連接到 獨立的高壓整流器。
同樣地，在初級側，可以具有若干個繞組，因此，根據(jù)另一優(yōu)選實施 例，變壓器包括至少兩個初級繞組。
從構成的角度來看，它還是優(yōu)選的，如果在閉合的磁心周圍設置至少 四個次級繞組，那么將初級繞組設置或纏繞成穿過所述磁心的開口。
在這種系統(tǒng)中，可以將初級繞組設置成環(huán)，該環(huán)包括至少兩個線匝， 并且將由至少兩個次級繞組和相關聯(lián)的閉合磁心構成的兩個組布置成變壓 器的兩個基本平行的柱上的同軸層疊體。
給出了另一種結構將初級繞組設置成是兩個環(huán)，每個環(huán)包括至少兩 個線匝，其中具有至少8個次級繞組，優(yōu)選具有16個次級繞組(每個次級繞 組具有相關聯(lián)的閉合磁心)，并且其中，將四個組布置在變壓器的四個基本 平行取向的柱的同軸層疊體中，每個組具有至少兩個次級繞組以及相關聯(lián) 的獨立閉合磁心，優(yōu)選每個組具有至少四個次級繞組以及相關聯(lián)的獨立閉 合磁心。
當然，每個繞組會引起雜散場。為了對相鄰的初級繞組的雜散場效應 進行優(yōu)化消除，可以選擇將初級繞組的兩個環(huán)連通，以便在四柱結構中產 生取向相反且自消除的雜散場。
通?？梢灾辽俨糠謱⒆儔浩鹘谟椭?，優(yōu)選全部浸在油中。
典型地，這種變換器的額定功率高于20 kW，優(yōu)選在20-200 kW的范 圍內，和/或額定輸出DC電壓高于50kV，優(yōu)選在50-150kV的范圍內。
本發(fā)明還涉及將這種變換器用作靜電除塵器的電源，因此它還涉及靜 電除塵器，其包括根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的變換器。
8本發(fā)明的其他實施例被概括在從屬權利要求中。


在附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在附圖中
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的串聯(lián)負載諧振變換器的示意性電路；
圖2示出了變壓器結構的示意性電路；
圖3示出了變壓器的可能四柱結構的透視圖4示出了變壓器的兩柱結構的說明圖5示出了變壓器的四柱結構的說明圖；以及
圖6示出了變壓器的四柱結構的初級繞組布置的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出了一種新型結構的變壓器繞組和鐵心。它還包括高壓整流 器。基本原則是將多個高壓模塊串聯(lián)連接(例如，在本設計中，16個模塊)。 每個模塊包括獨立的鐵心、高壓繞組和絕緣材料。每個獨立的鐵心連接到 高壓整流器。整流器的輸出串聯(lián)連接。輸出的總和形成總輸出電壓。放置 這些模塊，使得所采用的初級繞組穿過所有模塊。主絕緣(初級至次級)例如 由絕緣材料管組成。
例如，可以是兩柱結構或四柱結構，其中每個柱由圍繞閉合磁心的次 級繞組的層疊體形成。柱的數(shù)量不僅影響該設計的物理尺寸、高度寬度比， 而且還影響磁路(漏電感器)的雜散場、雙極-四極特性等。
在下文中，將借助示例性實施例來描述本發(fā)明，其中應該將該描述解 釋為示出了可能的實現(xiàn)方式，而非用于限制后附權利要求的保護范圍。圖2 示出了在圖1給出的拓撲中的變壓器結構，并且該圖基本上詳細描述了圖1 中由附圖標記10指定的部分。根據(jù)本發(fā)明，所述變壓器是以模塊化方式構 造的，即一方面，將初級繞組分成獨立的多個初級繞組，在這種情況下， 提供四個獨立的初級繞組22、 23、 24和25，它們通過導線20和21連接至 諧振回路9。這些獨立的初級繞組22-25串聯(lián)連接。
同樣地，在次級繞組側，將該結構分成多個獨立的元件。因此，對于 每個初級繞組而言，具有多個由附圖標記27表示的次級繞組。具體而言，與先前的技術相比，這些次級繞組27中的每一個通過獨立的磁心30耦合 至相應的初級繞組。因此，初級繞組與次級繞組之間的串擾不會受具有一 個初始繞組、 一個磁心和幾個次級繞組的影響，但是為每個次級繞組提供 了獨立的磁心。此外，每個獨立的次級繞組27包括它自身的高壓整流器， 其中每個高壓模塊28例如包括二極管橋，并且在控制和平衡需要時，高壓 模塊28還可以包括相應的附加元件。
所有獨立的高壓模塊28串聯(lián)連接，其中獲得的這些電壓相加在一起， 從而形成了最后的總高壓，例如，它可以用于靜電除塵器的板。
圖3示出了這種變壓器的可能實現(xiàn)方式的透視圖?？梢钥吹骄哂兴膫€ 獨立的層疊體，它們彼此平行排列。
這些層疊體中的每一個是閉合磁心的同軸層疊體，次級繞組27纏繞在 所述閉合磁心的周圍。在纏繞于磁心周圍的次級繞組的開口的中心中，通 常設置絕緣材料管，其中一方面，該絕緣材料管用于將次級繞組與初級繞 組絕緣，另一方面，該絕緣材料管用作支撐結構。初級繞組穿過這些管的 開口，這些管的底端由附圖標記35表示，為了清楚起見，在圖3中未示出 初級繞組。這四個層疊體由托架結構32固定在一起，該托架結構32本身 附著到蓋板31。在該圖中，可以看到蓋板具有圓形結構，它適用于覆蓋有 油的容器，其中整個變壓器都浸在油中。在四個側面，該結構包括托架板 34，在該托架板34上可以安裝用于獨立的次級繞組27的高壓整流器。此 外，它還包括底座33。
不僅可以是圖3中給出的四柱結構，而且還可以是圖4中給出的兩柱 結構。這里，在閉合磁心的周圍設置了兩個分別由七個次級繞組構成的層 疊體，并且將初級繞組22-25設置成通過這些同軸安裝的次級繞組的中心開 口 ，所述初級繞組22-25通過導線20和21連接到諧振回路。在這種情況下， 高壓模塊28安裝在一個單個的側托架板34上。
在圖5中，給出了四柱結構的更加詳細的視圖。它示出了初級繞組22、 23、 24和25的兩個閉合結構。為了對這些初級繞組的雜散場或漏場進行優(yōu) 化消除，將這些初級繞組連接成使得第一組初級繞組22、 23被提供了與第 二組初級繞組24、 25相反的電流，從而使得這些相鄰系統(tǒng)的雜散場彼此抵 消。圖6示出了這一點。此外，僅提供了兩個側板34來安裝高壓模塊。
10圖6示意性示出了圖5中所示的四柱結構的初級繞組的布置。圖6以 簡化的方式示出了四柱結構，該四柱結構具有由數(shù)字1、 2、 3和4表示的 初級繞組，其中輸入點A位于繞組1的頂部，輸出點B位于繞組3的末端。 在右邊，示出了初級繞組的相應示意性布置，即開始于輸入點A，結束于 輸出點B。通過該布置，每個初級繞組具有兩個環(huán)。此外，初級繞組的截 面頂視圖指示了在四個柱中的電流的方向。
通過以這樣一種方式布置初級繞組，使得它們的雜散(漏)場具有相反的 方向，抵消了這些場，從而減小了變壓器的總漏磁通。因此，就損耗和體 積而言，可以獲得更有效的設計。
附苣3標記列表1-3三相AC干線
4開關
5二極管
6三相整流橋
7DC麟
8晶體管橋，H-橋
9串聯(lián)諧振回路
10頓器
11高壓整流器
12負載，除塵器
137中的電容器
14、158中的晶體管
169中的電
179中的電容器
1810中的單個初級^^且
1910中的單個次級鄉(xiāng)
20、218與9之間的導線(AC)
22-25串聯(lián)的初級繞組
2611與12之間的導線27 28中的次級繞組
28 高壓模塊
29 28中的高壓整流器
30 27中的3te鐵心
31 蓋板
32 托架結構
33 底座
34 用于高壓整流器的托架板
35 初級繞組的開口
權利要求
1、一種用于將交流電(1-3)變換為提供給負載(12)的高壓直流電的高壓AC-DC變換器，所述變換器包括至少一個變壓器(10)，其中所述變壓器包括至少一個位于AC側的初級繞組(18、22-25)和至少兩個位于DC側的次級繞組(27)，所述變換器進一步包括至少一個用于對交流輸入電流進行整流的整流器(6)，所述變換器包括至少一個將所獲得的直流電變換為交流電的晶體管橋(8)，所述變壓器(10)用于對所獲得的交流電進行變壓，并且所述變換器包括至少兩個連接至每個所述次級繞組(27)的高壓整流器(11、29)，其中所述高壓整流器(11、29)的輸出電壓串聯(lián)連接。
2、 根據(jù)權利要求1所述的變換器，其中在所述整流器(6)中，對三相輸 入交流電(l-3)進行整流，其中將所獲得的直流電經由具有兩條導線的DC 鏈路(7)輸入到所述晶體管橋(8)，其中所述DC鏈路(7)包括濾波器元件(13)， 所述濾波器元件優(yōu)選由所述兩條導線之間的至少一個電容器(13)給定，并且 其中所述晶體管橋(8)是具有至少四個可開關晶體管(14、 14'、 15、 15')的H 橋。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的變換器，其中在所述晶體管橋(8)與所述 變壓器(10)之間設置諧振回路(9)，所述諧振回路(9)優(yōu)選包括至少一 個串聯(lián)諧振器，所述串聯(lián)諧振器具有至少一個電感器(16)和至少一個電容器 (17)。
4、 根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的變換器，其中所述變壓器(IO) 包括至少兩個磁心(30)，其中每個次級繞組(27)優(yōu)選與獨立的磁心(30)相關聯(lián)。
5、 根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的變換器，其中每個次級繞組(27) 連接至獨立的高壓整流器(ll、 29)，并且所有高壓整流器(ll、 29)串聯(lián)連接 以增加總的DC電壓。
6、 根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的變換器，其中所述變壓器(IO)包括至少4個次級繞組(27)，優(yōu)選包括至少8個次級繞組(27)，并且甚至更優(yōu)選包括至少16個次級繞組(27)，在每種情況下，所述次級繞組(27)優(yōu)選與相等數(shù)量的獨立磁心(30)進行組合。
7、 根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的變換器，其中所述變壓器(IO)包括至少兩個初級繞組(22-25)。
8、 根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的變換器，其中在閉合的磁心(30)周圍設置至少四個次級繞組(27)，將所述初級繞組(18、 22-25)設置成穿過所述磁心(30)的開口。
9、 根據(jù)權利要求8所述的變換器，其中所述初級繞組(18、 22-25)被設置成環(huán)，該環(huán)包括至少兩個線匝，并且其中將由至少兩個次級繞組(27)和相關聯(lián)的閉合磁心(30)構成的兩個組布置成所述變壓器的兩個基本平行的柱上的同軸層疊體。
10、 根據(jù)權利要求8所述的變換器，其中所述初級繞組(18、 22-25)被設置成是兩個環(huán)，每個環(huán)包括至少兩個線匝，其中具有至少8個次級繞組(27)，優(yōu)選具有16個次級繞組(27)，并且其中，將四個組布置在所述變壓器的四個基本平行取向的柱的同軸層疊體中，每個組具有至少兩個次級繞組(27)以及相關聯(lián)的閉合磁心(30)，優(yōu)選每個組具有至少四個次級繞組(27)以及相關聯(lián)的閉合磁心(30)。
11、 權利要求IO所述的變換器，其中所述初級繞組(18、 22-25)的所述兩個環(huán)相互連接，以在四柱結構中產生取向相反且自消除的雜散場。
12、 根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的變換器，其中所述變壓器至少部分浸在油中，優(yōu)選全部浸在油中。
13、 根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的變換器，其中它的額定功率高于20kW,優(yōu)選在20-200 kW的范圍內，和/或額定輸出DC電壓高于50kV，優(yōu)選在50-150 kV的范圍內。
14、 靜電除塵器，其包括根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的變換器。
全文摘要
本公開涉及一種用于將交流電(1-3)變換為提供給負載(12)的高壓直流電的高壓AC-DC變換器，其中該負載(12)例如是靜電除塵器。所述變換器包括至少一個變壓器(10)，其中所述變壓器包括至少一個位于AC側的初級繞組(18、22-25)和至少兩個位于DC側的次級繞組(27)。所述變換器進一步包括至少一個用于對交流輸入電流進行整流的整流器(6)，所述變換器包括至少一個將所獲得的直流電變換為交流電的晶體管橋(8)，所述變壓器(10)對所獲得的交流電進行變壓，并且所述變換器包括至少兩個連接至每個所述次級繞組(27)的高壓整流器(11、29)，其中所述高壓整流器(11、29)的輸出電壓串聯(lián)連接。
文檔編號H02M7/06GK101496269SQ200780027720
公開日2009年7月29日 申請日期2007年6月20日 優(yōu)先權日2006年6月23日
發(fā)明者P·A·G·拉斯特德 申請人:阿爾斯通技術有限公司