DE10328586A1

DE10328586A1 - Elektrostatisches Filter mit Durchschlagerkennung

Info

Publication number: DE10328586A1
Application number: DE2003128586
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Grass
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2005-01-20
Also published as: WO2004112965A1; EP1635951A1

Abstract

Eine elektrostatische Filteranordnung weist eine Überwachungseinrichtung auf, um zu erkennen, ob in dem Filter Durchschläge erfolgt sind. Die Durchschläge wirken wie Kurzschlüsse in einem Kondensator und würden Bauteile in der elektrischen Stromversorgung überlasten. Die zentrale Überwachungsschaltung erkennt solche Durchschläge und verhindert durch entsprechendes Einsteuern eine Überlastung.

Description

Elektrostatische Filter werden dazu verwendet, Partikel aus einem Gasstrom auf einer Oberfläche abzuscheiden. Hierzu lässt man den zu filternden Gasstrom zwischen Filterplatten hindurch streichen, zwischen denen ein starkes elektrisches Feld herrscht. Mit Hilfe von überlagerten Spannungsbursts, d.h. einer kurzzeitigen Erhöhung des elektrischen Potentials, wird an den Platten eine Koronaentladung erzeugt, um Ladungsträger auf die abzuscheidenden Partikel zu transportieren. Nach dem Verschwinden des Spannungsimpulses wandern die aufgeladenen Partikel in Richtung auf die Platte mit der umgekehrten Polarität.

Den Grundaufbau eines solchen elektrostatischen Filters zeigt beispielsweise die EP 1 119 912 B1 .

Zu den Platten des Filters ist eine Hochspannungsquelle parallel geschaltet. Die zusätzlichen Spannungsimpulse werden mit Hilfe eines Serienschwingkreises erzeugt, der zu dem Filter parallel liegt. Aus elektrischer Sicht bildet das Filter einen Kondensator mit ca. 100 nF. Der Serienschwingkreis enthält einen Ladekondensator mit ca. 1 μF, dem seinerseits eine Hochspannungsladeschaltung zugeordnet ist. Sobald der Kondensator aufgeladen ist, wird er über die Induktivität des Serienschwingkreises mit Hilfe eines gesteuerten elektronischen Schalters an das Filter angelegt. Es findet ein Umschwingvorgang statt, der das Filter auf eine wesentliche höhere Spannung als die Ruhespannung auflädt. Hierdurch wird die oben erwähnte Koronaentladung erzeugt.

Sobald der Umschwingvorgang abgeschlossen ist, findet über Freilaufdioden ein Rückschwingen der elektrischen Energie statt, das beendet ist, wenn die Spannung an dem Filter gleich der Ruhespannung ist. Der Ladekondensator weist an schließend eine Spannung auf, die etwas geringer ist als die Spannung vor dem Beginn des Umschwingvorgangs.

Die elektronischen Schalter, die dazu verwendet werden um für den Umschwingvorgang den Stromkreis zu schießen, müssen eine sehr hohe Spannung aushalten. Wenn hierzu IGBTs verwendet werden, muss eine Vielzahl von IGBTs in Serie geschaltet sein, weil jeder Einzelne keine ausreichende Sperrspannung aufweist.

Wegen der hohen transienten Spannung beim Schalten tritt auch bei kleinen Strömen im Normalbetrieb eine hohe Verlustleistung an den aktiven Bauelementen auf. Die aktiven Bauelemente sind zwar thermisch träge und ölgekühlt, können aber dennoch überlastet werden, wenn trotz thermischer Trägheit die Überlastung zu lange anhält.

Das Überschreiten der Verlustleistungsgrenze tritt auf, wenn in dem Filter elektrische Durchschläge erfolgen. Unter diesen Umständen sollte die Impulsladeschaltung, die für die überhöhte Filterspannung sorgt, nicht mehr aktiviert werden.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung eine elektrostatische Filteranordnung zu schaffen, bei der die Gefahr einer thermischen Zerstörung der aktiven Bauelemente zur Folge eines Filterdurchschlags beseitigt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Filteranordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der neuen elektrostatischen Filteranordnung ist eine Spannungsquelle vorgesehen, die für die Platten des Filters die Grundvorspannung liefert. Die Spannungspeaks zum Aufladen der Partikel im Aerosol werden mit Hilfe einer zweiten Spannungsquelle erzeugt, die nach Art eines Schaltnetzteils arbeitet.

In der gesamten Anordnung sind Mittel vorgesehen, die bei einem Durchschlag des Filters den dabei auftretenden erhöhten Strom erfassen. Dieses Signal wird an eine zentrale Steuereinrichtung weitergeleitet, die sodann für das Stillegen des Filters sorgt, um ein Ausweiten des Schadens zu verhindern.

Die Mittel zur Erkennung von Durchschlägen im Filter können Strommessmittel umfassen, die den Strom erfassen der fließt, wenn eine erhöhte Spannung in dem Filter erzeugt werden soll. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, den Strom aus einem Trennkondensator zu erfassen, der auftritt, wenn das Filter durchschlägt. Der Trennkondensator trennt die erste Spannungsquelle galvanisch von der Impulsladeschaltung.

Eine einfache Impulsladeschaltung umfasst einen Serienschwingkreis aus wenigstens einer Ladekapazität und wenigstens einer Induktivität sowie eine Kette von steuerbaren elektronischen Schaltern, die mit den Serienschwingkreis eines Serienschaltung bilden, die zu dem elektrostatischen Filter parallel geschaltet ist. Dabei kann die zweite Spannungsquelle zu der Kette aus elektronischen Schaltern parallel liegen.

Der erste oder Trennkondensator liegt zwischen dem Serienschwingkreis und dem Filter, so dass ein Entladestrom aus diesem Kondensator fließt, wenn das Filter durchschlägt.

Dabei kann zum Laden des Kondensators aus dem Serienschwingkreis die Ladediode zu der Serienschaltung aus der Kette von elektronischen Schaltern und dem Schwingkreiskondensator parallel liegen.

Im einfachsten Falle ist zur Durchschlagserkennung ein Sensorwiderstand in Serie mit der Ladediode geschaltet.

Ein weiterer Sensorwiderstand kann in Serie zu der Kette aus elektronischen Schaltern liegen. Dieser Widerstand gestattet das Erfassen des Durchschlags im Filter, während der Erzeugung der überhöhten Spannung.

Das Signal, dass die Erkennungseinrichtung abgibt ist vorzugsweise ein binäres Signal. Dieses kann mit Hilfe eines Schmitttrigers erzeugt werden.

Die elektronischen Schalter in der Kette können jeweils durch eine eigene Freilaufdiode geschützt sein.

Die elektronischen Schalter sind vorzugsweise IGBTs oder GTOs.

Zur Ansteuerung der elektronischen Schalter können Lichtwellenleiter verwendet werden.

Jedem elektronischen Schalter ist zweckmäßigerweise eine Treiberschaltung zugeordnet, die ihre eigene galvanisch getrennte Stromversorgungseinrichtung enthält.

Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen. Bei Studium des Ausführungsbeispiels wird dem Fachmann klar, dass eine Reihe von Abwandlungen möglich sind.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt.
1 zeigt in einem stark schematisierten Blockschaltbild eine elektrostatische Filteranordnung 1. Zu der Filteranordnung 1 gehören eine Hauptspannungsquelle 2, eine Hilfsspannungsquelle 3, ein Filter 4, das in dem Schaltbild als Kondensator wiedergegeben ist, sowie eine Steuer- und Überwachungsschaltung 5.
In Serie mit der Hilfsspannungsquelle 3 liegt eine Drossel 6. Zu der Serienschaltung aus der Hilfsspannungsquelle 3 sowie der Drossel 6 ist eine Kette aus elektronischen Schaltern 7 in Gestalt von IGBTs parallel geschaltet. Die Anzahl der IGBTs 7 ergibt sich aus der erforderlichen Sperrspannung dividiert durch die maximal zulässige Sperrspannung für jeden einzelnen IGBT 7.
Zu jedem IGBT 7 liegt eine Freilaufdiode 8 parallel.
Der Emitter des untersten IGBT 7 ist über einen Stromsensorwiderstand 9 mit der Schaltungsmasse verbunden
Über einen Ladekondensator 10 liegt den Kollektor des obersten IGBT 7 an der Anode einer Ladediode 11, deren Katode über einen Stromsensorwiderstand 12 mit dem positiven Anschluss der Hilfsspannungsquelle 3 bzw. Schaltungsmasse verbunden ist. Von der Anode der Diode 11 führt eine Drossel 13 zu einem Kondensator 14, der der galvanischen Trennung zwischen der Hauptspannungsquelle 2 und der Hilfsspannungsquelle 3 dient. Das andere Ende des Trennkondensators 14 ist mit einem Anschluss des Filters 4 verbunden, dessen anderer Anschluss mit der Schaltungsmasse verbunden ist.
Die Drossel 13, der Schwingkreiskondensator 10 und die Kette von IGBTs 7 bilden eine von der Spannungsquelle 3 gespeiste Impulsladeschaltung.
Ein Widerstand 15, der zu dem Filter 4 parallel liegt, soll die Verlustströme bzw Koronaströme in dem Filter 4 symbolisieren.
Zu dem Filter 4 liegt schließlich die Parallelschaltung aus der Hauptspannungsquelle 2 und einer Drossel 16 parallel.
Um impulsweise eine höhere Spannung an dem Filter 4 zu erzeugen ist die zentrale Steuer- und Überwachungsschaltung 5 vorgesehen, die über Lichtwellenleiter 17 mit Treiberschaltungen 18 gekoppelt ist, die ausgangsseitig die isolierte Gates der IGBTs 7 ansteuern.
Zu dem Stromsensorwiderstand 9 liegt ein Schmitt-Trigger 19 mit seinen Eingängen 20 und 21 parallel. Ein weiterer Schmitt-Trigger 22 liegt mit seinen Eingängen 23 und 24 parallel zu dem Stromsensorwiderstand 12. Anstelle der Schmitt-Trigger können auch Komparatoren verwendet werden.
Ausgänge 25 und 26 der beiden Schmitt-Trigger 19 und 22 sind an die zentrale Steuer- und Überwachungsschaltung 5 angeschlossen.
Die insoweit beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt:
Mit Hilfe der Hauptspannungsquelle 2 wird an das Filter 4 eine Grundgleichspannung von etwa 30 kV angelegt.
Solange die IGBTs 7 im Sperrzustand bleiben, wird über die Ladediode 11 der Ladekondensator 10 auf die Spannung der Hilfsspannungsquelle 3 aufgeladen, das heißt an ihm liegt eine Spannung von ca. 30 kV an. Die beiden Spannungsquellen 2 und 3 sind, wie das Schaltbild erkennen lässt in Serie geschaltet, so dass über den Trennkondensator 14 eine Spannung von ca. 30 kV ansteht.
Um in dem Filter 4 die erforderliche Koronaentladung zu erzeugen wird von der zentralen Steuer- und Überwachungsschaltung 5 die Kette aus IGBTs 7 kurzzeitig leitend gesteuert. Damit die IGBTs 7 möglichst gleichzeitig in den leitenden Zustand gelangen und wegen des hohen Spannungspotentials, erfolgt die Ansteuerung über die Lichtwellenleiter 17. In den Treiberschaltungen 18 wird das ankommende optische Signal in das erforderliche elektrische Signal zum Ansteuern der IGBTs 7 umgesetzt.
Um eine Spannungsüberlastung von einzelnen IGBTs 7 zu vermeiden, müssen die IGBTs 7 gleichzeitig vom Sperrzustand in den leitenden Zustand umschalten. Hierdurch wird vermieden, dass an einem langsamer umschaltenden IGBT 7 eine unzulässig große Sperrspannung ansteht, die den IGBT 7 spannungsmäßig überlasten würde.
Solle in dem Filter 4 ein Spannungsdurchschlag auftreten, während die Impulsladeschaltung nicht aktiv ist, entlädt sich der Trennkondensator 14 über die Ladediode 11 und den Stromsensorwiderstand 12. Dieser Strom ist größer als der Strom der normalerweise beim Laden des Schwingkreiskondensators 10 auftritt. Er liegt deswegen über einer Schaltschwelle, die mit Hilfe des Schmitt-Triggers 22 realisiert wird. Der Schmitt-Trigger 22 sendet an seinem Ausgang 26 ein binäres Signal an die zentrale Steuer- und Überwachungsschaltung 5. Aufgrund dieses binären Signals weiß die zentrale Steuer- und Überwachungsschaltung 5 von dem Durchschlag in dem Filter 4 und wird den weiteren Filterbetrieb zunächst zumindest verzögern, damit keine Überlastung eintritt. Insbesondere beinhaltet die Verzögerung ein Nichtaktivieren der Impulsladeschaltung beziehungsweise der dazugehörigen IGBTs 7 um ein Andauern des Durchschlags während der Spannungsüberhöhung auszuschließen. Dabei wird auch die thermische Zeitkonstante der Bauteile berücksichtig.
Sollte der Durchschlag fortbestehen, würde es wegen des erhöhten Stromanstiegs zu einer Überlastung der IGBTs 7 kommen. Ein Spannungsdurchschlag in dem Filter 7 bedeutet, dass die Kapazität des Filters in der Größenordnung von 100 nF wegfällt und somit die gesamte Schwingkreiskapazität um dieses Maß vergrößert wird. Die Schwingkreiskapazität ist bekanntlich der Kehrwert der Summe aus den Kehrwerten der Kapazitäten 4, 10 und 14.
Ein Durchschlag in den Filtern kann auch auftreten, während die IGBTs 7 leitend sind. Diese würde zu einem erhöhten Strom durch den Stromsensorwiderstand 9 führen, was mit Hilfe des parallel geschalteten Schmitt-Triggers 19 erkannt wird. Der Schmitt-Trigger 19 sendet ein entsprechendes binäres Signal an die zentrale Steuer- und Überwachungseinheit 5, die daraufhin die nächsten Steuerimpulse für die Treiberschaltungen 18 aussetzt. Es soll dadurch verhindert werden, dass innerhalb kurzer Zeit die Kette aus IGBTs 7 leitend wird und durch den Kurzschluss in dem Filter 4 thermisch überlastet wird.
Eine elektrostatische Filteranordnung weist eine Überwachungseinrichtung auf um zu erkennen, ob in dem Filter Durchschläge erfolgt sind. Die Durchschläge wirken wie Kurzschlüsse in einem Kondensator und würden Bauteile in der elektrischen Stromversorgung überlasten. Die zentrale Überwachungsschaltung erkennt solche Durchschläge und verhindert durch entsprechendes Einsteuern eine Überlastung.

Claims

Elektrostatische Filteranordnung (1), mit einem einen Kondensator bildenden elektrostatischen Filter (4), mit einer ersten Spannungsquelle (2), die zu dem elektrostatischen Filter (4) parallel geschaltet ist, um in dem Filter (4) ein filterndes elektrostatisches Potential zu erzeugen, mit einer Impulsladeschaltung (7,10,11,13), die aus einer zweiten Spannungsquelle (3) mit Strom versorgt wird und die dazu eingerichtet ist, an dem elektrostatischen Filter (4) impulsweise eine eine Koronaentladung verursachende erhöhte Spannung zu erzeugen, mit einer Steuerschaltung (5), die dazu eingerichtet ist periodisch die Impulsladeschaltung (7,10,11,13) zu veranlassen die erhöhte Spannung zu erzeugen, und mit Mitteln (9,12,19,22), die dazu eingerichtet sind einen Durchschlag in dem Filter (4) zu erkennen und an die Steuerschaltung (5) zu melden.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Durchschlagerkennung (9,12,19,22) Strommessmittel (9,19) umfassen, die den Strom erfassen, der fließt, wenn die erhöhte Spannung in dem Filter (4) erzeugt wird.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Impulsladeschaltung (7,10,11,13) und der ersten Spannungsquelle (2) ein erster Kondensator (14) enthalten ist, und dass die Mittel zur Durchschlagerkennung (9,12,19,22) Strommessmittel (12,22) umfassen, die den Entladestrom des ersten Kondensators (14) erfassen, wenn das Filter (4) durchschlägt.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Im pulsladeschaltung (7,10,11,13) einen Serienschwingkreis aus wenigstens einer Ladekapazität (10) und wenigstens einer Induktivität (13) und eine Kette von steuerbaren elektronischen Schaltern (7), die mit dem Serienschwingkreis (10,13) eine Serienschaltung bildet, die zu dem elektrostatischen Filter (4) parallel geschaltet ist.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannungsquelle (3) zu der Kette aus elektronischen Schaltern (7) parallel liegt.
Filteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (14) zwischen dem Serienschwingkreis (10,13) und dem Filter (4) liegt.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsladeschaltung (7,10,11,13) eine Ladediode (11) enthält, durch die der Ladestrom für den Kondensator (10) des Serienschwingkreises (10,13) fließt.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladediode (11) zu der Serienschaltung aus der Kette von elektronischen Schaltern (7) und dem Schwingkreiskondensator (10) parallel liegt.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Durchschlagerkennung (9,12,19,22) einen Stromsensor (12) umfassen, der in Serie mit der Ladediode (11) liegt.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Durchschlagerkennung (9,12,19,22) einen Stromsensor (9) umfassen, der in Serie mit der Kette von elektronischen Schaltern (7) liegt.
Filteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Durchschlagerkennung (9,12,19,22) einen Stromsensor (9) umfassen, der in Serie mit dem Serienschwingkreis (10,13) liegt.
Filteranordnung nach den Ansprüchen 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (9,12) von einem ohmschen Widerstand gebildet ist.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Durchschlagerkennung (9,12,19,22) einen Schmitt-Trigger (19,22) umfassen.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Durchschlagerkennung (9,12,19,22) ein binäres Signal erzeugen, das der Steuerschaltung (5) übermittelt wird.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder elektronische Schalter (7) durch eine Freilaufdiode (8) überbrückt ist.
Filteranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter (7) von einem IGBT oder einem GTO gebildet ist.
Filteranordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die An- Steuerung der elektronischen Schalter (7) über Lichtwellenleiter (17) erfolgt.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem elektronischen Schalter (7) eine Treiberschaltung (18) zugeordnet ist, die ihre eigene galvanisch getrennte Stromversorgungseinrichtung enthält.
Elektrostatische Filteranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinrichtung ein Schaltnetzteil enthält.