Импульсные источники микросекундной длительности импульсов для питания электрофильтров
Щербаков А. В., Калинин В. Г.
Питание электрофильтров (ЭФ) от совмещенных импульсных и униполярных источников повышает эффективность пылеочистки. В результате экспериментальных исследований определена оптимальная длительность импульса около 20 мкс, при частоте повторения 300-400 Гц, амплитуде около 20 кВ. Дальнейшее уменьшение длительности импульса при работе на одно поле емкостью 0,15 мкФ ЭФ типа ЭГА-35-9-5-3 приводит к значительному повышению напряженности работы высоковольтного коммутатора и ужесточает режим работы соединительных высоковольтных электрических кабелей, высоковольтных вводов и другого оборудования.
При длительности импульса около 20 мкс можно использовать наиболее экономичную резонансную схему импульсного источника питания (ИИП), у которого электрическая емкость ЭФ СЭф и включенная последовательно емкость конденсатора связи Ссв являются частью силового высоковольтного резонансного контура (рис. 1). Источник униполярного питания защищен от импульсного воздействия дросселем 1 мГн.
При включении тиратрона V1 конденсатор Ссв подключается к ЭФ. Скорость подключения определяется индуктивностью и электрической емкостью последовательно соединенных конденсаторов Ссв и Сэф. Практически осуществляется формирование импульса длительностью около 20 мкс при периоде колебаний контура Т= 40 мкс. Изменяя индуктивность ра3р, можно получить заданную длительность импульса.
Для восстановления заряда конденсатора Ссв используется апериодический колебательный процесс, определяемый Lзар, Ссв и СЭф. Для устойчивой работы зарядной цепи необходимо, чтобы постоянная времени цепи зарядки Тповт была бы значительно больше постоянной времени цепи разрядки. Длительность рабочего импульса 20 мкс, а длительность времени восстановления Тзар = 3 мс (при частоте повторения 330 Гц). Для повышения надежности работы цепи восстановления напряжения на Ссв выберем индуктивность Lзар в 100 раз больше индуктивности Lразp. Практически Lзар = 100-65 мкГн = 6,5 мГн.
Параллельно Lзар подключен диод рекуперации Dрек, через который протекает обратный ток от Ссв к Снак при пробоях в ЭФ.
Пробой в ЭФ приводит почти к полному разряду Сэф и напряжение UCB на конденсаторе Ссв, равное напряжению униполярного источника Uэф плюс напряжение источника импульсного питания (при Uнак = +20 кВ и Uэф = -40 кВ), равное Uсв = 60 кВ, прикладывается через рекуперационный диод к Uнак = +20 кВ. Уравнивание напряжений происходит обратно пропорционально величине емкостей. Результирующее напряжение Upeз на тиратроне определяется
Подставляя значения напряжений и емкостей, получаем, что максимально возможное напряжение может быть равным 37,5 кВ (предельное 35 кВ). Как видим, емкость конденсатора Снак = 1 мкФ, при емкости Ссв = 0,4 мкФ, недостаточна. Однако напряжение на ЭФ при пробое никогда не доходит до нуля, а обрывается раньше из- за падения напряжения на разряде, и результирующее напряжение всегда будет существенно меньше Uрез < Ucв. Поэтому из конструктивных соображений нет смысла увеличивать значение емкости Снак.
Однако для того, чтобы напряжение на тиратроне V1 не смогло подняться более 35 кВ (его предельное анодное напряжение), устанавливают параллельно тиратрону высоковольтный варистор на напряжение 31 -33 кВ при максимальном значении тока ограничения не менее 300 А.
В качестве силовых коммутаторов прямого V1 и обратного V2 токов используются тиратроны ТГИ1 2500/35. Первый формирует фронт, а второй - спад высоковольтного импульса на нагрузке. Включение тиратрона V2 осуществляется автоматически (при переполюсовке напряжения на коммутаторе) через сравнительно маломощный высоковольтный диод, установленный между его анодом и сеткой.
Регулирование анодного напряжения осуществляется плавно от однофазного регулятора напряжения типа РНО или от тиристорного регулятора.
Рис. 1. Структурно-принципиальная схема источника импульсного питания с зарядным дросселем:
Снак - накопительный конденсатор; Lзap - зарядный дроссель; Dpeк - диод рекуперации; Rзap -зарядный резистор; Dобр - диод обратного тока; Rpазр - ограничительный резистор; Rpaзp - разрядный резистор; Lpaзp - разрядная индуктивность; Ссв - конденсатор связи; Сэф - емкость электрофильтра; Lзащ - защитный дроссель
В последнем случае амплитуда напряжения ИИП зависит от частоты повторения импульсов и требуется дополнительная схема регулирования с автоматическим отслеживанием амплитуды напряжения при изменении частзоты повторения импульсов.
Электрическая схема работает следующим образом. При включении сетевого питания высокое напряжение после высоковольтного трансформатора через диоды заряжает Снак. Положительное напряжение этого конденсатора Uнакоп через зарядную цепочку Lзар поступает на левую обкладку конденсатора связи Ссв, а правая его обкладка подключена непосредственно к ЭФ. На эту же самую обкладку подается напряжение отрицательной полярности от штатного униполярного источника Uyн.
В момент включения тиратрона прямого тока V1 левая обкладка оказывается скачком “заземленной” и к ЭФ прикладывается напряжение отрицательной полярности амплитудой, равной ранее приведенной сумме. Конденсатор Ссв начинает разряжаться на ЭФ по синусоидальному закону, определяемому параметрами разрядного контура. В разрядный контур входит емкость Ссв и емкость Сэф, включенные последовательно, а также индуктивность кабеля плюс дополнительная индуктивность, активное сопротивление открытого тиратрона V1 и дополнительный резистор.
Когда проходит одна полуволна тока разряда и напряжение на тиратроне V1 меняет знак на противоположный, он закрывается, но почти одновременно включается тиратрон обратного тока V2, для которого это обратное напряжение является прямым, и ток продолжается в обратном направлении. Тиратрон V2 обеспечивает прохождение обратной полуволны, частично восстанавливающей напряжение на Ссв, и также гаснет. Таким образом процесс формирования импульса заканчивается.
Экспериментально получено почти двукратное повышение эффективности работы трехпольного электрофильтра типа ЭГА-35-9-5-3 при амплитуде импульса 20 кВ, длительности по уровню 0,5 = 15 - 20 мкс, частоте повторения 330 Гц, амплитуде униполярного штатного питания, равной —40 -:-50 кВ. Источник во время эксперимента подключается к третьему, последнему полю ЭФ.
Кроме того, в процессе эксперимента отмечено, что при одновременной работе импульсного и униполярного источников питания амплитуда постоянного напряжения, подаваемого на ЭФ от униполярного штатного источника, автоматически уменьшается примерно на 1 кВ.
Схема системы управления ИИП содержит один задающий генератор на таймере 1006ВИ1, заторможенный силовой блокинг-генератор и блок питания +300 В и +12 В. Изменение частоты повторения осуществляется плавно в интервале 50-400 Гц.
Для предотвращения повторного самоподжига тиратрона прямого тока из-за недостаточной устойчивости по dU/dt по промежутку анод - катод и недостаточности времени 20 мкс для восстановления его непроводящего состояния допускается понижение тока накала до 51 А, при напряжении 5,7 - 5,8 В (паспортное 6,3 В). Такое снижение напряжения накала одновременно способствует повышению срока службы силового тиратрона ТГИ1 2500/35.
На рис. 2, а, б показаны осциллограммы напряжения на ЭФ в двух масштабах времени при совместной работе импульсного и униполярного источников при напряжении униполярного -40 кВ (на рисунке просматриваются пульсации 100 Гц униполярного источника); на рис. 2, в - импульсное напряжение на тиратронах V\ и V2. Скорость нарастания отрицательного напряжения на тиратроне около 200 кВ/мкс при анодном напряжении 20 кВ. Осциллограмма тока получена с пояса Роговского при чувствительности последнего около 4 A/В, ток тиратрона V1 равен 400 А, а V2 320 А.
Осциллограммы напряжения сняты с помощью специального высоковольтного осциллографа типа ОВ-2 [1], не имеющего усилителя вертикального отклонения при входном напряжении ± 1 кВ, с использованием скомпенсированного высоковольтного делителя с коэффициентом ослабления 1 : 50.
Рис. 2. Осциллограммы напряжения и тока:
а, б - напряжение на электрофильтре при совместном питании от импульсного и униполярного источников питания в разных масштабах времени; в - напряжение на аноде первого силового тиратрона; г - импульсный ток электрофильтра
Осциллограф и высоковольтный делитель разработаны НИЦ СЭ ВЭИ им. В. И. Ленина специально для целей регистрации высоковольтных напряжений высокой частоты. Осциллограф четырехлучевой с полосой воспроизводимых частот от 0 до 50 МГц. При частоте повторения импульсов 300 Гц средняя мощность, потребляемая от сети, около 5 кВт.
В процессе очередных экспериментальных исследований при длительности импульса 20 мкс на другом ЭФ ЭГА-35-9-5-3 ТЭЦ выяснилось, что при частых пробоях в ЭФ (несколько раз в секунду) возникает периодический сбой в работе индуктивной схемы зарядки конденсатора Ссв ИИП через Lзap. Для предотвращения этого явления разработан второй вариант электрической схемы с устройством активной зарядки Ссв через высоковольтный электронно-лучевой вентиль (ЭЛВ) типа ЭЛВ-1/200 (постоянный рабочий ток 1 - 2 А и прямое или обратное напряжение 200 кВ [2, 3]). Особенность работы ЭЛВ - очень малое падение напряжения за счет рекуперации электронного пучка в тормозном поле анода. По конструкции прибор - триод, однако имеет ярко выраженную пентодную характеристику. Использование ЭЛВ позволяет стабилизировать предпробойный ток ЭФ, производить быстрое отключение источника высоковольтного питания ИИП при возникновении пробоя, что приводит к увеличению среднего напряжения на ЭФ и повышает его эффективность, а также продлевает срок службы электродов тиратронов.
Применение ЭЛВ в зарядной цепи несколько усложнило схему, однако резко повысило ее надежность в случае работы в режиме с очень частыми пробоями в ЭФ. Так как заряд осуществляется со строго регламентируемым током до 1 А, то случайного увеличения тока до критического значения (соответствующего удержанию тиратрона V2 в проводящем состоянии) произойти не может. Если даже этот тиратрон случайно не погаснет, то через него пойдет ток только до 1 А. Однако через 3 мс (период повторения импульсов запирания ЭЛВ) ток тиратрона оборвется с помощью ЭЛВ на 100 — 150 мкс. Таким образом, 100-150 мкс отсутствия тока подпитки - более чем достаточно для погасания тиратрона V1 и восстановления работоспособности силовой схемы. Структурноэлектрическая схема ИИП с зарядным ЭЛВ показана на рис. 3.
Разработана электрическая схема подмодулятора, осуществляющего одновременное открывание импульсного тиратрона V\ на 20 мкс и запирание ЭЛВ на 100 - 150 мкс (рис. 4). Разница в длительности импульсов получается за счет разных величин емкости накопительных конденсаторов в цепи коммутации подмодулятора и сопротивлений цепи управления тиратрона и ЭЛВ. Для ЭЛВ - конденсатор 0,5 мкФ, а для тиратрона - 0,1 мкФ. Сопротивление цепи управления тиратроном V1 меньше, чем в цепи ЭЛВ V3. Поэтому длительность импульса на сетке ЭЛВ больше, чем на сетке тиратрона.
Коммутация конденсаторов на первичные обмотки ИТ2 и ИТЗ осуществляется одновременно с помощью импульсного частотного тиристора ТЧИ-100. Конденсаторы заряжаются принудительно через высоковольтный транзистор КТ828А, непосредственно перед включением тиристора. Такая схема импульсного восстановления напряжения разрядных конденсаторов обеспечивает максимальное время для запирания тиристора и строго регламентированное время перед началом формирования импульсов управления.
Рис. 3. Структурно-электрическая схема источника импульсного питания с зарядным электронно-лучевым вентилем:
СУ - система управления; Ryэ - сопротивление управляющего электрода
Рис. 4. Электрическая схема подмодулятора импульсного источника питания с электронно-лучевым вентилем
Для нормальной работы подмодулятора разработана схема генератора и формирователя задержки импульса управления тиристором и транзистором КТ828А на микросхемах 1006ВИ1.
Разработанный вариант электрической схемы ИИП микросекундной длительности импульса не является окончательным. С учетом результатов экспериментальных исследований на тепловых станциях и лабораторных исследований на стендах лабораторий НИЦ СЭ ВЭИ и других организаций осуществляется дальнейшая модернизация силовой электрической схемы, схемы системы управления и подмодулятора, а также режимов их работы.
Выводы
Список литературы