EP0209714A1 - Verfahren zum Betrieb eines Elektrofilters - Google Patents

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EP0209714A1
EP0209714A1 EP86108070A EP86108070A EP0209714A1 EP 0209714 A1 EP0209714 A1 EP 0209714A1 EP 86108070 A EP86108070 A EP 86108070A EP 86108070 A EP86108070 A EP 86108070A EP 0209714 A1 EP0209714 A1 EP 0209714A1
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EP
European Patent Office
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voltage
filter
current
alternating current
converter
Prior art date
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Application number
EP86108070A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0209714B1 (de
Inventor
Hermann Dipl.-Ing. Mickal
Franz Dipl.-Ing. Neulinger
Walter Dipl.-Ing. Schmidt
Helmut Dipl.-Ing. Schummer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GEA Group AG
Siemens AG
Original Assignee
Metallgesellschaft AG
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP0209714B1 publication Critical patent/EP0209714B1/de
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/66—Applications of electricity supply techniques
    • B03C3/68—Control systems therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electrostatic filter with the features of the preamble of claim 1 (DE-AS 19 23 952).
  • electrostatic filters are often used, the plates and spray wires of which are supplied with such a high DC voltage that in the medium passed between the plates and spray wires ionization of the foreign substances contained and their separation on the plates occurs.
  • the DC voltage (supply voltage) of the plates and spray wires is chosen to be as high as possible.
  • ionization processes also take place in the gas itself, which lead to a permanent discharge of the filter up to a corona discharge on the spray wires.
  • the filter discharges via short breakdowns or even voltage breakdowns up to a stationary arc if the direct current supplied by the voltage supply is not interrupted. No significant foreign matter separation is then possible until the subsequent reconstruction of a high DC voltage. In addition, these processes cause wear on the filter, in particular its spray wires, and short downtimes of the entire device.
  • the ionization processes and thus the mentioned limit value of the supply voltage depend on the distribution of the electric field strength between the plates of the electrostatic filter. Insulating layers of foreign substances deposited on the plates must be knocked off, collected and removed at certain intervals - if necessary with the supply voltage switched off for as short a time as possible. In addition, ionization creates space charges with strong distortions in the potential profile between the plates, and the voltage gradient and the spray direction can even be reversed between plates and space charges.
  • the limit value mentioned is therefore not constant during operation.
  • the supply voltage of the filter should be kept as close as possible to this practically uncontrollably changing limit value.
  • Electrostatic precipitators contain a voltage supply that is connected to two phases of a three-phase network and takes an alternating current from the network via an electronic actuator.
  • the output voltage of the actuator is controlled by the firing angle and supplies a line-frequency alternating current which is phase-shifted with respect to the input voltage and which then feeds the electrostatic filter as a pulsating continuous current after step-up and rectification.
  • DE-AS 19 23 952 to ramp up the voltage on the electrostatic filter after a certain ramp-up function via the gate control in the actuator until the limit value corresponding to the current state of the filter is reached and there is a voltage breakdown or a similar sudden discharge of the filter occurs.
  • the AC power controller must first be blocked after a breakdown in order to avoid an arc and to wait for the deionization of the plasma formed.
  • the currentless minimum pause is determined by the frequency of the actuator, i.e. the mains frequency.
  • the result of this is that the filter is fed by a direct current which flows practically without gap with a ripple corresponding to the mains frequency and is interrupted after a breakdown. For the filter voltage fed by this current, there is an undulating course which rises until it breaks down.
  • Electrostatic precipitators have also been proposed in which the filter is not supplied with such a practically seamless direct current which is taken from the supply network by a mains-frequency alternating current regulator, is highly transformed and rectified. Rather, the filter is charged by a sequence of individual voltage or direct current pulses. In order to supply the charge that flowed across the medium during the pulse pauses, the frequency and / or duration of the individual pulses are specified such that the mean current intensity of these isolated direct current pulses assumes a filter current setpoint value that is adapted to the respective filter state. This creates a filter voltage that is rippled in accordance with the pulse repetition frequency, the value of which is as far as possible below the breakdown limit.
  • a combination is currently striven for as an optimal method in which the filter is initially biased via a rectifier with an already relatively high, practically constant basic DC voltage, which is then superimposed on an AC voltage or isolated individual voltage pulses in order to generate a wavy filter voltage.
  • the height of the filter is said to be considerably above the breakdown voltage of the filter, but a very short pulse duration means that no arc is formed when the filter is discharged.
  • the duration, shape and pulse repetition frequency of these isolated individual pulses are adapted to the respective load condition of the filter.
  • isolated current pulses are fed to the filter biased to the constant basic DC voltage, the maximum amplitude of which is controlled in accordance with a setpoint value for the filter current in such a way that the filter is thereby pulsed to a maximum voltage below the breakdown voltage.
  • These current pulses are taken from an intermediate circuit fed by a rectifier by means of a resonant circuit converter dimensioned to the desired pulse width or a frequency-controlled converter with forced quenching and are transformed up.
  • the ripple of the filter voltage is also ensured in that a diode suppresses one polarity of the highly transformed current pulse.
  • DE-OS 27 13 675 proposes a simple power supply in which the basic voltage is supplied by a gate-controlled AC power controller connected to two phases of a three-phase network with a transformer and rectifier connected downstream.
  • the electrodes supplied with the basic direct voltage are connected to the secondary winding of a high-voltage transformer via a coupling capacitor, the primary winding of which is fed by a controllable rectifier device via an inverter in the center point circuit.
  • the invention now provides a method which can be adapted as optimally as possible to the changing operating conditions and which responds quickly, particularly in the event of rollovers.
  • the alternating current is generated with an inverter frequency of a few kilohertz, in particular about 2 kHz or more.
  • a frequency converter is only used in the prior art if a basic DC voltage for generating a ripple aimed for in the deposition process is an AC voltage with the converter frequency without rectification or a sequence of isolated individual pulses which result from the converter-frequency AC voltage by means of a diode by suppressing the negative voltage half-waves are formed, is superimposed, the high-frequency alternating current is used according to the invention in order to initially generate an initially low harmonic DC voltage via the bridge rectifier by means of a practically continuous direct current.
  • a DC link converter is used as the frequency converter, in which the converter connected to the three-phase supply network (e.g. a controllable three-phase rectifier or in particular a three-phase rectifier with a downstream DC converter for controlling the DC link direct current) supplies a direct current which to form the alternating current in time with the converter frequency, a high-frequency inverter with alternating sign is used to switch to the alternating current outputs of the converter.
  • the inverter only needs to be blocked in order to switch off the filter current and the direct current is to be routed past the alternating current outputs of the inverter by means of an idle path using suitable means (e.g. a cross-thyristor between the direct current inputs of the inverter or suitable ignition pulses for series-connected inverter valves).
  • the intermediate circuit current is impressed by the actuator. Its amplitude is practically unchangeable within a period of the converter cycle, so that even in the event of a breakdown there is no significant increase in current at the transformer and therefore no significant recharging of the filter. This prevents arcing and limits the duration of discharge phenomena, which leads to reduced wear on the spray wires and increased service life of the filter.
  • the converter cycle only needs to be blocked for just as many cycle periods as is necessary to deionize the gas.
  • the entire intermediate circuit current is then available again for alternating and recharging the filter, the separating ability of which is therefore quickly restored, thereby the filter efficiency is increased.
  • the high alternating current frequency only a smaller transformer is required, which results in lower construction costs and power losses and more favorable transient behavior in the event of rapid changes in operation.
  • the curve shape of the filter supply voltage which is very different for the respective application, can be adapted via the amplitude control within the DC packets mentioned.
  • An adjustable ripple dU / dt e.g. the basic voltage U of the filter, e.g. depending on the residual content in the medium.
  • the medium is already largely free of foreign substances and very is high impedance.
  • the medium is only able to conduct a low current with a constant filter voltage and thus only absorb a low power.
  • the energy consumption of the filter can be increased by a higher ripple in the supply voltage. It may also be necessary to control the average level of the filter voltage as a function of the residual impurity content; With a higher filter voltage, a separation of residual foreign matter can also be achieved in the outflowing, already largely cleaned gas.
  • the optimal operating point for feeding the filter can be specified in an iterative search process via the control.
  • the filter voltage can be increased automatically by increasing the supplying direct current, as long as the frequency of the breakdowns occurring is not significantly increased.
  • a dependency of the filter voltage on the foreign matter content of the inflowing gas is automatically taken into account, but it can also be carried out by a predetermined function for controlling the alternating current amplitude, e.g. depending on the recorded breakdown frequency.
  • the periodicity of the entire voltage curve can also be controlled via the converter frequency and changed depending on the load condition or the foreign substance content of the inflowing gas.
  • F denotes the electrostatic filter, between the electrodes (plates and spray wires) of which the medium represented by an arrow M (for example flue gas or another exhaust gas) is passed and which has a voltage U, which is detected by a measuring element MU, to be supplied from a supply network N.
  • the input of the filter is connected via a high-voltage rectifier GRH to the secondary winding WS of a transformer, the primary winding WP of which is at the output of the high-frequency clocked frequency converter HF.
  • the high-voltage rectifier GRH is designed as a full-wave rectifier, in particular as an uncontrolled rectifier bridge.
  • An intermediate circuit converter is preferably used as the high-frequency frequency converter HF used.
  • a switch Q indicates a switchable freewheeling path via which inductive currents which occur when the converter is blocked, for example the impressed intermediate circuit current when a current intermediate circuit is used in the converter, can continue to flow.
  • the amplitude of the high-frequency alternating current (ia) can usually be controlled via a corresponding control input of the alternating current controller HF.
  • NF indicates that the amplitude control can also be adjusted via a controllable mains frequency AC power controller.
  • PR summarizes the control and regulation of the high-frequency alternating current in FIG. 1, which, in addition to the actual value U of the filter supply voltage, also contains suitable actual and target values depending on the application.
  • the amplitude, frequency and the "cross firings" of the freewheeling path Q can be used to control the interruptions in the current ia at the output of the AC power controller HF via the output signals.
  • the foreign substance raw gas content (content of the inflowing medium of foreign substances) and / or foreign substance pure gas content (foreign substance content of the outflowing medium) can be used as input signals.
  • the supply voltage and / or supply current of the filter can be optimized, in particular they can be controlled according to a predefined voltage / current characteristic. This characteristic can depending on the foreign substance raw gas content, ie the load state of the filter.
  • the control can react very quickly to any voltage drop and to the start and end of a knocking process, and the ripple of the voltage, ie the fluctuation of the voltage between an upper and lower limit value, can be specified and optimized.
  • controllable rectifier arrangement is shown schematically as a controllable three-phase rectifier bridge DR, which already contains the necessary means to change the intermediate circuit current I (measuring element MI) of an intermediate circuit converter and thus the amplitude of the high-frequency actuator output current with a certain control behavior regulate.
  • the intermediate circuit contains an intermediate circuit choke ZI, which is designed for the structure of the intermediate circuit current and is optionally supplemented by an intermediate circuit capacitor.
  • the downstream inverter AR generates the high-frequency alternating current.
  • the suitable inverter shown in FIG. 2 is known as an inverter with "phase sequence deletion".
  • a two-phase bridge is sufficient, although in principle three-phase and multi-phase bridges can also be possible and possibly also advantageous in order to obtain a direct current that is as complete as possible after step-up transformation and rectification.
  • valves TH1 and TH4 and the valves TH2 and TH3 each ignite simultaneously and delete the previously ignited valves by reloading the commutation capacitors K1 and K2.
  • the transverse thyristor TQ is provided as a means for cross-ignition.
  • the specified intermediate circuit current continues to flow through the choke ZI, but is conducted via the freewheeling path TQ past the primary winding WP, which therefore quickly de-energizes in every phase position of the inverter and, after blocking any number of converter clock pulses, is excited again with the full intermediate circuit current can be. After a breakdown, the required separation voltage can be quickly built up again.
  • cross-firings can also be carried out by firing valves in series. They can also be provided in order to shorten the current carrying time of the valves fired in the normal clock sequence compared to a half period of the inverter output current. The impressed intermediate circuit current itself is practically not affected by these switching operations.
  • the operating point of the power supply is determined in that a setpoint generator SS specifies a setpoint I * for the intermediate circuit current or the amplitude of the output alternating current, the control deviation of which controls the control rate SDR for the controlling means of the controllable rectifier arrangement via a current controller SR .
  • the setpoint I * can in particular be determined on the basis of a current / voltage characteristic stored in the setpoint generator SS, to which the value for the optimum voltage U * is specified by a current control program part PS.
  • U * can be changed periodically, for example as a function of the residual substance content measured on a flue gas probe RG, in order to generate the aforementioned ripple in the filter supply voltage.
  • the optimal basic level for U * can be determined by a flue gas probe EG depending on the foreign substance raw gas content or can be changed in an iterative search procedure so that on the one hand a high degree of separation, on the other hand, a low frequency of breakdowns and voltage drops at the measuring element MU occur.
  • limiting the voltage to the predetermined value U * is advantageous.
  • the setpoint / actual value difference of the supply voltage U is applied to a limit controller BR, which operates on a limit circuit BG that limits the current setpoint.
  • a ramp generator HG is provided at the setpoint input of the limit controller PR, the final value (e.g. depending on the frequency of the voltage breakdowns detected on the voltage measuring element MU) can be changed by a pulse program part PI.
  • the voltage limiting regulator BR enables stable operation of the power supply up to the vicinity of the breakdown point, as a result of which the breakdown frequency is reduced and the filter service life is increased.
  • the pulse program part PI also has the task of specifying the AC output frequency and thus the high frequency of the inverter AR by means of a corresponding, operationally dependent control signal for the inverter tax rate WSt. It also generates the switching signal for the freewheeling path (valve TQ) and the temporary stopping and restarting of the inverter after one Punch.
  • the DC current drawn from the high-voltage rectifier GRH can be interrupted by periodic blocking ("packet formation") and thus a voltage ripple on the filter can also be forced.
  • the coupling capacitor KK shown in FIG. 2 also facilitates the additional connection of such pulses which can be applied to the corresponding input terminals HFI of the filter.
  • a DC chopper with a control valve ST and a freewheeling diode FD is used to control the impressed direct current I, the size of the choke FD being reduced by an actuator frequency in the kHz range (e.g. 5 kHz).
  • the intermediate circuit decouples the network N from reactions of the inverter AD.
  • the input voltage of the direct current controller is advantageously supplied by an uncontrolled three-phase rectifier bridge, which thus represents a symmetrical, practically no reactive current load for the network N.

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Abstract

Ein Elektrofilter wird mit einem Gleichstrom gespeist, der durch Hochtransformieren und Vollwellen-Gleichrichten eines hochfrequenten Wechselstromes erzeugt wird und das Filter auf eine unterhalb der Durchbruchspannung des Filters liegende Grund-Gleichspannung auflädt. Nach einem Durchbruch kann der Gleichstrom durch Abschalten des hochfrequenten Wechselstroms sofort gesperrt werden und auch rasch wieder hochgefahren werden. Bevorzugt wird durch Gleichrichten einer Versorgungsspannung ein steuerbarer, langsam veränderlicher Gleichstrom erzeugt, der dann in den Wechselstrom darstellende, hochfrequente Strompulse umgesetzt wird. Dadurch können Netzrückwirkungen und das Bauvolumen des Transformators reduziert werden. Über die Parameter des Wechselstromes kann die Filterspannung auf die Technologie des Filtervorganges optimiert werden, um bei hohem Wirkungsgrad die Durchschlaghäufigkeit und den Verschleiß des Filters sowie die Netzrückwirkungen gering zu halten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrofilters mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 (DE-AS 19 23 952).
  • Zur Abgasreinigung oder allgemeiner zur Abscheidung von Fremdstoffen aus einem strömenden Medium werden häufig Elektrofilter verwendet, deren Platten und Sprühdrähte mit einer so hohen Gleichspannung versorgt werden, daß in dem zwischen den Platten und Sprühdrähten hindurchge­führten Medium eine Ionisierung der enthaltenen Fremd­stoffe und deren Abscheidung an den Platten auftritt. Im Interesse eines hohen Abscheidegrades wird die Gleich­spannung (Versorgungsspannung) der Platten und Sprüh­drähte möglichst hoch gewählt. Andererseits laufen bei einer hohen Versorgungsspannung auch im Gas selbst Ioni­sierungsvorgänge ab, die zu einer ständigen Entladung des Filters bis hin zu einer Korona-Entladung an den Sprühdrähten führen.
  • Steigt die Versorgungsspannung über einen Grenzwert an, so entlädt sich das Filter über kurze Durchschläge oder sogar über Spannungsdurchbrüche bis hin zu einem statio­nären Lichtbogen, falls der von der Spannungsversorgung gelieferte Gleichstrom nicht unterbrochen wird. Bis zum anschließenden Wiederaufbau einer hohen Gleichspannung ist dann keine nennenswerte Fremdstoff-Abscheidung mög­lich. Außerdem verursachen diese Vorgänge einen Ver­schleiß des Filters, insbesondere seiner Sprühdrähte, und geringe Standzeiten der ganzen Vorrichtung.
  • Die Ionisierungsvorgänge und damit der erwähnte Grenzwert der Versorgungsspannung sind von der Verteilung der elek­trischen Feldstärke zwischen den Platten des Elektrofil­ters abhängig. Isolierende Schichten aus an den Platten abgeschiedenen Fremdstoffen müssen in bestimmten Zeitab­ständen - gegebenenfalls unter möglichst kurzzeitigen Abschalten der Versorgungsspannung - abgeklopft, gesam­melt und entnommen werden. Ferner bilden sich durch die Ionisierung Raumlaudungen mit starken Verzerrungen im Potentialverlauf zwischen den Platten aus, wobei es zwischen Platten und Raumladungen sogar zu einer Umkehr des Spannungsgradienten und der Sprührichtung kommen kann.
  • Der erwähnte Grenzwert ist also während des Betriebes nicht konstant. Für eine gute Abscheidung sollte die Versorgungsspannung des Filters möglichst nahe an diesem sich praktisch unkontrollierbar änderndem Grenzwert ge­halten werden.
  • Handelsübliche Elektrofilter enthalten eine Spannungs­versorgung, die an zwei Phasen eines Drehstromnetzes an­geschlossen ist und dem Netz über einen elektronischen Steller einen Wechselstrom entnimmt. Die Ausgangsspannung des Stellers ist über den Zündwinkel anschnittsgesteuert und liefert einen gegenüber der Eingangsspannung phasen­verschobenen, netzfrequenten Wechselstrom, der dann nach Hochtransformieren und Gleichrichten als pulsierender Dauerstrom das Elektrofilter speist. Zur Annäherung an die optimalen Arbeitsbedingungen des Filters ist in der DE-AS 19 23 952 vorgeschlagen, über die Anschnittssteue­rung im Steller die Spannung am Elektrofilter nach einer bestimmten Hochlauffunktion hochzufahren, bis der dem momentanen Zustand des Filters entsprechende Grenzwert erreicht ist und es zu einem Spannungsdurchschlag oder zu einer ähnlichen plötzlichen Entladung des Filters kommt.
  • In der Regel muß nach einem Durchschlag der Wechselstrom­steller zunächst gesperrt werden, um einen Lichtbogen zu vermeiden und die Entionisierung des gebildeten Plasmas abzuwarten. Die stromlose Mindestpause ist durch die Fre­quenz des Stellers, also die Netzfrequenz, bestimmt. Da­durch ergibt sich, daß das Filter von einem Gleichstrom gespeist wird, der mit einer der Netzfrequenz entspre­chenden Welligkeit praktisch lückenlos fließt und nach­einem Durchbruch unterbrochen ist. Für die von diesem Strom gespeiste Filterspannung ergibt sich jeweils ein bis zum Durchschlag ansteigender, welliger Verlauf.
  • Es sind auch schon Elektrofilter vorgeschlagen worden, bei denen darauf verzichtet ist, das Filter mit einem derartigen, praktisch lückenlos fließenden Gleichstrom zu versorgen, der von einem netzfrequenten Wechselstrom­steller dem Versorgungsnetz entnommen, hochtransformiert und gleichgerichtet wird. Vielmehr wird das Filter durch eine Folge einzelner Spannungs- oder Gleichstromimpulse aufgeladen. Um jeweils bei einem Impuls die Ladung nach­zuliefern, die während der Impulspausen über das Medium geflossen ist, werden Frequenz und/oder Dauer der einzel­nen Impulse so vorgegeben, daß die mittlere Stromstärke dieser isolierten Gleichstromimpulse einen dem jeweiligen Filterzustand angepaßten Filterstrom-Sollwert annimmt. Dadurch entsteht eine entsprechend der Puls-Folgefrequenz wellige Filterspannung, deren Wert möglichst unterhalb der Durchschlaggrenze liegt.
  • Hierbei entsteht die technische Schwierigkeit, mittels der kurzen Impulse dem Filter die erforderliche Energie zur Verfügung zu stellen. Dazu ist in der US-PS 3 641 740 vorgeschlagen, mittels der gleichgerichteten Netzspannung eine Reihe von Kondensatoren aufzuladen, die dann über Thyristoren, Hochspannungstransformatoren und einen Halbwellen-Gleichrichter an das Elektrofilter gelegt werden. Die Breite der an das Elektrofilter gelangenden Stromimpulse beträgt z.B. 5 % der zwischen diesen Im­pulsen liegenden Impulspause.
  • Als optimales Verfahren wird heute eine Kombination an­strebt, bei der das Filter zunächst über einen Gleich­richter mit einer bereits verhältnismäßig hohen, prak­tisch konstanten Grund-Gleichspannung vorgespannt wird, der dann zur Erzeugung einer welligen Filterspannung eine Wechselspannung oder isolierte Einzel-Spannungsim­pulse überlagert werden.
  • Nach der US-PS 39 84 215 soll deren Höhe erheblich über der Durchschlagspannung des Filters liegen, jedoch durch eine sehr kurze Impulsdauer erreicht werden, daß sich bei der Entladung des Filters kein Lichbogen ausbildet. Dauer, Form und Pulsfolgefrequenz dieser isolierten Einzelimpulse werden dem jeweiligen Belastungszustand des Filters angepaßt. Gemäß der europäischen Patent­schrift 0 034 075 werden dem auf die konstante Grund-­Gleichspannung vorgespannten Filter isolierte Stromim­pulse zugeführt, deren Maximalamplitude entsprechend einem Sollwert für den Filterstrom so gesteuert wird, daß das Filter dadurch jeweils pulsförmig auf eine unter der Durchbruchspannung liegende Maximalspannung aufgeladen wird. Diese Stromimpulse werden einem von einem Gleichrichter gespeisten Zwischenkreis mittels eines auf die gewünschte Pulsbreite dimensionierten Schwingkreis-Umrichters bzw. eines frequenzgesteuerten Umrichters mit Zwangslöschung entnommen und hochtrans­formiert. Die Welligkeit der Filterspannung wird dabei auch dadurch sichergestellt, daß eine Diode jeweils eine Polarität der hochtransformierten Stromimpulse unter­drückt.
  • In der DE-OS 27 13 675 ist eine einfache Stromversorgung vorgeschlagen, bei der die Grundspannung von einem an zwei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossenen, an­schnittsgesteuerten Wechselstromsteller mit nachgeschal­tetem Transformator und Gleichrichter geliefert wird. Die mit der Grund-Gleichspannung versorgten Elektroden sind über einen Koppelkondensator an die Sekundärwicklung eines Hochspannungstransformators gelegt ist, dessen Primärwicklung über einen Wechselrichter in Mittelpunkt­schaltung von einem steuerbaren Gleichrichtergerät ge­speist wird. Dadurch wird der Grundspannung eine nicht gleichgerichtete Wechselspannung mit einer belastungs­abhängig zwischen 50 Hz und 2 kHz veränderbaren Frequenz überlagert wird.
  • Sollen diese von den Eigenschaften des Abscheidungspro­zesses bestimmten Verfahren am Betriebsort des Filters eingesetzt werden, so sind aber auch die Anforderungen an das Versorgungsnetz zu beachten, für die immer stren­gere Bestimmungen gelten. So müssen z.B. Grenzen für die Blindstrom- und Oberschwingungs-Belastung des Netzes so­wie eine unsymmetrische Belastung zwischen den Dreh­stromanschlüssen des Versorgungsnetzes beachtet werden. Schließlich sind auch die Installationskosten möglichst gering zu halten.
  • Mit der Erfindung wird nun ein Verfahren zu Verfügung gestellt, das an die sich jeweils ändernden Betriebsbe­dingungen möglichst optimal angepaßt werden kann und insbesondere bei Überschlägen rasch reagiert.
  • Da dem Filter eine verhältnismäßig hohe Leistung über­tragen werden muß, wird zur Lösung dieser Aufgabe auf diejenigen bekannten Verfahren zurückgegriffen, bei denen ein mittels eines elektronischen Stellers umge­richteter Wechselstrom hochtransformiert und zur Erzeugung einer Grund-Gleichspannung über einen Brücken­gleichrichter gleichgerichtet wird. Das Filter wird also praktisch mit einem Dauer-Gleichstrom gespeist und weist daher bei konstantem Betrieb nur eine der Umrichterfre­quenz entsprechende Oberwelligkeit seiner Versorgungspan­nung auf. Dieser Grundgleichspannung können noch auf be­kannte Weise Hochspannungsimpulse überlagert werden, je­doch kann wegen des erfindungsgemäßen Umrichtverfahrens auf diese zusätzlichen Hochspannungsimpulse in vielen Fällen auch verzichtet werden.
  • Gemäß der Erfindung wird der Wechselstrom mit einer Um­richterfrequenz von einigen Kilohertz, insbesondere etwa 2 kHz oder mehr, erzeugt.
  • Während also beim Stand der Technik ein Frequenzumrichter nur dann verwendet wird, wenn einer Grundgleichspannung zur Erzeugung einer für den Abscheidungsvorgang ange­strebten Welligkeit eine Wechselspannung mit der Umrich­terfrequenz ohne Gleichrichtung oder eine Folge isolier­ter Einzelimpulse, die aus der umrichterfrequenten Wech­selspannung mittels einer Diode durch Unterdrücken der negativen Spannungshalbwellen gebildet sind, überlagert wird, wird gemäß der Erfindung der hochfrequente Wechsel­strom eingesetzt, um über den Brückengleichrichter durch einen praktisch kontinuierlichen Gleichstrom zunächst eine zunächst nur schwach oberwellenhaltigen Grund­Gleichspannung zu erzeugen.
  • Dies hat den Vorteil, daß bei einem Überschlag der Spei­sestrom des Filters entsprechend der hohen Taktfrequenz durch Sperren des Umrichtertaktes innerhalb Bruchteilen einer Millisekunde zum Erlöschen gebracht werden kann.
  • Vorteilhaft ist dabei vorgesehen, als Frequenzumrichter einen Zwischenkreisumrichter zu verwenden, bei dem der an das Drehstrom-Versorgungsnetz angeschlossene Steller (z.B. ein steuerbarer Drehstrom-Gleichrichter oder insbe­sondere ein Drehstrom-Gleichrichter mit nachgeschaltetem Gleichstromsteller zur Steuerung des Zwischenkreis-Gleich­stroms) einen Gleichstrom liefert, der zur Bildung des Wechselstromes im Takt der Umrichterfrequenz mittels eines hochfrequenten Wechselrichters mit alternierenden Vorzeichen auf die Wechselstromausgänge des Umrichters geschaltet wird. Bei einem Durchschlag braucht zum Ab­schalten des Filterstromes lediglich der Wechselrichter gesperrt und durch geeignete Mittel (z.B. einen Querthy­ristor zwischen den Gleichstromeingängen des Wechselrich­ters oder geeignete Zündimpulse für in Reihe liegende Wechselrichterventile) der Gleichstrom über einen Leer­laufpfad an den Wechselstromausgängen des Wechselrichters vorbei geleitet zu werden.
  • Bei einem derartigen Zwischenkreis-Umrichter wird der Zwischenkreisstrom vom Steller eingeprägt. Seine Ampli­tude ist innerhalb einer Periode des Umrichtertaktes praktisch nicht veränderlich, so daß auch bei einem Durchschlag kein wesentlicher Stromanstieg am Transfor­mator und somit keine wesentliche Nachladung des Filters auftritt. Dadurch werden Lichtbögen verhindert und Ent­ladungserscheinung in ihrer zeitlichen Dauer begrenzt, was zu verringertem Verschleiß der Sprühdrähte und er­höhten Standzeiten des Filters führt.
  • Andererseits braucht der Umrichtertakt nur für gerade so viele Taktperioden gesperrt zu werden, wie zur Entioni­sierung des Gases erforderlich ist. Anschließend steht der gesamte Zwischenkreisstrom wieder zur Wechselrichtung und Nachladung des Filters zur Verfügung, dessen Abschei­de-Fähigkeit daher rasch wieder hergestellt ist, wodurch der Filter-Wirkungsgrad erhöht wird. Als Folge der hohen Wechselstromfrequenz wird nur ein kleinerer Transformator benötigt, wodurch sich geringere Baukosten und Leistungs­verluste und ein günstigeres transientes Verhalten bei schnellen Betriebsänderungen ergibt.
  • Darüber hinaus bietet sich die Möglichkeit, von vornher­ein bereits nach mehreren Umrichtertakt-Perioden durch eine vorübergehende kurze Sperre des Stellertaktes eine derartige Entionisierungszeit vorzusehen, um die Anzahl der Durchschläge zu verringern. Der im kHz-Takt erzeugte, praktisch lückenlose Gleichstrom wird also mit einer niedrigeren Folgefrequenz in einzelne Gleichstrom-Pakete unterteilt. Die Dauer der dabei entstehenden stromlosen Pausen kann im jeweiligen Anwendungsfall an die vorlie­gende Entionisierungszeit angepaßt werden.
  • Die z.B. über die Steuerung des Zwischenkreis-Gleich­stromes mögliche Amplitudensteuerung des hochfrequenten Wechselstromes bietet einen zusätzlichen Freiheitsgrad zur Steuerung der Filterspannung. So kann die Wechsel­richteramplitude nach jedem Durchschlag bzw. jeder Um­richtersperre nach einer vorgegebenen Hochlauffunktion wieder hochgefahren werden.
  • Insbesondere kann über die Amplitudensteuerung innerhalb der erwähnten Gleichstrom-Pakete der Kurvenverlauf ganz unterschiedlichen, für den jeweiligen Anwendungsfall als vorteilhaft angesehenen Kurvenformen der Filter-Speise­spannung angepaßt werden.
  • So kann z.B. bereits der Grundspannung U des Filters eine einstellbare Welligkeit dU/dt, z.B. in Abhängigkeit vom Fremdstoff-Restgehalt im Medium, eingegeben werden.
  • Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn das Medium bereits weitgehend von Fremdstoffen befreit und sehr hochohmig ist. In diesem Fall vermag das Medium bei konstanter Filterspannung nur einen geringen Strom zu leiten und somit nur eine geringe Leistung aufzunehmen. Durch eine höhere Welligkeit der Speisespannung kann dann jedoch die Energieaufnahme des Filters erhöht wer­den. Es kann auch erforderlich werden, den mittleren Pegel der Filterspannung in Abhängigkeit vom Fremstoff-­Restgehalt zu steuern; so kann bei einer höheren Filter­spannung auch im ausströmenden, bereits weitgehend ge­reinigten Gas noch eine Abscheidung von Rest-Fremdstoffen erreicht werden.
  • Über die Steuerung kann in einem iterativen Suchverfah­ren der jeweils optimale Arbeitspunkt für die Speisung des Filters vorgegeben werden. So kann z.B. die Filter­spannung durch Erhöhen des speisenden Gleichstroms selbsttätig erhöht werden, solange dadurch die Häufig­keit der auftretenden Durchschläge nicht nennenswert erhöht wird. Dadurch wird eine Abhängigkeit der Filter­spannung vom Fremdstoffgehalt des einströmenden Gases selbsttätig berücksichtigt, sie kann aber auch durch eine vorgegebene Funktion für die Steuerung der Wechsel­stromamplitude, z.B. in Abhängigkeit von der erfaßten Durchschlagshäufigkeit, erfolgen.
  • Insbesondere kann über die Umrichterfrequenz auch die Periodizität des ganzen Spannungsverlaufes gesteuert und in Abhängigkeit vom Lastzustand bzw. dem Fremdstoffgehalt des einströmenden Gases geändert werden.
  • Für das Versorgungsnetz wirkt als Last lediglich der Steller selbst, im Fall einer ungesteuerten Drehstrom­brücke mit nachgeschaltetem Gleichstromsteller also eine symmetrische Last mit einer sehr geringen Welligkeit von nur etwa 4,2 %. Der Leistungsfaktor (cos ⇑) ist dabei praktisch 1 und der Zwischenkreis schützt das Versor­gungsnetz vor Netzrückwirkungen des Wechselrichters weitgehend.
  • Ferner gibt sich insgesamt eine Reduzierung der vom Elektrofilter aufgenommenen Leistung, da jeweils nach einem Überschlag die Dauer dieses Kurzschlusses wegen der geringen Zeitspanne zwischen dem Erfassen des Kurz­schlusses und dem Erlöschen des hochfrequenten Wechsel­stromes klein ist, also auch nur wenig Energie in den Kurzschluß fließen kann.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Anhand von drei Figuren wird die Erfin­dung näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1 den prinzipiellen Aufbau und die
    • Figuren 2 und 3 vorteilhafte Realisierungsmöglichkeiten einer Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung.
  • In den Figuren ist mit F das Elektrofilter bezeichnet, zwischen dessen Elektroden (Platten und Sprühdrähte) das durch einen Pfeil M dargestellte Medium (z.B. Rauchgas oder ein anderes Abgas) hindurchgeführt wird und das mit einer Spannung U, die von einem Meßglied MU erfaßt wird, aus einem Versorgungsnetz N versorgt werden soll. Hierzu ist der Eingang des Filters über einen Hochspannungs­gleichrichter GRH an die Sekundärwicklung WS eines Trans­formators angeschlossen, dessen Primärwicklung WP am Ausgang des hochfrequent getakteten Frequenzumrichters HF liegt.
  • Der Hochspannungsgleichrichter GRH ist als Vollwellen-­Gleichrichter, insbesondere als ungesteuerte Gleichrich­terbrücke, ausgebildet. Als hochfrequenzer Frequenzum­richter HF wird vorzugsweise ein Zwischenkreis-Umrichter verwendet. Im Blockschaltbild der Figur 1 ist durch einen Schalter Q ein schaltbarer Freilaufpfad angedeutet, über den bei einer Umrichtersperre auftretende induktive Ströme, z.B. der eingeprägte Zwischenkreisstrom bei Ver­wendung eines Stromzwischenkreises im Umrichter, weiter­fließen können. Meistens kann die Amplitude des hochfre­quenten Wechselstromes (ia) über einen entsprechenden Steuereingang des Wechselstromstellers HF gesteuert wer­den. Mit NF ist angedeutet, daß die Amplitudensteuerung aber auch über einen steuerbaren netzfrequenten Wechsel­stromsteller verstellt werden kann.
  • Mit PR ist in Figur 1 summarisch die Steuerung und Rege­lung des hochfrequenten Wechselstroms dargestellt, der neben dem Istwert U der Filter-Speisespannung noch je nach Anwendungsfall geeignete Ist- und Sollwerte einge­geben sind. Über die Ausgangssignale sind Amplitude, Frequenz sowie über die "Querzündungen" des Freilauf­pfades Q die Unterbrechungen des Stromes ia am Ausgang des Wechselstromstellers HF steuerbar.
  • Für den Betrieb des Filters können ganz unterschiedliche Parameter berücksichtigt und in eine entsprechend schnel­le Steuerung und Regelung umgesetzt werden. Der Betrieb des Filters kann daher auch in vielfacher Hinsicht opti­miert werden. Diese Anpassungsfähigkeit sei an einem Beispiel in Fig. 2 erläutert, kann aber je nach Anwen­dungsfall auch ganz anders realisiert werden.
  • So können als Eingangssignale der Fremdstoff-Rohgasge­halt (Gehalt des einströmenden Mediums an Fremdstoffen) und/oder Fremdstoff-Reingasgehalt (Fremdstoffgehalt des ausströmenden Mediums) verwendet werden. Speisespannung und/oder Speisestrom des Filters sind optimierbar, ins­besondere können sie nach einer vorgegebenen Spannungs/­Strom-Kennlinie gesteuert werden. Diese Kennlinie kann in Abhängigkeit vom Fremdstoff-Rohgasgehalt, d.h. vom Lastzustand des Filters, verändert werden. Außerdem kann die Steuerung sehr rasch auf jeden Spannungseinbruch und auf Start und Ende eines Klopfvorgangs reagieren und es kann auch die Welligkeit der Spannung, d.h. die Schwan­kung der Spannung zwischen einem oberen und unteren Grenz­wert, vorgegeben und optimiert werden.
  • In dieser Figur 2 ist schematisch die steuerbare Gleich­richteranordnung als steuerbare Drehstrom-Gleichrichter­brücke DR dargestellt, die bereits die nötigen Mittel enthält, um den Zwischenkreisstrom I (Meßglied MI) eines Zwischenkreisumrichters zu verändern und somit die Ampli­tude des hochfrequenten Steller-Ausgangsstromes mit einem bestimmten Regelverhalten zu regeln.
  • Der Zwischenkreis enthält eine Zwischenkreisdrossel ZI, die auf die Gliederung des Zwischenkreisstromes ausge­legt ist und gegebenenfalls durch einen Zwischenkreis­kondensator ergänzt wird.
  • Der nachgeschaltete Wechselrichter AR erzeugt den hoch­frequenten Wechselstrom. Der hierzu geeignete, in Fig. 2 gezeigte Wechselrichter ist als Wechselrichter mit "Phasenfolgelöschung" bekannt. Es genügt eine zweipha­sige Brücke, obwohl im Prinzip auch drei- und mehrpha­sige Brücken möglich und gegebenenfalls auch vorteil­haft sein können, um nach Hochtransformieren und Gleich­richten einen möglichst lückenlosen Gleichstrom zu er­halten.
  • In der normalen Phasenfolge zünden die Ventile TH1 und TH4 und die Ventile TH2 und TH3 jeweils gleichzeitig und löschen unter Umladen der Kommutierungskondensatoren K1 und K2 die zuvor gezündeten Ventile.
  • Als Mittel zur Querzündung ist der Querthyristor TQ vor­gesehen. Bei einer derartigen Querzündung fließt der vorgegebene Zwischenkreisstrom weiterhin über die Dros­sel ZI, wird aber über den Freilaufpfad TQ an der Primär­wicklung WP vorbei geleitet, die daher bei jeder Phasen­lage des Wechselrichters rasch entregt und nach Sperren beliebig weniger Umrichter-Taktimpulse wieder mit dem vollen Zwischenkreisstrom erregt werden kann. Nach einem Durchschlag kann daher schnell wieder die erforderliche Abscheidespannung aufgebaut werden. Derartige Querzün­dungen können bei anderen Brückenschaltungen auch durch Zündung in Reihe liegender Ventile erfolgen. Sie können auch vorgesehen sein, um die Stromführungsdauer der in der normalen Taktfolge gezündeten Ventile gegenüber einer Halbperiode des Wechselrichter-Ausgangsstromes zu verkür­zen. Der eingeprägte Zwischenkreisstrom selbst wird durch diese Schaltvorgänge praktisch nicht beeinflußt.
  • In der Steuerung PR wird der Arbeitspunkt der Stromver­sorgung dadurch festgelegt, daß ein Sollwertgeber SS einen Sollwert I* für den Zwischenkreisstrom bzw. die Amplitude des Ausgangs-Wechselstroms vorgibt, deren Regelabweichung über einen Stromregler SR den Steuersatz SDR für die steuernden Mittel der steuerbaren Gleichrich­teranordnung ansteuert. Der Sollwert I* kann dabei ins­besondere nach einer im Sollwertgeber SS abgespeicherten Strom/Spannungs-Kennlinie ermittelt werden, dem von ei­nem Stromsteuer-Programmteil PS der Wert für die optimale Spannung U* vorgegeben wird. Dabei kann U* z.B. in Ab­hängigkeit vom Fremdstoff-Restgehalt, der an einer Rauch­gassonde RG gemessen ist, periodisch verändert werden, um die erwähnte Welligkeit der Filter-Speisespannung zu er­zeugen. Das optimale Grundniveau für U* kann dabei von einer Rauchgassonde EG in Abhängigkeit vom Fremdstoff­Rohgasgehalt festgelegt werden oder im Rahmen eines iter­ativen Suchverfahrens so verändert werden, daß einerseits ein hoher Abscheidegrad, andererseits eine geringe Häufigkeit von Durchschlägen und Spannungseinbrüchen am Meßglied MU auftreten.
  • Allgemein ist eine Begrenzung der Spannung auf den vor­gegebenen Wert U* vorteilhaft. Hierzu wird einem Begren­zungsregler BR, der auf eine den Stromsollwert begrenz­zende Begrenzungsschaltung BG arbeitet, die Soll/Istwert­Differenz der Speisespannung U aufgeschaltet. Um z.B. nach einem Durchbruch die Speisespannung nach einem vor­gegebenen Kurvenverlauf hochfahren zu können, ist am Sollwerteingang des Begrenzungsreglers PR ein Hochlauf­geber HG vorgesehen, dessen Endwert (z.B. in Abhängigkeit von der Häufigkeit der am Spannungsmeßglied MU erfaßten Spannungsdurchbrüche) von einem Impulsprogrammteil PI verändert werden kann. In den beiden Programmteilen PS und PI können entsprechend der jeweils zum Abscheiden vorgesehenen Technologie weitere Ist- und Sollwert-Zu­sammenhänge verarbeitet werden, um durch Steuerung des Hochlaufgebers HG und/oder des Sollwertgebers SS für jeden möglichen Betriebszustand, z.B. auch bei einem Klopfvorgang (Entfernen der abgeschiedenen Fremdstoffe), einen optimalen Eingriff in die Steuerung des Wechsel­stromes zu ermöglichen. Entsprechend dem jeweils vorge­gebenen Arbeitspunkt auf der Filterkennlinie ermöglicht der Spannungsbegrenzungsregler BR einen stabilen Betrieb der Stromversorgung bis in die Nähe des Durchschlagpunk­tes, wodurch die Durchschlaghäufigkeit vermindert und die Filterstandzeit erhöht wird.
  • Der Impulsprogrammteil PI hat ferner die Aufgabe, die Wechselstrom-Ausgangsfrequenz und somit die Hochfrequenz des Wechselrichters AR durch ein entsprechendes betriebs­abhängiges Steuersignal für den Wechselrichtersteuersatz WSt vorzugeben. Er erzeugt auch das Schaltsignal für den Freilaufpfad (Ventil TQ) und das vorübergehende Still­setzen und Wiederanfahren des Wechselrichters nach einem Durchschlag. Außerdem kann durch periodisches Sperren der dem Hochspannungsgleichrichter GRH entnommene Gleichstrom unterbrochen ("Paket-Bildung") und somit ebenfalls eine Spannungswelligkeit am Filter erzwungen werden.
  • Durch diese Steuerung der Grund-Gleichspannung des Fil­ters wird die Anwendung zusätzlicher, isolierter Hoch­spannungsimpulse weitgehend überflüssig. Der in Figur 2 dargestellte Koppelkondensator KK erleichtert jedoch auch das zusätzliche Aufschalten derartiger Impulse, die an den entsprechenden Eingangsklemmen HFI des Fil­ters angelegt werden können.
  • Die verwendete Hochfrequenz des Wechselstromes ermög­licht erhebliche Einsparungen am Transformator. Ähnliche Einsparungen ergeben sich auch für die Zwischenkreis­drossel, wenn als steuerbare Gleichrichteranordnung die Schaltung nach Fig. 3 verwendet wird.
  • Demnach wird zur Steuerung des eingeprägten Gleichstroms I ein Gleichstromsteller mit einem Stellerventil ST und einer Freilaufdiode FD verwendet, wobei durch eine Stel­lerfrequenz im kHz-Bereich (z.B. 5 kHz) die Größe der Drossel FD herabgesetzt wird. Der Zwischenkreis entkop­pelt das Netz N von Rückwirkungen des Wechselrichters AD.
  • Die Eingangsspannung des Gleichstrom-Stellers wird vor­teilhaft von einer ungesteuerten Drehstrom-Gleichrichter­brücke geliefert, die somit eine symmetrische, praktisch blindstromfreie Last für das Netz N darstellt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Betrieb eines Elektrofilters, wobei ein mittels eines elektronischen Stellers umgerichteter Wechselstrom hochtransformiert und zur Erzeugung einer Grund-Gleichspannung für das Filter, der gegebenenfalls Hochspannungsimpulse überlagert werden, über einen Brük­kenwechselrichter gleichgerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom mit einer Umrichterfrequenz mit einigen kHz erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der umgerichtete Wechselstrom erzeugt wird, indem im Takt der Umrichter­frequenz ein einem Zwischenkreis entnommener Gleichstrom mit alternierendem Vorzeichen auf die Wechselstromaus­gänge des Umrichters geschaltet wird und daß der Zwi­schenkreis von einer steuerbaren Gleichrichteranordnung mit einem steuerbaren Zwischenkreisstrom gespeist wird, der in einer Periode der Umrichterfrequenz praktisch un­abhängig von der Aufschaltung auf die Wechselstromaus­gänge ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Überschlag im Abscheider der Wechselstrom unter Sperrung der Umrich­terfrequenz abgeschaltet und nach einer auf die Entioni­sierungszeit abgestimmten, kurzen Pause durch Freigabe der Umrichterfrequenz wieder eingeschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschalten und Wiedereinschalten des Stromes auch unabhäntgig vom Auf­treten eines Übderschlags nach jeweils mehreren Perioden des Umrichtertakts vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom­amplitude nach einer Abschaltung der Umrichterfrequenz nach einer vorgegebenen Hochlauffunktion für die Wech­selstromamplitude oder die Grund-Gleichspannung wieder hochgefahren wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein vorgegebenes Steuerprogramm zur Steuerung der Umrichtung während eines Klopfvorganges und/oder bei Unterspannung am Filter.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund-Gleichspannung durch eine Änderung der Wechsel­stromamplitude eine vorgegebene Welligkeit eingeprägt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrichterfrequenz betriebsabhängig verändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrichterfre­quenz in Abhängigkeit vom Lastzustand bzw. vom Fremd­stoffgehalt des ins Filter einströmenden Mediums ge­ändert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuerung des Wechselstroms der mittlere Pegel und/oder die Welligkeit der Grund-Gleichspannung in Ab­hänsgigkeit vom Fremdstoffgehalt des aus dem Filter aus­strömenden Mediums gesteuert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Wechselstroms durch eine Steuergröße ge­steuert wird, die nach einer vorgegebenen Strom-Span­nungs-Kennlinie aus einem Sollwert für die optimale Filterspannung ermittel wird.
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