Precipitador electrostático que comprende un convertidor AC-DC o AC- AC de alta tensión para convertir corriente alterna de entrada (AC,

1-3) en corriente directa (DC) o alterna (AC) de alta tensión a proporcionar a una carga (12) de dicho precipitador electrostático, comprendiendo dicho convertidor una unidad (22) para la conversión de la corriente alterna (AC) de entrada en corriente alterna (AC) de alta frecuencia, por lo menos un transformador (10) para adaptar la corriente alterna (AC) de alta frecuencia a los requisitos de la carga (12), en el que entre dicha unidad (22) y dicho transformador (10) está dispuesto un circuito resonante,

en el que

hay al menos dos unidades (22) para la conversión de la corriente alterna (AC) de entrada en corriente alterna (AC) de alta frecuencia, conectadas al mismo transformador (10), dichas por lo menos dos unidades (22) están acopladas al mismo circuito resonante (23) cargado en serie, y hay por lo menos un componente común a la conexión de dichas por lo menos dos unidades (22) al transformador (10), aparte del bobinado primario (18) del transformador (10), que determina la frecuencia de resonancia del acoplamiento de ambas unidades (22) al transformador, y en el que este componente común es por lo menos un condensador (C'') conectado al bobinado primario (18) del transformador (10)

Alimentación eléctrica para precipitador electrostático.

Campo técnico

La presente invención se refiere a fuentes de alimentación, por ejemplo para aplicaciones de DC de alta tensión, como son los precipitadores electrostáticos. En concreto, se refiere a un convertidor que comprende una unidad para la conversión de corriente alterna (AC, alternating current) de entrada en corriente alterna (AC) de alta frecuencia, y por lo menos un transformador para adaptar la corriente alterna (AC) de alta frecuencia a las requisitos de la carga, en el que entre dicha unidad y dicho transformador se dispone un circuito resonante.

Antecedentes de la invención

En muchos contextos, en particular en la limpieza de gases de combustión, los precipitadores electrostáticos (ESP, electrostatic precipitators) son colectores de polvo sumamente apropiados. Su diseño es robusto y son muy fiables. Además son muy eficientes. No son infrecuentes grados de separación superiores al 99,9%. Puesto que en comparación con los filtros de tela, sus costes operativos son bajos y el riesgo de daños y de interrupciones debidos a irregularidades funcionales son considerablemente menores, son una elección lógica en muchos casos. En un precipitador electrostático, el gas contaminado es conducido entre electrodos conectados a un rectificador de alta tensión. Usualmente, éste es un transformador de alta tensión con control por tiristor en el lado primario, y un puente rectificador en el lado secundario.

Esta disposición está conectada a la red eléctrica ordinaria de AC, y por lo tanto está alimentada a una frecuencia que es de 50 o 60 Hz.

El control de potencia se lleva a cabo variando el ángulo de activación de los tiristores. Cuanto menor es el ángulo de activación, es decir cuanto mayor es el periodo de conducción, mayor es la corriente suministrada al precipitador y mayor la tensión entre los electrodos del precipitador.

Las fuentes de alimentación modernas para estos ESP son los denominados convertidores resonantes cargados en serie (SLR, series loaded resonant) que permiten tener alta potencia (típicamente en el rango de 10-200 kW) y alta tensión (50-150 kV de DC), al mismo tiempo manteniendo al mínimo las pérdidas por conmutación. El objetivo de R&D es una potencia de salida superior.

La topología utilizada es un convertidor resonante cargado en serie, SLR, por ejemplo como el proporcionado en la figura 1. La red eléctrica trifásica con las tres fases 1-3 que pueden conmutarse individualmente mediante conmutadores 4, es rectificada por un rectificador 6 de seis pulsos, que comprende por ejemplo diodos 5. No obstante, este rectificador puede ser asimismo un rectificador conmutado activamente. La tensión rectificada es suavizada mediante un condensador 13 del enlace de DC, en el enlace de DC 6. La tensión del enlace de DC es alimentada a un puente de transistores 8 (puente-H), que comprende cuatro transistores 14, 14', 15, 15'. La salida del puente 8 (tensión de AC de alta frecuencia) es conectada, a través de un circuito resonante 9, al primario de un transformador 10. El circuito resonante 9 comprende un inductor 16 y un condensador 17 en serie y, junto con el bobinado primario 18, estos elementos definen básicamente la frecuencia de resonancia del circuito resonante, el cual por lo tanto solamente puede manejarse razonablemente en torno a esta frecuencia resonante. El transformador 10, que consiste en el bobinado primario 18 y el bobinado secundario 19, adapta la tensión de entrada (red eléctrica) a la carga 12 (ESP, 50-150 kV). La tensión alterna secundaria del transformador 10 es rectificada por un rectificador 11 de alta tensión y alimentada a la carga 12. Normalmente, la tensión de salida es negativa.

El flujo de potencia en dicha topología puede controlarse variando la frecuencia del puente 8 o bien variando el régimen de trabajo de la fuente de tensión (salida del puente). Frecuencias de conmutación en la proximidad de la resonancia del circuito están dentro de un funcionamiento normal.

El documento "ANALYSIS AND DESIGN-OPTIMISATION OF LCC RESONANT INVERTER FOR HIGH-FREQUENCY AC DISTRIBUTED POWER SYSTEM" IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, Piscataway, NJ, EE.UU., volumen 42, número 1, 1 de febrero de 1995, muestra diferentes topologías de un convertidor con un circuito resonante acoplado entre un transformador para adaptar la corriente alterna de alta frecuencia a los requisitos de la carga, y una única unidad inversora. Asimismo, el convertidor resonante del documento WO-A-0249197 está dotado de una serie de unidades inversoras de conmutación suave, acopladas al mismo circuito resonante.

Los convertidores de potencia resonantes contienen redes L-C resonantes cuyas formas de onda de tensión y corriente varían sinusoidalmente durante uno o más intervalos secundarios de cada periodo de conmutación.

Estas variaciones sinusoidales son de gran magnitud y no es de aplicación la aproximación de pequeña ondulación. La ventaja principal de los convertidores resonantes es la reducción de la pérdida por conmutación (conmutación a corriente cero, conmutación a tensión cero). Las transiciones de conexión o desconexión de los dispositivos semiconductores se pueden producir en los cruces por cero de las formas de onda de tensión o de corriente del circuito, por lo tanto reduciendo o eliminando parte de los mecanismos de pérdida por conmutación. De ese modo, los convertidores resonantes pueden funcionar a frecuencias de conmutación superiores a los convertidores comparables de modulación de anchura de impulsos. La conmutación a tensión cero reduce asimismo los impulsos electromagnéticos generados por convertidor, y la conmutación a corriente cero puede ser utilizada para conmutar rectificadores controlados de silicio. En aplicaciones especializadas, las redes resonantes pueden ser inevitables, de manera que en los convertidores de alta tensión existe una fuga significativa del transformador, y la inductancia y la capacidad del bobinado conducen a una red resonante.

Sin embargo, también hay desventajas en los circuitos resonantes en serie o en paralelo. Por ejemplo, el rendimiento puede ser optimizado en un punto de trabajo, pero no con un rango amplio de variaciones de la tensión de entrada y de la potencia de carga. Además, pueden circular corrientes significativas a través de los elementos del circuito, incluso cuando la carga está desconectada, conduciendo a una eficiencia pobre con carga reducida. Las formas de onda cuasi-sinusoidales presentan valores extremos superiores a las formas de onda rectangulares equivalentes. Estas consideraciones conducen a unas pérdidas por conducción incrementadas, que pueden contrarrestar la reducción en las pérdidas por conmutación. Los convertidores resonantes están controlados usualmente por variación de la frecuencia de conmutación. En algunos esquemas, el rango de frecuencias de conmutación puede ser muy grande.

Para incrementar la capacidad de tratamiento de la potencia y para establecer un diseño escalable, se utiliza la modularización. La cuestión fundamental al utilizar la modularización es controlar el reparto de carga, es decir asegurar que los diferentes módulos toman partes iguales, o partes bien definidas, de la carga.

Resumen de la invención

Por lo tanto, uno de los objetivos de la presente invención es dar a conocer un convertidor mejorado AC-DC o AC-AC de alta tensión, que convierte corriente alterna en corriente directa de alta tensión o en corriente alterna de alta tensión, respectivamente, para proporcionar a una carga. En concreto, la mejora se refiere a un convertidor que comprende una unidad para la conversión de la corriente alterna de entrada en corriente alterna de alta frecuencia, y comprende por lo menos un transformador para adaptar la corriente alterna de alta frecuencia a los requisitos de la carga, en el que entre dicha unidad y dicho transformador se dispone un circuito resonante.

Se puede conseguir el mantenimiento de un reparto equilibrado de la carga entre los circuitos cuando se modulariza el sistema, puesto que se dispone más de una, por lo tanto como mínimo dos, unidades para la conversión de corriente alterna de entrada (AC) en corriente alterna (AC) de alta frecuencia conectadas al mismo transformador. Estas unidades son los denominados circuitos primarios que consisten normalmente en un rectificador de entrada, un filtro de enlace de DC y un puente de transistores.

El circuito resonante puede ser un circuito resonante cargado en serie o un circuito resonante en paralelo,...

1. Precipitador electrostático que comprende un convertidor AC-DC o AC- AC de alta tensión para convertir corriente alterna de entrada (AC, 1-3) en corriente directa (DC) o alterna (AC) de alta tensión a proporcionar a una carga (12) de dicho precipitador electrostático, comprendiendo dicho convertidor una unidad (22) para la conversión de la corriente alterna (AC) de entrada en corriente alterna (AC) de alta frecuencia, por lo menos un transformador (10) para adaptar la corriente alterna (AC) de alta frecuencia a los requisitos de la carga (12), en el que entre dicha unidad (22) y dicho transformador (10) está dispuesto un circuito resonante,

en el que

hay al menos dos unidades (22) para la conversión de la corriente alterna (AC) de entrada en corriente alterna (AC) de alta frecuencia, conectadas al mismo transformador (10), dichas por lo menos dos unidades (22) están acopladas al mismo circuito resonante (23) cargado en serie, y hay por lo menos un componente común a la conexión de dichas por lo menos dos unidades (22) al transformador (10), aparte del bobinado primario (18) del transformador (10), que determina la frecuencia de resonancia del acoplamiento de ambas unidades (22) al transformador, y en el que este componente común es por lo menos un condensador (C') conectado al bobinado primario (18) del transformador (10).

2. Precipitador electrostático acorde con la reivindicación 1, en el que el circuito resonante comprende por lo menos un primer inductor (L1) y dicho por lo menos un condensador (C') en serie conectado a un primer polo del bobinado primario (18) del transformador (10), y en el que el condensador (C') está situado entre el inductor (L1) y el bobinado primario (18) del transformador (10).

3. Precipitador electrostático acorde con la reivindicación 2, en el que un segundo inductor (L2) está situado entre por lo menos una unidad (22) y un segundo polo del bobinado primario (18) del transformador (10).

4. Precipitador electrostático acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada una de las primeras salidas de dichas por lo menos dos unidades (22) está conectada a un primer inductor individual (L1), estando dichos primeros inductores (L1) de las unidades (22) dispuestos en paralelo, y en el que estos inductores en paralelo (L1) están conectados a un único condensador (C'), o a un grupo de condensadores en serie o en paralelo, del circuito resonante cargado en serie.

5. Precipitador electrostático acorde con la reivindicación 4, en el que el único condensador (C'), o el grupo de condensadores en serie o en paralelo, está conectado al primer polo del bobinado primario (18) del transformador (10).

6. Precipitador electrostático acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada una de las segundas salidas de dichas por lo menos dos unidades (22) está conectada a un segundo inductor individual (L2), estando dichos segundos inductores (L2) dispuestos respectivamente en paralelo y ambos conectados al segundo polo del bobinado primario (18) del transformador (10).

7. Precipitador electrostático acorde con la reivindicación 6, en el que una de dichas por lo menos dos unidades (22) comprende por lo menos un rectificador (6) que rectifica corriente alterna de entrada, y comprende por lo menos un puente (8) de transistores que convierte la corriente directa resultante en corriente alterna de alta frecuencia, en el que los inductores primero y segundo (L1, L2) están conectados a las patas de los transistores (14, 15) del puente de transistores (8).

8. Precipitador electrostático acorde con la reivindicación 7, en el que una corriente alterna trifásica de entrada (1-3) es rectificada en el rectificador (6), en el que la corriente directa resultante es introducida al puente (8) de transistores a través de un enlace de DC (7) con dos conductores, que comprende un elemento de filtrado (13), estando constituido dicho elemento de filtrado preferentemente mediante por lo menos un condensador (13) entre los dos conductores y opcionalmente mediante por lo menos un inductor en por lo menos uno de los conductores, y en el que el puente (8) de transistores es un puente de H con por lo menos cuatro transistores conmutables (14, 14', 15, 15').

9. Precipitador electrostático acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho transformador (10) transforma la corriente alterna de alta frecuencia, y en el que el bobinado secundario (19) del transformador (10) está conectado a por lo menos un rectificador de alta tensión (11).

10. Precipitador electrostático acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la potencia nominal está por encima de 20 kW, preferentemente en el rango de 20-200 kW y/o en el que la tensión nominal de DC de salida está por encima de 50 kV, preferentemente en el rango de 50-115 kV.

11. Precipitador electrostático acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que no hay más de dos unidades (22) conectadas a un circuito resonante común (23).