Електростатичний фільтрувальний пристрій

1. Електростатичний фільтрувальний пристрій (1), що містить електростатичний фільтр (4), який утворює конденсатор, перше джерело (2) напруги, під’єднане паралельно до електростатичного фільтра (4), послідовний коливальний контур із щонайменше одного зарядного конденсатора (9) і щонайменше однієї індуктивності (11), ланцюг керованих електронних ключів (7), який разом із послідовним контуром (9, 11) утворює послідовну схему, під’єднану паралельно до електростатичного фільтра(4), друге джерело (3) напруги, під’єднане паралельно до ланцюга із електронних ключів (7), схему (5) керування, виконану зі здатністю періодичного переведення електронних ключів (7) у провідний і запертий стан, і засоби (17, 35), виконані зі здатністю переведення електронного ключа (7) у провідний стан незалежно від сигналу схеми (5) керування, якщо спад напруги на ньому перевищує попередньо встановлене значення. 2. Електростатичний фільтрувальний пристрій (1), що містить електростатичний фільтр (4), який утворює конденсатор, перше джерело (2) напруги, під’єднане паралельно до електростатичного фільтра (4), послідовний коливальний контур із щонайменше одного зарядного конденсатора (9) і щонайменше однієї індуктивності (11), ланцюг керованих електронних ключів (7), який разом із послідовним контуром (9, 11) утворює послідовну схему, під’єднану паралельно до електростатичного фільтра (4), друге джерело (3) напруги, під’єднане паралельно до ланцюга із електронних ключів (7), схему (5) керування, виконану зі здатні 2 (19) 1 3 78457 4 послідовно з діодом. діод (8). 11. Фільтрувальний пристрій за п.8, який відрізня15. Фільтрувальний пристрій за п.1 або 2, який ється тим, що сенсорний засіб (27) містить тригер відрізняє ться тим, що електронний ключ (7) Шмітта. утворений біполярним транзистором з ізольова12. Фільтрувальний пристрій за п.8, який відрізняним затвором або двоопераційним тиристором, ється тим, що сенсорний засіб (27), виконаний зі здатним запиратися сигналом керуючого електроздатністю формування бінарного сигналу, залежда. ного від значення струму, з’єднаний з перетворю16. Фільтрувальний пристрій за п.1 або 2, який вачем (33) електричного сигналу у оптичний сигвідрізняє ться тим, що схема (5) керування нал, вихід якого світловодом (34) з’єднаний зі з’єднана зі вхідними схемами кожного електронновходом схеми (5) керування. го ключа (7) світловодами (15). 13. Фільтрувальний пристрій за п.1 або 2, який 17. Фільтрувальний пристрій за п.1 або 2, який відрізняє ться тим, що паралельно до ланцюга із відрізняє ться тим, що кожен електронний ключ послідовно з’єднаних зарядного конденсатора (9) і (7) оснащений пусковою схемою (16), яка має влакерованих електронних ключів (7) під’єднаний щосне, гальванічне розв’язане джерело (18) живнайменше один зарядний діод (10). лення. 14. Фільтрувальний пристрій за п.1 або 2, який 18. Фільтрувальний пристрій за п.17, який відрізвідрізняє ться тим, що паралельно до кожного няється тим, що джерело живлення (18) містить електронного ключа (7) під’єднаний гасильний імпульсний блок живлення. Електростатичні фільтри застосовують для осадження частинок із газового потоку на поверхню. Для цього газовий потік, що підлягає фільтруванню, пропускають між фільтрувальними пластинами, між якими діє сильне електричне поле. За допомогою накладеного імпульсу напруги, тобто короткочасного підвищення електричного потенціалу, на пластинах утворюють коронний розряд для перенесення носіїв заряду на частинки, що підлягають осадженню. Після закінчення імпульсу напруги заряджені частинки переміщаються у напрямку пластини з протилежною полярністю. Принципова схема такого електростатичного фільтра відома, [наприклад, із ЕР 1 119 912В1]. До пластин фільтра під'єднане джерело високої напруги. Додатковий імпульс напруги формують за допомогою послідовного коливального контуру, під'єднаного паралельно до фільтра. З електричної точки зору фільтр утворює конденсатор ємністю близько 100нФ. Послідовний коливальний контур містить зарядний конденсатор ємністю близько 1мкФ, до якого під'єднана схема формування високої напруги. Коли конденсатор зарядиться, він за допомогою керованого електронного перемикача через індуктивність послідовного контуру під'єднується до фільтра. Відбувається коливальний процес, під час якого фільтр заряджається до значно вищої напруги, ніж напруга спокою. Завдяки цьому виникає згаданий вище коронний розряд. Після закінчення процесу переколивання відбувається зворотне коливання енергії через гасильні діоди, яке закінчується, коли напруга на фільтрі стане рівною напрузі стану спокою. Напруга на зарядному конденсаторі трохи менша, ніж перед початком процесу переколивання. Електронні ключі, використовувані для ініціювання коливального процесу в контурі, повинні витримувати дуже високу напругу. В разі використання для цієї цілі біполярних транзисторів з ізольованим затвором необхідно з'єднувати послідовно кілька таких транзисторів, оскільки окремий транзистор має недостатню максимальну напругу у закритому стані. Внаслідок цього виникають дві проблеми: Необхідно забезпечити приблизно одночасний перехід усіх електронних ключів у провідний стан. В разі затримки відкривання одного із електронних ключів на ньому може виникнути перенапруга, яка веде до пробою і виходу електронного елемента із ладу. Були здійснені спроби уникнути цієї загрози за допомогою світловодів і відповідних формувальних схем. Крім того, самі електронні елементи мають певні відмінності у часових характеристиках перемикання. Друга проблема полягає у перенавантаженні каскаду електронних ключів у разі, коли один із них не запирається. Тоді загальна напруга має сприйматися меншою кількістю електронних ключів. Захист від перенапруги каскаду ключів із біполярних транзисторів [описаний у DE 11 16 274 В]. У відомій схемі кілька біполярних транзисторів з'єднані послідовно їх каналами колектор-емітер. У провідному стані вони з'єднують джерело напруги із навантаженням. Вихідна напруга джерела напруги вища, ніж напруга зворотного зміщення кожного окремого транзистора. Для вирівнювання напруги зворотного зміщення на транзисторах паралельно до кожного транзистора під'єднаний омічний опір. На основі цього каскадування керуючий струм транзистора, електрично найбільш віддаленого від джерела керуючої напруги залежить від стану каналу колектор-емітер транзистора, розташованого ближче до джерела керуючої напруги. При вмиканні транзисторів вони примусово відкриваються послідовно. Останнім відкривається транзистор, розміщений найдалі від джерела керуючої напруги, тому що передумовою його відкривання є відкривання усіх послідовно з'єднаних каналів колектор-емітер попередніх транзисторів. Без спеціальних заходів уся напруга живлення приклалася б до цього, ще не відкритого, транзистора. 5 78457 6 Для уникнення цієї ситуації паралельно каналу менті з такою характеристикою він може бути база-емітер кожного транзистора під'єднаний конутворений транзистором, між керуючим електроденсатор, завдяки чому незалежно від стану трандом і основним електродом якого під'єднаний схезистора на короткий час формується висока намний елемент з характеристикою стабілітрона. пруга колектор-емітер. Це повинно усунути Згідно з іншим аспектом винаходу, йдеться перенавантаження транзистора, що відкривається про уникнення перенапруги ланцюга електронних останнім. На поведінку відкривання транзистора ключів у разі, коли один із електронних ключів виконденсатор, під'єднаний паралельно каналу коходить із ладу і залишається у провідному стані. В лектор-емітер, не впливає. такому разі уся напруга має бути розподілена між [FR 2085987] стосується розпізнавання прорештою електронних ключів. При цьому виникає бою у електростатичних фільтрах. Електростатичзагроза, що подальші виходи із ладу збільшать ний фільтр отримує напругу живлення від джерела запірну напругу на кожному окремому електрозмінного струму через випрямляч. Детальніше не нному ключі настільки, що і вони можуть пробитипоясненим чином до випрямляча під'єднана перся, внаслідок чого може утворитися коротке замивинна обмотка високочастотного трансформатора, кання джерела напруги. який формує змінну напругу у разі пробою напруги Тому у даному пристрої передбачений конту фільтрі. роль перемикального стану кожного електронного Виходячи із цього, задачею винаходу є розроключа. У керуючій схемі здійснюється синхронізобка електростатичного фільтрувального пристрою, ваний контроль відповідності провідного чи заперв якому не відбувається перенавантаження запіртого стан у даного електронного ключа сигналові ною напругою окремих електронних ключів внаслікерування, що передається на нього від схеми док відмінностей у часови х характеристиках перекерування, наприклад, через світловод. микання. Дуже простий принцип контролю провідного чи Згідно з винаходом ця задача вирішена у фізапертого стану електронного ключа полягає у льтрувальному пристрої з ознаками пункту 1 форвизначенні спаду напруги на ньому. мули винаходу. Для цього може бути використаний діод, з'єдКрім того, задачею винаходу є розробка елекнаний послідовно з джерелом струму. Протікання тростатичного фільтрувального пристрою, в якому струму через діод відбувається, як тільки електросвоєчасно розпізнається вихід із ладу електроннонний ключ переходить у провідний стан, і припиняго ключа. ється, коли запірна напруга на транзисторі переЗгідно з винаходом ця задача вирішена у елевищує попередньо задане значення. Поріг ктростатичному фільтрувальному пристрої з ознаперемикання задається напругою холостого ходу ками пункту 2 формули винаходу. джерела живлення. У новому електростатичному фільтрувальноДля визначення струму через діод призначему пристрої передбачене джерело напруги, яке ний сенсорний засіб. Цей сенсорний засіб може формує основну напругу для пластин фільтра. реєструвати напругу на джерелі живлення або Імпульси напруги для заряджання частинок пилу в спад напруги на резисторі. аерозолі формуються за допомогою другого джеЗа допомогою тригера Шмітта формується рела напруги, виконаного у формі імпульсного відповідний сигнал і через світловод передається блока живлення. Спочатку від джерела напруги на схему керування. Від тригера передається бізаряджається зарядний конденсатор, який через нарний сигнал. ланцюг із електронних ключів і індуктивність під'У всіх випадках паралельно до послідовно єднується паралельно до фільтра. Внаслідок цьоз'єднаних зарядного конденсатора і ланцюга керого досягається підвищення напруги на пластинах ваних електронних ключів під'єднаний принаймні фільтра, яке веде до коронного розряду. Після один зарядний діод. Він призначений для замицього відповідно до часових констант утвореного кання кола при заряджанні зарядного конденсатотаким чином паралельного коливального контуру, ра. носії заряду через гасильні діоди, під'єднані параЗворотне коливання електричної енергії із філельно електронним ключам, перетікають знову льтра відбувається переважно через окремі гасидо зарядного конденсатора. льні діоди, під'єднані паралельно до кожного елекДля вирівнювання різниці у часі перемикання тронного ключа. окремих електронних ключів для кожного електроЕлектронні ключі можуть бути утворені із біпонного ключа передбачені відповідні засоби, які лярних транзисторів з ізольованими затворами здійснюють керування кожним ключем в залежноабо із двоопераційних (здатних відпиратися і засті від напруги, прикладеної до його основного пиратися керуючим сигналом) тиристорів. каналу. За таким умов помилка у передачі сигналу Особливо швидкісне керування окремими елечи подібний збій не може призвести до надто триктронними ключами може бути здійснене за доповалого перебування електронного ключа у запермогою світловодів. тому стані і пробою внаслідок перевищення макПри цьому кожен електронний ключ має пуссимального значення запірної напруги. кову схему, оснащену власним, гальванічно розУ найпростішому випадку ці засоби утворені в'язаним джерелом живлення. Джерело живлення схемними елементами, що мають ламану харакможе бути виконане у вигляді імпульсного блока теристику. Такими схемними елементами можуть живлення. бути стабілітрони (діоди Зенера) або тунельні діоВигідні вдосконалення винаходу є предметом ди. додаткових пунктів формули винаходу. В ході В разі потреби у потужнішому схемному елеознайомлення з прикладами виконання фахівцеві 7 78457 8 стане очевидним, що можуть бути здійснені мочення якомога більш одночасного переведення дифікації описаного пристрою. транзисторів у провідний стан, а також з огляду на Приклади виконання винаходу проілюстровані високий потенціал керування здійснюють через кресленнями. На них зображено: світловод 15. У пускових схемах 16 оптичний сигФіг.1. Принципова схема електростатичного нал перетворюється у необхідний електричний фільтрувального пристрою, сигнал для керування транзисторами 7. Фіг.2. Пускова схема для електронного ключа Для уникнення перенапруги окремих транзису вигляді спрощеної блок-схеми, торів 7 вони повинні одночасно переходити із заФіг.3. Альтернативна форма виконання схеми критого стану у відкритий стан. Інакше найповільзахисту електронного ключа. ніший транзистор 7 зазнає перенапруги. На Фіг.1 представлена спрощена принципова Перенапруга веде безпосередньо до пробою трасхема електростатичного фільтрувального принзистора. строю 1. До фільтрувального пристрою 1 належать Коли усі транзистори 7 відкриваються, зарядосновне джерело 2 напруги, допоміжне джерело 3 ний конденсатор 9 через дросель 11 під'єднується напруги, фільтр 4, представлений на схемі конпаралельно фільтрові 4. Електрична енергія, наденсатором, а також схема 5 керування і контрокопичена у конденсаторі 9, що має ємність близько лю. 1мкФ, через утворений таким чином коливальний Послідовно з допоміжним джерелом 3 напруги контур передається фільтрові 4 і заряджає фільтр з'єднаний дросель 6. Паралельно до послідовного 4 до напруги понад 30кВ. Кінцева напруга заряду ланцюга із допоміжного джерела 3 напруги і дрона фільтрі 4 визначається співвідношенням між селя 6 під'єднаний ланцюг із послідовно з'єднаних ємностями зарядного конденсатора (1мкФ) і фільелектронних ключів 7 у формі біполярних транзистра 4 (100нФ). Ємність роздільного конденсатора торів з ізольованим затвором (IGBT). Кількість 12 вибирають настільки великою, що вона не транзисторів 7 визначають шляхом ділення необвпливає на коливальний процес. хідної напруги на максимально припустиму запірну Для того, щоб відкриті транзистори 7 не законапругу колектор-емітер окремого транзистора. ротили допоміжне джерело 3 напруги, передбачеПаралельно кожному транзистору 7 під'єднаний дросель 6. Він має забезпечувати, щоб стр ум, ний гасильний діод 8. споживаний від джерела 3 допоміжної напруги, був Зарядний конденсатор 9 з'єднує колектор вермайже сталим. Сказане дійсне також для дроселя хнього транзистора 7 з анодом зарядного діода 10, 14, під'єднаного послідовно з основним джерелом катод якого з'єднаний з позитивним виводом до2 напруги. Він також не впливає на коливальний поміжного джерела З напруги, до якого під'єднапроцес підвищення напруги на фільтрі 4. ний також емітер нижнього транзистора 7 із ланПісля повної передачі заряду від зарядного цюга біполярних транзисторів з ізольованими конденсатора 9 до фільтра починається процес затворами. Анод діода 10 дроселем 11 з'єднаний з зворотного коливання. Під час цього процесу конденсатором 12, який служить для гальванічної струм протікає через гасильні діоди 8; процес зворозв'язки між основним джерелом 2 напруги і доротного коливання закінчується, коли зарядний поміжним джерелом 3 напруги. Інший вивід конконденсатор 9 знову зарядиться до початкової денсатора 12 з'єднаний з виводом фільтра 4, іннапруги за відрахуванням втрат у фільтрі 4. ший вивід якого з'єднаний з катодом зарядного Поблизу нуль-переходу стр уму транзистори 7 діода 10. знову переводяться центральною схемою керуРезистор 13, під'єднаний паралельно до фільвання і контролю у закритий стан, тому зворотний тра 4, символізує струми втрат у фільтрі 4. струм від фільтра 4 до зарядного конденсатора Паралельно до фільтра 4 під'єднаний послідоможе протікати через гасильні діоди 8. вний ланцюг із основного джерела 2 і дроселя 14. Для транзисторів 7 передбачена певна затриДля формування імпульсної підвищеної напрумка перемикання для забезпечення відсутності ги на фільтрі 4 призначена центральна схема 5 імпульсів перемикання. керування і контролю, світловодом 15 з'єднана з Хоча сигнали, що надходять від центральної пусковими схемами 16, виходи яких з'єднані з ізосхеми 5 керування і контролю, формуються однольованими затворами біполярних транзисторів 7. часно з дуже малим допуском, час перемикання Описана вище схема працює таким чином. окремих транзисторів 7 відрізняється. Крім того, За допомогою основного джерела 2 напруги слід враховувати за певних обставин різні значендо фільтра 4 прикладається основна постійна наня часу затримки у пускових схемах 16. пруга близько 30кВ. Для уникнення перенапруги одного із транзисПоки транзистори 7 перебувають у закритому торів 7 внаслідок того, що інші транзистори уже стані, зарядний конденсатор 9 через зарядний відкрилися і перебувають у відкритому стані, для діод 10 заряджається до напруги допоміжного кожного транзистора 7 передбачено стабілітрон джерела 3, тобто до нього прикладена напруга 17, який, як показано, під'єднаний між колектором і близько 30кВ. Обидва джерела 2, 3 напруги з'єдзатвором транзистора 7. Його катод під'єднаний нані, як видно зі схеми, послідовно, тому до роздідо колектора. Коли напруга між колектором і зального конденсатора 12 прикладена напруга блитвором транзистора 7 перевищує напругу точки зько 30кВ. зламу характеристики стабілітрона 17, в затвор Для утворення у фільтрі 4 необхідного коронпочинає протікати струм і заряджає ємність затвоного розряду центральна схема 5 керування і конра. Транзистор 7 стає провідним. В міру того, як тролю подає команду на короткочасне відкривання транзистор стає провідним, зменшується напруга послідовно з'єднаних транзисторів 7. Для забезпеміж колектором і емітером, завдяки чому усуваєть 9 78457 10 ся небезпека пробою. на діоді 24 менша, ніж згаданий поріг перемикання Все ж, може статися, що окремі транзистори 7 тригера Шмітта 7В, тому він переходить у інший виходять із ладу. В міру того, як такі транзистори бінарний стан. Він формує на своєму виході 31 пробиваються, вони більше не беруть участі у електричний сигнал, який відповідає напрузі на процесі запирання усього ланцюга, тоді як інші, входа х 28 і 29, меншій, ніж встановлений поріг працездатні транзистори переходять у закритий перемикання. Цей сигнал конвертується перетвостан. Пробивання транзистора веде до того, що рювачем 33 у оптичний сигнал для світловода 34. кожен нормально функціонуючий транзистор має Таким чином центральна схема 5 керування і взяти на себе більшу частк у запірної напруги. контролю отримує інформацію про те, у якому Для визначення працездатності транзисторів 7 стані перебуває транзистор 7-у закритому чи віду кожній пусковій схемі 16 передбачені додаткові критому. Якщо транзистор 7 залишається у відкриелементи, показані на блок-схемі згідно з Фіг.2. тому стані, хоча на світловоді 15 уже відсутній Кожна пускова схема 16 має свій власний імсигнал, який має перемикати транзистор у відкрипульсний блок 18 живлення, який з гальванічною тий стан, сигнал на світловоді 34 свідчить про те, розв'язкою отримує електричну енергію від нащо даний транзистор ланцюга послідовно з'єднаскрізної лінії 19 живлення. Імпульсний блок 18 жиних транзисторів пробитий. влення формує на своїх ви ходах 21 і 22 постійну Центральна схема 5 керування і контролю монапругу близько 10В. Вихід 21 негативної напруги же або зовсім вимкнути фільтр, або повідомити з'єднаний з емітером транзистора 7. Вихід 22 послужбі технічного обслуговування про необхідність зитивної напруги через резистор 23 з'єднаний з заміни несправного транзистора 7 чи групи трананодом діода 24, катод якого з'єднаний з колектозисторів 7, що якої належить несправний транзисром транзистора 7. Крім того, імпульсний блок 18 тор. живлення служить для живлення перетворювача Якщо у фільтрувальному пристрої є достатня 25, який перетворює отриманий від світловода 15 кількість транзисторів, його робота може підтримуоптичний сигнал у електричний сигнал, який з виватися рештою транзисторів до настання ситуації, ходу 26 подається на затвор транзистора 7. коли ремонт можна здійснити без перешкод для На Фіг.2 символічно показаний лише один експлуатації. провідник живлення, який з'єднує перетворювач На Фіг.3 представлена ще одна альтернатива 25 з масою схеми; «гарячий» провідник не зобрадля випадку, коли стабілітрон 17 вибрано надто жений. Маса схеми відповідає емітеру транзистослабким і він може зазнати перенавантаження ра 7 кожного каскаду. струмом заряджання затвора транзистора 7. В Тригер 27 Шмітта 27 із двома входами 28 і 29 цьому разі між колектором і затвором транзистора з'єднаний з анодом діода 24 і масою схеми. Його 7 своїм каналом колектор-емітер під'єднаний довихід 31 з'єднаний зі входом 32 перетворювача 33, датковий біполярний транзистор 35 з ізольованим який перетворює електричний сигнал на вході 32 у затвором. Його затвор через згаданий стабілітрон оптичний сигнал, який світловодом 34 передаєть17 з'єднаний як із колектором транзистора 7, так і з ся на центральну схему 5 керування і контролю. колектором транзистора 35. Розрядний резистор Входи 28 і 29 можуть бути під'єднані також пара36 під'єднаний між затвором і емітером транзистолельно резистору 23, щоб безпосередньо вимірюра 35. вати спад напруги. Схема, що складається із стабілітрона 17 і Живлення перетворювача 33 і тригера 27 транзистора 35, діє як стабілітрон з більшою потуШмітта також здійснюється від імпульсного блока жністю втрат. 18 живлення через виходи 21 і 22. Відповідні з'єдВище винахід пояснений на прикладі біполярнувальні провідники заради наочності не зобраних транзисторів з ізольованими затворами. Оджені. наче фахівцеві очевидно, що як контроль, так і Схема згідно з Фіг.2 працює таким чином: примусове перемикання електронних ключів не Коли транзистор 7 перебуває у закритому стаобмежене цією формою електронних елементів. ні, до нього прикладена висока напруга, яка запиНа місці біполярних транзисторів з ізольованим рає діод 24. Через діод 24 не може протікати затвором можуть бути використані також двоопеструм. У такому стані напруга між масою схеми і раційні (здатні відпиратися і запиратися керуючим анодом діода 24 відповідає в основному ви хідній сигналом) тиристори чи інші придатні електронні напрузі імпульсного блока 18 живлення. Поріг пеконструктивні елементи. ремикання тригера 27 Шмітта встановлений на Електростатичний фільтрувальний пристрій певному рівні, наприклад, близько 7В, завдяки містить імпульсний блок живлення для формуванчому на його виході формується бінарний сигнал, ня високої напруги, необхідної для утворення коякий відповідає перевищенню порогу 7В. Цей біронного розряду. У цьому імпульсному блоці живнарний сигнал перетворювачем 33 перетворюєтьлення використовується каскад електронних ся у оптичний сигнал і передається на центральну ключів. Кожен електронний ключ має схему, яка схему 5 керування і контролю. Вона має змогу пезабезпечує перехід ключа у провідний стан, коли ревірити, чи вірно у часі настає закритий стан транапруга, що виникає на його основному каналі, нзистора. перевищує попередньо задане значення. Коли транзистор 7 по сигналу відкривається, Крім того, передбачена схема, яка передає зникає негативна запірна напруга на діоді 24. «Хоцентральній схемі керування і контролю інформалодний» кінець резистора 23 через діод 24 і відцію про провідний чи запертий стан контрольовакритий транзистор 7 з'єднується з масою. Напруга ного електронного ключа. 11 Комп’ютерна в ерстка Т.Чепелева 78457 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601