一種新型靜電除塵用高頻高壓電源的設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種基于DSP的新型靜電除塵(ESP)用高頻高壓電源設(shè)計(jì)方案。給出了電源的主電路、控制電路以及各采樣電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。電源主電路由IGBT(FZ900R12KE4)構(gòu)成的H橋式電路組成；控制電路采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP(TMS320F2812)為核心；采樣電路主要采集三相進(jìn)線電流、逆變輸出電流、變壓囂油溫及IGBT的溫度等。實(shí)驗(yàn)表明，該靜電除塵用高頻高壓電源運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿(mǎn)足靜電除塵的要求。
關(guān)鍵詞：靜電除塵器(ESP)；高頻高壓電源；數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)；控制電路；采樣電路

    現(xiàn)階段，我國(guó)燃煤電廠除塵設(shè)備中95％以上采用電除塵器，而電除塵器中普遍采用工頻電源，但工頻電源的火花控制特性差，花火能量大，電場(chǎng)恢復(fù)慢，導(dǎo)致無(wú)效除塵時(shí)間長(zhǎng)，造成電源除塵效率低，并且同一煙道中必須采用至少四級(jí)電場(chǎng)(四套電源)依次除塵，才能滿(mǎn)足我國(guó)煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。高頻電源的成功開(kāi)發(fā)應(yīng)用能很好的解決工頻電源的不足，其除塵效率高，電源體積小，電能利用率高，它突出的優(yōu)點(diǎn)逐漸被業(yè)內(nèi)所肯定。但目前國(guó)內(nèi)所研制的電除塵用高頻高壓電源還停留在中小功率階段，其輸出電流普遍偏低，導(dǎo)致電場(chǎng)內(nèi)的粉塵荷電能力仍然偏低，除塵效率不能得到很大的提高。
    本文所研究的靜電除塵用高頻高壓電源克服了這些缺點(diǎn)，輸出電壓可達(dá)80 kV，輸出電流達(dá)到了1 200mA，能滿(mǎn)足我國(guó)在2011年7月頒布的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的燃煤電廠煙塵排放濃度限制降低到30 mg／m3的嚴(yán)格要求。

1 高頻高壓電源主電路設(shè)計(jì)
    圖1為靜電除塵用高頻高壓電源的主電路結(jié)構(gòu)框圖。主電路主要由交流電抗器、三相整流橋、濾波電容、IGBT全橋逆變電路、高頻升壓變壓器、高壓整流硅堆組成。

    其中交流電抗器可以有效抑制開(kāi)機(jī)(合閘)瞬間所產(chǎn)生的浪涌電流和di／dt，同時(shí)用來(lái)平滑電源電壓中包含的尖峰脈沖和平滑橋式整流電路換相時(shí)產(chǎn)生的電壓缺陷；整流橋采用三相不可控整流模塊；濾波電容C1用來(lái)降低交流脈動(dòng)波紋系數(shù)，使輸出的直流更加平滑，同時(shí)吸收電子電路工作過(guò)程中產(chǎn)生的電流波動(dòng)和經(jīng)由交流電源傳入的干擾；本系統(tǒng)要求逆變器輸出頻率為20 kHz，容量為100 kVA，所以逆變器的功率開(kāi)關(guān)管采用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)，它集成了MOSFET的快速性和GTR的大容量的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求；高頻升壓變壓器為鎮(zhèn)江天力變壓器有限公司生產(chǎn)的DHR13系列，其額定輸出電壓達(dá)80 kV，額定輸出電流達(dá)1 200 mA，經(jīng)過(guò)高壓硅堆為負(fù)載提供直流電。

2 高頻高壓電源控制電路設(shè)計(jì)
    控制系統(tǒng)采用DSP(TMS320F2812)統(tǒng)一管理，主要包括各保護(hù)電路和采樣電路控制，逆變控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)，其中逆變控制系統(tǒng)嵌入到DSP的中心控制系統(tǒng)。
    除塵器的輸出電壓、輸出電流和變壓器一次側(cè)電流的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離采樣后作為DSP的控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，用以檢測(cè)和控制電源系統(tǒng)；三相進(jìn)線電流、直流母線電壓、逆變器輸出電流、變壓器油溫和IGBT溫度檢測(cè)信號(hào)作為保護(hù)信號(hào)；此外，DSP中心控制系統(tǒng)完成IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成，系統(tǒng)的通信等功能。圖2給出了DSP的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

3 采樣電路設(shè)計(jì)
    在采樣電路中，為了避免各種干擾信號(hào)隨著被測(cè)量信號(hào)進(jìn)入DSP控制系統(tǒng)，造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定以及采樣精度的降低，同時(shí)也為了DSP控制系統(tǒng)和主電路系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)很好的隔離，本系統(tǒng)采用美國(guó)HP公司推出的高精度線性光耦HCNR201，來(lái)進(jìn)行光電隔離，它具有成本低，線性度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。其典型電路如圖3所示。

    光耦輸出電壓和輸入電壓之間關(guān)系計(jì)算公式為：
    IPD1=VIN／R1
    K=IPD2／IPD1
    VOUT=IPD2*R2
    VOUT／VIN=K*(R2／R1)          (1)
    式中K的為光耦合器變換增益，其典型值為1，這里取R1=R2，可得到VOUT=VIN
3．1 電流采樣電路設(shè)計(jì)
    三相進(jìn)線電流采樣電路和逆變電流采樣電路基本一致，這里以三相進(jìn)線電流采樣電路為例進(jìn)行介紹，其電路原理圖如圖4所示。

    電流霍爾傳感器采用茶花公司生產(chǎn)的CSM300LTA，其轉(zhuǎn)換率為1：2000，本系統(tǒng)額定工作時(shí)，三相進(jìn)線端線電流約為177 A，電流霍爾傳感器輸出約為88．5 mA的電流，取電阻R12=30 Ω，使其采集到的電流經(jīng)過(guò)電阻R12，轉(zhuǎn)換為約為2．7 V的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)絕對(duì)值電路，轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，用線性光耦HCNR201進(jìn)行隔離，送到DSP中進(jìn)行處理。本電路線性光耦兩端電壓相等，即采樣輸出電壓值Iph_out約為2．7 V，
且隨霍爾傳感器采集值的變化而線性變化。
    用三相調(diào)壓器調(diào)節(jié)三相輸入電壓，使相電壓從零慢慢上升至額定值220 V，同時(shí)用示波器測(cè)量Iph_in和Iph_out兩點(diǎn)的正向電壓峰值，其測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理，得到電流采集信號(hào)輸入和輸出之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

    當(dāng)其三相輸入電壓為額定值時(shí)，Iph_in和Iph_out兩點(diǎn)的波形如圖6所示，曲線2為霍爾傳感器輸出的交流電壓信號(hào)，曲線1為采樣電路最后輸出的直流電壓信號(hào)。由Iph_in和Iph_out之間的關(guān)系曲線和其波形可知電路的正確性和準(zhǔn)確性。

3．2 溫度采樣電路設(shè)計(jì)
    由于電除塵器的高頻高壓電源安裝在電除塵設(shè)備的塔頂上，其周?chē)h(huán)境溫度往往很高，特別是在炎熱的夏天，環(huán)境溫度達(dá)到40多度，電源本身也產(chǎn)生很大的熱量，而變壓器油和IGBT對(duì)溫升要求又很高，絕對(duì)不能超過(guò)其允許溫升范圍，否則會(huì)產(chǎn)生很大的事故。因此必須對(duì)變壓器油和IGBT溫升進(jìn)行精確的在線檢測(cè)。為了提高溫度的采樣精度，本系統(tǒng)采用PT100采集溫度，通過(guò)電阻橋使溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，工作原理如圖7所示。

   
    由式(3)可得如果取R4為100 Ω，則當(dāng)環(huán)境溫度為0攝氏度時(shí)(此時(shí)PT100阻值為100 Ω)，V+-V-=0，隨著所測(cè)溫度升高，PT100阻值變大，而V+-V-也變大，通過(guò)檢測(cè)V+-V-的大小，即可知道PT100所檢測(cè)的溫度。為了消除電阻本身誤差，實(shí)際應(yīng)用電路如圖8所示。

    由于采集到的V+-V-值很小，很難直接進(jìn)行測(cè)量，必須進(jìn)行足夠的放大，為了抑制共模干擾，本電路選擇AD620儀用放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為30倍左右。溫度采樣電路如圖9所示。temp_out輸出的電壓和PT100測(cè)得的溫度成線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量temp_out的電壓大小即可知PT100測(cè)得的溫度。把temp_out輸出的電壓值送到DSP中，通過(guò)DSP和上位機(jī)進(jìn)行通訊，在上位機(jī)中就可以直接讀取PT100所測(cè)得的溫度。各溫度對(duì)應(yīng)PT100的電阻值和temp_out輸出電壓值如表2所示。用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理，得到電壓-溫度的關(guān)系曲線如圖10所示，由圖可知輸出電壓和采集到的溫度成線性關(guān)系。

4 結(jié)論
    詳細(xì)介紹了靜電除塵用高頻高壓電源的主電路、控制電路以及各采樣電路的設(shè)計(jì)過(guò)程；給出了設(shè)計(jì)過(guò)程中的電路原理圖、實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行了必要分析。實(shí)驗(yàn)表明，文中設(shè)計(jì)的靜電除塵用高頻高壓電源運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿(mǎn)足靜電除塵的要求，具有較好的實(shí)用價(jià)值。