一種電除塵器用智能高壓逆變直流電源的研制

介紹了一種電除塵器用高壓逆變電源。就其電源的主體結(jié)構(gòu)，主電路的工作原理，及控制電路的工作原理作了簡(jiǎn)要的論述。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的軟件也進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：電除塵；高壓逆變器；智能化

0    引言

    隨著工業(yè)粉塵及廢氣排放量的日益增加，其對(duì)環(huán)境的污染也越來(lái)越嚴(yán)重，特別是在冶金、礦山、建材、化工等行業(yè)中。眾所周知，應(yīng)用靜電除塵器能夠有效地收集起這些粉塵，但是，常規(guī)的高壓靜電除塵裝置體積龐大、笨重，使用不便，因此，減小高壓靜電除塵裝置的體積與重量就顯得尤為重要。

    近年來(lái)，伴隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是新一代功率電子器件如IGBT,MOSFET等的應(yīng)用，高頻逆變技術(shù)越來(lái)越成熟，各種不同類型和特點(diǎn)的電路廣泛地被應(yīng)用于DC/DC與DC/AC等場(chǎng)合。在這一前提下，設(shè)計(jì)一種高壓逆變電源代替常規(guī)高壓電源，達(dá)到減小高壓電源裝置的體積與重量的目的已成為可能。同時(shí)其使用效果、輸出特性和成本等也都比常規(guī)高壓電源裝置具有明顯的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)效率也得到了一定程度的提高。

1    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1    電源主體結(jié)構(gòu)

    圖1所示為高壓逆變電源的電路組成框圖，它主要包括主電路及控制電路兩部分。主電路主要包括配電開(kāi)關(guān)、工頻整流器、斬波器、濾波器、IGBT橋式逆變器、保護(hù)電路、高頻高壓變壓器、高頻高壓硅堆（高頻整流器）等部分。控制電路主要包括電流、電壓、火花率采樣及其處理單元，PWM信號(hào)產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)控制器，參數(shù)輸入鍵盤及液晶顯示，通信接口等部分。

圖1    電源結(jié)構(gòu)圖

1.2    主電路的工作機(jī)理

    主電路的工作原理如圖2所示，高頻逆變器中的功率開(kāi)關(guān)管采用IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。它是將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一體的新型復(fù)合器件，具有MOSFET的高輸入阻抗、可用電壓驅(qū)動(dòng)，GTR的通態(tài)功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

圖2    主電路原理圖

    圖2中交流電壓經(jīng)整流—斬波器調(diào)壓—濾波后得到直流電壓U1，將U1加到全橋式高頻逆變器上。D1～D4與功率開(kāi)關(guān)管S1～S4反向并聯(lián)，承受負(fù)載產(chǎn)生的反向電流以保護(hù)開(kāi)關(guān)管。C1～C4及R3～R6以及D5～D8的引入是為了避免4個(gè)開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷時(shí)過(guò)高的電壓上升率和減少管子的關(guān)斷損耗。當(dāng)柵極脈沖信號(hào)輪流驅(qū)動(dòng)S1、S4或S2、S3時(shí)，逆變主電路把直流電壓U1轉(zhuǎn)換為20kHz的高頻矩形波交流電壓送到高頻高壓變壓器，經(jīng)升壓整流濾波后給負(fù)載（電除塵器）供電。控制S1、S4和S2、S3兩組IGBT的占空比，就可得到脈寬可調(diào)的矩形波交流電壓。

1.3    控制電路的工作機(jī)理

1.3.1    單片機(jī)控制器

    為了使整個(gè)電源系統(tǒng)具有自診斷和人機(jī)交換式的控制功能，該電源選用PHILIPS系列單片機(jī)80C552，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控和與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的任務(wù)。當(dāng)除塵器處在工作狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)一方面定時(shí)采集其反饋的電流電壓值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換通道將其讀入，并通過(guò)一定算法得出控制量Uk，通過(guò)單片機(jī)輸出控制量給脈寬調(diào)制控制器，進(jìn)而改變調(diào)制脈沖寬度；另一方面可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶的需求改變電源的外特性，如恒流，恒壓，緩降等。另外，單片機(jī)還定期地將本電源的輸出電流、輸出電壓、火花率等信息傳遞給上位機(jī)，將故障信息由串口發(fā)向上位機(jī)，以示警告，同時(shí)接收來(lái)自上位機(jī)的控制命令，使自身投入或退出工作或改變工作參數(shù)。[!--empirenews.page--]

1.3.2    脈寬調(diào)制控制器

    脈寬調(diào)制控制器電路如圖3所示，它的作用主要是為驅(qū)動(dòng)電路提供控制脈沖以實(shí)現(xiàn)PWM控制。其核心是產(chǎn)生PWM信號(hào)的專用集成芯片SG3525A。SG3525A是電壓型PWM集成控制器，外接元器件少，性能好，具有外同步、軟啟動(dòng)、死區(qū)調(diào)節(jié)、欠壓鎖定、誤差放大以及關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)等功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括基準(zhǔn)電壓源、欠壓鎖定電路、鋸齒波振蕩器、誤差放大器和脈寬調(diào)制比較器5部分。

圖3    脈寬調(diào)制控制電路

2    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    各電源模塊的單片機(jī)都有獨(dú)立的主程序以及與上位機(jī)的通信程序，數(shù)據(jù)采集子程序等。限于篇幅，本文只討論電源模塊的主程序及通信子程序的軟件結(jié)構(gòu)。主程序流程圖如圖4所示，數(shù)據(jù)通信子程序流程圖如圖5所示。

圖4    主程序流程圖

圖5    數(shù)據(jù)通信子程序流程圖 [!--empirenews.page--]

    電源模塊的軟件主要完成以下功能：接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和指令；向上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)；完成對(duì)電源輸出的實(shí)時(shí)監(jiān)控；根據(jù)用戶需求進(jìn)行各種外特性的控制。

3    實(shí)驗(yàn)及分析    

3.1    主逆變橋PWM調(diào)節(jié)對(duì)效率影響研究及規(guī)范調(diào)節(jié)方式的確定

    如圖6所示，該電源在輸入電壓相同的情況下，占空比<50％時(shí)，隨著占空比的增大，效率也增大；在占空比>50％時(shí)，隨著占空比的增大，效率降低。由此可見(jiàn)，如果大范圍地進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)，將會(huì)使電源進(jìn)入效率很低的區(qū)域，而占空比在40％～70％時(shí)，效率較高。為此通過(guò)調(diào)節(jié)斬波電路占空比的方式控制直流母線電壓，可以達(dá)到高效率的目的。

圖6    不同占空比時(shí)的效率曲線

3.2    現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

    實(shí)驗(yàn)條件：電除塵器極板面積250m2，極間距150mm，占空比60％，頻率18.6kHz。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果：圖7為輸出電壓與輸入電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖8為輸出電流與輸入電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)輸出電壓達(dá)到58kV（此時(shí)電流82mA）時(shí)除塵器開(kāi)始發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖7    輸出電壓與輸入電壓關(guān)系

圖8    輸出電流與輸入電壓關(guān)系

4    結(jié)語(yǔ)

    1）通過(guò)主逆變橋PWM調(diào)節(jié)對(duì)效率影響研究所確定的，由斬波電路對(duì)直流母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式是可行的；

    2）該電源在大大減小體積的同時(shí)重量也大為減少，較傳統(tǒng)的電源而言其對(duì)電能的利用率也有所提高，對(duì)除塵器的控制也比傳統(tǒng)的電源方便，同時(shí)還可和工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)除塵器的遠(yuǎn)程控制。