單片機控制的靜電除塵電源調(diào)壓系統(tǒng)

1. 引言

靜電除塵器有除塵效率高、運行和維修費用相對低廉等特點，在減少排放到大氣中有害粉塵方面起著十分重要的作用，是當(dāng)前使用較為廣泛的一種環(huán)保設(shè)備。靜電除塵器是利用高壓靜電吸附帶電離子的原理進(jìn)行除塵。一般來說，靜電極板電壓越高，對帶電離子的吸附能力就越強，除塵效率越高。但電壓越高，電場內(nèi)會出現(xiàn)頻繁的火花閃爍，甚至產(chǎn)生電弧，放電過程難以控制，除塵效率明顯降低，這種情況應(yīng)該避免。如果能夠控制極板電壓長時間維持在臨界放電狀態(tài)，就可以獲得最佳的除塵效果并有效節(jié)約電力資源。實驗證明，基于單片機 80C196KC的靜電除塵電源三相交流調(diào)壓控制系統(tǒng)能夠很好實現(xiàn)這一功能。

2. 靜電除塵電源主電路及交流調(diào)壓結(jié)構(gòu)

2.1 電源主電路

主電路電路如圖 1所示，380V的三相工頻交流電輸入后，經(jīng)過由三組反并聯(lián)可控硅組成的三相調(diào)壓電路進(jìn)行調(diào)壓，然后經(jīng)三相高壓硅整流變壓器升壓和整流，得到直流高壓輸出,硅整流變壓器負(fù)高壓輸出經(jīng)阻尼電阻供給靜電除塵反應(yīng)器。

由于電源采用三相工頻平衡供電，三相晶閘管同步移相調(diào)壓，與常規(guī)單相硅整流電源相比具有如下特點：

(1) 電網(wǎng)平衡供電，三相對稱，功率因素近 100%；

(2) 由于采用三相星形輸入接線方式，單相輸入電流僅為同等功率輸出單相電源的五分之一。

2.2 三相交流調(diào)壓電路原理

采用相位控制方式的交流電力控制電路稱為交流調(diào)壓電路，交流調(diào)壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，本文中提到的三相交流調(diào)壓主電路，是將兩個晶閘管反并聯(lián)后串接在每相交流電源與負(fù)載之間，如圖1，在電源的每半個周期內(nèi)觸發(fā)一次晶閘管，使之導(dǎo)通。與相控整流電流電路一樣，通過控制晶閘管開通時候所對應(yīng)的相位，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，從而達(dá)到交流調(diào)壓的目的。

3. 基于 80C196KC的三相交流調(diào)壓控制系統(tǒng)

單片機控制模塊硬件電路以微處理器為控制中心，兼有控制與監(jiān)視的功能。通過輸入接口接收各種采樣、檢測信號，再由軟件程序進(jìn)行計算處理后，經(jīng)輸出接口發(fā)出相應(yīng)的控制信號，去協(xié)調(diào)、控制各部分電路的操作，達(dá)到其智能化控制的目的。本文中監(jiān)控模塊的控制電路采用了以 80C196KC單片機為主控的微機監(jiān)控系統(tǒng)。它主要由主控電路、 CA6100控制信號輸出電路、測量與信號采集電路、A/D轉(zhuǎn)換隔離電路、 LCD液晶顯示模塊、LCD液晶顯示模塊、鍵盤接口電路、報警裝置等部分組成，單片機控制模塊見圖 2所示。

單片機采用 80C196CPU芯片，通過采集電路，電源主電路電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為單片機可以識別的電壓信號傳送到 A/D轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換并和給定閾值進(jìn)行比較，如發(fā)現(xiàn)過壓或過流，則給出禁止信號 I，通過光耦隔離后控制 CA6100通用觸發(fā)板，封鎖觸發(fā)脈沖。通過片內(nèi)軟件定時器，由高速輸出口（HSO）產(chǎn)生一頻率為 2HZ的方波信號作為電流、電壓給定計數(shù)器的輸入脈沖。利用 80C196的 PWM口，經(jīng)過光耦輸出可控的脈寬調(diào)制波，再經(jīng)過平滑濾波器轉(zhuǎn)化為 0～5V直流控制電壓，直接控制 CA6100通用觸發(fā)板，能夠使輸出脈沖移相范圍在 5°～175°之間可調(diào)。

3.1 主控電路設(shè)計

80C196KC單片機有著豐富的內(nèi)部資源，主控電路以單片機芯片為核心，擴展了一片外部數(shù)據(jù)存儲器 6264，一片外部程序存儲器 2764，一片外部功能擴展芯片 8155，輔以地址鎖存器 74LS373，地址譯碼器 74LS138，復(fù)位電路，晶振電路，A/D轉(zhuǎn)換隔離電路等。

3.2 晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計

三相交流調(diào)壓是通過調(diào)節(jié)反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，來實現(xiàn)對電源輸出電壓的有效控制的，因此晶閘管能否穩(wěn)定可靠地觸發(fā)，是至關(guān)重要的。本控制系統(tǒng)采用 CA6100晶閘管通用觸發(fā)板，其基本原理如圖 3所示。

CA6100通用可控硅觸發(fā)板是以 40芯 CMOS大規(guī)模集成電路（專用芯片）為核心，利用鎖相環(huán)技術(shù)（ PLL）和多芯片合成技術(shù)（ MCM），通過壓控振蕩器（ VCO）鎖定的三相同步信號間的邏輯關(guān)系設(shè)計出的一種晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。0～5V的直流輸入電壓，可以控制輸出脈沖的移相范圍從 5°～175°連續(xù)線性可調(diào)，且晶閘管觸發(fā)脈沖幅值可達(dá)到 15V/2A，能夠滿足靜電除塵電源對晶閘管觸發(fā)脈沖的要求。

3.3 信號采集與檢測電路設(shè)計

系統(tǒng)主要檢測一次電壓、一次電流、二次電壓和二次電流四路模擬量。采用電壓和電流互感器分別對一次電壓和電流進(jìn)行檢測。由于靜電除塵電源二次電壓輸出很高，所以需經(jīng)電阻分壓，然后通過霍爾電壓傳感器進(jìn)行檢測，二次電流檢測則采用回路串電阻的方式。這四路檢測型號經(jīng)過信號調(diào)理電路，進(jìn)入單片機的 A/D轉(zhuǎn)換口，單片機的 ADC模塊分別對其順序采樣和 A/D轉(zhuǎn)換。圖 4為一次電流信號調(diào)理電路，主要包括整流、比例放大和二階有源濾波三部分。

3.4 液晶顯示模塊設(shè)計為了使裝置的人機接口界面更加友好、直觀，在本裝置中采用中文液晶顯示模塊作為人機接口界面。采用液晶模塊型號為 LCM320240ZK，顯示內(nèi)容 20×15行，內(nèi)含 7602個簡體中文字型。但是其工作時序和 80C196單片機不兼容，需要用到 8155擴展。其他管腳則直接與單片機相連接，讀 (E)、寫(R/W)端口分別和 80C196KC單片機的讀、寫信號相連，片選信號(CS1、CS2)由 38譯碼器提供。

3.5 軟件設(shè)計

主程序完成整個模塊的控制流程和子程序模塊調(diào)用等功能。子程序模塊完成整個裝置的不同功能的實現(xiàn)，包括初始化模塊、液晶顯示模塊、 A/D采集轉(zhuǎn)換模塊、PID調(diào)節(jié)穩(wěn)壓穩(wěn)流模塊等。其中初始化模塊的主要功能是完成單片機的有關(guān)初始化設(shè)置，包括有關(guān)端口的選通、功能的選擇，以及中斷的允許等。 A/D采集轉(zhuǎn)換模塊是實現(xiàn)對被測信號的重復(fù)采樣，并且在單片機中完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。穩(wěn)壓穩(wěn)流模塊的功能是采用 PID控制算法并結(jié)合 80C196單片機輸出的 D/A電壓信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電壓或電流的穩(wěn)定，且具有軟啟動功能。

3.6 火花快速檢測的實現(xiàn)方式

要提高靜電除塵電源的除塵效率，每個除塵反應(yīng)器都要工作在最佳火花率下。為了實現(xiàn)火花控制，必須檢測火花放電現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生火花放電時，會引起二次電流大幅度增加，利用這一特點就可以采用硬件直接比較的方法，通過 LM393將二次電流反饋值與設(shè)定的火花放電閾值進(jìn)行比較，經(jīng) 6N138光耦和 RS觸發(fā)器后，接至單片機 80C196KC的外部中斷口。由于中斷級別很高（外部中斷 XINT1），當(dāng)檢測到火花放電時，就執(zhí)行相應(yīng)的火花放電程序，記憶當(dāng)前放電時的運行電壓，并將當(dāng)前運行電壓降低到設(shè)定的火花回壓點，運行電壓再從回壓點以分段上升的方式上升至上次放電時的運行電壓，這樣就保證了靜電高壓除塵電源始終保持在臨界放電電壓狀態(tài)。

4. 結(jié)語

基于單片機 80C196KC的靜電除塵電源智能控制系統(tǒng)實時響應(yīng)快、精度高、可監(jiān)控性好、抗干擾性強，通過實際運行證明，能夠自動跟蹤電場的變化，輸出最佳電暈功率，從而使除塵效率大為提高，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。