一種基于DSP的靜電除塵用高頻高壓電源設計

摘要：提出了一種基于DSP的新型靜電除塵(ESP)用高頻高壓電源設計方案。給出了電源的主電路、控制電路以及各采樣電路的設計過(guò)程。電源主電路由IGBT(FZ900R12KE4)構成的H橋式電路組成;控制電路采用數字信號處理器DSP()為核心;采樣電路主要采集三相進(jìn)線(xiàn)電流、逆變輸出電流、變壓囂油溫及IGBT的溫度等。實(shí)驗表明，該靜電除塵用高頻高壓電源運行穩定可靠，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;數字信號處理器(DSP);控制電路;采樣電路

現階段，我國燃煤電廠(chǎng)除塵設備中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)恢復慢，導致無(wú)效除塵時(shí)間長(cháng)，造成電源除塵效率低，并且同一煙道中必須采用至少四級電場(chǎng)(四套電源)依次除塵，才能滿(mǎn)足我國煙氣污染物排放標準。高頻電源的成功開(kāi)發(fā)應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)內所肯定。但目前國內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，導致電場(chǎng)內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80 kV，輸出電流達到了1 200mA，能滿(mǎn)足我國在2011年7月頒布的GB 13223—2011《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標準》中規定的燃煤電廠(chǎng)煙塵排放濃度限制降低到30 mg/m3的嚴格要求。

1 高頻高壓電源主電路設計

圖1為靜電除塵用高頻高壓電源的主電路結構框圖。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。

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其中交流電抗器可以有效抑制開(kāi)機(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，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)足本系統的要求;高頻升壓變壓器為鎮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80 kV，額定輸出電流達1 200 mA，經(jīng)過(guò)高壓硅堆為負載提供直流電。

2 高頻高壓電源控制電路設計

控制系統采用DSP(TMS320F2812)統一管理，主要包括各保護電路和采樣電路控制，逆變控制系統及驅動(dòng)，其中逆變控制系統嵌入到DSP的中心控制系統。

除塵器的輸出電壓、輸出電流和變壓器一次側電流的檢測信號經(jīng)過(guò)隔離采樣后作為DSP的控制系統的輸入信號，用以檢測和控制電源系統;三相進(jìn)線(xiàn)電流、直流母線(xiàn)電壓、逆變器輸出電流、變壓器油溫和IGBT溫度檢測信號作為保護信號;此外，DSP中心控制系統完成IGBT驅動(dòng)信號的生成，系統的通信等功能。圖2給出了DSP的控制系統結構框圖。

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3 采樣電路設計

在采樣電路中，為了避免各種干擾信號隨著(zhù)被測量信號進(jìn)入DSP控制系統，造成控制系統的不穩定以及采樣精度的降低，同時(shí)也為了DSP控制系統和主電路系統之間實(shí)現很好的隔離，本系統采用美國HP公司推出的高精度線(xiàn)性光耦HCNR201，來(lái)進(jìn)行光電隔離，它具有成本低，線(xiàn)性度高，穩定性好等優(yōu)點(diǎn)。其典型電路如圖3所示。

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光耦輸出電壓和輸入電壓之間關(guān)系計算公式為：

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 電流采樣電路設計

三相進(jìn)線(xiàn)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(xiàn)電流采樣電路為例進(jìn)行介紹，其電路原理圖如圖4所示。

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電流霍爾傳感器采用茶花公司生產(chǎn)的CSM300LTA，其轉換率為1：2000，本系統額定工作時(shí)，三相進(jìn)線(xiàn)端線(xiàn)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，轉換為約為2.7 V的電壓信號，經(jīng)過(guò)絕對值電路，轉換為直流電壓信號，用線(xiàn)性光耦HCNR201進(jìn)行隔離，送到DSP中進(jìn)行處理。本電路線(xiàn)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(xiàn)性變化。

用三相調壓器調節三相輸入電壓，使相電壓從零慢慢上升至額定值220 V，同時(shí)用示波器測量Iph_in和Iph_out兩點(diǎn)的正向電壓峰值，其測量數據如表1所示，用Matlab對數據進(jìn)行數據擬合處理，得到電流采集信號輸入和輸出之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。

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當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(xiàn)2為霍爾傳感器輸出的交流電壓信號，曲線(xiàn)1為采樣電路最后輸出的直流電壓信號。由Iph_in和Iph_out之間的關(guān)系曲線(xiàn)和其波形可知電路的正確性和準確性。

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3.2 溫度采樣電路設計

由于電除塵器的高頻高壓電源安裝在電除塵設備的塔頂上，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對溫升要求又很高，絕對不能超過(guò)其允許溫升范圍，否則會(huì )產(chǎn)生很大的事故。因此必須對變壓器油和IGBT溫升進(jìn)行精確的在線(xiàn)檢測。為了提高溫度的采樣精度，本系統采用PT100采集溫度，通過(guò)電阻橋使溫度信號轉換成電壓信號，工作原理如圖7所示。

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由式(3)可得如果取R4為100 Ω，則當環(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(zhù)所測溫度升高，PT100阻值變大，而V+-V-也變大，通過(guò)檢測V+-V-的大小，即可知道PT100所檢測的溫度。為了消除電阻本身誤差，實(shí)際應用電路如圖8所示。

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由于采集到的V+-V-值很小，很難直接進(jìn)行測量，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)行設計，設計放大倍數為30倍左右。溫度采樣電路如圖9所示。temp_out輸出的電壓和PT100測得的溫度成線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)測量temp_out的電壓大小即可知PT100測得的溫度。把temp_out輸出的電壓值送到DSP中，通過(guò)DSP和上位機進(jìn)行通訊，在上位機中就可以直接讀取PT100所測得的溫度。各溫度對應PT100的電阻值和temp_out輸出電壓值如表2所示。用Matlab對數據進(jìn)行數據擬合處理，得到電壓-溫度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖10所示，由圖可知輸出電壓和采集到的溫度成線(xiàn)性關(guān)系。

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4 結論

詳細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計過(guò)程;給出了設計過(guò)程中的電路原理圖、實(shí)驗波形和數據，并對其進(jìn)行了必要分析。實(shí)驗表明，文中設計的靜電除塵用高頻高壓電源運行穩定可靠，能夠滿(mǎn)足靜電除塵的要求，具有較好的實(shí)用價(jià)值。