摘要：研制了一種基于DSP的靜電除塵電源調(diào)壓控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以TMS320F2812為控制核心，能夠自動(dòng)跟蹤電場(chǎng)的變化，有效調(diào)節(jié)中間環(huán)節(jié)交流電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠較好地控制靜電除塵電源，大幅度提高除塵效率。
0 引 言
靜電除塵器是利用高壓電場(chǎng)將氣體中的粉塵粒子分離出來的一種除塵設(shè)備，在消除大氣中的有害粉塵等方面起著十分重要的作用，是冶金、電力和化工等行業(yè)回收有用資源、凈化煙氣、保護(hù)環(huán)境的重要設(shè)備。為了獲得較高的除塵效率，要求靜電除塵電源能夠根據(jù)除塵器工況的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，使靜電除塵器在較高的電壓和電流狀態(tài)下運(yùn)行。另外，靜電除塵器一旦發(fā)生故障，需要靜電除塵電源能夠提供必要的保護(hù)，對(duì)閃絡(luò)、過流等信號(hào)能快速鑒別和做出反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明，基于TMS320F2812的靜電除塵電源調(diào)壓控制系統(tǒng)能很好實(shí)現(xiàn)這些功能。
1 靜電除塵三相電源主電路
1.1 電源主電路
三相電源主電路如圖1所示，三相交流380V 市電經(jīng)斷路器主觸點(diǎn)，送到三相晶閘管調(diào)壓電路，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)輸出電壓后，送至三相高壓硅整流變壓器初級(jí)，在整流變壓器的次級(jí)側(cè)經(jīng)升壓、整流后輸出直流負(fù)高壓，經(jīng)阻尼電阻供給靜電除塵反應(yīng)器。
與常規(guī)單相靜電除塵電源相比，三相電源具有如下特點(diǎn)：
(1)電網(wǎng)平衡供電，三相對(duì)稱，功率因數(shù)接近100%；(2)由于采用三相星形輸入接線方式，在同等功率輸出條件下，減少了初級(jí)電流和缺相損耗；(3)極大地改善了輸出電壓、電流的線性度，滿載輸出的紋波系數(shù)小于5%，有效地提高了除塵反應(yīng)器的注入電暈功率。
圖1 三相電源主電路原理圖
1.2 三相交流調(diào)壓電路原理
交流調(diào)壓電路是指采用相位控制方式的交流電力控制電路。交流調(diào)壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，本文采用的是將兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串接在每相交流電源與負(fù)載之間。與相控整流電路一樣，通過控制晶閘管開通時(shí)所對(duì)應(yīng)的相位，在電源的每半個(gè)周期內(nèi)觸發(fā)一次晶閘管，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。
2 靜電除塵三相電源調(diào)壓控制系統(tǒng)
2.1 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，該控制系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，主要包括電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路、模擬量采樣電路、開關(guān)量隔離電路、火*檢測(cè)電路、SCR觸發(fā)電路、串行通訊電路等。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
現(xiàn)場(chǎng)采集到的模擬量(一次電壓、一次電流、二次電壓、二次電流等)，經(jīng)模擬信號(hào)調(diào)理電路，送入DSP的ADC單元，由DSP定時(shí)采樣并完成A/D轉(zhuǎn)換，DSP將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較，計(jì)算出晶閘管的導(dǎo)通角。DSP在捕捉到相電壓的過零信號(hào)后，輸出雙窄脈沖，觸發(fā)晶閘管，使晶閘管輸出移相范圍在5～90°可調(diào)，完成電源主電路三相交流調(diào)壓部分的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靜電除塵三相電源的電壓閉環(huán)控制。
2.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.2.1 電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路
電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路，是為了給晶閘管提供觸發(fā)脈沖的基準(zhǔn)，由于三相晶閘管調(diào)壓電路的自然換相點(diǎn)(即α=0°)是輸入相電壓的零相位(即ωt=0)，因此按圖3(b)方式連接同步變壓器，獲得對(duì)應(yīng)的同步變壓器原副邊電壓矢量關(guān)系如圖3(c)所示。由圖3(c)可見，三相交流調(diào)壓電路中T1～T6管的同步信號(hào)分別為：Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb、Uab。
圖3 三相交流調(diào)壓電路的同步關(guān)系
三相交流調(diào)壓電路的電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路如圖4所示。三相電網(wǎng)電壓A、B、C經(jīng)過3個(gè)同步變壓器(按Δ/Y接法)隔離、衰減并送比較器，直接比較同相輸入端和反相輸入端的瞬時(shí)電壓，當(dāng)Uab(Ubc、Uca)為正半周期時(shí)，比較器輸出低電平，經(jīng)一個(gè)施密特反相器進(jìn)行波形整形后變?yōu)楦唠娖剑３峙c同步電壓Uab(Ubc、Uca)同步關(guān)系。根據(jù)圖3所示的矢量關(guān)系分析，它為T6(T2、T4)管的同步信號(hào)；而上述3個(gè)信號(hào)再經(jīng)過一個(gè)施密特反相器輸出則獲得T3(T5、T1)管的同步信號(hào)。同步信號(hào)經(jīng)過光耦隔離后直接輸入DSP的捕獲口。本電路的使用非常靈活方便，不用進(jìn)行相序判別，可以進(jìn)行T1的同步信號(hào)捕獲，可以T1、T3、T5的同步信號(hào)捕獲，也可以捕獲六個(gè)同步信號(hào)。本文采用的是捕獲六個(gè)同步信號(hào)，直接用硬件檢測(cè)，更能反映電網(wǎng)波動(dòng)的真實(shí)情況。
圖4 三相交流調(diào)壓電路的同步信號(hào)產(chǎn)生電路
2.2.2 SCR觸發(fā)電路
三相交流調(diào)壓是通過調(diào)節(jié)反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)的，此晶閘管能否穩(wěn)定可靠地觸發(fā)是非常重要的。DSP在捕獲晶閘管的同步信號(hào)時(shí)，計(jì)算觸發(fā)角后，輸出雙窄脈沖，經(jīng)過高頻調(diào)制后通過脈沖變壓器隔離放大后，產(chǎn)生晶閘管所需的觸發(fā)脈沖，如圖5所示。
圖5 SCR觸發(fā)電路
2.2.3 火花檢測(cè)電路
要提高靜電除塵三相電源的除塵效率，每個(gè)除塵反應(yīng)器都要工作在最佳火花率下。可以通過檢測(cè)火花放電現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)火花控制。當(dāng)產(chǎn)生火花放電時(shí)，二次電流會(huì)顯著增加，利用這個(gè)特點(diǎn)可以直接采用硬件比較電路的方法。通過LM339N 將二次電流的瞬時(shí)值和DSP經(jīng)過D/A輸出設(shè)定后的火花放電閾值進(jìn)行比較，經(jīng)光耦隔離后，送入DSP，如圖6所示。當(dāng)檢測(cè)到火花閃絡(luò)現(xiàn)象時(shí)，就執(zhí)行火花中斷子程序，記錄當(dāng)前放電時(shí)的運(yùn)行電壓值，并封鎖晶閘管觸發(fā)脈沖，經(jīng)過延時(shí)后重新計(jì)算晶閘管的導(dǎo)通角，使得運(yùn)行電壓為上次放電時(shí)的運(yùn)行電壓，這樣就保證了靜電除塵三相電源始終保持在臨界放電狀態(tài)。
圖6 火*檢測(cè)電路
2.3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由主程序和五個(gè)中斷服務(wù)程序構(gòu)成，其流程圖分別如圖7和圖8所示。主程序主要完成系統(tǒng)初始化和算法計(jì)算兩部分，而中斷服務(wù)程序中，EVA捕捉中斷對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行鎖相，并計(jì)算采樣周期；AD計(jì)算中斷將采樣值轉(zhuǎn)化成算法運(yùn)算所需要的實(shí)際值；T1下溢中斷實(shí)時(shí)對(duì)采樣周期進(jìn)行調(diào)整；火*中斷對(duì)SCR觸發(fā)脈沖進(jìn)行封鎖；數(shù)據(jù)通訊中斷主要是接收控制終端發(fā)送的數(shù)據(jù)和指令，返回控制終端所需要的各個(gè)參數(shù)完成控制終端對(duì)電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
圖7 主程序流程圖
圖8 中斷服務(wù)程序流程圖
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
靜電除塵三相電源實(shí)驗(yàn)裝置的基本參數(shù)為：三相電網(wǎng)電壓380 V/50 Hz輸入，晶閘管KP800 A，直流輸出電壓72 kV，直流輸出電流1。2 A。電網(wǎng)電壓波形和調(diào)壓后的電壓波形采用的是500：1的差分探頭，如圖9所示。
(a) 電壓同步信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)波形
(b) 高頻調(diào)制后的SCR觸發(fā)脈沖波形
(c) 導(dǎo)通角=90°交流調(diào)壓后輸出電壓波形
(d) 導(dǎo)通角=120°交流調(diào)壓后輸出電壓波形
(e) 導(dǎo)通角=150°交流調(diào)壓后輸出電壓波形
(f) 二次電流取樣波形(導(dǎo)通角=150°)
圖9 試驗(yàn)波形
由波形圖可以看出，本控制系統(tǒng)對(duì)相電壓過零點(diǎn)的檢測(cè)非常準(zhǔn)確；SCR的觸發(fā)脈沖也能滿足SCR快速、準(zhǔn)確觸發(fā)的要求；交流調(diào)壓的效果很好，和仿真結(jié)果幾乎一樣；二次電流波形也很穩(wěn)定。
4 結(jié) 論
本文介紹了基于DSP的靜電除塵三相電源調(diào)壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路、SCR觸發(fā)電路、火*檢測(cè)電路。制作出的樣機(jī)效果也非常好，響應(yīng)快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可檢測(cè)性好，能夠自動(dòng)跟蹤電場(chǎng)的變化，有效調(diào)節(jié)中間環(huán)節(jié)交流電壓，使靜電除塵器在較高的電壓和電流狀態(tài)下運(yùn)行，極大提高了除塵效率，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。