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，能夠自動跟蹤電場的變化，有效調(diào)節(jié)中間環(huán)節(jié)交流電壓。實驗結(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，對閃絡(luò)、過流等信號能快速鑒別和做出反應(yīng)。實驗證明，基于TMS320F2812的靜電除塵電源調(diào)壓控制系統(tǒng)能很好實現(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，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，在整流變壓器的次級側(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：
(1)電網(wǎng)平衡供電，三相對稱，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所對應(yīng)的相位，在電源的每半個周期內(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檢測電路、模擬量采樣電路、開關(guān)量隔離電路、火*檢測電路、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)模擬信號調(diào)理電路，送入DSP的ADC單元，由DSP定時采樣并完成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)進行比較，計算出晶閘管的導(dǎo)通角。DSP在捕捉到相電壓的過零信號后，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)，進而實現(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
2.2.1 電壓同步信號檢測電路
電壓同步信號檢測電路，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(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檢測電路如圖4所示。三相電網(wǎng)電壓A、B、C經(jīng)過3個同步變壓器(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電壓，當(dāng)Uab(Ubc、Uca)為正半周期時，比較器輸出低電平，經(jīng)一個施密特反相器進行波形整形后變?yōu)楦唠娖?，保持與同步電壓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；而上述3個信號再經(jīng)過一個施密特反相器輸出則獲得T3(T5、T1)管的同步信號。同步信號經(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，不用進行相序判別，可以進行T1的同步信號捕獲，可以T1、T3、T5的同步信號捕獲，也可以捕獲六個同步信號。本文采用的是捕獲六個同步信號，直接用硬件檢測，更能反映電網(wǎng)波動的真實情況。
圖4 三相交流調(diào)壓電路的同步信號產(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時，計算觸發(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 火花檢測電路
要提高靜電除塵三相電源的除塵效率，每個除塵反應(yīng)器都要工作在最佳火花率下?？梢酝ㄟ^檢測火花放電現(xiàn)象來實現(xiàn)火花控制。當(dāng)產(chǎn)生火花放電時，二次電流會顯著增加，利用這個特點可以直接采用硬件比較電路的方法。通過LM339N 將二次電流的瞬時值和DSP經(jīng)過D/A輸出設(shè)定后的火花放電閾值進行比較，經(jīng)光耦隔離后，送入DSP，如圖6所示。當(dāng)檢測到火花閃絡(luò)現(xiàn)象時，就執(zhí)行火花中斷子程序，記錄當(dāng)前放電時的運行電壓值，并封鎖晶閘管觸發(fā)脈沖，經(jīng)過延時后重新計算晶閘管的導(dǎo)通角，使得運行電壓為上次放電時的運行電壓，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*檢測電路
2.3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
整個控制系統(tǒng)軟件由主程序和五個中斷服務(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)初始化和算法計算兩部分，而中斷服務(wù)程序中，EVA捕捉中斷對電網(wǎng)頻率進行鎖相，并計算采樣周期；AD計算中斷將采樣值轉(zhuǎn)化成算法運算所需要的實際值；T1下溢中斷實時對采樣周期進行調(diào)整；火*中斷對SCR觸發(fā)脈沖進行封鎖；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參數(shù)完成控制終端對電源的實時監(jiān)控。
圖7 主程序流程圖
圖8 中斷服務(wù)程序流程圖
3 實驗結(jié)果
靜電除塵三相電源實驗裝置的基本參數(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) 電壓同步信號檢測實驗波形
(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 試驗波形
由波形圖可以看出，本控制系統(tǒng)對相電壓過零點的檢測非常準(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，重點介紹了電壓同步信號檢測電路、SCR觸發(fā)電路、火*檢測電路。制作出的樣機效果也非常好，響應(yīng)快、精度高、抗干擾能力強、可檢測性好，能夠自動跟蹤電場的變化，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)下運行，極大提高了除塵效率，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。