一種新型靜電除塵用高頻高壓電源的設計

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(shù)字信號處理器DSP(TMS320F2812)為核心；采樣電路主要采集三相進線電流、逆變輸出電流、變壓囂油溫及IGBT的溫度等。實驗表明，該靜電除塵用高頻高壓電源運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足靜電除塵的要求。
關鍵詞：靜電除塵器(ESP)；高頻高壓電源；數(shù)字信號處理器(DSP)；控制電路；采樣電路

現(xiàn)階段，我國燃煤電廠除塵設備中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，電場恢復慢，導致無效除塵時間長，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(四套電源)依次除塵，才能滿足我國煙氣污染物排放標準。高頻電源的成功開發(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)點逐漸被業(yè)內(nèi)所肯定。但目前國內(nèi)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，導致電場內(nèi)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，輸出電壓可達80 kV，輸出電流達到了1 200mA，能滿足我國在2011年7月頒布的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中規(guī)定的燃煤電廠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。

其中交流電抗器可以有效抑制開機(合閘)瞬間所產(chǎn)生的浪涌電流和di／dt，同時用來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用來降低交流脈動波紋系數(shù)，使輸出的直流更加平滑，同時吸收電子電路工作過程中產(chǎn)生的電流波動和經(jīng)由交流電源傳入的干擾；本系統(tǒng)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關管采用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，滿足本系統(tǒng)的要求；高頻升壓變壓器為鎮(zhèn)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(tǒng)采用DSP(TMS320F2812)統(tǒng)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(tǒng)及驅動，其中逆變控制系統(tǒng)嵌入到DSP的中心控制系統(tǒng)。
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)過隔離采樣后作為DSP的控制系統(tǒng)的輸入信號，用以檢測和控制電源系統(tǒng)；三相進線電流、直流母線電壓、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(tǒng)完成IGBT驅動信號的生成，系統(tǒng)的通信等功能。圖2給出了DSP的控制系統(tǒng)結構框圖。

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被測量信號進入DSP控制系統(tǒng)，造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定以及采樣精度的降低，同時也為了DSP控制系統(tǒng)和主電路系統(tǒng)之間實現(xiàn)很好的隔離，本系統(tǒng)采用美國HP公司推出的高精度線性光耦HCNR201，來進行光電隔離，它具有成本低，線性度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。其典型電路如圖3所示。

光耦輸出電壓和輸入電壓之間關系計算公式為：
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
三相進線電流采樣電路和逆變電流采樣電路基本一致，這里以三相進線電流采樣電路為例進行介紹，其電路原理圖如圖4所示。

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(tǒng)額定工作時，三相進線端線電流約為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)過電阻R12，轉換為約為2．7 V的電壓信號，經(jīng)過絕對值電路，轉換為直流電壓信號，用線性光耦HCNR201進行隔離，送到DSP中進行處理。本電路線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性變化。
用三相調(diào)壓器調(diào)節(jié)三相輸入電壓，使相電壓從零慢慢上升至額定值220 V，同時用示波器測量Iph_in和Iph_out兩點的正向電壓峰值，其測量數(shù)據(jù)如表1所示，用Matlab對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合處理，得到電流采集信號輸入和輸出之間的關系曲線如圖5所示。

當其三相輸入電壓為額定值時，Iph_in和Iph_out兩點的波形如圖6所示，曲線2為霍爾傳感器輸出的交流電壓信號，曲線1為采樣電路最后輸出的直流電壓信號。由Iph_in和Iph_out之間的關系曲線和其波形可知電路的正確性和準確性。

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，其周圍環(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，絕對不能超過其允許溫升范圍，否則會產(chǎn)生很大的事故。因此必須對變壓器油和IGBT溫升進行精確的在線檢測。為了提高溫度的采樣精度，本系統(tǒng)采用PT100采集溫度，通過電阻橋使溫度信號轉換成電壓信號，工作原理如圖7所示。

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(此時PT100阻值為100 Ω)，V+-V-=0，隨著所測溫度升高，PT100阻值變大，而V+-V-也變大，通過檢測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，實際應用電路如圖8所示。

由于采集到的V+-V-值很小，很難直接進行測量，必須進行足夠的放大，為了抑制共模干擾，本電路選擇AD620儀用放大器進行設計，設計放大倍數(shù)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測得的溫度成線性關系，通過測量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DSP和上位機進行通訊，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(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合處理，得到電壓-溫度的關系曲線如圖10所示，由圖可知輸出電壓和采集到的溫度成線性關系。

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程；給出了設計過程中的電路原理圖、實驗波形和數(shù)據(jù)，并對其進行了必要分析。實驗表明，文中設計的靜電除塵用高頻高壓電源運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足靜電除塵的要求，具有較好的實用價值。