基于DSP的静电除尘三相电源调压系统研制

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                    ???? 摘要：研制了一种基于DSP的静电除尘电源调压控制系统。该控制系统以TMS320F2812为控制核心，能够自动跟踪电场的变化，有效调节中间环节交流电压。实验结果表明，该控制系统能够较好地控制静电除尘电源，大幅度提高除尘效率。
　　0 引 言
　　静电除尘器是利用高压电场将气体中的粉尘粒子分离出来的一种除尘设备，在消除大气中的有害粉尘等方面起着十分重要的作用，是冶金、电力和化工等行业回收有用资源、净化烟气、保护环境的重要设备。为了获得较高的除尘效率，要求静电除尘电源能够根据除尘器工况的变化，自动调节输出电压和电流，使静电除尘器在较高的电压和电流状态下运行。另外，静电除尘器一旦发生故障，需要静电除尘电源能够提供必要的保护，对闪络、过流等信号能快速鉴别和做出反应。实验证明，基于TMS320F2812的静电除尘电源调压控制系统能很好实现这些功能。
　　1 静电除尘三相电源主电路
　　1.1 电源主电路
　　三相电源主电路如图1所示，三相交流380V 市电经断路器主触点，送到三相晶闸管调压电路，通过控制晶闸管的导通角调节输出电压后，送至三相高压硅整流变压器初级，在整流变压器的次级侧经升压、整流后输出直流负高压，经阻尼电阻供给静电除尘反应器。
　　与常规单相静电除尘电源相比，三相电源具有如下特点：
　　(1)电网平衡供电，三相对称，功率因数接近100%；(2)由于采用三相星形输入接线方式，在同等功率输出条件下，减少了初级电流和缺相损耗；(3)极大地改善了输出电压、电流的线性度，满载输出的纹波系数小于5%，有效地提高了除尘反应器的注入电晕功率。




图1 三相电源主电路原理图
　　1.2 三相交流调压电路原理
　　交流调压电路是指采用相位控制方式的交流电力控制电路。交流调压电路的拓扑结构有很多种，本文采用的是将两个晶闸管反并联后串接在每相交流电源与负载之间。与相控整流电路一样，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，可以方便地调节输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。
　　2 静电除尘三相电源调压控制系统
　　2.1 控制系统的总体结构
　　控制系统结构框图如图2所示，该控制系统以TMS320F2812为核心，主要包括电压同步信号检测电路、模拟量采样电路、开关量隔离电路、火*检测电路、SCR触发电路、串行通讯电路等。




图2 控制系统结构框图
　　现场采集到的模拟量(一次电压、一次电流、二次电压、二次电流等)，经模拟信号调理电路，送入DSP的ADC单元，由DSP定时采样并完成A/D转换，DSP将A/D转换后的数据与设定参数进行比较，计算出晶闸管的导通角。DSP在捕捉到相电压的过零信号后，输出双窄脉冲，触发晶闸管，使晶闸管输出移相范围在5～90°可调，完成电源主电路三相交流调压部分的调节，进而实现静电除尘三相电源的电压闭环控制。
　　2.2 控制系统硬件电路设计
　　2.2.1 电压同步信号检测电路
　　电压同步信号检测电路，是为了给晶闸管提供触发脉冲的基准，由于三相晶闸管调压电路的自然换相点(即α=0°)是输入相电压的零相位(即ωt=0)，因此按图3(b)方式连接同步变压器，获得对应的同步变压器原副边电压矢量关系如图3(c)所示。由图3(c)可见，三相交流调压电路中T1～T6管的同步信号分别为：Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb、Uab。




图3 三相交流调压电路的同步关系
　　三相交流调压电路的电压同步信号检测电路如图4所示。三相电网电压A、B、C经过3个同步变压器(按Δ/Y接法)隔离、衰减并送比较器，直接比较同相输入端和反相输入端的瞬时电压，当Uab(Ubc、Uca)为正半周期时，比较器输出低电平，经一个施密特反相器进行波形整形后变为高电平，保持与同步电压Uab(Ubc、Uca)同步关系。根据图3所示的矢量关系分析，它为T6(T2、T4)管的同步信号；而上述3个信号再经过一个施密特反相器输出则获得T3(T5、T1)管的同步信号。同步信号经过光耦隔离后直接输入DSP的捕获口。本电路的使用非常灵活方便，不用进行相序判别，可以进行T1的同步信号捕获，可以T1、T3、T5的同步信号捕获，也可以捕获六个同步信号。本文采用的是捕获六个同步信号，直接用硬件检测，更能反映电网波动的真实情况。




图4 三相交流调压电路的同步信号产生电路
　　2.2.2 SCR触发电路
　　三相交流调压是通过调节反并联二极管的导通角来实现的，此晶闸管能否稳定可靠地触发是非常重要的。DSP在捕获晶闸管的同步信号时，计算触发角后，输出双窄脉冲，经过高频调制后通过脉冲变压器隔离放大后，产生晶闸管所需的触发脉冲，如图5所示。




图5 SCR触发电路
　　2.2.3 火花检测电路
　　要提高静电除尘三相电源的除尘效率，每个除尘反应器都要工作在最佳火花率下。可以通过检测火花放电现象来实现火花控制。当产生火花放电时，二次电流会显着增加，利用这个特点可以直接采用硬件比较电路的方法。通过LM339N 将二次电流的瞬时值和DSP经过D/A输出设定后的火花放电阈值进行比较，经光耦隔离后，送入DSP，如图6所示。当检测到火花闪络现象时，就执行火花中断子程序，记录当前放电时的运行电压值，并封锁晶闸管触发脉冲，经过延时后重新计算晶闸管的导通角，使得运行电压为上次放电时的运行电压，这样就保证了静电除尘三相电源始终保持在临界放电状态。




图6 火*检测电路
　　2.3 控制系统的软件设计
　　整个控制系统软件由主程序和五个中断服务程序构成，其流程图分别如图7和图8所示。主程序主要完成系统初始化和算法计算两部分，而中断服务程序中，EVA捕捉中断对电网频率进行锁相，并计算采样周期；AD计算中断将采样值转化成算法运算所需要的实际值；T1下溢中断实时对采样周期进行调整；火*中断对SCR触发脉冲进行封锁；数据通讯中断主要是接收控制终端发送的数据和指令，返回控制终端所需要的各个参数完成控制终端对电源的实时监控。




图7 主程序流程图










图8 中断服务程序流程图
　　3 实验结果
　　静电除尘三相电源实验装置的基本参数为：三相电网电压380 V/50 Hz输入，晶闸管KP800 A，直流输出电压72 kV，直流输出电流1。2 A。电网电压波形和调压后的电压波形采用的是500：1的差分探头，如图9所示。




(a) 电压同步信号检测实验波形




(b) 高频调制后的SCR触发脉冲波形




(c) 导通角=90°交流调压后输出电压波形




(d) 导通角=120°交流调压后输出电压波形




　　(e) 导通角=150°交流调压后输出电压波形




　(f) 二次电流取样波形(导通角=150°)
图9 试验波形
　　由波形图可以看出，本控制系统对相电压过零点的检测非常准确；SCR的触发脉冲也能满足SCR快速、准确触发的要求；交流调压的效果很好，和仿真结果几乎一样；二次电流波形也很稳定。
　　4 结 论
　　本文介绍了基于DSP的静电除尘三相电源调压控制系统的设计，重点介绍了电压同步信号检测电路、SCR触发电路、火*检测电路。制作出的样机效果也非常好，响应快、精度高、抗干扰能力强、可检测性好，能够自动跟踪电场的变化，有效调节中间环节交流电压，使静电除尘器在较高的电压和电流状态下运行，极大提高了除尘效率，具有广阔的市场应用前景。