基于DSP的静电除尘用三相电源的研制

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摘要：采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，结合静电除尘场合高压电源的特点，介绍了以晶闸管作为执行部件的三相电源的控制策略及其实现，在三相电源实验样机的基础上，得出了实验波形。与常规的单片机控制相比，以DSP作为控制核心的静电除尘用三相电源对于火花处理更迅速，控制和采样部分硬件电路更简单。



关键词：三相交流调压;DSP;控制策略
　引言
　　国际、国内目前使用的电除尘器供电电源装置主要是以可控硅移相调压控制的高压硅整流(T/R)设备(简称常规电源)为主，按照供电方式不同，分 为单相电源和三相电源。由于单相电源仅由电网一相供电，所以存在严重的三相用电不平衡，功率因素低，初级电网损耗大，不利于节能，而三相电源则在这方面有 很大的优势，称得上绿色环保产品。
　　三相电源较单相电源有如下优点：供电三相平衡，电源利用率高;  对电网污染减少，提高有功功率,减少无功功率，功率因数接近90%;单相电源的峰值电压比平均电压高25%，而三相电源的峰值电压与平均电压接近( 5%)，这样提高了电场的平均电压电流，提高了除尘效率。

　　静电除尘用三相电源系统结构
　　图1中为静电除尘用三相电源主电路结构，可以看出，其主电路拓扑结构为三相交流调压电路。为了下文分析方便，负载选用电阻R1～R3。
　　图2中为三相电源结构框图。整个系统以DSP为控制核心，电网三相输入电压经过一个同步检测电路后输出同相位的三相同步波形，主电路晶闸管的六路触发脉冲就是DSP通过该同步波形过零点的判断产生的。ESP是静电除尘器本体，一般采用负高压供电。
　　三相交流调压工作原理
　　由图1可以看出三相电源主电路一共用到了6个晶闸管T1～T6，T1和T4、T3和T6、T2和T5分别是反并联结构，触发信号相差180°。 这6个晶闸管按照触发顺序1→2→3→4→5→6→1触发信号依次相差60°。由于任何时候必须有两个相的晶闸管同时导通才能形成回路，所以采用宽于 60°的宽脉冲或双窄脉冲触发。这里用各相同步信号的“过零点”做为控制角计算的基准点。三相电源的实际负载是阻感性负载，由于电感的续流特性，它的波形 分析比较复杂。本文采用阻性负载来分析其波形，下面对负载侧(假设变压器一次侧为纯阻性)的电压波形进行分析(α为控制相角)。
　　(1)0°α<60°时，电路处于三个晶闸管和两个晶闸管导通的状态，导通角为180°-α。
　　(2)60°α<90°时，电路处于两个晶闸管导通的状态，导通角为120°。例如：当T1和T2导通，当A相正半波从正向负过零点时，Uac>0。此时T1由于仍承受正电压不会关断，只有当T3导通后T1才会承受反向电压关断。
　　(3)90°α<150°时，电路处两个晶闸管导通或无晶闸管导通的状态。例如：T6在电压由负变正后才关断，这是因为 Uac>0，T1、T6承受正向压降仍处于导通状态，只有等到Uac=0后T6才受反压关断。每个晶闸管的导通角分为相隔的两个部分，分别为 150°-α，所以每个晶闸管导通角合为300°-2α。
　　(4)150°α时，电路处于一个晶闸管导通或者无晶闸管导通状态，所以阻性负载时的移相范围是0°α<150°。
　以上是三相交流调压电路在纯阻性负载时的工作原理分析，另一方面当负载是纯感性时，电流滞后电压90°，当触发角90°时电流才从零开始上升，所以当纯感性负载时，晶闸管触发角的移相范围是90°α<150°。


　　基于DSP的三相电源控制系统
　　静电除尘用三相电源控制策略
　　三相硅整流变压器二次侧输出的负高压一般接到ESP本体里曲率半径较小的阴极线上，然后与本体里另一个曲率半径很大的阳极板构成非均匀电场产生 电晕放电，电晕放电时产生的大量正、负离子依附在粉尘上，然后带电粉尘在电场作用力下向阳极板移动以起到收尘作用。但是当阴阳极间的绝缘介质被负高压击穿 后会产生火花，此时相当于整流变压器负载短路了，从而影响收尘效率。因此如何处理火花和怎样使电场一直工作于最高平均电压而尽量少产生火花成为了静电除尘 电源控制的关键。一般而言，静电除尘电源的控制策略有以下几种。
　　(1)火花处理
　　ESP电源输出的电压能逼近极板间的击穿电压，就能获得最大的电晕功率。火花处理目的是在出现闪络时，需要在低电压时能够迅速的恢复到逼近极板的击穿电压，从而再次获得最大的电晕功率。
　　(2)火花率控制
　　可以把电场的闪络信号回馈到控制器中，使其发出指令关断电源的输出从而使极板间绝缘恢复到正常值，然后调节电场电压上升率来控制两次闪络的时间间隔，来获取最佳的火花率，提高除尘效率。
　　(3)最高平均电压控制
　　目的是在任何负载条件下都能获得最高的平均电压。可以用单位时间内把采集到的两次实际电场平均电压比较，增值为负，则增加输出电压。
　　(4)火花跟踪控制
　　目的是根据ESP不同的工作状态，时刻控制高压输出跟踪在该状态的临界火花点运行，尽量减少闪烁发生。
　　(5)全波供电与间歇供电
　　周期性的阻断某些波可降低极间平均电压，增强振打效果，有效抑制反电晕。另外，间歇供电还有利于节能降耗。
　　基于DSP控制部分软件设计
　　图3(a)为三相电源主体控制程序，在必要的初始化后就进入循环主程序中，循环主程序包括通讯子程序、故障判断和处理子程序、侧部电机振打子程 序和外部火花中断处理子程序。图3(b)  为三相电源火花处理程序，该程序用作在火花产生时及时记录当前极板的击穿电压，然后通过改变导通角再次接近电场最高电压，从而得到最大的电晕功率。



实验结果
　　为了验证本文分析的正确性，做出了一台三相电源的实验样机。该实验样机采用KP5晶闸管，主控芯片采用DSP型号为TMS320F2812。控制和采样部分包括ADC采样板、同步检测板和触发电路板等。
　　实验环境为：三相输入端电源线电压405V/405V/405V，输出端接灯泡负载(3个，60W)。
　　实验结果如图4所示。图4(a) 、(b) 、(c)分别为导通角90°、120°、150°时A相单个灯泡负载两侧的电压波形;图4(d) 为整流变压器二次侧输出直流电压波形。实验结果验证了该三相电源的实验样机设计的正确性，然后通过DSP编程能实现三相电源对静电除尘场合控制的要求。
　　结论
　　本文给出了静电除尘用三相电源的主电路结构，在三相交流调压电路为对象分析了三相电源的工作原理，然后在此基础上结合静电除尘场合的特点，提出了三相电源控制策略和软件实现，最后给出了实验波形。由于本文中静电除尘用三相电源的控制策略和设计重点均是以实际产品开发为目标提出的，所以对于同类产品的开发有一定的参考价值。