一種電除塵器用智能高壓逆變直流電源的研制

時間：2005-11-08 09:49:00

關(guān)鍵字：直流電源高壓逆變電除塵器

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[導讀]介紹了一種電除塵器用高壓逆變電源。就其電源的主體結(jié)構(gòu)，主電路的工作原理，及控制電路的工作原理作了簡要的論述。同時對系統(tǒng)的軟件也進行了簡要說明。

摘要：介紹了一種電除塵器用高壓逆變電源。就其電源的主體結(jié)構(gòu)，主電路的工作原理，及控制電路的工作原理作了簡要的論述。同時對系統(tǒng)的軟件也進行了簡要說明。

關(guān)鍵詞：電除塵；高壓逆變器；智能化

引言

隨著工業(yè)粉塵及廢氣排放量的日益增加，其對環(huán)境的污染也越來越嚴重，特別是在冶金、礦山、建材、化工等行業(yè)中。眾所周知，應(yīng)用靜電除塵器能夠有效地收集起這些粉塵，但是，常規(guī)的高壓靜電除塵裝置體積龐大、笨重，使用不便，因此，減小高壓靜電除塵裝置的體積與重量就顯得尤為重要。

近年來，伴隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是新一代功率電子器件如IGBT,MOSFET等的應(yīng)用，高頻逆變技術(shù)越來越成熟，各種不同類型和特點的電路廣泛地被應(yīng)用于DC/DC與DC/AC等場合。在這一前提下，設(shè)計一種高壓逆變電源代替常規(guī)高壓電源，達到減小高壓電源裝置的體積與重量的目的已成為可能。同時其使用效果、輸出特性和成本等也都比常規(guī)高壓電源裝置具有明顯的優(yōu)勢，系統(tǒng)效率也得到了一定程度的提高。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 電源主體結(jié)構(gòu)

圖1所示為高壓逆變電源的電路組成框圖，它主要包括主電路及控制電路兩部分。主電路主要包括配電開關(guān)、工頻整流器、斬波器、濾波器、IGBT橋式逆變器、保護電路、高頻高壓變壓器、高頻高壓硅堆（高頻整流器）等部分?？刂齐娐分饕娏?、電壓、火花率采樣及其處理單元，PWM信號產(chǎn)生和驅(qū)動電路，單片機控制器，參數(shù)輸入鍵盤及液晶顯示，通信接口等部分。

1.2 主電路的工作機理

主電路的工作原理如圖2所示，高頻逆變器中的功率開關(guān)管采用IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。它是將MOSFET和GTR的優(yōu)點集于一體的新型復(fù)合器件，具有MOSFET的高輸入阻抗、可用電壓驅(qū)動，GTR的通態(tài)功耗低等優(yōu)點。

圖2 主電路原理圖

圖2中交流電壓經(jīng)整流-斬波器調(diào)壓-濾波后得到直流電壓U1，將U1加到全橋式高頻逆變器上。D1～D4與功率開關(guān)管S1～S4反向并聯(lián)，承受負載產(chǎn)生的反向電流以保護開關(guān)管。C1～C4及R3～R6以及D5～D8的引入是為了避免4個開關(guān)管在關(guān)斷時過高的電壓上升率和減少管子的關(guān)斷損耗。當柵極脈沖信號輪流驅(qū)動S1、S4或S2、S3時，逆變主電路把直流電壓U1轉(zhuǎn)換為20kHz的高頻矩形波交流電壓送到高頻高壓變壓器，經(jīng)升壓整流濾波后給負載（電除塵器）供電。控制S1、S4和S2、S3兩組IGBT的占空比，就可得到脈寬可調(diào)的矩形波交流電壓。

1.3 控制電路的工作機理

1.3.1 單片機控制器

為了使整個電源系統(tǒng)具有自診斷和人機交換式的控制功能，該電源選用PHILIPS系列單片機80C552，主要負責實時監(jiān)控和與上位機進行數(shù)據(jù)通信的任務(wù)。當除塵器處在工作狀態(tài)時，單片機一方面定時采集其反饋的電流電壓值，通過A/D轉(zhuǎn)換通道將其讀入，并通過一定算法得出控制量Uk，通過單片機輸出控制量給脈寬調(diào)制控制器，進而改變調(diào)制脈沖寬度；另一方面可以實現(xiàn)根據(jù)用戶的需求改變電源的外特性，如恒流，恒壓，緩降等。另外，單片機還定期地將本電源的輸出電流、輸出電壓、火花率等信息傳遞給上位機，將故障信息由串口發(fā)向上位機，以示警告，同時接收來自上位機的控制命令，使自身投入或退出工作或改變工作參數(shù)。

1.3.2 脈寬調(diào)制控制器

脈寬調(diào)制控制器電路如圖3所示，它的作用主要是為驅(qū)動電路提供控制脈沖以實現(xiàn)PWM控制。其核心是產(chǎn)生PWM信號的專用集成芯片SG3525A。SG3525A是電壓型PWM集成控制器，外接元器件少，性能好，具有外同步、軟啟動、死區(qū)調(diào)節(jié)、欠壓鎖定、誤差放大以及關(guān)閉輸出驅(qū)動信號等功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括基準電壓源、欠壓鎖定電路、鋸齒波振蕩器、誤差放大器和脈寬調(diào)制比較器5部分。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

各電源模塊的單片機都有獨立的主程序以及與上位機的通信程序，數(shù)據(jù)采集子程序等。限于篇幅，本文只討論電源模塊的主程序及通信子程序的軟件結(jié)構(gòu)。主程序流程圖如圖4所示，數(shù)據(jù)通信子程序流程圖如圖5所示。

電源模塊的軟件主要完成以下功能：接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)和指令；向上位機傳遞數(shù)據(jù)；完成對電源輸出的實時監(jiān)控；根據(jù)用戶需求進行各種外特性的控制。

3 實驗及分析

3.1 主逆變橋PWM調(diào)節(jié)對效率影響研究及規(guī)范調(diào)節(jié)方式的確定

如圖6所示，該電源在輸入電壓相同的情況下，占空比<50％時，隨著占空比的增大，效率也增大；在占空比>50％時，隨著占空比的增大，效率降低。由此可見，如果大范圍地進行占空比調(diào)節(jié)，將會使電源進入效率很低的區(qū)域，而占空比在40％～70％時，效率較高。為此通過調(diào)節(jié)斬波電路占空比的方式控制直流母線電壓，可以達到高效率的目的。