單片機(jī)控制的靜電除塵電源調(diào)壓系統(tǒng)

1. 引言

靜電除塵器有除塵效率高、運(yùn)行和維修費(fèi)用相對低廉等特點(diǎn)，在減少排放到大氣中有害粉塵方面起著十分重要的作用，是當(dāng)前使用較為廣泛的一種環(huán)保設(shè)備。靜電除塵器是利用高壓靜電吸附帶電離子的原理進(jìn)行除塵。一般來說，靜電極板電壓越高，對帶電離子的吸附能力就越強(qiáng)，除塵效率越高。但電壓越高，電場內(nèi)會(huì)出現(xiàn)頻繁的火花閃爍，甚至產(chǎn)生電弧，放電過程難以控制，除塵效率明顯降低，這種情況應(yīng)該避免。如果能夠控制極板電壓長時(shí)間維持在臨界放電狀態(tài)，就可以獲得最佳的除塵效果并有效節(jié)約電力資源。實(shí)驗(yàn)證明，基于單片機(jī) 80C196KC的靜電除塵電源三相交流調(diào)壓控制系統(tǒng)能夠很好實(shí)現(xiàn)這一功能。

2. 靜電除塵電源主電路及交流調(diào)壓結(jié)構(gòu)

2.1 電源主電路

主電路電路如圖 1所示，380V的三相工頻交流電輸入后，經(jīng)過由三組反并聯(lián)可控硅組成的三相調(diào)壓電路進(jìn)行調(diào)壓，然后經(jīng)三相高壓硅整流變壓器升壓和整流，得到直流高壓輸出,硅整流變壓器負(fù)高壓輸出經(jīng)阻尼電阻供給靜電除塵反應(yīng)器。

由于電源采用三相工頻平衡供電，三相晶閘管同步移相調(diào)壓，與常規(guī)單相硅整流電源相比具有如下特點(diǎn)：

(1) 電網(wǎng)平衡供電，三相對稱，功率因素近 100%；

(2) 由于采用三相星形輸入接線方式，單相輸入電流僅為同等功率輸出單相電源的五分之一。

2.2 三相交流調(diào)壓電路原理

采用相位控制方式的交流電力控制電路稱為交流調(diào)壓電路，交流調(diào)壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，本文中提到的三相交流調(diào)壓主電路，是將兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串接在每相交流電源與負(fù)載之間，如圖1，在電源的每半個(gè)周期內(nèi)觸發(fā)一次晶閘管，使之導(dǎo)通。與相控整流電流電路一樣，通過控制晶閘管開通時(shí)候所對應(yīng)的相位，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，從而達(dá)到交流調(diào)壓的目的。

3. 基于 80C196KC的三相交流調(diào)壓控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制模塊硬件電路以微處理器為控制中心，兼有控制與監(jiān)視的功能。通過輸入接口接收各種采樣、檢測信號(hào)，再由軟件程序進(jìn)行計(jì)算處理后，經(jīng)輸出接口發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，去協(xié)調(diào)、控制各部分電路的操作，達(dá)到其智能化控制的目的。本文中監(jiān)控模塊的控制電路采用了以 80C196KC單片機(jī)為主控的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。它主要由主控電路、 CA6100控制信號(hào)輸出電路、測量與信號(hào)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換隔離電路、 LCD液晶顯示模塊、LCD液晶顯示模塊、鍵盤接口電路、報(bào)警裝置等部分組成，單片機(jī)控制模塊見圖 2所示。

單片機(jī)采用 80C196CPU芯片，通過采集電路，電源主電路電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的電壓信號(hào)傳送到 A/D轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換并和給定閾值進(jìn)行比較，如發(fā)現(xiàn)過壓或過流，則給出禁止信號(hào) I，通過光耦隔離后控制 CA6100通用觸發(fā)板，封鎖觸發(fā)脈沖。通過片內(nèi)軟件定時(shí)器，由高速輸出口（HSO）產(chǎn)生一頻率為 2HZ的方波信號(hào)作為電流、電壓給定計(jì)數(shù)器的輸入脈沖。利用 80C196的 PWM口，經(jīng)過光耦輸出可控的脈寬調(diào)制波，再經(jīng)過平滑濾波器轉(zhuǎn)化為 0～5V直流控制電壓，直接控制 CA6100通用觸發(fā)板，能夠使輸出脈沖移相范圍在 5°～175°之間可調(diào)。

3.1 主控電路設(shè)計(jì)

80C196KC單片機(jī)有著豐富的內(nèi)部資源，主控電路以單片機(jī)芯片為核心，擴(kuò)展了一片外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 6264，一片外部程序存儲(chǔ)器 2764，一片外部功能擴(kuò)展芯片 8155，輔以地址鎖存器 74LS373，地址譯碼器 74LS138，復(fù)位電路，晶振電路，A/D轉(zhuǎn)換隔離電路等。

3.2 晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

三相交流調(diào)壓是通過調(diào)節(jié)反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，來實(shí)現(xiàn)對電源輸出電壓的有效控制的，因此晶閘管能否穩(wěn)定可靠地觸發(fā)，是至關(guān)重要的。本控制系統(tǒng)采用 CA6100晶閘管通用觸發(fā)板，其基本原理如圖 3所示。

CA6100通用可控硅觸發(fā)板是以 40芯 CMOS大規(guī)模集成電路（專用芯片）為核心，利用鎖相環(huán)技術(shù)（ PLL）和多芯片合成技術(shù)（ MCM），通過壓控振蕩器（ VCO）鎖定的三相同步信號(hào)間的邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)出的一種晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。0～5V的直流輸入電壓，可以控制輸出脈沖的移相范圍從 5°～175°連續(xù)線性可調(diào)，且晶閘管觸發(fā)脈沖幅值可達(dá)到 15V/2A，能夠滿足靜電除塵電源對晶閘管觸發(fā)脈沖的要求。

3.3 信號(hào)采集與檢測電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要檢測一次電壓、一次電流、二次電壓和二次電流四路模擬量。采用電壓和電流互感器分別對一次電壓和電流進(jìn)行檢測。由于靜電除塵電源二次電壓輸出很高，所以需經(jīng)電阻分壓，然后通過霍爾電壓傳感器進(jìn)行檢測，二次電流檢測則采用回路串電阻的方式。這四路檢測型號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)入單片機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換口，單片機(jī)的 ADC模塊分別對其順序采樣和 A/D轉(zhuǎn)換。圖 4為一次電流信號(hào)調(diào)理電路，主要包括整流、比例放大和二階有源濾波三部分。

3.4 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)為了使裝置的人機(jī)接口界面更加友好、直觀，在本裝置中采用中文液晶顯示模塊作為人機(jī)接口界面。采用液晶模塊型號(hào)為 LCM320240ZK，顯示內(nèi)容 20×15行，內(nèi)含 7602個(gè)簡體中文字型。但是其工作時(shí)序和 80C196單片機(jī)不兼容，需要用到 8155擴(kuò)展。其他管腳則直接與單片機(jī)相連接，讀 (E)、寫(R/W)端口分別和 80C196KC單片機(jī)的讀、寫信號(hào)相連，片選信號(hào)(CS1、CS2)由 38譯碼器提供。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

主程序完成整個(gè)模塊的控制流程和子程序模塊調(diào)用等功能。子程序模塊完成整個(gè)裝置的不同功能的實(shí)現(xiàn)，包括初始化模塊、液晶顯示模塊、 A/D采集轉(zhuǎn)換模塊、PID調(diào)節(jié)穩(wěn)壓穩(wěn)流模塊等。其中初始化模塊的主要功能是完成單片機(jī)的有關(guān)初始化設(shè)置，包括有關(guān)端口的選通、功能的選擇，以及中斷的允許等。 A/D采集轉(zhuǎn)換模塊是實(shí)現(xiàn)對被測信號(hào)的重復(fù)采樣，并且在單片機(jī)中完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。穩(wěn)壓穩(wěn)流模塊的功能是采用 PID控制算法并結(jié)合 80C196單片機(jī)輸出的 D/A電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電壓或電流的穩(wěn)定，且具有軟啟動(dòng)功能。

3.6 火花快速檢測的實(shí)現(xiàn)方式

要提高靜電除塵電源的除塵效率，每個(gè)除塵反應(yīng)器都要工作在最佳火花率下。為了實(shí)現(xiàn)火花控制，必須檢測火花放電現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生火花放電時(shí)，會(huì)引起二次電流大幅度增加，利用這一特點(diǎn)就可以采用硬件直接比較的方法，通過 LM393將二次電流反饋值與設(shè)定的火花放電閾值進(jìn)行比較，經(jīng) 6N138光耦和 RS觸發(fā)器后，接至單片機(jī) 80C196KC的外部中斷口。由于中斷級(jí)別很高（外部中斷 XINT1），當(dāng)檢測到火花放電時(shí)，就執(zhí)行相應(yīng)的火花放電程序，記憶當(dāng)前放電時(shí)的運(yùn)行電壓，并將當(dāng)前運(yùn)行電壓降低到設(shè)定的火花回壓點(diǎn)，運(yùn)行電壓再從回壓點(diǎn)以分段上升的方式上升至上次放電時(shí)的運(yùn)行電壓，這樣就保證了靜電高壓除塵電源始終保持在臨界放電電壓狀態(tài)。

4. 結(jié)語

基于單片機(jī) 80C196KC的靜電除塵電源智能控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)快、精度高、可監(jiān)控性好、抗干擾性強(qiáng)，通過實(shí)際運(yùn)行證明，能夠自動(dòng)跟蹤電場的變化，輸出最佳電暈功率，從而使除塵效率大為提高，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。