一种新型静电除尘用高频高压电源的设计

摘要：提出了一种基于DSP的新型静电除尘(ESP)用高频高压电源设计方案。给出了电源的主电路、控制电路以及各采样电路的设计过程。电源主电路由IGBT(FZ900R12KE4)构成的H桥式电路组成；控制电路采用数字信号处理器DSP(TMS320F2812)为核心；采样电路主要采集三相进线电流、逆变输出电流、变压嚣油温及IGBT的温度等。实验表明，该静电除尘用高频高压电源运行稳定可靠，能够满足静电除尘的要求。
关键词：静电除尘器(ESP)；高频高压电源；数字信号处理器(DSP)；控制电路；采样电路

    现阶段，我国燃煤电厂除尘设备中95％以上采用电除尘器，而电除尘器中普遍采用工频电源，但工频电源的火花控制特性差，花火能量大，电场恢复慢，导致无效除尘时间长，造成电源除尘效率低，并且同一烟道中必须采用至少四级电场(四套电源)依次除尘，才能满足我国烟气污染物排放标准。高频电源的成功开发应用能很好的解决工频电源的不足，其除尘效率高，电源体积小，电能利用率高，它突出的优点逐渐被业内所肯定。但目前国内所研制的电除尘用高频高压电源还停留在中小功率阶段，其输出电流普遍偏低，导致电场内的粉尘荷电能力仍然偏低，除尘效率不能得到很大的提高。
    本文所研究的静电除尘用高频高压电源克服了这些缺点，输出电压可达80 kV，输出电流达到了1 200mA，能满足我国在2011年7月颁布的GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》中规定的燃煤电厂烟尘排放浓度限制降低到30 mg／m3的严格要求。

1 高频高压电源主电路设计
    图1为静电除尘用高频高压电源的主电路结构框图。主电路主要由交流电抗器、三相整流桥、滤波电容、IGBT全桥逆变电路、高频升压变压器、高压整流硅堆组成。

    其中交流电抗器可以有效抑制开机(合闸)瞬间所产生的浪涌电流和di／dt，同时用来平滑电源电压中包含的尖峰脉冲和平滑桥式整流电路换相时产生的电压缺陷；整流桥采用三相不可控整流模块；滤波电容C1用来降低交流脉动波纹系数，使输出的直流更加平滑，同时吸收电子电路工作过程中产生的电流波动和经由交流电源传入的干扰；本系统要求逆变器输出频率为20 kHz，容量为100 kVA，所以逆变器的功率开关管采用IGBT(绝缘栅双极晶体管)，它集成了MOSFET的快速性和GTR的大容量的优点，满足本系统的要求；高频升压变压器为镇江天力变压器有限公司生产的DHR13系列，其额定输出电压达80 kV，额定输出电流达1 200 mA，经过高压硅堆为负载提供直流电。

2 高频高压电源控制电路设计
    控制系统采用DSP(TMS320F2812)统一管理，主要包括各保护电路和采样电路控制，逆变控制系统及驱动，其中逆变控制系统嵌入到DSP的中心控制系统。
    除尘器的输出电压、输出电流和变压器一次侧电流的检测信号经过隔离采样后作为DSP的控制系统的输入信号，用以检测和控制电源系统；三相进线电流、直流母线电压、逆变器输出电流、变压器油温和IGBT温度检测信号作为保护信号；此外，DSP中心控制系统完成IGBT驱动信号的生成，系统的通信等功能。图2给出了DSP的控制系统结构框图。

3 采样电路设计
    在采样电路中，为了避免各种干扰信号随着被测量信号进入DSP控制系统，造成控制系统的不稳定以及采样精度的降低，同时也为了DSP控制系统和主电路系统之间实现很好的隔离，本系统采用美国HP公司推出的高精度线性光耦HCNR201，来进行光电隔离，它具有成本低，线性度高，稳定性好等优点。其典型电路如图3所示。

    光耦输出电压和输入电压之间关系计算公式为：
    IPD1=VIN／R1
    K=IPD2／IPD1
    VOUT=IPD2*R2
    VOUT／VIN=K*(R2／R1)          (1)
    式中K的为光耦合器变换增益，其典型值为1，这里取R1=R2，可得到VOUT=VIN
3．1 电流采样电路设计
    三相进线电流采样电路和逆变电流采样电路基本一致，这里以三相进线电流采样电路为例进行介绍，其电路原理图如图4所示。

    电流霍尔传感器采用茶花公司生产的CSM300LTA，其转换率为1：2000，本系统额定工作时，三相进线端线电流约为177 A，电流霍尔传感器输出约为88．5 mA的电流，取电阻R12=30 Ω，使其采集到的电流经过电阻R12，转换为约为2．7 V的电压信号，经过绝对值电路，转换为直流电压信号，用线性光耦HCNR201进行隔离，送到DSP中进行处理。本电路线性光耦两端电压相等，即采样输出电压值Iph_out约为2．7 V，
且随霍尔传感器采集值的变化而线性变化。
    用三相调压器调节三相输入电压，使相电压从零慢慢上升至额定值220 V，同时用示波器测量Iph_in和Iph_out两点的正向电压峰值，其测量数据如表1所示，用Matlab对数据进行数据拟合处理，得到电流采集信号输入和输出之间的关系曲线如图5所示。

    当其三相输入电压为额定值时，Iph_in和Iph_out两点的波形如图6所示，曲线2为霍尔传感器输出的交流电压信号，曲线1为采样电路最后输出的直流电压信号。由Iph_in和Iph_out之间的关系曲线和其波形可知电路的正确性和准确性。

3．2 温度采样电路设计
    由于电除尘器的高频高压电源安装在电除尘设备的塔顶上，其周围环境温度往往很高，特别是在炎热的夏天，环境温度达到40多度，电源本身也产生很大的热量，而变压器油和IGBT对温升要求又很高，绝对不能超过其允许温升范围，否则会产生很大的事故。因此必须对变压器油和IGBT温升进行精确的在线检测。为了提高温度的采样精度，本系统采用PT100采集温度，通过电阻桥使温度信号转换成电压信号，工作原理如图7所示。

   
    由式(3)可得如果取R4为100 Ω，则当环境温度为0摄氏度时(此时PT100阻值为100 Ω)，V+-V-=0，随着所测温度升高，PT100阻值变大，而V+-V-也变大，通过检测V+-V-的大小，即可知道PT100所检测的温度。为了消除电阻本身误差，实际应用电路如图8所示。

    由于采集到的V+-V-值很小，很难直接进行测量，必须进行足够的放大，为了抑制共模干扰，本电路选择AD620仪用放大器进行设计，设计放大倍数为30倍左右。温度采样电路如图9所示。temp_out输出的电压和PT100测得的温度成线性关系，通过测量temp_out的电压大小即可知PT100测得的温度。把temp_out输出的电压值送到DSP中，通过DSP和上位机进行通讯，在上位机中就可以直接读取PT100所测得的温度。各温度对应PT100的电阻值和temp_out输出电压值如表2所示。用Matlab对数据进行数据拟合处理，得到电压-温度的关系曲线如图10所示，由图可知输出电压和采集到的温度成线性关系。

4 结论
    详细介绍了静电除尘用高频高压电源的主电路、控制电路以及各采样电路的设计过程；给出了设计过程中的电路原理图、实验波形和数据，并对其进行了必要分析。实验表明，文中设计的静电除尘用高频高压电源运行稳定可靠，能够满足静电除尘的要求，具有较好的实用价值。