一種靜電除塵脈沖電源及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

桂 斌 章 飛

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 鎮(zhèn)江 212000）

1 引言

靜電除塵脈沖電源的基本原理為在直流發(fā)生電路提供一個(gè)直流高壓的基礎(chǔ)上，疊加脈沖發(fā)生電路輸出的微秒級(jí)脈寬的脈沖電壓［1］。與傳統(tǒng)恒流電壓輸出電源如工頻電源、高頻電源相比，靜電除塵脈沖電源具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）脈沖電壓可提高峰值電場(chǎng)強(qiáng)度，增加高比阻粉塵的荷電量，提高除塵效率；2）脈沖電壓持續(xù)時(shí)間短，不易觸發(fā)閃絡(luò)，減少了能量損失，降低了能量消耗，節(jié)能效果顯著；3）脈沖電壓提供超細(xì)粉塵荷電所需的擴(kuò)散荷電所需的電場(chǎng)，增加超細(xì)粉塵的荷電量，提高除塵效率［2］。因此，靜電除塵脈沖電源成為電除塵電源的研究熱點(diǎn)。

2 主電路參數(shù)分析與計(jì)算

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靜電除塵脈沖電源由兩個(gè)單元組成：基礎(chǔ)直流單元與脈沖單元［3］。高頻電源提供基礎(chǔ)直流單元壓，高頻電源運(yùn)行頻率較高，較之工頻電源，更能快速地處理閃絡(luò)問題。脈沖單元由脈沖前置電路和脈沖發(fā)生電路構(gòu)成，脈沖前置電路提供脈沖發(fā)生電路的前置電壓，脈沖發(fā)生回路在IG?BT 的開通時(shí)發(fā)生串聯(lián)諧振輸出高壓脈沖［4］。靜電除塵脈沖電源的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 靜電除塵脈沖電源主電路

靜電除塵脈沖電源脈沖產(chǎn)生原理為IGBT關(guān)斷時(shí)，脈沖前置電路輸出直流電壓+Ups、扼流電感Lps、儲(chǔ)能電容Cs、脈沖變壓器PT 的原邊組成充電回路，將儲(chǔ)能電容Cs充電至電壓+Ups；IGBT 開通時(shí)，儲(chǔ)能電容Cs、變壓器PT 漏感Ls、耦合電容CC以及除塵器的等效電容形成串聯(lián)電流諧振電路振蕩工作，產(chǎn)生類正弦波電流［5］，當(dāng)諧振電流半波過零時(shí)，關(guān)斷IGBT，則諧振電流將反向，經(jīng)過IGBT 模塊中的續(xù)流二極管D，向儲(chǔ)能電容Cs回饋能量；當(dāng)反向過零時(shí)，完成一個(gè)諧振周期［6］。高壓脈沖形成主電路原理如圖2所示。

圖2 高壓脈沖形成主電路原理

高壓脈沖單元的IGBT 觸發(fā)開通時(shí)，產(chǎn)生串聯(lián)諧振，諧振期間將脈沖變壓器的二次側(cè)折算為一次側(cè)的等效拓?fù)鋱D如3所示。

圖3 諧振期間等效電路

其中Lu為靜電除塵脈沖電源高壓脈沖單元脈沖變壓器的勵(lì)磁電感、Rs為一次側(cè)電路中的雜散電阻、CC1為耦合電容折算到脈沖變壓器一次側(cè)的值、C1和R1為ESP負(fù)載的等效電容C0和等效電阻R0折算到脈沖變壓器一次側(cè)的值。串聯(lián)諧振時(shí)，ESP 負(fù)載等效為電容C0和電阻R0并聯(lián)，負(fù)載電路的總阻抗為

式中，ω 為串聯(lián)諧振角速度，則有：

針對(duì)一般的靜電除塵器參數(shù)則有：R1≈0，C1≈n2C0，串 聯(lián) 諧 振 初 始 時(shí) 刻，有Ucs(0+)=Ups、UC0(0+)=-Udc和Ucc(0+)=Udc，脈沖變壓器的勵(lì)磁電感Lu在諧振電路中相當(dāng)于開路，滿足方程：

在SIMULINK 中對(duì)脈沖產(chǎn)生原理進(jìn)行仿真建模，這里將高壓直流電路用幅值為Udc=6×104V的直流電源等效代替，脈沖前置電路輸出電壓用幅值為ups=2.1×103V 的直流電源等效代替，ESP 負(fù)載用等效電容和等效電阻并聯(lián)代替。如圖4所示。

圖4 脈沖電源的Simulink仿真

圖4 中各器件參數(shù)選擇如表1所示。

表1 脈沖單元的脈沖主回路參數(shù)選取

設(shè)置脈沖重復(fù)頻率為200PRF，那么設(shè)置觸發(fā)信號(hào)周期為T0=5×10-3S ，前面提到脈寬T=7.5×10-5S，又因?yàn)镮GBT 的開通時(shí)間為脈沖諧振周期一半，那么PWM波的占空比為0.75%。

運(yùn)行如圖4的脈沖電源仿真模型可以得到ESP負(fù)載上的電流值IESP、ESP 負(fù)載上的電壓值UESP的波形。如圖5所示。

3 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件是基于DSP 芯片TMS320F28335在CCS軟件平臺(tái)上完成的，主要包括系統(tǒng)的主程序流程、PWM 波生成、ADC數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)保護(hù)、閃絡(luò)控制算法實(shí)現(xiàn)等。由于靜電除塵脈沖電源基礎(chǔ)直流單元H 橋逆變部分IGBT的開關(guān)頻率在10KHz左右，還要完成閃絡(luò)判斷和復(fù)雜的輸出電壓控制算法，因此系統(tǒng)的核心芯片采用DSP 芯片TMS320F28335。同時(shí)系統(tǒng)中開關(guān)量等邏輯信號(hào)的數(shù)據(jù)量大，對(duì)邏輯信號(hào)處理速度的要求較高，但邏輯結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單，適合用FPGA 來實(shí)現(xiàn)，所以本系統(tǒng)采用的是DSP+FPGA 架構(gòu)。控制系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。

圖5 ESP負(fù)載電壓和ESP負(fù)載電流

圖6 靜電除塵脈沖電源控制系統(tǒng)

3.1 脈沖單元的過零過流檢測(cè)

脈沖一次側(cè)電流即為脈沖變壓器原邊串聯(lián)諧振電流［7］，因?yàn)榇?lián)諧振電流峰值可達(dá)幾千安培，一般的電流互感器受限于一次參數(shù)很難對(duì)諧振電流進(jìn)行采樣。本系統(tǒng)采用Rogowski（羅果夫斯基）線圈來對(duì)其進(jìn)行采樣［8］。Rogowski 線圈可測(cè)量5A～100KA 的電流，輸出額定電流有效值為0～20MA，轉(zhuǎn)換率為1：5000000［9］，設(shè)置過零點(diǎn)低電壓有效。如圖7 為脈沖一次側(cè)過零電壓跟隨比較電路，為了防止后級(jí)電路對(duì)電流互感器產(chǎn)生干擾，在Rogowski 線圈和后級(jí)絕對(duì)值電路之間加入電壓跟隨器。圖中V1為Rogowski線圈輸出電流經(jīng)過電阻R3和電壓跟隨器轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。

因輸入信號(hào)VIN（電阻分壓輸入脈沖一次側(cè)電流）有正有負(fù)，所以作為電壓跟隨器和比較器的運(yùn)放供電電源也需要正負(fù)電壓供電［10］。由虛短虛斷可得V1=VIN；根據(jù)虛斷可得V1 的電壓與電阻器RP 的電壓值相等，圖中后級(jí)運(yùn)放U313B 作為單限比較器，閾值電壓的計(jì)算式為式（7）：

后級(jí)集成運(yùn)放U313B 工作在非線性區(qū)，根據(jù)LM211D 的datasheet，LM211D 的輸出低電平約為0.23V，又因?yàn)長M211D 是集電極開漏輸出，需加入上拉電阻。上拉電阻應(yīng)選擇足夠大，同時(shí)保證上拉的電壓值小于FPGA芯片I/O電壓的極值3V。該比較器的閾值電壓為VPR，當(dāng)輸入信號(hào)電壓V1>VRP，則輸出低電平；V1＜VRP 時(shí)，則輸出高電平。V1 電壓值每次經(jīng)過VPR 值時(shí)，U313B 輸出電平都要跳變，比較器輸出的電壓接入FPGA。過流檢測(cè)mutilsim仿真波形如圖8所示。

圖7 脈沖一次側(cè)過零比較電路

圖8 過零檢測(cè)電路仿真波形

過流檢測(cè)電路圖如圖9所示。

圖9 過流檢測(cè)電路

其中，Iigbt 為待檢測(cè)的脈沖一次側(cè)諧振電流，V1為放大器輸出電壓。運(yùn)放U4A 構(gòu)成了電壓比較器，當(dāng)諧振電流經(jīng)低通濾波、電壓跟隨、同相放大后的輸入信號(hào)V1 高于正向閾值電壓VT+時(shí)［11］，電壓比較器U4A 輸出低電平V0L，可通過調(diào)節(jié)電阻RP3來調(diào)節(jié)過流時(shí)刻的電流值［12］。則D1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂骨矣蒛3A虛斷可知：

輸入信號(hào)V1 電壓值低于反向閾值電壓VT-時(shí)，U4A 輸出由低電平變?yōu)楦唠娖絍0H 時(shí)，D1由反向截止變?yōu)檎驅(qū)ǎ?3］，且由電壓比較器虛斷可知反向閾值電壓：

3.2 IGBT開關(guān)邏輯

高壓脈沖單元與基礎(chǔ)直流單元的IGBT驅(qū)動(dòng)波形不能直接由DSP 輸出給IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊［14］，需要DSP與FPGA的協(xié)同控制才能對(duì)靜電除塵脈沖電源提供驅(qū)動(dòng)保護(hù)。無諧振發(fā)生時(shí)，應(yīng)由IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)、IGBT 錯(cuò)誤信號(hào)、IGBT 過流信號(hào)、IGBT 過零信號(hào)相或，這些信號(hào)全部為低時(shí)，F(xiàn)PGA 芯片才能輸出IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)［15］。諧振時(shí)IGBT 關(guān)斷由脈沖一次側(cè)過零信號(hào)觸發(fā)，當(dāng)閃絡(luò)發(fā)生時(shí)，IGBT 過流信號(hào)由低變?yōu)楦唠娖?，因?yàn)轵?qū)動(dòng)信號(hào)與過流信號(hào)是邏輯或關(guān)系，所以IGBT 驅(qū)動(dòng)變?yōu)檫壿嫺?，相?dāng)于封鎖了IGBT 驅(qū)動(dòng)脈沖，直至閃絡(luò)結(jié)束。具體IGBT 開關(guān)邏輯如圖10所示。

圖10 IGBT開關(guān)邏輯

4 結(jié)語

靜電除塵用脈沖電源是電除塵電源的研究熱點(diǎn)，該電源是在常用的電除塵電源輸出直流電壓的基礎(chǔ)上疊加了可調(diào)脈沖電壓。介紹了脈沖產(chǎn)生的諧振原理，設(shè)計(jì)了DSP+FPGA聯(lián)合控制策略并給出了控制系統(tǒng)圖。在電源采樣保護(hù)電路基礎(chǔ)上，加上軟件保護(hù)，確保電源的安全運(yùn)行。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了脈沖回路采樣保護(hù)電路的脈沖一次側(cè)過零過流電路，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種DSP 與FPGA 組合控制的IGBT 開關(guān)控制邏輯，對(duì)脈沖電源的設(shè)計(jì)有一定的意義。