摘要：研制了一種基于DSP的靜電除塵電源調壓控制系統。該控制系統以TMS320F2812為控制核心，能夠自動跟蹤電場的變化，有效調節中間環節交流電壓。實驗結果表明，該控制系統能夠較好地控制靜電除塵電源，大幅度提高除塵效率。
0 引 言
靜電除塵器是利用高壓電場將氣體中的粉塵粒子分離出來的一種除塵設備，在消除大氣中的有害粉塵等方面起著十分重要的作用，是冶金、電力和化工等行業回收有用資源、凈化煙氣、保護環境的重要設備。為了獲得較高的除塵效率，要求靜電除塵電源能夠根據除塵器工況的變化，自動調節輸出電壓和電流，使靜電除塵器在較高的電壓和電流狀態下運行。另外，靜電除塵器一旦發生故障，需要靜電除塵電源能夠提供必要的保護，對閃絡、過流等信號能快速鑒別和做出反應。實驗證明，基于TMS320F2812的靜電除塵電源調壓控制系統能很好實現這些功能。
1 靜電除塵三相電源主電路
1.1 電源主電路
三相電源主電路如圖1所示，三相交流380V 市電經斷路器主觸點，送到三相晶閘管調壓電路，通過控制晶閘管的導通角調節輸出電壓后，送至三相高壓硅整流變壓器初級，在整流變壓器的次級側經升壓、整流后輸出直流負高壓，經阻尼電阻供給靜電除塵反應器。
與常規單相靜電除塵電源相比，三相電源具有如下特點：
(1)電網平衡供電，三相對稱，功率因數接近100%；(2)由于采用三相星形輸入接線方式，在同等功率輸出條件下，減少了初級電流和缺相損耗；(3)極大地改善了輸出電壓、電流的線性度，滿載輸出的紋波系數小于5%，有效地提高了除塵反應器的注入電暈功率。
圖1 三相電源主電路原理圖
1.2 三相交流調壓電路原理
交流調壓電路是指采用相位控制方式的交流電力控制電路。交流調壓電路的拓撲結構有很多種，本文采用的是將兩個晶閘管反并聯后串接在每相交流電源與負載之間。與相控整流電路一樣，通過控制晶閘管開通時所對應的相位，在電源的每半個周期內觸發一次晶閘管，可以方便地調節輸出電壓的有效值，從而達到交流調壓的目的。
2 靜電除塵三相電源調壓控制系統
2.1 控制系統的總體結構
控制系統結構框圖如圖2所示，該控制系統以TMS320F2812為核心，主要包括電壓同步信號檢測電路、模擬量采樣電路、開關量隔離電路、火*檢測電路、SCR觸發電路、串行通訊電路等。
圖2 控制系統結構框圖
現場采集到的模擬量(一次電壓、一次電流、二次電壓、二次電流等)，經模擬信號調理電路，送入DSP的ADC單元，由DSP定時采樣并完成A/D轉換，DSP將A/D轉換后的數據與設定參數進行比較，計算出晶閘管的導通角。DSP在捕捉到相電壓的過零信號后，輸出雙窄脈沖，觸發晶閘管，使晶閘管輸出移相范圍在5～90°可調，完成電源主電路三相交流調壓部分的調節，進而實現靜電除塵三相電源的電壓閉環控制。
2.2 控制系統硬件電路設計
2.2.1 電壓同步信號檢測電路
電壓同步信號檢測電路，是為了給晶閘管提供觸發脈沖的基準，由于三相晶閘管調壓電路的自然換相點(即α=0°)是輸入相電壓的零相位(即ωt=0)，因此按圖3(b)方式連接同步變壓器，獲得對應的同步變壓器原副邊電壓矢量關系如圖3(c)所示。由圖3(c)可見，三相交流調壓電路中T1～T6管的同步信號分別為：Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb、Uab。
圖3 三相交流調壓電路的同步關系
三相交流調壓電路的電壓同步信號檢測電路如圖4所示。三相電網電壓A、B、C經過3個同步變壓器(按Δ/Y接法)隔離、衰減并送比較器，直接比較同相輸入端和反相輸入端的瞬時電壓，當Uab(Ubc、Uca)為正半周期時，比較器輸出低電平，經一個施密特反相器進行波形整形后變為高電平，保持與同步電壓Uab(Ubc、Uca)同步關系。根據圖3所示的矢量關系分析，它為T6(T2、T4)管的同步信號；而上述3個信號再經過一個施密特反相器輸出則獲得T3(T5、T1)管的同步信號。同步信號經過光耦隔離后直接輸入DSP的捕獲口。本電路的使用非常靈活方便，不用進行相序判別，可以進行T1的同步信號捕獲，可以T1、T3、T5的同步信號捕獲，也可以捕獲六個同步信號。本文采用的是捕獲六個同步信號，直接用硬件檢測，更能反映電網波動的真實情況。
圖4 三相交流調壓電路的同步信號產生電路
2.2.2 SCR觸發電路
三相交流調壓是通過調節反并聯二極管的導通角來實現的，此晶閘管能否穩定可靠地觸發是非常重要的。DSP在捕獲晶閘管的同步信號時，計算觸發角后，輸出雙窄脈沖，經過高頻調制后通過脈沖變壓器隔離放大后，產生晶閘管所需的觸發脈沖，如圖5所示。
圖5 SCR觸發電路
2.2.3 火花檢測電路
要提高靜電除塵三相電源的除塵效率，每個除塵反應器都要工作在最佳火花率下。可以通過檢測火花放電現象來實現火花控制。當產生火花放電時，二次電流會顯著增加，利用這個特點可以直接采用硬件比較電路的方法。通過LM339N 將二次電流的瞬時值和DSP經過D/A輸出設定后的火花放電閾值進行比較，經光耦隔離后，送入DSP，如圖6所示。當檢測到火花閃絡現象時，就執行火花中斷子程序，記錄當前放電時的運行電壓值，并封鎖晶閘管觸發脈沖，經過延時后重新計算晶閘管的導通角，使得運行電壓為上次放電時的運行電壓，這樣就保證了靜電除塵三相電源始終保持在臨界放電狀態。
圖6 火*檢測電路
2.3 控制系統的軟件設計
整個控制系統軟件由主程序和五個中斷服務程序構成，其流程圖分別如圖7和圖8所示。主程序主要完成系統初始化和算法計算兩部分，而中斷服務程序中，EVA捕捉中斷對電網頻率進行鎖相，并計算采樣周期；AD計算中斷將采樣值轉化成算法運算所需要的實際值；T1下溢中斷實時對采樣周期進行調整；火*中斷對SCR觸發脈沖進行封鎖；數據通訊中斷主要是接收控制終端發送的數據和指令，返回控制終端所需要的各個參數完成控制終端對電源的實時監控。
圖7 主程序流程圖
圖8 中斷服務程序流程圖
3 實驗結果
靜電除塵三相電源實驗裝置的基本參數為：三相電網電壓380 V/50 Hz輸入，晶閘管KP800 A，直流輸出電壓72 kV，直流輸出電流1。2 A。電網電壓波形和調壓后的電壓波形采用的是500：1的差分探頭，如圖9所示。
(a) 電壓同步信號檢測實驗波形
(b) 高頻調制后的SCR觸發脈沖波形
(c) 導通角=90°交流調壓后輸出電壓波形
(d) 導通角=120°交流調壓后輸出電壓波形
(e) 導通角=150°交流調壓后輸出電壓波形
(f) 二次電流取樣波形(導通角=150°)
圖9 試驗波形
由波形圖可以看出，本控制系統對相電壓過零點的檢測非常準確；SCR的觸發脈沖也能滿足SCR快速、準確觸發的要求；交流調壓的效果很好，和仿真結果幾乎一樣；二次電流波形也很穩定。
4 結 論
本文介紹了基于DSP的靜電除塵三相電源調壓控制系統的設計，重點介紹了電壓同步信號檢測電路、SCR觸發電路、火*檢測電路。制作出的樣機效果也非常好，響應快、精度高、抗干擾能力強、可檢測性好，能夠自動跟蹤電場的變化，有效調節中間環節交流電壓，使靜電除塵器在較高的電壓和電流狀態下運行，極大提高了除塵效率，具有廣闊的市場應用前景。