一种电除尘器用智能高压逆变直流电源的研制

关键词：电除尘；高压逆变器；智能化

0    引言

    随着工业粉尘及废气排放量的日益增加，其对环境的污染也越来越严重，特别是在冶金、矿山、建材、化工等行业中。众所周知，应用静电除尘器能够有效地收集起这些粉尘，但是，常规的高压静电除尘装置体积庞大、笨重，使用不便，因此，减小高压静电除尘装置的体积与重量就显得尤为重要。

    近年来，伴随着电力电子技术的飞速发展，特别是新一代功率电子器件如IGBT,MOSFET等的应用，高频逆变技术越来越成熟，各种不同类型和特点的电路广泛地被应用于DC/DC与DC/AC等场合。在这一前提下，设计一种高压逆变电源代替常规高压电源，达到减小高压电源装置的体积与重量的目的已成为可能。同时其使用效果、输出特性和成本等也都比常规高压电源装置具有明显的优势，系统效率也得到了一定程度的提高。

1    系统硬件设计

1.1    电源主体结构

    图1所示为高压逆变电源的电路组成框图，它主要包括主电路及控制电路两部分。主电路主要包括配电开关、工频整流器、斩波器、滤波器、IGBT桥式逆变器、保护电路、高频高压变压器、高频高压硅堆（高频整流器）等部分。控制电路主要包括电流、电压、火花率采样及其处理单元，PWM信号产生和驱动电路，单片机控制器，参数输入键盘及液晶显示，通信接口等部分。

图1    电源结构图

1.2    主电路的工作机理

    主电路的工作原理如图2所示，高频逆变器中的功率开关管采用IGBT（绝缘栅双极晶体管）。它是将MOSFET和GTR的优点集于一体的新型复合器件，具有MOSFET的高输入阻抗、可用电压驱动，GTR的通态功耗低等优点。

图2    主电路原理图

    图2中交流电压经整流—斩波器调压—滤波后得到直流电压U1，将U1加到全桥式高频逆变器上。D1～D4与功率开关管S1～S4反向并联，承受负载产生的反向电流以保护开关管。C1～C4及R3～R6以及D5～D8的引入是为了避免4个开关管在关断时过高的电压上升率和减少管子的关断损耗。当栅极脉冲信号轮流驱动S1、S4或S2、S3时，逆变主电路把直流电压U1转换为20kHz的高频矩形波交流电压送到高频高压变压器，经升压整流滤波后给负载（电除尘器）供电。控制S1、S4和S2、S3两组IGBT的占空比，就可得到脉宽可调的矩形波交流电压。

1.3    控制电路的工作机理

1.3.1    单片机控制器

    为了使整个电源系统具有自诊断和人机交换式的控制功能，该电源选用PHILIPS系列单片机80C552，主要负责实时监控和与上位机进行数据通信的任务。当除尘器处在工作状态时，单片机一方面定时采集其反馈的电流电压值，通过A/D转换通道将其读入，并通过一定算法得出控制量Uk，通过单片机输出控制量给脉宽调制控制器，进而改变调制脉冲宽度；另一方面可以实现根据用户的需求改变电源的外特性，如恒流，恒压，缓降等。另外，单片机还定期地将本电源的输出电流、输出电压、火花率等信息传递给上位机，将故障信息由串口发向上位机，以示警告，同时接收来自上位机的控制命令，使自身投入或退出工作或改变工作参数。

1.3.2    脉宽调制控制器

    脉宽调制控制器电路如图3所示，它的作用主要是为驱动电路提供控制脉冲以实现PWM控制。其核心是产生PWM信号的专用集成芯片SG3525A。SG3525A是电压型PWM集成控制器，外接元器件少，性能好，具有外同步、软启动、死区调节、欠压锁定、误差放大以及关闭输出驱动信号等功能。其内部结构主要包括基准电压源、欠压锁定电路、锯齿波振荡器、误差放大器和脉宽调制比较器5部分。

图3    脉宽调制控制电路

2    系统软件设计

    各电源模块的单片机都有独立的主程序以及与上位机的通信程序，数据采集子程序等。限于篇幅，本文只讨论电源模块的主程序及通信子程序的软件结构。主程序流程图如图4所示，数据通信子程序流程图如图5所示。

图4    主程序流程图

图5    数据通信子程序流程图

    电源模块的软件主要完成以下功能：接收上位机发送的数据和指令；向上位机传递数据；完成对电源输出的实时监控；根据用户需求进行各种外特性的控制。

3    实验及分析    

3.1    主逆变桥PWM调节对效率影响研究及规范调节方式的确定

    如图6所示，该电源在输入电压相同的情况下，占空比<50％时，随着占空比的增大，效率也增大；在占空比>50％时，随着占空比的增大，效率降低。由此可见，如果大范围地进行占空比调节，将会使电源进入效率很低的区域，而占空比在40％～70％时，效率较高。为此通过调节斩波电路占空比的方式控制直流母线电压，可以达到高效率的目的。

图6    不同占空比时的效率曲线

3.2    现场实验测试

    实验条件：电除尘器极板面积250m2，极间距150mm，占空比60％，频率18.6kHz。

    实验结果：图7为输出电压与输入电压的对应关系，图8为输出电流与输入电压的对应关系。当输出电压达到58kV（此时电流82mA）时除尘器开始发生闪络现象,达到了设计要求。

图7    输出电压与输入电压关系

图8    输出电流与输入电压关系

4    结语

    1）通过主逆变桥PWM调节对效率影响研究所确定的，由斩波电路对直流母线电压进行调节的方式是可行的；

    2）该电源在大大减小体积的同时重量也大为减少，较传统的电源而言其对电能的利用率也有所提高，对除尘器的控制也比传统的电源方便，同时还可和工控机进行数据通信，实现了对除尘器的远程控制。