導(dǎo)讀：本文所研究的靜電除塵用高頻高壓電源克服了輸出電流普遍偏低，導(dǎo)致電場內(nèi)的粉塵荷電能力仍然偏低，除塵效率低下等缺點(diǎn)，輸出電壓可達(dá)80 kV,輸出電流達(dá)到了1 200mA,能滿足我國在2011年7月頒布的GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的燃煤電廠煙塵排放濃度限制降低到30 mg/m3的嚴(yán)格要求。

本方案設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹了靜電除塵用高頻高壓電源的主電路、控制電路以及各采樣電路的設(shè)計(jì)過程；給出了設(shè)計(jì)過程中的電路原理圖、實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行了必要分析。

1 高頻高壓電源主電路設(shè)計(jì)

圖1為靜電除塵用高頻高壓電源的主電路結(jié)構(gòu)框圖。主電路主要由交流電抗器、三相整流橋、濾波電容、IGBT全橋逆變電路、高頻升壓變壓器、高壓整流硅堆組成。

其中交流電抗器可以有效抑制開機(jī)（合閘）瞬間所產(chǎn)生的浪涌電流和di/dt,同時(shí)用來平滑電源電壓中包含的尖峰脈沖和平滑橋式整流電路換相時(shí)產(chǎn)生的電壓缺陷；整流橋采用三相不可控整流模塊；濾波電容C1用來降低交流脈動波紋系數(shù)，使輸出的直流更加平滑，同時(shí)吸收電子電路工作過程中產(chǎn)生的電流波動和經(jīng)由交流電源傳入的干擾；本系統(tǒng)要求逆變器輸出頻率為20 kHz,容量為100 kVA,所以逆變器的功率開關(guān)管采用IGBT（絕緣柵雙極晶體管），它集成了MOSFET的快速性和GTR的大容量的優(yōu)點(diǎn)，滿足本系統(tǒng)的要求；高頻升壓變壓器為鎮(zhèn)江天力變壓器有限公司生產(chǎn)的DHR13系列，其額定輸出電壓達(dá)80 kV,額定輸出電流達(dá)1 200 mA,經(jīng)過高壓硅堆為負(fù)載提供直流電。

2 高頻高壓電源控制電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用DSP（TMS320F2812）統(tǒng)一管理，主要包括各保護(hù)電路和采樣電路控制，逆變控制系統(tǒng)及驅(qū)動，其中逆變控制系統(tǒng)嵌入到DSP的中心控制系統(tǒng)。

除塵器的輸出電壓、輸出電流和變壓器一次側(cè)電流的檢測信號經(jīng)過隔離采樣后作為DSP的控制系統(tǒng)的輸入信號，用以檢測和控制電源系統(tǒng)；三相進(jìn)線電流、直流母線電壓、逆變器輸出電流、變壓器油溫和IGBT溫度檢測信號作為保護(hù)信號；此外，DSP中心控制系統(tǒng)完成IGBT驅(qū)動信號的生成，系統(tǒng)的通信等功能。圖2給出了DSP的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

3 采樣電路設(shè)計(jì)

在采樣電路中，為了避免各種干擾信號隨著被測量信號進(jìn)入DSP控制系統(tǒng)，造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定以及采樣精度的降低，同時(shí)也為了DSP控制系統(tǒng)和主電路系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)很好的隔離，本系統(tǒng)采用美國HP公司推出的高精度線性光耦HCNR201,來進(jìn)行光電隔離，它具有成本低，線性度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。其典型電路如圖3所示。

光耦輸出電壓和輸入電壓之間關(guān)系計(jì)算公式為：

IPD1=VIN/R1

K=IPD2/IPD1

VOUT=IPD2*R2

VOUT/VIN=K*（R2/R1） （1）

式中K的為光耦合器變換增益，其典型值為1,這里取R1=R2,可得到VOUT=VIN

3.1 電流采樣電路設(shè)計(jì)

三相進(jìn)線電流采樣電路和逆變電流采樣電路基本一致，這里以三相進(jìn)線電流采樣電路為例進(jìn)行介紹，其電路原理圖如圖4所示。

電流霍爾傳感器采用茶花公司生產(chǎn)的CSM300LTA,其轉(zhuǎn)換率為1:2000,本系統(tǒng)額定工作時(shí)，三相進(jìn)線端線電流約為177 A,電流霍爾傳感器輸出約為88.5 mA的電流，取電阻R12=30 Ω，使其采集到的電流經(jīng)過電阻R12,轉(zhuǎn)換為約為2.7 V的電壓信號，經(jīng)過絕對值電路，轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，用線性光耦HCNR201進(jìn)行隔離，送到DSP中進(jìn)行處理。本電路線性光耦兩端電壓相等，即采樣輸出電壓值Iph_out約為2.7 V,

且隨霍爾傳感器采集值的變化而線性變化。

用三相調(diào)壓器調(diào)節(jié)三相輸入電壓，使相電壓從零慢慢上升至額定值220 V,同時(shí)用示波器測量Iph_in和Iph_out兩點(diǎn)的正向電壓峰值，其測量數(shù)據(jù)如表1所示，用Matlab對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理，得到電流采集信號輸入和輸出之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

當(dāng)其三相輸入電壓為額定值時(shí)，Iph_in和Iph_out兩點(diǎn)的波形如圖6所示，曲線2為霍爾傳感器輸出的交流電壓信號，曲線1為采樣電路最后輸出的直流電壓信號。由Iph_in和Iph_out之間的關(guān)系曲線和其波形可知電路的正確性和準(zhǔn)確性。

3.2 溫度采樣電路設(shè)計(jì)

由于電除塵器的高頻高壓電源安裝在電除塵設(shè)備的塔頂上，其周圍環(huán)境溫度往往很高，特別是在炎熱的夏天，環(huán)境溫度達(dá)到40多度，電源本身也產(chǎn)生很大的熱量，而變壓器油和IGBT對溫升要求又很高，絕對不能超過其允許溫升范圍，否則會產(chǎn)生很大的事故。因此必須對變壓器油和IGBT溫升進(jìn)行精確的在線檢測。為了提高溫度的采樣精度，本系統(tǒng)采用PT100采集溫度，通過電阻橋使溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，工作原理如圖7所示。

由式（3）可得如果取R4為100 Ω，則當(dāng)環(huán)境溫度為0攝氏度時(shí)（此時(shí)PT100阻值為100 Ω），V+-V-=0,隨著所測溫度升高，PT100阻值變大，而V+-V-也變大，通過檢測V+-V-的大小，即可知道PT100所檢測的溫度。為了消除電阻本身誤差，實(shí)際應(yīng)用電路如圖8所示

由于采集到的V+-V-值很小，很難直接進(jìn)行測量，必須進(jìn)行足夠的放大，為了抑制共模干擾，本電路選擇AD620儀用放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為30倍左右。溫度采樣電路如圖9所示。temp_out輸出的電壓和PT100測得的溫度成線性關(guān)系，通過測量temp_out的電壓大小即可知PT100測得的溫度。把temp_out輸出的電壓值送到DSP中，通過DSP和上位機(jī)進(jìn)行通訊，在上位機(jī)中就可以直接讀取PT100所測得的溫度。各溫度對應(yīng)PT100的電阻值和temp_out輸出電壓值如表2所示。用Matlab對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理，得到電壓-溫度的關(guān)系曲線如圖10所示，由圖可知輸出電壓和采集到的溫度成線性關(guān)系。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，文中設(shè)計(jì)的靜電除塵用高頻高壓電源運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足靜電除塵的要求，具有較好的實(shí)用價(jià)值。