应用FPGA的静电除尘电源控制器设计_图文

1、第卷第期年月高电压技术应用的静电除尘电源控制器设计曹显奇，赵明，列海江（辽宁科技大学，鞍山）摘要：为了提高除尘效率以及系统的安全可靠性，针对采用微机控制方案抗干扰能力弱的问题，设计应用了现场可编程门阵列（）技术的静电除尘电源控制器，并介绍了以系列的芯片为控制核心，采取二折线火花跟踪控制算法，应用硬件描述语言实现的静电除尘电源控制器的系统结构和工作原理。通过实验室的全面仿真测试及实际电路的实测，证明了方案的可行性，为静电除尘电源控制器的新型产品开发提供了基础。关键词：除尘效率；火花；静电除尘中图分类号：文献标志码：文章编号：）一，。（，）：，（）。（）（），：；引言随着现代工业的发展，大气污染已

2、经严重影响到生态环境和人们的身体健康，因此，烟气的净化越来越受到人们的关注。静电除尘器以其高效、节能、功耗低等特点，广泛应用于冶金、电力、化工等各个领域叭，它采用高压直流电源控制技术，经历了分立元件、集成电路及微机控制技术个时代。微机（如单片微机）静电除尘控制方案自动化程度高、控制方式灵活，但其电源系统在实际工作过程中受到强电场和整流器高次谐波带来的强电磁的干扰，经常发生系统控制失常、微机“死机”（即：“飞程序”）等现象，大大地降低了除尘系统的安全与可靠性。抗干扰能力弱是硬件与软件相结合的微机系统自身难以解决的问题。，而采用硬件电路来实现复杂的静电除尘电源控制系统的方案是一个发展方向。本文采用

3、现场可编程门阵列（）技术，以一片公司系列中的芯片为控制核心，采取二折线火花跟踪控制方式，使用管理键盘、显示和串行通信的实现方案。该方案不仅从根本上解决了抗干扰的问题，提高了除尘系统的可靠性，同时还简化了系统结构，减小了体积。静电除尘电源控制器的设计静电除尘电源控制器的组成框图图所示是针对主电路为可控硅相控交流调压供电方式（采用调压方式在大功率时不稳定）的静电除尘电源控制器结构框图。图中。、以、，。、“分别为从升压变压器的初、次级采样的电流和电压信号，为变压器油温。通过多路开关分别经变换（模拟量变换成频率信号）、光电隔离、等精度测频等来实现模拟量的检测。等精度测频、信号综合、火花跟踪控制等虚线内

4、的功能模块由一片芯片实现。为可控硅移相脉冲输出。主要用于管理键盘、显示和串行通信。万方数据工作原理除尘效率除尘效率由多依奇公式露一一驯表示，其中：为集尘极的面积；为气体流量；口为尘粒有效驱进速度，与电晕功率成正比，即正比于电晕电流和极间电压的乘积。电晕电流、电晕功率通常在接近火花放电状态时，随着电压的升高而急剧增加。静电除尘器的峰值电压每增加，电晕电流就增加，电晕功率就增加。因此，在和不变时，提高峰值电压即可提高除尘效率。但供电电压幅值不能无限提高，当升高到一定值时，电晕极和集尘极间会产生火花放电，若不及时降压将发生电弧放电，从而损坏电极，这是不允许发生的。为了提高除尘效率同时减小对电极的损伤

5、，除尘器应工作在适当的火花放电状态。大量的现场运行经验表明，每个除尘器都存在一个最佳火花率，在该火花率下除尘效率可达到最大值，此时电源电压处于火花放电的临界状态，且除尘效率提高所获得的效益恰能补偿火花放电所造成的电极损失。火花跟踪控制为保证最高除尘效率同时减小对电极的损伤，需寻求一个最佳的电源电压控制规律，即电压控制曲线。首先，电场内粉尘介质产生火花击穿后，其电极绝缘强度有一个恢复过程，恢复时间与原火花强度及电场风速有关。此恢复过程用介质绝缘强度与时间的函数来描述，称为介质恢复曲线引。因此，电压控制曲线不能超出这条曲线。火花产生后，由可控硅调压进行降压保护，此后的电压上升过程要求趋近于介质恢复

6、曲线，以避免过早地引发第二次火花。实际应用中，经常采用二折线的电压控制规律来逼近电压控制曲线，称为二折线火花跟踪曲线，如图所示。实际控制中，一旦发生火花，就会迅速关闭可控硅整流输出的一个周波，即电压迅速下降，使除尘器的本体电场不再处于火花状态。之后，分为二段计算可控硅导通角的增量（即快速升压段和慢速升压段），使电压上升到电压回压点直至再次发生火花。这样，除尘器的电源电压总是趋近于电压控制曲线，保证了静电除尘器的最佳工作状态。二折线火花跟踪算法实现二折线火花跟踪控制，关键是电压回压点和个升压阶段的可控硅导通角增量的确定。可控硅导通角增量随火花率（一般人为设定）的不同而改变。将火花频率作为可变参数

7、引入控制算法，为寻求“最佳火花率”奠定了基础。电压回压点根据升压变压器二次电压升到火花发生时的来确定。厶图电源控制器的结构框图曲线图二折线火花跟踪曲线由于除尘电源电压的直接控制量是可控硅的导通角，以下讨论电压回压点与可控硅导通角之间的关系。可控硅输出电压有效值的计算式为式中，：为可控硅触发后二次电压有效值；。为可控硅触发前二次电压全电压波形的有效值；口为可控硅导通角。式（）整理后得到引，一：一（兀）兀。（）设：恢复到火花时时刻可控硅的导通角为口，其中为导通角的变化率，则【歹：一（触）兀，可得（）（卢一）。在工程上，、（口）相对比较小，可忽略不计，从而得到。可见，当可控硅导通角变化到发生火花时的

8、时，二次电压升到火花电压的。据此可控硅移相脉冲实现二折线火花跟踪控制。在除尘电压慢速升压段，可控硅导通角卢慢慢增大，从上次发生火花时的可控硅导通角届的，即届开始，经历，最后达到本次发生火花时的导通角压，导通角的变化如图所示。图中，是工频信号的半个周波。万方数据年月高电压技术第卷第期由于对可控硅导通角的直接控制量是触发脉冲，因此实现二折线火花跟踪控制实质上是触发脉冲的移相跟踪。因为为个（工频信号半个周波），每个都会发出一个触发脉冲给可控硅，所以，在慢速上升的过程中是每隔给出一个并有移相的触发脉冲。如果火花率设为，那么每两个火花之问的步数是，则每一步所移相的角度为一个固定值臼。由电压回压点对应的卢

9、，风，两边同除以凹，则得到，其中。、分别是导通角向、角对应的触发脉冲的移相步数，是相对两个火花间隔而言的。可见，当可控硅导通角为发生火花时的时，可控硅触发脉冲移相的步数也为发生火花时的，此时的电源电压对应为发生火花时电压的，从而实现了二折线火花跟踪控制。工作过程主控芯片将检测到的工。、己，。、和信号送到综合模块综合处理，并与设定的参数极限值比较。若发生故障则由故障处理模块分析、判断与处理，并给出故障类型在显示器上显示；若无故障，火花跟踪控制模块、整定火花率模块和数控分频器模块根据输入的火花率计算出脉冲移相的口，并通过移相脉冲输出模块不断增大可控硅的导通角，直至发生火花。在封脉冲的同时，记录步数

10、为。由一。计算出电压回压点对应的。以后的控制过程为：通过检测【，。的急剧下降来判断出火花的发生后，立即关断可控硅一个周波（用于介质恢复），然后从。对应的脉冲移相值开屈岛热（）图导通角移相示意图始给出脉冲直至下一次火花，这样，周而复始，从而实现二折线火花跟踪控制。火花率的调节范围为次。实验与测试采用软件设计了图所示的电源控制器。图给出的是采用二折线火花跟踪控制时，发生火花前后可控硅触发脉冲的仿真波形。图（）中，为整形后的工频信号，是电路的时钟频率为，为火花信号，卵为通过键盘输入的火花率（设为），为控制导通角变化量的频率（即周期为），为可控硅触发脉冲。由图（）可见，在除尘器工作开始时，控制器根据键

11、盘输入的火花率得到，且只在为时有输出，并且与同步，以减小计数时的误差。当发生火花现象时，置为高电平，此时无输出，即可控硅关闭一个周波（）；当火花现象消失后，从电压回压点开始有脉冲输出。图（）和（）分别表示发生火花前后箭头所指处的脉，。并锄一、广广广广广厂陟口户田秽暑一谚一几一一翌！竺竺！：！：翌璧！翌竺！至！：墼！：翌！广呷肌叩兀几衄八丌（）厂肿肿肌啊唧咖呻咖哪广（）图正半周导通的可控硅的触发脉冲的仿真波形万方数据图正半周导通的可控硅触发脉冲的测试波形冲放大图。可见，图（）输出脉冲口的宽度为个脉冲信号，图（）输出脉冲宽度个，近似为的关系。实现了二折线火花控制规律。图为采用一片芯片实现的上述控制

12、器，在工作时实测的发生火花前后的脉冲波形，可见与图（）中的仿真波形相符。结语本文采用先进的技术手段，以全硬件的控制方式实现了静电除尘电源控制器，从本质上提高了系统的安全与可靠性。通过实验室的全面仿真测试及实际电路的实测，证明了方案的可行性，为静电除尘电源控制器的新型产品开发提供了基础。参考文献王显龙，何立波，贾明生，等静电除尘器的新应用及其发展方向工业安全与环保，（）：，（）：，。（）：赵会良，罗承沐，覃穆电除尘中的高压供电技术高电压技术，（）：，。，（），。，：李峰，郭新心微机型电除尘数显装置的设计机电工程，。（）：，口，（）：。高坚，张卫东，郝新敏，等空气除尘设备及技术的发展口现代化工，（

13、）：。，（），（）：杨姣，郝国法，方康玲基的大屏设计方案微机算计信息。，（）：。，（）：朝泽云，徐至新，钟和清，等静电除尘用高压供电电源特性浅析高电压技术，（）：，（）：山东建筑材料工业学院可控硅技术。北京：中国建筑工业出版社，：，（），：张昌俊，彭黎辉，张宝芬静电除尘器高压供电控制系统设计高电压技术，（）：，（）：，：邓映霞电除尘器微机控制系统刀包钢科技，（）：。（），（）：王其英可控硅稳压电源北京；人民邮电出版社，：，覃贵礼，谭呈祥用实现数字电路实验中的仿真南宁师范高等专科学校学报，（）：，（）曹显奇一，女，助教，从事技术和电子系统的研究。：赵明一，男，教授，从事大系统、计算机控制、智能仪

14、表的理论研究与开发。刘海江一，男，副教授，从事嵌入式系统的研究与开发。收稿日期编辑卫李静万方数据 应用FPGA的静电除尘电源控制器设计作者：曹显奇， 赵明， 刘海江， CAO Xian-qi， ZHAO Ming， LIU Hai-jiang作者单位：辽宁科技大学,鞍山,114051刊名：高电压技术 英文刊名：HIGH VOLTAGE ENGINEERING年，卷(期：2008，34(3被引用次数：1次参考文献(16条1. 王显龙. 何立波. 贾明生 静电除尘器的新应用及其发展方向期刊论文-工业安全与环保 2003(112. Grass N Application of different t

15、ypes of high-voltage supplies on industrial electrostaticprecipition 2004(063. 赵会良. 罗承沐. 覃穆 电除尘中的高压供电技术 1996(014. Kirsten Martin. Mauritzson Christer Advanced switched integrated rectifiers for EPS energization20015. 李峰. 郭新心 微机型电除尘数显装置的设计期刊论文-机电工程 2001(056. 高坚. 张卫东. 郝新敏 空气除尘设备及技术的发展期刊论文-现代化工 2003(10

16、7. Edwarde The effect of high-voltage waveforms on ESP current density distributions 1990(038. 杨姣. 郝国法. 方康玲 基cyclone EP1C6的LED大屏设计方案期刊论文-微机算计信息 2006(429. 朝泽云. 徐至新. 钟和清 静电除尘用高压供电电源特性浅析期刊论文-高电压技术 2006(0210. 山东建筑材料工业学院 可控硅技术 198111. Noel de Nevers Air pollution control engineering 200012. 张昌俊. 彭黎辉. 张宝芬

17、 静电除尘器高压供电控制系统设计期刊论文-高电压技术 2003(1213. Sarna Marian Influence of dust reentrainment and skew gas-flaw technology on ESP efficiency 200114. 邓映霞 电除尘器微机控制系统期刊论文-包钢科技 2004(0515. 王其英 可控硅稳压电源 198416. 覃贵礼. 谭呈祥 用QuartusII实现数字电路实验中的仿真期刊论文-南宁师范高等专科学校学报 2005(02相似文献(10条1.期刊论文 舒帆. SHU Fan 旋风除尘器除尘效率的影响因素分析 -水泥技术20

18、09,""(2分析了影响旋风除尘器除尘效果的因素,提出了提高旋风除尘器除尘效率的改进措施.2.期刊论文 隋金君. 胥奎 湿式旋流除尘中呼吸性粉尘除尘效率与风速关系的探讨 -矿业安全与环保2004,31(6采用实验室试验的方法,分析了风速对呼吸性粉尘除尘效率的影响因素,建立了风速与呼吸性粉尘除尘效率的关系数学模型,确定了使湿式旋流除尘达到最高呼吸性粉尘除尘效率的最佳风速值,提出了呼吸性粉尘除尘效率达97%以上的设计风速范围.3.期刊论文 杨丽峰. 王晋海. 汪军. 徐开义. YANG Li-feng. WANG Jin-hai. WANG Jun. XU Kai-yi 电晕极

19、形式对静电旋风除尘器性能影响的实验研究 -能源研究与信息2006,22(2随着工业生产的迅速发展和生活水平的提高,工业设备的污染物排放(特别是大气污染物排放日益成为国内外关注的焦点.为了提高旋风除尘器的性能,可利用高压静电技术将旋风除尘器改造成静电旋风除尘器.通过建立实验系统,对静电旋风除尘器中三种不同的电晕极布置方式进行了实验研究,并分析比较了其伏安特性以及电晕极布置方式对除尘器的除尘效率、分级除尘效率和压力损失的影响.实验结果表明,所研究电晕极中的一种不但可显著提高除尘效率,还使除尘器压力损失约降低30%,是一种新型的高效减阻电晕极,具有很大的应用和发展前景.4.期刊论文 张力. 冉景煜.

20、 李良生. 郭世昌. 张庆洪 旋流雾化水雾膜提高文丘里水膜除尘效率的实验研究 -环境工程2000,18(2应用低压旋流雾化水喷嘴(不同运行压力和组合方式实验研究了旋流雾化水雾膜对除尘效率的影响.研究结果表明:喉部喷嘴布置及运行情况直接影响喉部水雾均匀度和除尘效率;采用两两相向的低压旋流雾化水喷嘴组合布置,保证喷嘴入口永压力为0.20.4MPa,液气比为0.10.2L/m3时,除尘效率将大大提高,且有节水节能和脱硫效果.5.期刊论文 庞新新. 向晓东. 陈宝智 二次扬尘对旋风器除尘效率影响分析与对策 -武汉科技大学学报(自然科学版2001,24(3 讨论二次扬尘机理,建立了具有在紊流边界层中由于流速不等而导致粉尘上下侧面压力不同所产生的二次扬尘影响下的旋风除尘器分级效率理论计算 式.为削弱二次扬尘作用,提出在除尘器内壁设置环缝内衬的增效防磨新方法.理论分析、半工业试验和工业应用的结果表明:环缝内衬旋风除尘器的除尘 效率优于无环缝内衬旋风除尘器的除尘效率. 6.期刊论文 舒帆.SHU Fan 影响旋风除尘器除尘效率的因素分析 -粮食加工2008,33(3 分析了旋风除尘器中流体流动状态及除尘效果影响因素.包括除尘