基于单片机控制的静电除尘电源调压系统设计

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1. 引言
静电除尘器有除尘效率高、运行和维修费用相对低廉等特点,在减少排放到大气中有害粉尘方面起着十分重要的作用,是当前使用较为广泛的一种环保设备。静电除尘器是利用高压静电吸附带电离子的原理进行除尘。一般来说,静电极板电压越高,对带电离子的吸附能力就越强,除尘效率越高。但电压越高,电场内会出现频繁的火花闪烁,甚至产生电弧,放电过程难以控制,除尘效率明显降低,这种情况应该避免。如果能够控制极板电压长时间维持在临界放电状态,就可以获得最佳的除尘效果并有效节约电力资源[1]。实验证明,基于单片机80C196KC 的静电除尘电源三相交流调压控制系统能够很好实现这一功能。
2. 静电除尘电源主电路及交流调压结构
2.1 电源主电路图

 

主电路电路如图1 所示,380V 的三相工频交流电输入后,经过由三组反并联可控硅组成的三相调压电路进行调压,然后经三相高压硅整流变压器升压和整流,得到直流高压输出,硅整流变压器负高压输出经阻尼电阻供给静电除尘反应器。由于电源采用三相工频平衡供电,三相晶闸管同步移相调压,与常规单相硅整流电源相
比具有如下特点:
(1) 电网平衡供电,三相对称,功率因素近100%;
(2) 由于采用三相星形输入接线方式,单相输入电流仅为同等功率输出单相电源的五分之一。
2.2 三相交流调压电路原理
采用相位控制方式的交流电力控制电路称为交流调压电路,交流调压电路拓扑结构有很多种,本文中提到的三相交流调压主电路,是将两个晶闸管反并联后串接在每相交流电源与负载之间,如图1,在电源的每半个周期内触发一次晶闸管,使之导通。与相控整流电流电路一样,通过控制晶闸管开通时候所对应的相位,可以方便地调节输出电压的有效值,从而达到交流调压的目的。


3. 基于80C196KC 的三相交流调压控制系统
单片机控制模块硬件电路以微处理器为控制中心,兼有控制与监视的功能。通过输入接口接收各种采样、检测信号,再由软件程序进行计算处理后,经输出接口发出相应的控制信号,去协调、控制各部分电路的操作,达到其智能化控制的目的。本文中监控模块的控制电路采用了以80C196KC 单片机为主控的微机监控系统。它主要由主控电路、CA6100 控制信号输出电路、测量与信号采集电路、A/D 转换隔离电路、LCD 液晶显示模块、LCD 液晶显示模块、键盘接口电路、报警装置等部分组成,单片机控制模块见图2 所示。

 

单片机采用 80C196CPU 芯片,通过采集电路,电源主电路电压、电流信号转换为单片机可以识别的电压信号传送到A/D 转换通道,转换并和给定阈值进行比较,如发现过压或过流,则给出禁止信号I,通过光耦隔离后控制CA6100 通用触发板,封锁触发脉冲。通过片内软件定时器,由高速输出口(HSO)产生一频率为2HZ 的方波信号作为电流、电压给定计数器的输入脉冲。利用80C196 的PWM 口,经过光耦输出可控的脉宽调制波,再经过平滑滤波器转化为0~5V 直流控制电压,直接控制CA6100 通用触发板,能够使输出脉冲移相范围在5°~175°之间可调。
3.1 主控电路设计

80C196KC 单片机有着丰富的内部资源,主控电路以单片机芯片为核心,扩展了一片外部数据存储器6264,一片外部程序存储器2764,一片外部功能扩展芯片8155,辅以地址锁存器74LS373,地址译码器74LS138,复位电路,晶振电路,A/D 转换隔离电路等。

3.2 晶闸管触发电路设计
三相交流调压是通过调节反并联晶闸管的导通角,来实现对电源输出电压的有效控制的,因此晶闸管能否稳定可靠地触发,是至关重要的。本控制系统采用CA6100 晶闸管通用触发板,其基本原理如图3 所示

 

CA6100 通用可控硅触发板是以40 芯CMOS 大规模集成电路(专用芯片)为核心,利用锁相环技术(PLL)和多芯片合成技术(MCM),通过压控振荡器(VCO)锁定的三相同步信号间的逻辑关系设计出的一种晶闸管触发系统。0~5V 的直流输入电压,可以控制输出脉冲的移相范围从5°~175°连续线性可调,且晶闸管触发脉冲幅值可达到15V/2A,能够满足静电除尘电源对晶闸管触发脉冲的要求。

3.3 信号采集与检测电路设计
系统主要检测一次电压、一次电流、二次电压和二次电流四路模拟量。采用电压和电流互感器分别对一次电压和电流进行检测。由于静电除尘电源二次电压输出很高,所以需经电阻分压,然后通过霍尔电压传感器进行检测,二次电流检测则采用回路串电阻的方式。这四路检测型号经过信号调理电路,进入单片机的A/D 转换口,单片机的ADC 模块分别对其顺序采样和A/D 转换。图4 为一次电流信号调理电路,主要包括整流、比例放大和二阶有源滤波三部分。

 

3.4 液晶显示模块设计
为了使装置的人机接口界面更加友好、直观,在本装置中采用中文液晶显示模块作为人机接口界面。采用液晶模块型号为LCM320240ZK,显示内容20×15 行,内含7602 个简体中文字型。但是其工作时序和80C196 单片机不兼容,需要用到8155 扩展。其他管脚则直接与单片机相连接,读(E)、写(R/W)端口分别和80C196KC 单片机的读、写信号相连,片选信号(CS1、CS2)由38 译码器提供。
3.5 软件设计
主程序完成整个模块的控制流程和子程序模块调用等功能。子程序模块完成整个装置的不同功能的实现,包括初始化模块、液晶显示模块、A/D 采集转换模块、PID 调节稳压稳流模块等。其中初始化模块的主要功能是完成单片机的有关初始化设置,包括有关端口的选通、功能的选择,以及中断的允许等。A/D 采集转换模块是实现对被测信号的重复采样,并且在单片机中完成数据转换。稳压稳流模块的功能是采用PID 控制算法并结合80C196 单片机输出的D/A 电压信号进行调节,从而实现电压或电流的稳定,且具有软启动功能。
3.6 火花快速检测的实现方式
要提高静电除尘电源的除尘效率,每个除尘反应器都要工作在最佳火花率下。为了实现火花控制,必须检测火花放电现象。当产生火花放电时,会引起二次电流大幅度增加,利用这一特点就可以采用硬件直接比较的方法,通过LM393 将二次电流反馈值与设定的火花放电阈值进行比较,经6N138 光耦和RS 触发器后,接至单片机80C196KC 的外部中断口。由于中断级别很高(外部中断XINT1),当检测到火花放电时,就执行相应的火花放电程序,记忆当前放电时的运行电压,并将当前运行电压降低到设定的火花回压点,运行电压再从回
压点以分段上升的方式上升至上次放电时的运行电压,这样就保证了静电高压除尘电源始终保持在临界放电电压状态。
4. 结语
基于单片机 80C196KC 的静电除尘电源智能控制系统实时响应快、精度高、可监控性好、抗干扰性强,通过实际运行证明,能够自动跟踪电场的变化,输出最佳电晕功率,从而使除尘效率大为提高,具有广阔的市场应用前景。本文作者创新点:本文提出了一种新型的基于单片机 80C196KC 控制的静电除尘电源调压智能系统,该控制系统方便调节,动态性能好,使得电源能够方便地跟踪电场变化,放电电压保持到最佳火花率,极大提高除尘器电源效率。

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