基于嵌入式的高頻電源火花控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

摘要:為了提高靜電除塵效率級系統(tǒng)的安全可靠性，針對高頻電源火花頻率控制問題，設(shè)計應(yīng)用了基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的靜電除塵電源控制器;并介紹了基于Labview的軟件控制系統(tǒng)設(shè)計思想，通過現(xiàn)場測試證明了方案的可行性，為高頻電源的開發(fā)提供了新的實踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:火花電平;脈寬調(diào)制;火花頻率;全橋變換;LabView; UCC3895;開關(guān)頻率

中圖分類號:TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)01-104-02

High-frequency Switching Power Supply Control System Design and Application of Spark

LIU Feng

(Yangtze University， Department of Computer Science Graduate， Jingzhou 433202， China)

Abstract: In order to improve the efficiency of electrostatic dust removal-level system security and reliability for high-frequency power supply spark frequency control problem， design applications based on embedded systems technology， electrostatic dust power controller; and introduced the Labview-based software control system design ideas， through on-site test proved the feasibility of the program for the development of high-frequency power supplies provide a new empirical basis.

Key words: spark-level; full-bridge; pulse-width; modulation; spark frequency; switching frequency conversion; LabView; UCC3895

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大氣污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到生態(tài)環(huán)境和人們的身體健康，因此，煙氣的凈化越來越受到人們的關(guān)注。靜電除塵器以其高效、節(jié)能、功耗低等特點，廣泛應(yīng)用于冶金、電力、化工等各個領(lǐng)域，它采用高壓直流電源控制技術(shù)，經(jīng)歷了分立元件、集成電路及微機控制技術(shù)3個時代。微機(如單片微機)靜電除塵控制方案自動化程度高、控制方式靈活，但其電源系統(tǒng)在實際工作過程中由于受到廢氣的濃度，溫度，濕度以及熱阻比的影響在火花頻率的控制上產(chǎn)生極大的難度，從而縮短了設(shè)備的使用壽命，大大地降低了除塵系統(tǒng)效率與可靠性。

火花頻率的控制是靜電除塵系統(tǒng)中的一個難點問題，而有效的采用硬件與軟件相結(jié)合的系統(tǒng)方案是一個發(fā)展方向。本文采用高頻開關(guān)技術(shù)與虛擬儀器遠(yuǎn)程控制技術(shù)相結(jié)合的方案，在對火花頻率的控制和現(xiàn)場復(fù)雜監(jiān)控環(huán)境的改善上起到一個明顯的效果。系統(tǒng)采用的硬件電路控制芯片UCC3895是一款移相PWM控制器，它可對全橋開關(guān)的相位進(jìn)行移相控制，實現(xiàn)全橋功率級固定頻率脈寬調(diào)制功能。它允許恒定頻率脈沖寬度調(diào)制與諧振零電壓開關(guān)，在高頻率下提供較高的工作效率，還包含有電壓模式和電流模式下的控制器。采用ARM2410管理鍵盤、顯示和串行通信的實現(xiàn)方案?；贚ABVIEW的后臺管理系統(tǒng)可以給用戶提供友好的操作界面并可以通過有線的方式接入PC上方便管理;該方案不僅從根本上解決了實時的監(jiān)測控制現(xiàn)場的問題，提高了除塵系統(tǒng)的安全性，可靠性，同時還簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小了電源的體積，在安裝調(diào)試使用過程中更加安全方便和高效。

1 高頻高壓開關(guān)電源控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1為高頻高壓開關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。工頻380V三相交流電經(jīng)過整流輸出為500V直流電。再由逆變升壓得到70KV以上的直流電源。主控電路UCC3895通過取樣分析進(jìn)行脈寬調(diào)制控制開關(guān)頻率。ARM2410主要用于管理鍵盤，顯示，通信以及控制信號。

1.2 靜電除塵原理

空氣中的正負(fù)離子在電場力的作用下分別向電場兩級移動，靜電除塵主要分為四個階段:即1)形成高壓電場使空氣電離;2)粉塵獲得離子而荷電;3)荷電粉塵向電極移動;4)將電極上的粉塵清除到灰斗中去;第二和第三階段使粉塵顆粒荷電并在電場力的作用下，向相反的電極移動并聚集在電極上，這也是電除塵的基本原理的作用過程。

1.2.1 除塵效率與火花頻率的關(guān)系

火花放電頻率與電除塵器效率之間存在著函數(shù)關(guān)系，因為電壓升高會加快粉塵驅(qū)進(jìn)速度，但火花放電次數(shù)多，會使粉塵沉積條件變壞，故電除塵器效率與單位時間火花放電次數(shù)存在著最佳值。圖2為某電除塵器效率與火花放電的關(guān)系?？梢娒糠昼姺烹?0~70此該除塵器效率最高。

1.2.2 火花跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)圖3原理，利用LabView進(jìn)行邏輯編程(圖4)。根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定火花頻率，當(dāng)火花頻率高于設(shè)定最大值，系統(tǒng)通過反饋電路將信號反饋給調(diào)壓控制電路進(jìn)行脈寬調(diào)制使電壓降低，這樣即可達(dá)到降低火花頻率;同理也可使電壓升高提升火花頻率的目的。

1.2.3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用ARM2410作為核心處理器是火花頻率控制精確度的有力保障。由于系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高火花頻率的反饋比較頻繁，對取樣數(shù)據(jù)的傳輸和處理的實時性就有很高的要求，采用傳統(tǒng)的單片機已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。通過AD轉(zhuǎn)換將取樣信號傳遞給微處理器，然后通過串行通信傳送給上位機進(jìn)行監(jiān)測和控制;同時通過對系統(tǒng)進(jìn)行外圍擴(kuò)展加入顯示單元和按鍵控制，使用戶可以直接對電源設(shè)備進(jìn)行操作控制，增強了設(shè)備使用的靈活性。

為了提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，在交流電力系統(tǒng)的設(shè)計和運行中，都必須考慮到有發(fā)生故障和不正常工作情況的可能性。在三相交流電系統(tǒng)中，最常見和最危險的故障是各種形式的短路，其中包括三相短路、兩相短路、一相接地短路以及變壓器一相繞組上的匝間短路[9]。所以嵌入式系統(tǒng)的另一大功能就是控制保護(hù)電路，這里主要采用電流保護(hù)的方式，主要實施方案為構(gòu)造反饋電路，將反饋電流經(jīng)三相橋式整流電路及濾波電路，最后經(jīng)限流、濾波及限幅電路反饋回ARM2410，并在外界電源的輸入端均接入了正反向交流接觸器。另外，為防止意外情況的發(fā)生，引入了緊急關(guān)斷信號，當(dāng)按下緊急關(guān)斷按鍵時ARM2410通過中間繼電器關(guān)斷交流接觸器使設(shè)備停止運行。

2 現(xiàn)場測試

通過在襄樊第二水泥的現(xiàn)場進(jìn)行200小時不間斷運行，測試結(jié)果如下:本體設(shè)計分3級電場，使用電源設(shè)備3臺，一級電場火花頻率設(shè)定70次，二級電場頻率設(shè)置40次，三級電場設(shè)置10次。測試期間運行狀態(tài)良好，一級火花率為60次/min，二級火花率30次/min，3級火花率15次/min。除塵效率達(dá)到95%，排量30毫克。結(jié)論，設(shè)備安全可靠效果明顯。

3 結(jié)束語

高頻高壓開關(guān)電源是未來電除塵設(shè)備的主流供電電源，本項目提出的軟硬件結(jié)合的方式對電源的整體性能有了一個明顯的提高，同時也給今后高頻電源的發(fā)展提供了一個新的標(biāo)準(zhǔn)。

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