【正文】 電除塵器高頻電源工作原理 電除塵器 實質上是由 兩個 極性相反的電極構成。 諧振式的高頻電源是在硬開關型高頻電源的基礎上改進而來 ，為改進硬開關型的硬開關特點，在其主電路中加入了諧振環(huán)節(jié)。 E M I濾 波 器三 相 整 流 輸 入 濾 波 全 橋 逆 變諧 振 網(wǎng) 絡高 壓變 壓 器輸 出整 流 橋除 塵 器負 載輔助電源溫 度 檢 測 電 路信 號 采 樣 、 隔 離 、調(diào) 理 電 路驅 動 保 護 電 路D S P / F P G A 控 制 平 臺控制電路三相輸入 圖 32 高頻電源系統(tǒng)結構原理圖 電除塵器高頻電源根據(jù)強弱電的劃分，可分為主電路和控制電路兩部分 。 DSP+FPGA 控制平臺 由上文可知，整個電除塵器高頻電源的控制系統(tǒng)是建立在以 DSP 為數(shù)字處理器和 FPGA 高速采集模塊的平臺上的。本電源采用的驅動保護電路 是 瑞士 CONCEPT 公司生產(chǎn)的一款 2SC315AI 驅動芯片 為 主要單元，所以驅動電路是直接固定在 IGBT 上，驅動 IGBT 的導通和關斷。 （ 2）狀態(tài)開關量采集電路：如風機運行信號、振打接觸器信號、加熱回路接觸器信號等，對接觸器觸點提供 24V 回路信號。 數(shù)據(jù)采集分析 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分數(shù)字信號采集和模擬信號采集，數(shù)字信號只是單純的不同頻率的 “高” “低” 電平信號的輸入，調(diào)理電路簡單，采集也相對比較簡單，容易實現(xiàn)。母線電壓的采樣，是通過并聯(lián)在三相整流橋輸出的三個電阻： 200k、 200k、 2k 分壓而得，采集的信號是小電阻 2k 兩側的壓差，屬于差分南京信息工程大學碩士學位論文 14 信號。最后一種是 電流互感器 ，其特性、成本、精度都介于霍爾元件和電阻方式之間 [1]。線圈匝比為 1:200，采樣電阻值為 3 個，可滿足全程采樣要求。 然后所得電壓信號 從二次電流電壓采樣板上經(jīng)濾波后送入采集系統(tǒng)，在 DSP 程序中含有對二次電流的積分模塊，對每個波段的二次電流值進行積分。 ? 采樣精度：采用 1%精密電阻，為提高可靠性，采用雙路 。將 PT100 探頭伸入頂部油面下約 150mm 左右 ， 用于監(jiān)控變壓器內(nèi)的運行狀況，當整流變壓器油溫超過攝氏75℃ 時， 1s 內(nèi)能發(fā)出預報警信號；超過攝氏 85℃ 時， 1s 內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報警信號。 而本電源需要采集 的數(shù)字量針對不同電廠的需求而不同，因為在部分電廠需要對高壓電源部分和低壓振打部分進行整合，而低壓振打部分的采集信號都為數(shù)字信號。 （ 2）風機狀態(tài)。 本章小結 本章主要介紹了電除塵器高頻電源的控制系統(tǒng)。由于高頻電源的各種特殊性，所以在進行具體的采集系統(tǒng)設計時，需要針對不同性質、不同環(huán) 境下的信號進行有針對性的設計，但大致的整個調(diào)理流程基本一致，如圖 41 所示 。 EP1C20F400I7 特點 [11]： ? 邏輯單元 20210 ? 最大用戶 IO 數(shù) 301 個 ? M4K RAM 塊 64 個（每個 M4K 為 4K，本設計可配置為 256*16） ? 內(nèi)部存儲容量 294912Bits ? PLL 數(shù)量 2 個 FPGA 的配置電路 （ 1） FLASH 存儲器 在 EP1C20F400I7 內(nèi)部只存在 RAM 存儲塊，掉電 內(nèi)容丟失，因此不能存儲程序。 典型電路設計 基于 AD7356 的模數(shù)轉換電路 模數(shù)轉換器在信號采集系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，它直接影響著輸入到FPGA 信號的精度與速度。 FPGA 通過對 48M 時鐘的倍頻、分頻構成 FPGA 系統(tǒng)運行的主時鐘和數(shù)據(jù)采集時鐘。 Cyclone系列 FPGA 是當前市場上性價比最高的 FPGA 之一。因此在進行供電電源設計時，特別進行了設計。 （ 5）因為是對 IGBT 的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，而 IGBT 發(fā)生 故障時能夠越快采取動作，產(chǎn)生的損害也就越小，因此， IGBT 故障的反饋信號也做到 20KHz。主接觸 器位于三相電的入口處，通過對主接觸器 的開通、關斷來控制設備的起 停。為保證可靠性，每個 IGBT 模塊一個溫度探頭 。 第三章 電除塵器高頻電源介紹 17 圖 38 二次電流、二次電壓仿真波形圖 （ 6）變壓器油箱的油溫 變壓器 是 高頻電源的核心部件，工業(yè)中變壓器最常用的是油浸式變壓器，其工作狀態(tài)受油的質量、溫度影響很大，因此必須對變壓器的油溫進行監(jiān)測，保證變壓器的正常運行。 ? 電阻功率：隨著電阻功率和阻值增加電感也會增加，因此須對阻值與電感綜合考慮。而由于電流互感器只能測量交流信號，對直流信號會有“磁疊加”現(xiàn)象，使被測信號零點出現(xiàn)偏移。 其采樣方式與相電流相同， 主要通過在連線上加裝電流互感器，測量電流信號。 而 分流器檢測方法由于分流器的體積過大一直不能廣泛應用。因此，對各種信號量的監(jiān)測是保證設備正常運行的重要手段。 模擬信號 調(diào)理 電路 模擬信號 調(diào)理 電路的主要功能是對主電路的電壓、電流、溫度等信號進行采集、第三章 電除塵器高頻電源介紹 13 調(diào)理 。數(shù)字信號調(diào)理電路主要實現(xiàn)對數(shù)字信號的調(diào)理，主要以下功能： （ 1）繼電器輸出控制：將由 DSP 控制起發(fā)送控制信號，在 FPGA 中譯碼，輸出驅動信號，驅動各路中間繼電器啟動設備（如風機、主回路接觸器、預充電回路接觸器等）。由于高頻電源采用的是脈沖寬度調(diào)制技術，所以重要的 PWM 信號是驅動整個設備工作的關鍵。 由于所要采集的信號數(shù)量級相差 很大，有的電壓高達幾百伏，而有的電流則小至幾十毫安，控制電路采集的電流電壓信號是直接從高壓回路中通過采樣或分壓的方式采集，直接送入控制電路可能會導致微處理器及外圍電路損壞，因此需采用前端信號調(diào)理電路對采集信號進行預處理，并且需要對各部分的電路進行隔離以降低干擾。以高速、大功率開關器件 IGBT 作為逆變功率器件，將電除塵器電源的工作頻率提高至 20kHz，降低變壓器損耗。因為硬開關直接在大電流、大電壓下關斷和開 通，導致開關損耗過大，從而使整個高頻電源的效率降低，并且直接對 電路溫升設計和 EMC 設計造成了很大的難題。最后總結出，基于FPGA 的高速、并行采樣方式更能夠滿足電除塵器高頻電源的要求，并且對設備的性能也有一定的提升作用。由于 FPGA 的并行模式特點，因此對數(shù)據(jù)的采集采用模塊化設計，并行對每一路 AD 采集、 濾波、高低限判斷、存儲 。 系統(tǒng)總體結構 由上文可知，電除塵器高頻電源的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是建立在 FPGA 的 采集 平臺上 。 （ 3）采集頻率 傳統(tǒng)采集模式： DSP 或單片機的編程控制是有指令集完成，指令集的執(zhí)行必遵循指令周期。 下面對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式和基于 FPGA 的數(shù)據(jù)采集方式作出如下對比 。但由于 高頻電源的全國分布和技術人員數(shù)量的限制，因此，設備的 易 維護性問題必然也是系統(tǒng)設計考慮的一個不可或缺的因素。因此為減少不必要的成本，在當時的設計中留有一定的余地進行擴展也是一項重要措施。 第二章 系統(tǒng)設計結構 5 第二章 系統(tǒng)設計結構 上一章在介紹高頻電源的相關國內(nèi)外情況 后，在本章將對高頻電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做出總體設計，并對采集系統(tǒng)的核心 —— 采集方式做出選擇。 第五章主要是 FPGA 的模塊化程序設計。而其自主判斷的前提就必須對南京信息工程大學碩士學位論文 4 其運行過程中的各種技術參數(shù)進行實時監(jiān)控，因此一套可靠、安全的采集系統(tǒng)是保證電除塵器高頻電源正常運行的重要前提。 （ 4） 數(shù)字濾波部分是對在 FPGA 內(nèi)部實現(xiàn) FIR 濾波器的研究 。 這樣在環(huán)境惡劣的情況下，就會使采集系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定，直接導致了整個設備的工作不穩(wěn)定。 相比較與國外的早起點、快速發(fā)展， 國內(nèi)高頻直流高壓開關電源研究起步較晚 。開關電源的優(yōu)點：效率高，可靠性和穩(wěn)定性較好，體積小、重量輕，對供電電網(wǎng)電壓的波動不敏感，在電網(wǎng)電壓波動較大的情況下，仍能維持比較穩(wěn)定的輸出。 根據(jù)工作原理的不同，可將除塵器分為以下幾種：洗滌除塵、機械除塵、過濾除塵和靜電除塵等。 關鍵詞 ： FPGA， 模數(shù)轉換器， FIR 濾波器，分布式算法， 抗干擾 II Abstract With the increasingly updated technology, the requirements for products on realtime of information, extendibility of system and the integration of the circuit are higher and higher. In the aspect of data acquisition, as the implementation of port resources are limited and its sequence of work mode ,the traditional AD sampling method SCM, DSP have could not met people39。 本 設計的總體架構是建立在 FPGA 的采集 平臺上 。其他同志對本研究所做的貢獻均已在論文中作了聲明并表示謝意。除在保密期內(nèi)的保密論文外 ，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括刊登）論文的全部或部分內(nèi)容。 其次， 針對設計對象 ，給出每一路數(shù)據(jù)的硬件調(diào)理電路設計，詳細分析了電路的設計原理和實現(xiàn)功能，并給出設計之初的仿真波形和最后的硬件 實物的實驗波形。人們越來越關注對環(huán)境的保護。工頻電除塵器電源是線性電源，線性電源的優(yōu)點是穩(wěn)定性好，可靠性高，輸出電壓精度高，輸出紋波電壓小。 作為電除塵器高 頻電源的重要核心組成部分之一的采集系統(tǒng)，更是直接關系到高頻電源性能的好壞 ，是保證電除塵器高頻電源的正常運行的關鍵之一 。其中國電環(huán)境保護研究院（南京國電環(huán)保科技有限公司）、福建龍凈環(huán)保公司是電除塵器高頻電源的先驅者。 （ 1） 采集數(shù)據(jù)分析是對整個高頻電源監(jiān)控數(shù)據(jù)的研究 ，在設計之初對其做詳細的分析與研究 ，包括采集信號的種類、波形、幅值、頻率等，并 對 數(shù)據(jù) 采集的方法做了詳細的解釋說明 。 第二章是對本文設計的總體概述， 根據(jù)工業(yè)設計要求，給出本設計的設計原則。因為電除塵器高頻電源是安裝在室外，而且在全國各地都有應用。 第六章是基于分布式算法的 FIR 濾波器在 FPGA 中的研究和應用。電除塵器高頻電源 的 工作環(huán)境的 劣，經(jīng)常是處于高溫 或 低溫、高濕度和干擾嚴重的環(huán)境中，因此保證其可靠地運行更為重要。電除塵器高頻電源是一個商品，因此其利潤才是最為重要的關鍵。這三種微控制器都可以用來做數(shù)據(jù)采集，下面就三者的主要優(yōu)勢做簡要分析：（ 1） ARM 的最大特點是其強大的的事務管理功能，主要用來做應用界面設計 以及應用程序等，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在控制方面；（ 2） DSP，南京信息工程大學碩士學位論文 6 即數(shù)字信號處 。 FPGA采集 模 式 ： FPGA的數(shù)據(jù)采集是 FPGA搭配一個高速模數(shù)轉換器實現(xiàn)采集，因此整個數(shù)據(jù)的采集和 A/D 轉換都是 由 硬件完成，可以最大限度的提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 采樣和處理能力。 （ 4）可擴展性 傳統(tǒng)采集模式： DSP 或單片機的數(shù)據(jù)采集是將模擬信號直接輸入到 AD 寄存器的引腳中，因此模擬信號的輸 入受到 CPU 的供電電壓的限制。因為從干擾嚴重或室外環(huán)境下采集的模擬信號和數(shù)字信號都不可避免的受到了或多或少的干擾，導致信號的不準確，摻雜 其中 的尖峰信號會對后級元器件造成損壞，從而造成設備的故障，且維護困難。而數(shù)據(jù)存儲涉及到 FPGA內(nèi)部的 RAM 使用 ， 數(shù)據(jù)的傳輸是 FPGA 與 DSP 之間數(shù)據(jù)單向流動。其中負極，又稱為電暈極或放電極，是一個 曲率 半徑很大的線狀電極；正極，又稱為集塵極，是一塊板狀電極。利用軟開關技術（ ZVS： 零電壓開通， ZCS：零電流關斷）減小了開關 管 的損耗，提高了工作頻率，并且對電路 運行時的電磁干擾也有了很大的改善 [2]。 主電路即屬于強電的電力轉換部分，由 EMI 濾波器、三相整流橋、輸入濾波、全橋逆變和高頻整流等模塊組成；本電源設備輸入為三相 380V/50Hz 交流電源，經(jīng)第三章 電除塵器高頻電源介紹 11 三相整流器和濾波后得到約 530V 左右的直流電壓，再經(jīng) IGBT 模塊高頻逆變，變壓整流后為電除塵器提供上限為 72kV 電壓的直流電源。以 DSP 強勢的數(shù)字處理能力配合 FPGA 的高速時鐘頻率和并行觸發(fā)模式，實現(xiàn)最優(yōu)的實時監(jiān)控和最優(yōu)設計。 高壓采樣電路 在所有的數(shù)據(jù)采集電路中， 高電 壓、大電流 永遠是危險的存在，不僅因為其高壓 、大電流的性質容易造成器件損壞，更因為在高壓、大電流中總是容易存在各種干擾信號，對其他弱電信號產(chǎn)生很大的影響。采集的狀態(tài)信號進入數(shù)字采集電路，由專用采集芯片采集，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送入 FPGA 中，最后由 FPGA 一同 發(fā)送至 DSP控制器。而模擬信號一直以來都是科研難題，特別是高壓、高頻等性質的模擬信號，對 其調(diào)理的方式 要求也很嚴格 。因此 母線電壓的采樣信號為 ： VV IN 4022*5301 ??，設計電路時的峰值電壓： VV IN PP * ??? ，頻率為 150Hz。因此本系統(tǒng)采用交流電流互感器。電路中設計了一次電流的積分電路，對每個波段的一次電流值進行積分。