【正文】 部油面下約 150mm 左右 ， 用于監(jiān)控變壓器內(nèi)的運(yùn)行狀況，當(dāng)整流變壓器油溫超過攝氏75℃ 時(shí)， 1s 內(nèi)能發(fā)出預(yù)報(bào)警信號(hào)；超過攝氏 85℃ 時(shí)， 1s 內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 ? 采樣精度：采用 1%精密電阻，為提高可靠性，采用雙路 并聯(lián)為 。 然后所得電壓信號(hào) 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(duì)二次電流的積分模塊，對(duì)每個(gè)波段的二次電流值進(jìn)行積分。線圈匝比為 1:200，采樣電阻值為 3 個(gè) 電阻并聯(lián)，可滿足全程采樣要求。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]。母線電壓的采樣，是通過并聯(lián)在三相整流橋輸出的三個(gè)電阻： 200k、 200k、 2k 分壓而得，采集的信號(hào)是小電阻 2k 兩側(cè)的壓差，屬于差分南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 信號(hào)。 數(shù)據(jù)采集分析 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分?jǐn)?shù)字信號(hào)采集和模擬信號(hào)采集，數(shù)字信號(hào)只是單純的不同頻率的 “高” “低” 電平信號(hào)的輸入，調(diào)理電路簡(jiǎn)單，采集也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。 （ 2）狀態(tài)開關(guān)量采集電路：如風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)、振打接觸器信號(hào)、加熱回路接觸器信號(hào)等，對(duì)接觸器觸點(diǎn)提供 24V 回路信號(hào)。本電源采用的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路 是 瑞士 CONCEPT 公司生產(chǎn)的一款 2SC315AI 驅(qū)動(dòng)芯片 為 主要單元，所以驅(qū)動(dòng)電路是直接固定在 IGBT 上，驅(qū)動(dòng) IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷。 DSP+FPGA 控制平臺(tái) 由上文可知，整個(gè)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(tái)上的。 三 相 橋 式 整 流 全 橋 逆 變 電 路 高 頻 變 壓 器 高 壓 硅 堆 整 流 除 塵 器小 磁 環(huán)H V H V 02 0 1T A 1三 相 濾 波 器( T P F )0 0 R0 0 S0 0 T0 0 1 R0 0 1 S0 0 1 TQ F 0快 熔0 1 3 S0 1 3 T0 1 3 RK M 0 BK M 00 1 4 R0 1 4 S0 1 4 T2 0 20 1 5 R0 1 5 S0 1 5 TG N D 0R S 1 圖 32 高頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 電除塵器高頻電源根據(jù)強(qiáng)弱電的劃分，可分為主電路和控制 電路兩部分。 諧振式的高頻電源是在硬開關(guān)型高頻電源的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，為改進(jìn)硬開關(guān)型的硬開關(guān)特點(diǎn)，在其主電路中加入了諧振環(huán)節(jié)。 第三章 電除塵器高頻電源介紹 9 第三章 電除塵器高頻電源 介紹 電除塵器高頻電源工作原理 電除塵器 實(shí)質(zhì)上是由 兩個(gè) 極性相反的電極構(gòu)成。 AD 采集就是針對(duì)不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換 芯片 設(shè)計(jì)不同的采集接口程序。 硬件電路設(shè)計(jì)：硬件電路，即數(shù)據(jù)采集的調(diào)理電路，是保證采集信號(hào)可靠、準(zhǔn)確的關(guān)鍵部分，調(diào)理電路包括尖峰信號(hào)的抑制、 RC 濾波、隔離等電路。 FPGA 采集模式： FPGA 由于內(nèi)部延時(shí)小，全部控制邏輯由硬件完成，因此其時(shí)第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 7 鐘頻率很高，中高檔的 FPGA 的時(shí)鐘頻率可 達(dá) 上 GHz。缺點(diǎn)：頻繁中斷系統(tǒng)的運(yùn)行，減弱系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，采集速度受限。 系統(tǒng)采集方式的研究 目前，作為世界通用的三大主流控制器 —— ARM、 DSP 和 FPGA 在不同領(lǐng)域、不同應(yīng)用場(chǎng)合都發(fā)揮重要的作用。商業(yè)成本也是制約先進(jìn)技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個(gè)非常因素，其對(duì)硬件技術(shù)更為重要。就工程設(shè)備而言，其最重要的因素是設(shè)備能夠可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。最后 給出 軟件仿真波形，以驗(yàn)證程序模塊設(shè)計(jì)的正確性。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)前 ，必須考慮到設(shè)計(jì)對(duì)象的工作環(huán)境。 具體各章節(jié)大致內(nèi)容如下所述： 第一章是對(duì)本課題研究的背景和研究意義做出簡(jiǎn)單介紹，并給出目前國(guó)內(nèi)外 電除塵器 高頻電源 技術(shù) 的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。本文 主要完成的工作包括采集數(shù)據(jù)分析 、 硬件 電路 設(shè)計(jì) 、 軟件采集 模塊編程和數(shù)字濾波器四 個(gè)部分 。 20xx 年以后，國(guó)內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè) 才 先后開始了高頻、高壓開關(guān)電源的研究，以此來實(shí)現(xiàn)高頻電源的國(guó)有化。 電除塵器高頻電源是電除塵器電源發(fā)展的趨勢(shì)，正如上世紀(jì)八十和九十年代的電子計(jì)算機(jī)、通信和電力操作等領(lǐng)域開關(guān)電源取代了可控硅相控電源那樣，二十一世紀(jì)其他工業(yè)領(lǐng)域特別是環(huán)保領(lǐng)域開關(guān)電源將逐步取代可控硅相控電源。但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的現(xiàn)代代大型電廠和工廠所使用的還是工頻電除塵器電源。 It is conducive to upgrade equipment. Key Words: FPGA， AD， FIR filter， Distributed Arithmetic， Antiinterferenc第一章 緒論 1 第一章 緒論 選題背景及研究意義 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，在犧牲環(huán)境而發(fā)展經(jīng)濟(jì)的影響下，中國(guó)的環(huán)境保護(hù)變的越來越迫切，而粉塵污染更是一個(gè)非常嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，特別是20xx 年北京等地的嚴(yán)重霧霾現(xiàn)象，更是把環(huán)境保護(hù)提到了一個(gè)新的高度。 首先，本文對(duì)電除塵器高頻電源及其工作原理做了詳細(xì)的介紹，并著重對(duì)高頻電源需要采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究，其中包括信號(hào)采集要求和采集前后信號(hào)的特征。 而FPGA 因具有速度快、兼容性好和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，越來越多的被應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集及采集后的調(diào)理 。本文設(shè)計(jì)的基于 FPGA 的采集系統(tǒng)，不僅在實(shí)時(shí)性方面有進(jìn)一步的提升，而且系統(tǒng)的可擴(kuò)展性非常強(qiáng)，有利于設(shè)備的進(jìn)一步升級(jí)。 但是，這十多年來我國(guó)環(huán)保形勢(shì)已發(fā)生了巨大的變化，作為大氣污染治理的主戰(zhàn)場(chǎng) —— 火力發(fā)電廠裝機(jī)容量 至少 增加了三倍，單機(jī)機(jī)組 更 由 300、 600 發(fā)展到 1000MW 或更高 ；粉塵排放濃度 則 由 200mg/m3 降到 50m g/m3； 而 電站脫硫技術(shù)迅速發(fā)展， 特別是干法脫硫后 需要 處理的粉塵濃度 則 高達(dá) 800mg/m3—— 20xxmg/m3；這就要求除 塵器的除塵效率 達(dá)到 在 %以上，這些都給電除塵器 及其 供電電源等提出了新的課題。電除塵器高頻電源屬南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 于 開關(guān)電源，因此其具有開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)。 而電除塵器高頻電源采集系統(tǒng)的發(fā)展史則直接與 DSP 的發(fā)展相緊密聯(lián)系，從第一代的電除塵器高頻電源的生產(chǎn)開始，其控制系統(tǒng)一直由 DSP為主導(dǎo)，而隨著 DSP 的發(fā)展，其控制、采集系統(tǒng)也不斷的處于更新狀態(tài)。但是由于國(guó)內(nèi)的電子技術(shù)相比于國(guó)外較為落后，在系統(tǒng)硬件電路采集、調(diào)理等方面的成熟度更是處于弱勢(shì)，因此在電除塵器高頻電源主電路趨于穩(wěn)定的條件下， 國(guó)內(nèi)高頻電源的故障率一直處于居高不下的狀態(tài)， 一個(gè)非常重要的方面就 是國(guó)內(nèi)高頻電源的控制系統(tǒng)或采集系統(tǒng)采用的技術(shù)更新速度慢， 且 其采集系統(tǒng)已成固化狀態(tài)，方式單一，其對(duì)硬件的依賴性很大 。本文對(duì)硬件模數(shù)轉(zhuǎn)換器、移位寄存器等采集芯片設(shè)計(jì)出完整的接口程序，完成信號(hào)的最終數(shù)字量轉(zhuǎn)換，并給出時(shí)序仿真圖。電除塵器高頻電源是一種自主進(jìn)行故障判斷的設(shè)備。為驗(yàn)證硬件電路設(shè)計(jì)的正確性，最后給出各電路在不同調(diào)理部分的波形，并與輸入波形做對(duì)比。 第 七 章是本文的總結(jié)和展望。更新?lián)Q代并不是另起爐灶，而是在現(xiàn) 有 的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展 與改進(jìn) 。在工作環(huán)境和硬件使用壽命的制約下，設(shè)備出現(xiàn)故障 是 無可避免的問 題。而由于 FPGA 在最近十幾年的強(qiáng)勢(shì)崛起，其靈活的可配置性和并行的工作模式，使其短時(shí)間內(nèi)在數(shù)據(jù)采集 方向 的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。因此，適于大數(shù)據(jù)量的高速 采集和 傳輸控制，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。 綜合以上原因，在本系統(tǒng)中采用 基于 FPGA 的 采集 模式來搭建 采集 平臺(tái) 。 FPGA 軟件設(shè)計(jì)：在此 設(shè)計(jì) 中 FPGA 實(shí)現(xiàn)的 五種 功能：數(shù)據(jù)的采集、高低限判斷、 數(shù)字濾波器、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸。并著重對(duì)傳統(tǒng)采樣方式 —— DSP 或單片機(jī)的采樣方 式和基于 FPGA 的高速采樣方式做了詳細(xì)的對(duì)比說明。 較早出現(xiàn)的是硬開關(guān)型高頻電源，但其硬開、硬關(guān)的特點(diǎn)直接限制了頻率的 提升和自身的發(fā)展。 本高頻電源采用 DSP+FPGA 作為控制核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源的全數(shù)字化控制 ， 電源采用串聯(lián)諧振主回路，大大減小了逆變電路的開關(guān)損耗，提高了電源的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。 控制電路對(duì)高頻電源的各種故障信號(hào)（包括過流、過壓、欠壓、過熱等現(xiàn)象）進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)作出相應(yīng)的故障處理；控制電路還負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，可由上位機(jī)發(fā)出的控制指令來對(duì)高頻電源進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)電路南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 是電除塵器高 頻電源能否正常工作的重要傳輸調(diào)理電路。 其中 數(shù)字調(diào)理模塊包括數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊和數(shù)字采集模塊。 IGBT 故障信號(hào)主要是 IGBT 在故障時(shí)發(fā)出的報(bào)警信號(hào)。 而除了電壓的變化之外，電流信號(hào)、各種溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)和開關(guān)狀態(tài)信號(hào)也隨著電源在不同的運(yùn)行狀態(tài)而不同。 電阻轉(zhuǎn)換電壓方式功率 消耗 較大 ， 容易 受 到 干擾 信號(hào)影響，而且由于電阻本身的誤差 ， 因此 很難做到高精度 ，所以比較 適用于小功率 的檢測(cè)。 第三章 電除塵器高頻電源介紹 15 圖 35 相 電流仿真波形 （ 3）一次電流 一次電流是 進(jìn)入變壓器初級(jí)線圈連線的電流值。二次電流是直流信號(hào)，而相電流、一次電流都是交流信號(hào)。 ? 低電感值：為減小電阻電感采用金屬膜電阻，其電感小于繞線電阻。而二次電流的最大有效值為 ，峰值是最大有效值的 4 倍，因此二次電流的采樣值最大為 VV ?電流采樣 。當(dāng)該溫度超過攝氏 100℃ 時(shí)， 1s 內(nèi)能發(fā)出預(yù)報(bào)警；超過攝氏 120℃ 時(shí)，1s 內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 （ 1）主接觸器狀態(tài)。為方便維護(hù)人員或電廠工作人員的不時(shí)之需，在高頻電源電器柜中引出 220V 交流電端口，其驅(qū)動(dòng)方式與控制系統(tǒng)電源相同。 由于電除塵器高頻電源的工作環(huán)境特殊：室外、噪聲強(qiáng)、溫度高 ， 因此受到的干擾非常大，不僅信號(hào)采集回路受到影響，其電源供電也同樣受到非常大的影響。 本系統(tǒng)的 FPGA 采用的是 Altera 公司 Cyclone 系列的 EP1C20F400I7。 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 21 CON1GND2OUT3VCC4Y0248MR0251GND_C+L06C02C01R03100GND_CC5GND_CSYS_CLK 圖 43 時(shí)鐘電路 Y02 是有源晶振，提供 48M 的外部時(shí)鐘。兩套完整的 ADC 允許兩個(gè)通道同時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換。 12+348U1AAD80347。兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)線路同時(shí)獲得，如果僅有一個(gè)串行端口可用，則可通過一條數(shù)據(jù)線路先后獲得。晶振是易受干擾器件，因此在其 供電 電源引腳采用 “ π” 型濾波電路，保證晶振的可靠性。該器件的用戶 IO 端口多，片內(nèi)邏輯單元數(shù)量大，并具有實(shí)現(xiàn) SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀等功能，且其外圍電路簡(jiǎn)單。防雷擊 、 去共模 、 除差模和濾波是電源設(shè)計(jì)的主要目的。 綜上所述，數(shù)字信號(hào)的采集一共有 8 路，分為高頻、低頻不同信號(hào)。主接觸器采用的是 24V 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在其開通狀態(tài)量顯示24V 數(shù)字信號(hào)。 （ 8）環(huán)境溫度 采用鎧裝探頭 PT100 安裝于引風(fēng)機(jī)入口孔處，采集環(huán)境溫度，參與運(yùn)行時(shí)溫升計(jì)算。對(duì)油溫的監(jiān)測(cè)是 通過 PT100 熱電阻 來測(cè)量。本設(shè)計(jì)中采樣電阻實(shí)際工作功率 WRIP * 22 ???? 有效值 ，實(shí)際選用 3W2 電阻。因此 在本設(shè)計(jì)中，二次電流 采用了精密電阻轉(zhuǎn)電壓方式， 直接在模擬電場(chǎng)中，通過采集電場(chǎng)中其中一個(gè)電阻兩端的電壓所得的電壓信號(hào) 來表示二次電流的大小 。因?yàn)橹C振頻率較高約 10kHz，互感器鐵芯選用高頻特性較好的鐵氧體鐵芯。第三種是 用 霍爾元件 LEM 檢測(cè) ，雖然精度高，但由于霍爾元件是有源器件，另需額外的電源對(duì)其供電，因此對(duì)電路的復(fù)雜度有了有一定的要求；更重要的是霍爾元件的成本太高限制了其的廣泛應(yīng)用。 三 相 橋 式 整 流 全 橋 逆 變 電 路 高 頻 變 壓 器 高 壓 硅 堆 整 流 除 塵 器小 磁 環(huán)H V H V 02 0 1T A 1三 相 濾 波 器( T P F )0 0 R0 0 S0 0 T0 0 1 R0 0 1 S0 0 1 TQ F 0快 熔0 1 3 S0 1 3 T0 1 3 RK M 0 BK M 00 1 4 R0 1 4 S0 1 4 T2 0 20 1 5 R0 1 5 S0 1 5 TG N D 0R S 1 圖 33 電除塵器高頻電 源主回路原理圖 在本電源系統(tǒng)中，需要采集的模擬量共有 11 個(gè)（包括 6 路溫度）分別為： （ 1）母線電壓 母線電壓， 即三相整流橋的輸出電壓，用于充電啟動(dòng)時(shí)打開主接觸器的判斷條件，運(yùn)行時(shí)要監(jiān)視該電壓。 由 FPGA 對(duì)多路模擬信號(hào)并行采集，并將采集的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后送 入 DSP，在 DSP 內(nèi)運(yùn)算處理； CPU 對(duì)高頻電源的各種故障信號(hào)（包括過流、過壓、欠壓、過熱等現(xiàn)象）進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)作出相應(yīng)的故障處理。信號(hào)經(jīng)高速光耦芯片隔離，并采用繼電器專用驅(qū)動(dòng)芯片 ULN20xxA。電源的 PWM信號(hào)由 DSP 發(fā)出，進(jìn)入可編程邏輯門器件 FPGA 后，