【正文】 測量電流信號。因為諧振頻率較高約 10kHz，互感器鐵芯選用高頻特性較好的鐵氧體鐵芯。線圈匝比為 1:200，采樣電阻值為 3 個，可滿足全程采樣要求。電路中設(shè)計了一次電流的積分電路，對每個波段的一次電流值進(jìn)行積分。設(shè)計過流保護(hù)電路及電流正、反向過零檢測三路比較電路，過流保護(hù)電壓值為 1V 對應(yīng) 1200A 電流。圖 36 一次電流仿真波形圖（4）高壓變壓器二次電流二次電流是變壓器輸電壓加在負(fù)載上產(chǎn)生的電流。二次電流的采樣與一次電流的采樣不同。二次電流是直流信號，而相電流、一次電流都是交流信號。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。因此在本設(shè)計中，二次電流采用了精密電阻轉(zhuǎn)電壓方式，直接在模擬電場中，通過采集電場中其中一個電阻兩端的電壓所得的電壓信號來表示二次電流的大小。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(jìn)行積分。（5）負(fù)載電壓（二次電壓）二次電壓，即電除塵器高頻電源的輸出電壓。二次電壓（電除塵器高頻電源的南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文16輸出電壓）采集方式也是通過在高壓采集板上的分壓電阻取得低壓小信號。下圖為二次電壓和二次電流的采集示意圖。 分 壓 電 阻 二 次 電 流 采 樣 電 阻二 次 電 壓 采 樣 電 阻高 壓 變 壓 器 電 除 塵負(fù) 高 壓 端 子 出 口 采 樣 板圖 37 二次電壓、電流采樣二次電流采樣電阻要求：? 采樣范圍：二次電流為頻率為 20kHz、峰值范圍 0~4A、有效值 0~ 的直流脈沖信號。? 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。? 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。本設(shè)計中采樣電阻實際工作功率 ，*2???有 效 值實際選用 3W2 電阻。? 采樣精度：采用 1%精密電阻，為提高可靠性，采用雙路 。二次電壓采樣電阻與變壓器內(nèi)分壓電阻串聯(lián)，對變壓器高壓出線包負(fù)端采樣。分壓電阻為 150MΩ，采樣電阻為 5kΩ、1%精度。? 采樣范圍：二次電壓的最大輸出為 72022V，頻率最大為 20KHz。因此二次電壓的采樣值值 。而二次電流的最大有效值為 ，?采 樣效值的 4 倍，因此二次電流的采樣值最大為 。?電 流 采 樣第三章 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(zhì)量、溫度影響很大，因此必須對變壓器的油溫進(jìn)行監(jiān)測，保證變壓器的正常運行。對油溫的監(jiān)測是通過 PT100 熱電阻來測量。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(dāng)整流變壓器油溫超過攝氏 75℃時，1s 內(nèi)能發(fā)出預(yù)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。變壓器內(nèi)整流橋、鐵芯及線損均為發(fā)熱源。（7）4 路 IGBT 模塊的溫度IGBT 在運行過程中會有導(dǎo)通功耗與開關(guān)損耗，表現(xiàn)為發(fā)熱，需用散熱器把熱量傳導(dǎo)到外部。在 IGBT 模塊內(nèi)部芯片的最大可允許結(jié)溫是 150℃，一般不要超過125℃。本次設(shè)計從引用 IGBT 模塊內(nèi)部的 NTC 測溫探頭，直接測量 IGBT 的結(jié)溫，使保護(hù)更有效。當(dāng)該溫度超過攝氏 100℃時，1s 內(nèi)能發(fā)出預(yù)報警；超過攝氏 120℃時，1s 內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報警信號。為保證可靠性，每個 IGBT 模塊一個溫度探頭。（8）環(huán)境溫度采用鎧裝探頭 PT100 安裝于引風(fēng)機入口孔處，采集環(huán)境溫度，參與運行時溫升計算。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(jìn)行整合，而低壓振打部分的采集信號都為數(shù)字信號。因此，高頻電源的數(shù)字信號采集的數(shù)量會有所不同。在本設(shè)計中，研究對高頻電源的數(shù)字信號的采集，暫且不論低壓振打部分，但在電路設(shè)計時應(yīng)該考慮在內(nèi)。電除塵器高頻電源的數(shù)字信號主要是有兩種，一種是各個開關(guān)器件的狀態(tài)信號，4 路，其頻率不高，一般最快也是幾秒一次。第二種是 4 個 IGBT 的故障反饋信號，南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文18也是 4 路，其頻率為 20kHz。（1）主接觸器狀態(tài)。主接觸器位于三相電的入口處，通過對主接觸器的開通、關(guān)斷來控制設(shè)備的起停。主接觸器采用的是 24V 驅(qū)動信號，在其開通狀態(tài)量顯示 24V 數(shù)字信號。（2）風(fēng)機狀態(tài)。風(fēng)機是對變壓器郵箱的散熱通道進(jìn)行吹風(fēng)、散熱的設(shè)備，其驅(qū)動信號也是 24V 的數(shù)字信號，因此其狀態(tài)信號也是 24V 數(shù)字量。（3）控制系統(tǒng)電源供給狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)的交流電由繼電器控制，繼電器采用 24V的驅(qū)動信號。（4）外設(shè)電源開關(guān)狀態(tài)。為方便維護(hù)人員或電廠工作人員的不時之需，在高頻電源電器柜中引出 220V 交流電端口，其驅(qū)動方式與控制系統(tǒng)電源相同。（5）因為是對 IGBT 的工作狀態(tài)進(jìn)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。綜上所述，數(shù)字信號的采集一共有 8 路，分為高頻、低頻不同信號。 本章小結(jié)本章主要介紹了電除塵器高頻電源的控制系統(tǒng)。根據(jù)功能的不同，對控制系統(tǒng)的進(jìn)行了簡單的劃分，并簡要的說明了每個模塊主要的作用。然后在確定了電除塵器高頻電源的各個采集指標(biāo)后，對每個采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的說明，包括頻率、幅值、波形等屬性，是后文中硬件電路設(shè)計和軟件采集的前提和基礎(chǔ)。第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計19第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計電除塵器高頻電源的控制電路部分是以 DSP 處理器與 FPGA 數(shù)據(jù)采集核心板為平臺。DSP 作為主處理器對數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行收發(fā)和上位機通訊，而 FPGA 則是負(fù)責(zé)對電除塵器高頻電源數(shù)據(jù)的高速采集和預(yù)處理，并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存和 DSP 傳輸。由于電除塵器高頻電源的工作環(huán)境特殊：室外、噪聲強、溫度高，因此受到的干擾非常大，不僅信號采集回路受到影響，其電源供電也同樣受到非常大的影響。因此在進(jìn)行供電電源設(shè)計時，特別進(jìn)行了設(shè)計。防雷擊、去共模、除差模和濾波是電源設(shè)計的主要目的。由于高頻電源的各種特殊性，所以在進(jìn)行具體的采集系統(tǒng)設(shè)計時，需要針對不同性質(zhì)、不同環(huán)境下的信號進(jìn)行有針對性的設(shè)計，但大致的整個調(diào)理流程基本一致，如圖 41 所示。輸 入信 號穿 心電 容 /抑 制器濾 波電 路放 大電 路隔 離電 路A D 模塊F P G A圖 41 采樣信號的調(diào)理流程一般的穿心電容是一種三端電容，可以直接安裝在金屬面板上，而此處所用的穿心電容是貼片式的四端電容，其中上下兩端直接接地，信號從中間穿過去，有效的抑制了高頻噪聲信號。抑制器是整個電路的輸入門檻，起到保護(hù)后級電路的作用；濾波電路種類繁多，針對不同信號靈活運用，其中 RC 一階濾波器簡單，易于實現(xiàn)，可在電路中多分布運用，而對噪聲干擾嚴(yán)重、特殊的信號（比如二次電流等信號）設(shè)計濾波效果更好的二階有源濾波器；隔離電路和 AD 模塊分別應(yīng)用上述典型電路的設(shè)計，但必須根據(jù)具體的特殊信號進(jìn)行簡單的參數(shù)調(diào)整。 采集控制單元基于 FPGA 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不同于 DSP 或單片機等采集方式，F(xiàn)PGA 是邏輯門器件，是由門級電路組成。因此其不具備單獨采集的功能，必須與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文20器配合使用，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)的 FPGA 采用的是 Altera 公司 Cyclone 系列的 EP1C20F400I7。Cyclone系列 FPGA 是當(dāng)前市場上性價比最高的 FPGA 之一。該器件的用戶 IO 端口多，片內(nèi)邏輯單元數(shù)量大，并具有實現(xiàn) SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀等功能，且其外圍電路簡單。EP1C20F400I7 特點 [11]：? 邏輯單元 20220? 最大用戶 IO 數(shù) 301 個? M4K RAM 塊 64 個（每個 M4K 為 4K，本設(shè)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。為此，Altera 公司又特意開發(fā)出一系列 FLASH 存儲器，以配合 FPGA 的使用。當(dāng)程序少入 FLASH 后，斷電后重新上電，F(xiàn)LASH 中程序會自動讀入 FPGA 中，保證系統(tǒng)的正常運行。本設(shè)計中配置 EP1C20F400I7 的 FLASH 芯片為 EPCS4SI8N。nCSDATV3GN4I5LK678U0EP+._RkuFO圖 42 配置電路（2）時鐘及 PLLFPGA 的時鐘電路如下圖所示。第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計21CON1GD2UT3V4Y08MR5_+.PL6FB/uSK圖 43 時鐘電路 Y02 是有源晶振，提供 48M 的外部時鐘。FPGA 通過對 48M 時鐘的倍頻、分頻構(gòu)成 FPGA 系統(tǒng)運行的主時鐘和數(shù)據(jù)采集時鐘。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。 典型電路設(shè)計 基于 AD7356 的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)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。所以慎重的選擇一款性能高的 ADC 對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至關(guān)重要。本設(shè)計采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是 Analog Devices 公司新推出的AD7356。AD7356 是一款雙通道 12bit、高速、低功耗的逐次逼近型（ SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） ，采用 單電源 供電，80M 的最高采集頻率和高達(dá) 5MSPS 的吞吐率，可以滿足大多數(shù)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集需求，更為特別的是該款芯片采用的串行通信方式，時序簡單。該器件內(nèi)置兩個 ADC，各 ADC 之前均配有一個低噪聲、寬帶寬采樣保持電路，可處理 110MHz 以上的輸入頻率。兩套完整的 ADC 允許兩個通道同時采樣和轉(zhuǎn)換。可以實現(xiàn)兩個通道同步采樣和轉(zhuǎn)換。兩個通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過獨立的數(shù)據(jù)線路同時獲得，如果僅有一個串行端口可用，則可通過一條數(shù)據(jù)線路先后獲得。通過 CS 輸入和一次性轉(zhuǎn)換控制能夠精確控制采樣時間，圖 44 即為AD7356 的外圍電路圖 [12]。南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文22VINA+12REF_3GD45B6789CS0TLKUu/.圖 44 AD7356 的接口原理圖該器件采用差分輸入，其范圍為共模177。Vref/2。AD7356 具有內(nèi)置的 基準(zhǔn)源，也可使用外部基準(zhǔn)源，本設(shè)計使用的是 AD7356 內(nèi)部自帶的基準(zhǔn)源。圖 45所示為 AD7356 的信號調(diào)理電路設(shè)計方案。 p圖 45 差分電路此方案將電除塵器高頻電源的單端雙極性信號轉(zhuǎn)換為一個差分單極性信號作為第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計23AD7356 的輸入。其中放大器采用的是亞德諾半導(dǎo)體（Analog Devices）公司的AD8034。AD8034 是一款高速的雙通道放大器，帶寬高達(dá) 80M，具有低功耗、低成本的特點 [13]。根據(jù)運算放大器“虛短”“虛斷” 的特點，經(jīng)調(diào)理后 AD7356 輸入的電壓信號為： （4)1(2/1VINrefVINA??1） （4)(/IrfI?2）AD7356 的供電電壓 ，根據(jù)參考文獻(xiàn)[12] 可知，輸入信號必須始終在 GND和 VDD 之間，即： ， 。由此可以得出，???分信號的輸入電壓范圍： 。?當(dāng)差分電路的輸入信號幅值 、頻率 時，即：?kHzf? （4xI?2sin*1),(???3）代入上述兩式可得： （44fxVINA???） （45fIsi.?）實驗得到的兩路輸出波形如下圖所示：南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文24圖 46 差分電路波形圖注：1 通道為輸入信號（最上方）2 通道為 VINA 3 通道為 VINA+ 根據(jù)實驗得到的波形和理論值比較，當(dāng)通過 20KHz 信號時，最后的延時時間小于 50ns，此差分電路完全符合理論值。相對于調(diào)理電路，CPU 控制模塊（DSP + FPGA）沖擊的能力較弱，為保護(hù)FPGA 和 DSP 芯片，在調(diào)理電路和 CPU 控制模塊之間實行全隔離，即信號隔離和電源隔離。電源隔離采取的是不同的電源模塊，信號隔離采用的是亞德諾半導(dǎo)體公司 ADuM 系列的磁隔離芯片。具體隔離電路如下圖所示。 圖 47 基于 ADuM 系列的磁隔離電路第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計25ADuM 系列是一種種類繁多、功能齊全的磁隔離芯片，能夠滿足不同通道、不同方向、不同帶寬的數(shù)字信號隔離，具體選擇可根據(jù)自己的設(shè)計需求而定。對AD7356 的數(shù)字隔離采用的時 ADuM1402C 系列，帶寬達(dá)到 90M，最大延遲時間32ns。其中：VE1 與 VE2 腳分別是兩端的使能引腳，可空置。但在噪聲環(huán)境下，建議連接高電平 [14]。 模擬信號隔離電路信號隔離的主要目的就是通過隔離技術(shù)