【正文】 波、隔離等電路。因此在信號(hào)采 集之后、 AD 轉(zhuǎn)換之前對信號(hào)進(jìn)行一定的調(diào)理是非常重要的，而對信號(hào)的調(diào)理電路也成為采集電路不可或缺的一部分。在完成各部分的電路設(shè)計(jì) 后 ，最后給出實(shí)際電路的測試波形，以驗(yàn)證電路的正確性。由于 FPGA 的并行模式特點(diǎn)，因此對數(shù)據(jù)的采集采用模塊化設(shè)計(jì)，并行對每一路 AD 采集、 濾波、高低限判斷、存儲(chǔ) 。 AD 采集就是針對不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換 芯片 設(shè)計(jì)不同的采集接口程序。因?yàn)楸疚牡难芯恐攸c(diǎn)是數(shù)據(jù)采集，所以只考慮 FPGA 中數(shù)據(jù)向 DSP 的傳輸。 本章小結(jié) 本章針對電除塵器高頻電源在實(shí)際中的工作環(huán)境，提出在設(shè)計(jì)中依據(jù)設(shè)計(jì)原則，以此來考慮設(shè)計(jì)中需要特別注意的細(xì)節(jié)。最后總結(jié)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(shè)備的性能也有一定的提升作用。 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。通過 在正極與負(fù)極之間施加 高壓直流電， 使其中 維持 一個(gè)足以使氣體電離的靜電場，見圖 31， 氣體電離后所生成的電子，陰離子和陽離子，吸附在通過電場的粉塵上，而使粉塵獲得荷電 ， 荷電粉塵在電場力的作用下，便向電極性相反的電極運(yùn)動(dòng)而沉積在電極上，從而達(dá)到粉塵和氣體分離的目的 [9]。當(dāng)前，國內(nèi)外普遍的靜電除塵器高頻電源有兩種類型，一種為硬開關(guān)型高頻電源，第二種為諧振型高頻電源。因?yàn)橛查_關(guān)直接在大電流、大電壓下關(guān)斷和開通，導(dǎo)致開關(guān)損耗過大，從而使整個(gè)高頻電源的效率降低，并且直接對電路溫升設(shè)計(jì)和 EMC 設(shè)計(jì)造成了很大的難題。 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)。 電除塵器高頻電源是利用高頻開關(guān)技術(shù)而形成的逆變式電源，采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）技術(shù)，其供電電流是由一系列窄脈沖構(gòu)成，可以給電除塵器提供具有從接近純直流到脈動(dòng)幅度很大的各種電壓波形。 本文所涉及的高頻電源是由南京國電環(huán)?？萍加邢薰咀灾餮邪l(fā)生產(chǎn)的 HF02 型電除塵器高頻電源，所以 其設(shè)計(jì)的特點(diǎn)也主要是依照發(fā)電廠的電除塵器而特定的，因此可能具有一定的局限性 。以高速、大功率開關(guān)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。 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。 控制電路屬于弱電部分，其中包括各種數(shù)字、模擬量的采樣電路，故障保護(hù)電路，溫度檢測電路， PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，串口通信和 CPU 控制系統(tǒng)等處理單元?？刂齐娐分械男盘?hào)種類繁多、復(fù)雜，包括模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、高頻信號(hào)、低頻信號(hào)、采集信號(hào)、通訊信號(hào)等，通過合理有效的應(yīng)用分配，從而能驅(qū)動(dòng)設(shè)備的正常運(yùn)行。 由于所要采集的信號(hào) 數(shù)量級相差很大，有的電壓高達(dá)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(hào)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(huì)導(dǎo)致微處理器及外圍電路損壞，因此需采用前端信號(hào)調(diào)理電路對采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并且需要對各部分的電路進(jìn)行隔離以降低干擾。 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。它所實(shí)現(xiàn)的作用是將在整個(gè)高頻電源各部位采集得來的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)經(jīng)過再次調(diào)理輸出到 IFIX 監(jiān)控上位機(jī)以 實(shí)時(shí) 反映設(shè)備在運(yùn)行中的狀態(tài)，并且是上位機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)控制的唯一監(jiān)控傳輸站。 驅(qū)動(dòng)保護(hù)單元 驅(qū)動(dòng)電路的作用是將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng) IGBT。由于高頻電源采用的是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，所以重要的 PWM 信號(hào)是驅(qū)動(dòng)整個(gè)設(shè)備工作的關(guān)鍵。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。在本電源采集的信號(hào)中，輸出的二次高壓（最高可達(dá) 70KV 以上 ）和二次電流（高達(dá) ）是比較特殊的一組，所以需要必要的手段對其進(jìn)行降壓和減流，達(dá)到一般的弱電等級信號(hào)，在進(jìn)行調(diào)理和采集。所以針對這兩種信號(hào)的不同特點(diǎn)，可以將這兩種信號(hào)隔離集中在兩種模塊：數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊和模擬信號(hào)采集模塊。數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號(hào)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(hào)，在 FPGA 中譯碼，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)各路中間繼電器啟動(dòng)設(shè)備（如風(fēng)機(jī)、主回路接觸器、預(yù)充電回路接觸器等）。 （ 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，對接觸器觸點(diǎn)提供 24V 回路信號(hào)。 （ 3） IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)及故障反饋電路：這兩種信號(hào)不同于以上兩種信號(hào)，屬于高頻信號(hào)。為了提高信號(hào)的抗干擾能力，將接口電壓升抬至 15V輸出。 模擬信號(hào) 調(diào)理 電路 模擬信號(hào) 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(hào)進(jìn)行采集、第三章 電除塵器高頻電源介紹 13 調(diào)理 。 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)理電路簡單，采集也相對比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)。 首先根據(jù)電除塵器高頻電源的工作原理和結(jié)構(gòu)來決定數(shù)據(jù)采集的指標(biāo)以便對高頻電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診 斷。電壓等級分為 4 種：輸入工業(yè)三相交流電電壓 380V、整流橋整流后的直流電壓 580V、逆變電路逆變后的電壓和經(jīng)過變壓器后的電壓。因此，對各種信號(hào)量的監(jiān)測是保證設(shè)備正常運(yùn)行的重要手段。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)。母線電壓仿真波形如下圖 所示 。 （ 2）相電流 電流檢測 方式可分為四種：電阻轉(zhuǎn)換電壓、分流器檢測、 霍爾元件 (LEM)和互感器方式。 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(yīng)用。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]。 相電流是 三相線路 供電電壓中一相 的電流值。 下圖就是相電流的波形。 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(hào)。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。設(shè)計(jì)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。 二次電流的采樣與一次電流的采樣不同 。而由于電流互感器只能測量交流信號(hào)，對直流信號(hào)會(huì)有“磁疊加”現(xiàn)象，使被測信號(hào)零點(diǎn)出現(xiàn)偏移。 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 程序中含有對二次電流的積分模塊，對每個(gè)波段的二次電流值進(jìn)行積分。 二次電壓（電除塵器高頻電源的輸出電壓）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(hào)。 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(hào)。 ? 電阻功率：隨著電阻功率和阻值增加電感也會(huì)增加，因此須對阻值與電感綜合考慮。 ? 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 。分壓電阻為 150MΩ，采樣電阻為 5kΩ、 1%精度 。因此二次電壓的采樣值值 VV ?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(yùn)行。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(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)。 （ 7） 4 路 IGBT 模塊的溫度 IGBT 在運(yùn)行過程中會(huì)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。本次設(shè)計(jì)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。為保證可靠性，每個(gè) IGBT 模塊一個(gè)溫度探頭 。 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?yàn)樵诓糠蛛姀S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(hào)都為數(shù)字信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，研究對高頻電源的數(shù)字信號(hào)的采集，暫且不論低壓振打部分，但在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮在內(nèi)。第二種是 4 個(gè) IGBT 的故障反饋信號(hào)，也是 4 路，其頻率為 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(guān)斷來控制設(shè)備的起停。 （ 2）風(fēng)機(jī)狀態(tài)。 （ 3）控制系統(tǒng)電源供給狀態(tài)。 南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 （ 4）外設(shè)電源開關(guān)狀態(tài)。 （ 5）因?yàn)槭菍?IGBT 的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，而 IGBT 發(fā)生故障時(shí)能夠越快采取動(dòng)作，產(chǎn)生的損害也就越小，因此， IGBT 故障的反饋信號(hào)也做到 20KHz。 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)。 然后在確定了電除塵器高頻電源的各個(gè)采集指標(biāo)后，對每個(gè)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(jì)和軟件采集的前提和基礎(chǔ)。 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(jī)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。因此在進(jìn)行供電電源設(shè)計(jì)時(shí)，特別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。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(jì)時(shí)，需要針對不同性 質(zhì)、不同環(huán)境下的信號(hào)進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)，但大致的整個(gè)調(diào)理流程基本一致，如圖 41 所示 。抑制器是整個(gè)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(hào)靈活運(yùn)用，其中 RC 一階 濾波器簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可在電路中多分布運(yùn)用，而對噪聲干擾嚴(yán)重、特殊的 信號(hào)（比如二次電流等信號(hào)）設(shè)計(jì)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(jì)， 但必須 根據(jù)具體的特殊信號(hào)進(jìn)行簡單的參數(shù)調(diào)整。因此其不具備單獨(dú)采集的功能，必須與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 配合使用，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。 Cyclone系列 FPGA 是當(dāng)前市場上性價(jià)比最高的 FPGA 之一。 EP1C20F400I7 特點(diǎn) [11]： ? 邏輯單元 20xx0 ? 最大用戶 IO 數(shù) 301 個(gè) ? M4K RAM 塊 64 個(gè)（每個(gè) M4K 為 4K，本設(shè)計(jì)可配置為 256*16） ? 內(nèi)部存儲(chǔ)容量 294912Bits ? PLL 數(shù)量 2 個(gè) FPGA 的配置電路 （ 1） FLASH 存儲(chǔ)器 在 EP1C20F400I7 內(nèi)部只存在 RAM 存儲(chǔ)塊，掉電內(nèi)容丟失，因此不能存儲(chǔ)程序。當(dāng)程序少入 FLASH 后，斷電后重新上電， FLASH 中程序會(huì)自動(dòng)讀入 FPGA 中 ， 保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 nCS1DATA2VCC3GND4ASDI5DCLK6VCC7VCC8U03EPCS4SI8N+GND_CGND_CR211kR221kR231kC21C22CFG_DCLKCFG_DATACFG_nCSCFG_ASDO 圖 42 配置電路 （ 2） 時(shí)鐘及 PLL FPGA 的時(shí)鐘電路如下圖所示 。 FPGA 通過對 48M 時(shí)鐘的倍頻、分頻構(gòu)成 FPGA 系統(tǒng)運(yùn)行的主時(shí)鐘和數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘。 典型電 路設(shè)計(jì) 基于 AD7356 的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換器在信號(hào)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(hào)的精度與速度。本設(shè)計(jì)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是 Analog Devices 公司新推出的 AD7356。該器件內(nèi)置兩個(gè) ADC，各 ADC 之前均配有一個(gè)低噪聲、寬帶寬采樣保持電路，可處理 110MHz 以上的輸入頻率?？梢詫?shí)現(xiàn)兩個(gè)通道同步采樣和轉(zhuǎn)換。通過 CS 輸入和一次性轉(zhuǎn)換控制能夠精確控制采樣時(shí)間，圖 44 即為 AD7356 的外圍電路圖 [12]。Vref/2。圖 45 所示為 AD7356 的信號(hào)調(diào)理電路