基于嵌入式的高频电源火花控制系统设计与应用

摘要:为了提高静电除尘效率级系统的安全可靠性,针对高频电源火花频率控制问题,设计应用了基于嵌入式系统技术的静电除尘电源控制器;并介绍了基于Labview的软件控制系统设计思想,通过现场测试证明了方案的可行性,为高频电源的开发提供了新的实践基础。

关键词:火花电平;脉宽调制;火花频率;全桥变换;LabView; UCC3895;开关频率

中图分类号:TP311文献标识码:A 文章编号: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

随着现代工业的发展,大气污染已经严重影响到生态环境和人们的身体健康,因此,烟气的净化越来越受到人们的关注。静电除尘器以其高效、节能、功耗低等特点,广泛应用于冶金、电力、化工等各个领域,它采用高压直流电源控制技术,经历了分立元件、集成电路及微机控制技术3个时代。微机(如单片微机)静电除尘控制方案自动化程度高、控制方式灵活,但其电源系统在实际工作过程中由于受到废气的浓度,温度,湿度以及热阻比的影响在火花频率的控制上产生极大的难度,从而缩短了设备的使用寿命,大大地降低了除尘系统效率与可靠性。

火花频率的控制是静电除尘系统中的一个难点问题,而有效的采用硬件与软件相结合的系统方案是一个发展方向。本文采用高频开关技术与虚拟仪器远程控制技术相结合的方案,在对火花频率的控制和现场复杂监控环境的改善上起到一个明显的效果。系统采用的硬件电路控制芯片UCC3895是一款移相PWM控制器,它可对全桥开关的相位进行移相控制,实现全桥功率级固定频率脉宽调制功能。它允许恒定频率脉冲宽度调制与谐振零电压开关,在高频率下提供较高的工作效率,还包含有电压模式和电流模式下的控制器。采用ARM2410管理键盘、显示和串行通信的实现方案。基于LABVIEW的后台管理系统可以给用户提供友好的操作界面并可以通过有线的方式接入PC上方便管理;该方案不仅从根本上解决了实时的监测控制现场的问题,提高了除尘系统的安全性,可靠性,同时还简化了系统结构,减小了电源的体积,在安装调试使用过程中更加安全方便和高效。

1 高频高压开关电源控制系统设计

1.1 电源控制系统结构图

图1为高频高压开关电源内部结构图。工频380V三相交流电经过整流输出为500V直流电。再由逆变升压得到70KV以上的直流电源。主控电路UCC3895通过取样分析进行脉宽调制控制开关频率。ARM2410主要用于管理键盘,显示,通信以及控制信号。

1.2 静电除尘原理

空气中的正负离子在电场力的作用下分别向电场两级移动,静电除尘主要分为四个阶段:即1)形成高压电场使空气电离;2)粉尘获得离子而荷电;3)荷电粉尘向电极移动;4)将电极上的粉尘清除到灰斗中去;第二和第三阶段使粉尘颗粒荷电并在电场力的作用下,向相反的电极移动并聚集在电极上,这也是电除尘的基本原理的作用过程。

1.2.1 除尘效率与火花频率的关系

火花放电频率与电除尘器效率之间存在着函数关系,因为电压升高会加快粉尘驱进速度,但火花放电次数多,会使粉尘沉积条件变坏,故电除尘器效率与单位时间火花放电次数存在着最佳值。图2为某电除尘器效率与火花放电的关系。可见每分钟放电30~70此该除尘器效率最高。

1.2.2 火花跟踪控制系统设计

根据图3原理,利用LabView进行逻辑编程(图4)。根据现场情况设定火花频率,当火花频率高于设定最大值,系统通过反馈电路将信号反馈给调压控制电路进行脉宽调制使电压降低,这样即可达到降低火花频率;同理也可使电压升高提升火花频率的目的。

1.2.3 嵌入式系统设计

系统采用ARM2410作为核心处理器是火花频率控制精确度的有力保障。由于系统的开关频率较高火花频率的反馈比较频繁,对取样数据的传输和处理的实时性就有很高的要求,采用传统的单片机已经不能满足系统的运行稳定。通过AD转换将取样信号传递给微处理器,然后通过串行通信传送给上位机进行监测和控制;同时通过对系统进行扩展加入显示单元和按键控制,使用户可以直接对电源设备进行操作控制,增强了设备使用的灵活性。

为了提高控制系统的可靠性和安全性,在交流电力系统的设计和运行中,都必须考虑到有发生故障和不正常工作情况的可能性。在三相交流电系统中,最常见和最危险的故障是各种形式的短路,其中包括三相短路、两相短路、一相接地短路以及变压器一相绕组上的匝间短路[9]。所以嵌入式系统的另一大功能就是控制保护电路,这里主要采用电流保护的方式,主要实施方案为构造反馈电路,将反馈电流经三相桥式整流电路及滤波电路,最后经限流、滤波及限幅电路反馈回ARM2410,并在外界电源的输入端均接入了正反向交流接触器。另外,为防止意外情况的发生,引入了紧急关断信号,当按下紧急关断按键时ARM2410通过中间继电器关断交流接触器使设备停止运行。

2 现场测试

通过在襄樊第二水泥的现场进行200小时不间断运行,测试结果如下:本体设计分3级电场,使用电源设备3台,一级电场火花频率设定70次,二级电场频率设置40次,三级电场设置10次。测试期间运行状态良好,一级火花率为60次/min,二级火花率30次/min,3级火花率15次/min。除尘效率达到95%,排量30毫克。结论,设备安全可靠效果明显。

3 结束语

高频高压开关电源是未来电除尘设备的主流供电电源,本项目提出的软硬件结合的方式对电源的整体性能有了一个明显的提高,同时也给今后高频电源的发展提供了一个新的标准。

参考文献:

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