基于单片机80C196KC的静电除尘电源三相交流调压控制系统

　　1.引言

    　　静电除尘器有除尘效率高、运行和维修费用相对低廉等特点，在减少排放到大气中有害粉尘方面起着十分重要的作用，是当前使用较为广泛的一种环保设备。静电除尘器是利用高压静电吸附带电离子的原理进行除尘。一般来说，静电极板电压越高，对带电离子的吸附能力就越强，除尘效率越高。但电压越高，电场内会出现频繁的火花闪烁，甚至产生电弧，放电过程难以控制，除尘效率明显降低，这种情况应该避免。如果能够控制极板电压长时间维持在临界放电状态，就可以获得最佳的除尘效果并有效节约电力资源。实验证明，基于单片机80C196KC的静电除尘电源三相交流调压控制系统能够很好实现这一功能。
    　　2.静电除尘电源主电路及交流调压结构
    　　2.1 电源主电路
    　　主电路电路如图1所示，380V的三相工频交流电输入后，经过由三组反并联可控硅组成的三相调压电路进行调压，然后经三相高压硅整流变压器升压和整流，得到直流高压输出,硅整流变压器负高压输出经阻尼电阻供给静电除尘反应器。
    　　   

    　　由于电源采用三相工频平衡供电，三相晶闸管同步移相调压，与常规单相硅整流电源相比具有如下特点：
    　　(1)电网平衡供电，三相对称，功率因素近100%;
    　　(2)由于采用三相星形输入接线方式，单相输入电流仅为同等功率输出单相电源的五分之一。
    　　2.2 三相交流调压电路原理
    　　采用相位控制方式的交流电力控制电路称为交流调压电路，交流调压电路拓扑结构有很多种，本文中提到的三相交流调压主电路，是将两个晶闸管反并联后串接在每相交流电源与负载之间，如图1，在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通。与相控整流电流电路一样，通过控制晶闸管开通时候所对应的相位，可以方便地调节输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。
    　　3.基于80C196KC的三相交流调压控制系统
    　　单片机控制模块硬件电路以微处理器为控制中心，兼有控制与监视的功能。通过输入接口接收各种采样、检测信号，再由软件程序进行计算处理后，经输出接口发出相应的控制信号，去协调、控制各部分电路的操作，达到其智能化控制的目的。本文中监控模块的控制电路采用了以80C196KC单片机为主控的微机监控系统。它主要由主控电路、CA6100控制信号输出电路、测量与信号采集电路、A/D转换隔离电路、LCD液晶显示模块、LCD液晶显示模块、键盘接口电路、报警装置等部分组成，单片机控制模块见图2所示。
    　　   
      
    　　单片机采用80C196CPU芯片，通过采集电路，电源主电路电压、电流信号转换为单片机可以识别的电压信号传送到A/D转换通道，转换并和给定阈值进行比较，如发现过压或过流，则给出禁止信号I，通过光耦隔离后控制CA6100通用触发板，封锁触发脉冲。通过片内软件定时器，由高速输出口(HSO)产生一频率为2HZ的方波信号作为电流、电压给定计数器的输入脉冲。利用80C196的PWM口，经过光耦输出可控的脉宽调制波，再经过平滑滤波器转化为0～5V直流控制电压，直接控制CA6100通用触发板，能够使输出脉冲移相范围在5°～175°之间可调。
    　　3.1 主控电路设计
    　　80C196KC单片机有着丰富的内部资源，主控电路以单片机芯片为核心，扩展了一片外部数据存储器6264，一片外部程序存储器2764，一片外部功能扩展芯片8155，辅以地址锁存器74LS373，地址译码器74LS138，复位电路，晶振电路，A/D转换隔离电路等。
    　　3.2 晶闸管触发电路设计
    　　三相交流调压是通过调节反并联晶闸管的导通角，来实现对电源输出电压的有效控制的，因此晶闸管能否稳定可靠地触发，是至关重要的。本控制系统采用CA6100晶闸管通用触发板，其基本原理如图3所示。
    　　   
      
    　　CA6100通用可控硅触发板是以40芯CMOS大规模集成电路(专用芯片)为核心，利用锁相环技术(PLL)和多芯片合成技术(MCM)，通过压控振荡器(VCO)锁定的三相同步信号间的逻辑关系设计出的一种晶闸管触发系统。0～5V的直流输入电压，可以控制输出脉冲的移相范围从5°～175°连续线性可调，且晶闸管触发脉冲幅值可达到15V/2A，能够满足静电除尘电源对晶闸管触发脉冲的要求。
    　　3.3 信号采集与检测电路设计
    　　系统主要检测一次电压、一次电流、二次电压和二次电流四路模拟量。采用电压和电流互感器分别对一次电压和电流进行检测。由于静电除尘电源二次电压输出很高，所以需经电阻分压，然后通过霍尔电压传感器进行检测，二次电流检测则采用回路串电阻的方式。这四路检测型号经过信号调理电路，进入单片机的A/D转换口，单片机的ADC模块分别对其顺序采样和A/D转换。图4为一次电流信号调理电路，主要包括整流、比例放大和二阶有源滤波三部分。
    　　   
      
    　　3.4 液晶显示模块设计为了使装置的人机接口界面更加友好、直观，在本装置中采用中文液晶显示模块作为人机接口界面。采用液晶模块型号为LCM320240ZK，显示内容20×15行，内含7602个简体中文字型。但是其工作时序和80C196单片机不兼容，需要用到8155扩展。其他管脚则直接与单片机相连接，读(E)、写(R/W)端口分别和80C196KC单片机的读、写信号相连，片选信号(CS1、CS2)由38译码器提供。
    　　3.5 软件设计
    　　主程序完成整个模块的控制流程和子程序模块调用等功能。子程序模块完成整个装置的不同功能的实现，包括初始化模块、液晶显示模块、A/D采集转换模块、PID调节稳压稳流模块等。其中初始化模块的主要功能是完成单片机的有关初始化设置，包括有关端口的选通、功能的选择，以及中断的允许等。A/D采集转换模块是实现对被测信号的重复采样，并且在单片机中完成数据转换。稳压稳流模块的功能是采用PID控制算法并结合80C196单片机输出的D/A电压信号进行调节，从而实现电压或电流的稳定，且具有软启动功能。
    　　3.6 火花快速检测的实现方式
    　　要提高静电除尘电源的除尘效率，每个除尘反应器都要工作在最佳火花率下。为了实现火花控制，必须检测火花放电现象。当产生火花放电时，会引起二次电流大幅度增加，利用这一特点就可以采用硬件直接比较的方法，通过LM393将二次电流反馈值与设定的火花放电阈值进行比较，经6N138光耦和RS触发器后，接至单片机80C196KC的外部中断口。由于中断级别很高(外部中断XINT1)，当检测到火花放电时，就执行相应的火花放电程序，记忆当前放电时的运行电压，并将当前运行电压降低到设定的火花回压点，运行电压再从回压点以分段上升的方式上升至上次放电时的运行电压，这样就保证了静电高压除尘电源始终保持在临界放电电压状态。
    　　4. 结语
    　　基于单片机80C196KC的静电除尘电源智能控制系统实时响应快、精度高、可监控性好、抗干扰性强，通过实际运行证明，能够自动跟踪电场的变化，输出最佳电晕功率，从而使除尘效率大为提高，具有广阔的市场应用前景。