單片機控制的靜電除塵電源調壓系統
1. 引言
靜電除塵器有除塵效率高、運行和維修費用相對低廉等特點，在減少排放到大氣中有害粉塵方面起著十分重要的作用，是當前使用較為廣泛的一種環保設備。靜電除塵器是利用高壓靜電吸附帶電離子的原理進行除塵。一般來說，靜電極板電壓越高，對帶電離子的吸附能力就越強，除塵效率越高。但電壓越高，電場內會出現頻繁的火花閃爍，甚至產生電弧，放電過程難以控制，除塵效率明顯降低，這種情況應該避免。如果能夠控制極板電壓長時間維持在臨界放電狀態，就可以獲得最佳的除塵效果并有效節約電力資源 。實驗證明，基于單片機 80C196KC的靜電除塵電源三相交流調壓控制系統能夠很好實現這一功能。
2. 靜電除塵電源主電路及交流調壓結構
2.1 電源主電路
主電路電路如圖 1所示，380V的三相工頻交流電輸入后，經過由三組反并聯可控硅組成的三相調壓電路進行調壓，然后經三相高壓硅整流變壓器升壓和整流，得到直流高壓輸出,硅整流變壓器負高壓輸出經阻尼電阻供給靜電除塵反應器。
由于電源采用三相工頻平衡供電，三相晶閘管同步移相調壓，與常規單相硅整流電源相比具有如下特點：
(1) 電網平衡供電，三相對稱，功率因素近 100%；
(2) 由于采用三相星形輸入接線方式，單相輸入電流僅為同等功率輸出單相電源的五分之一。
2.2 三相交流調壓電路原理
采用相位控制方式的交流電力控制電路稱為交流調壓電路，交流調壓電路拓撲結構有很多種，本文中提到的三相交流調壓主電路，是將兩個晶閘管反并聯后串接在每相交流電源與負載之間，如圖1，在電源的每半個周期內觸發一次晶閘管，使之導通。與相控整流電流電路一樣，通過控制晶閘管開通時候所對應的相位，可以方便地調節輸出電壓的有效值，從而達到交流調壓的目的。
3. 基于 80C196KC的三相交流調壓控制系統
單片機控制模塊硬件電路以微處理器為控制中心，兼有控制與監視的功能。通過輸入接口接收各種采樣、檢測信號，再由軟件程序進行計算處理后，經輸出接口發出相應的控制信號，去協調、控制各部分電路的操作，達到其智能化控制的目的。本文中監控模塊的控制電路采用了以 80C196KC單片機為主控的微機監控系統。它主要由主控電路、 CA6100控制信號輸出電路、測量與信號采集電路、A/D轉換隔離電路、 LCD液晶顯示模塊、LCD液晶顯示模塊、鍵盤接口電路、報警裝置等部分組成，單片機控制模塊見圖 2所示。
單片機采用 80C196CPU芯片，通過采集電路，電源主電路電壓、電流信號轉換為單片機可以識別的電壓信號傳送到 A/D轉換通道，轉換并和給定閾值進行比較，如發現過壓或過流，則給出禁止信號 I，通過光耦隔離后控制 CA6100通用觸發板，封鎖觸發脈沖。通過片內軟件定時器，由高速輸出口（HSO）產生一頻率為 2HZ的方波信號作為電流、電壓給定計數器的輸入脈沖。利用 80C196的 PWM口，經過光耦輸出可控的脈寬調制波，再經過平滑濾波器轉化為 0～5V直流控制電壓，直接控制 CA6100通用觸發板，能夠使輸出脈沖移相范圍在 5°～175°之間可調。
3.1 主控電路設計
80C196KC單片機有著豐富的內部資源，主控電路以單片機芯片為核心，擴展了一片外部數據存儲器 6264，一片外部程序存儲器 2764，一片外部功能擴展芯片 8155，輔以地址鎖存器 74LS373，地址譯碼器 74LS138，復位電路，晶振電路，A/D轉換隔離電路等。
3.2 晶閘管觸發電路設計
三相交流調壓是通過調節反并聯晶閘管的導通角，來實現對電源輸出電壓的有效控制的，因此晶閘管能否穩定可靠地觸發，是至關重要的。本控制系統采用 CA6100晶閘管通用觸發板，其基本原理如圖 3所示。
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CA6100通用可控硅觸發板是以 40芯 CMOS大規模集成電路（專用芯片）為核心，利用鎖相環技術（ PLL）和多芯片合成技術（ MCM），通過壓控振蕩器（ VCO）鎖定的三相同步信號間的邏輯關系設計出的一種晶閘管觸發系統。0～5V的直流輸入電壓，可以控制輸出脈沖的移相范圍從 5°～175°連續線性可調，且晶閘管觸發脈沖幅值可達到 15V/2A，能夠滿足靜電除塵電源對晶閘管觸發脈沖的要求。
3.3 信號采集與檢測電路設計
系統主要檢測一次電壓、一次電流、二次電壓和二次電流四路模擬量。采用電壓和電流互感器分別對一次電壓和電流進行檢測。由于靜電除塵電源二次電壓輸出很高，所以需經電阻分壓，然后通過霍爾電壓傳感器進行檢測，二次電流檢測則采用回路串電阻的方式。這四路檢測型號經過信號調理電路，進入單片機的 A/D轉換口，單片機的 ADC模塊分別對其順序采樣和 A/D轉換。圖 4為一次電流信號調理電路，主要包括整流、比例放大和二階有源濾波三部分。
3.4 液晶顯示模塊設計
為了使裝置的人機接口界面更加友好、直觀，在本裝置中采用中文液晶顯示模塊作為人機接口界面。采用液晶模塊型號為 LCM320240ZK，顯示內容 20×15行，內含 7602個簡體中文字型。但是其工作時序和 80C196單片機不兼容，需要用到 8155擴展。其他管腳則直接與單片機相連接，讀 (E)、寫(R/W)端口分別和 80C196KC單片機的讀、寫信號相連，片選信號(CS1、CS2)由 38譯碼器提供。
3.5 軟件設計
主程序完成整個模塊的控制流程和子程序模塊調用等功能。子程序模塊完成整個裝置的不同功能的實現，包括初始化模塊、液晶顯示模塊、 A/D采集轉換模塊、PID調節穩壓穩流模塊等。其中初始化模塊的主要功能是完成單片機的有關初始化設置，包括有關端口的選通、功能的選擇，以及中斷的允許等。 A/D采集轉換模塊是實現對被測信號的重復采樣，并且在單片機中完成數據轉換。穩壓穩流模塊的功能是采用 PID控制算法并結合 80C196單片機輸出的 D/A電壓信號進行調節，從而實現電壓或電流的穩定，且具有軟啟動功能。
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3.6 火花快速檢測的實現方式
要提高靜電除塵電源的除塵效率，每個除塵反應器都要工作在最佳火花率下。為了實現火花控制，必須檢測火花放電現象。當產生火花放電時，會引起二次電流大幅度增加，利用這一特點就可以采用硬件直接比較的方法，通過 LM393將二次電流反饋值與設定的火花放電閾值進行比較，經 6N138光耦和 RS觸發器后，接至單片機 80C196KC的外部中斷口。由于中斷級別很高（外部中斷 XINT1），當檢測到火花放電時，就執行相應的火花放電程序，記憶當前放電時的運行電壓，并將當前運行電壓降低到設定的火花回壓點，運行電壓再從回壓點以分段上升的方式上升至上次放電時的運行電壓，這樣就保證了靜電高壓除塵電源始終保持在臨界放電電壓狀態。
4. 結語
基于單片機 80C196KC的靜電除塵電源智能控制系統實時響應快、精度高、可監控性好、抗干擾性強，通過實際運行證明，能夠自動跟蹤電場的變化，輸出最佳電暈功率，從而使除塵效率大為提高，具有廣闊的市場應用前景。
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