第２１卷 Ｖ０１．２１ 第１期 Ｎｏ．１ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１３年１月 Ｊａｎ．２０１３
一种新型静电除尘用高频高压电源的设计
刘钰华 ，曾庆军 ，陈峰
（１．江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江２１２００３；２．镇江天力变压器有限公司江苏镇江２１２４００）
摘要：提出了一种基于ＤＳＰ的新型静电除尘（ＥＳＰ）用高频高压电源设计方案。给出了电源的主电路、控制电路以及
各采样电路的设计过程。电源主电路由ＩＧＢＴ，（ＦＺ９００Ｒ１２ＫＥ４）构成的Ｈ桥式电路组成：控制电路采用数字信号处理器 ＤＳＰ（ＴＭ￥３２０Ｆ２８１２）为核心；采样电路主要采集三相进线电流、逆变输出电流、变压器油温及ＩＧＢＴ的温度等。实验表
明，该静电除尘用高频高压电源运行稳定可靠，能够满足静电除尘的要求。
关键词：静电除尘器（ＥＳＰ）；高频高压电源；数字信号处理器（ＤＳＰ）；控制电路；采样电路
中图分类号：ＴＭ８３５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１３）０１—０１０７—０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ０ｆ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｆｏｒ
ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ
ＬＩＵ Ｙｕ—ｈｕａ ，ＺＥＮＧ Ｑｉｎｇｊｕｎ ，ＣＨＥＮ Ｆｅｎｇ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２００３，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ Ｔｉａｎｌｉ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ＣＯ．，ＬＴＤ，Ｚｈｅ ２１２４００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｈｉｇｈ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ
ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ Ｈ ｂｒｉｄｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩＧＢＴ（ＦＺ９００Ｒ１２ＫＥ４），ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ａｄｍｉｎｉｓｔｅｒｅｄ
ｂｙ ｔｈｅ ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２）．Ｔｈｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｌｉｎｅ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ
ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｏｉｌ ａｎｄ ＩＧＢＴ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ
ＥＳＰ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｓｔｅａｄｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ；ｈｉｇｈ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ；
ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ
现阶段，我国燃煤电厂除尘设备中９５％以上采用电除
尘器，而电除尘器中普遍采用工频电源【”，但工频电源的火
花控制特性差，花火能量大，电场恢复慢，导致无效除尘时
间长，造成电源除尘效率低。并且同一烟道中必须采用至少
四级电场（四套电源）依次除尘，才能满足我国烟气污染物
排放标准［２１。高频电源的成功开发应用能很好的解决工频电
源的不足，其除尘效率高，电源体积小，电能利用率高，它突
出的优点逐渐被业内所肯定。但目前国内所研制的电除尘
用高频高压电源还停留在中小功率阶段．其输出电流普遍
偏低，导致电场内的粉尘荷电能力仍然偏低，除尘效率不能 得到很大的提高。
本文所研究的静电除尘用高频高压电源克服了这些缺
点，输出电压可达８０ ｋＶ，输出电流达到了１ ２００ ｍＡ，能满足
我国在２０１１年７月颁布的ＧＢ １３２２３—２０１１《火电厂大气污染
物排放标准》中规定的燃煤电厂烟尘排放浓度限制降低到
３０ ｍｇ／ｍ 的严格要求。
收稿日期：２０１２—０９—０２ 稿件编号：２０１２０８１８２
基金项目：江苏省科技支撑计划项目（ＢＥ２０１２１４６） １高频高压电源主电路设计
图１为静电除尘用高频高压电源的主电路结构框图。主
电路主要由交流电抗器、三相整流桥、滤波电容、ＩＧＢＴ全桥
逆变电路、高频升压变压器、高压整流硅堆组成。 其中交流电抗器可以有效抑制开机（合闸）瞬间所产生
的浪涌电流和ｄｉｌｄｔ，同时用来平滑电源电压中包含的尖峰脉
冲和平滑桥式整流电路换相时产生的电压缺陷［３１；整流桥采
用三相不可控整流模块；滤波电容Ｃ．用来降低交流脉动波纹
系数。使输出的直流更加平滑，同时吸收电子电路工作过程
中产生的电流波动和经由交流电源传人的干扰：本系统要求
逆变器输出频率为２０ ｋＨｚ，容量为１００ ｋＶＡ．所以逆变器的
功率开关管采用ＩＧＢＴ（绝缘栅双极晶体管），它集成了
ＭＯＳＦＥＴ的快速性和ＧＴＲ的大容量的优点 ，满足本系统的
要求：高频升压变压器为镇江天力变压器有限公司生产的
ＤＨＲ１３系列，其额定输出电压达８０ ｋＶ，额定输出电流达
１ ２００ ｍＡ，经过高压硅堆为负载提供直流电。
作者简介：刘钰华（１９８７一），男，河南商丘人，硕士研究生。研究方向：电力电子装置与系统。
—．
１０７－ 《电子设计工程）２０１３年第１期
三相整流 ＩＧＢＴ 高压硅堆
．器 厂 Ｃ１
： 变 电 除 尘 器
图１ 电除尘器主电路结构框图 Ｆｉｇ．１ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ２高频高压电源控制电路设计 善 会墨
控制系统采用ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２）统一管理，主要包括 压、逆变器输出电流、变压器油温和ＩＧＢＴ温度检测信号作
各保护电路和采样电路控制，逆变控制系统及驱动，其中逆 为保护信号；此外，ＤＳＰ中心控制系统完成ＩＧＢＴ驱动信号
变控制系统嵌入到ＤＳＰ的中心控制系统。 的生成．系统的通信等功能。图２给出了ＤＳＰ的控制系统结
除尘器的输出电压、输出电流和变压器一次侧电流的 构框图。
三相整流 ＩＧＢＴ 高压硅堆
图２ ＤＳＰ的控制系统结构框图 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＤＳＰ
３采样电路设计
在采样电路中，为了避免各种干扰信号随着被测量信号
进人ＤＳＰ控制系统。造成控制系统的不稳定以及采样精度的
降低。同时也为了ＤＳＰ控制系统和主电路系统之间实现很好
的隔离．本系统采用美国ＨＰ公司推出的高精度线性光耦
ＨＣＮＲ２０１，来进行光电隔离，它具有成本低，线性度高，稳定
性好等优点ｍ。其典型电路如图３所示。
图３线性光耦ＨＣＮＲ２０１典型应用电路 Ｆｉｇ．３ Ｔｙｐｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ Ｌｉｎｅａｒ ｌｉｇｈｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ＨＣＮＲ２０１
光耦输出电压和输入电压之间关系计算公式为：
ｌ＝ ／Ｒｌ
Ｋ＝Ｉ ｛Ｉ
ｏＵｒ＝，Ｉ＝位 ２
－１０８－ 电 除 尘 器
０【『ｒ， ＝Ｋ （ ｄＲ１） （１）
式中Ｋ的为光耦合器变换增益。其典型值为１。这里取
Ｒ１＝Ｒ２，可得到 Ｍ＝
３．１电流采样电路设计
三相进线电流采样电路和逆变电流采样电路基本一致，
这里以三相进线电流采样电路为例进行介绍．其电路原理图
如图４所示 电流霍尔传感器采用茶花公司生产的ＣＳＭ３００ＬＴＡ．其转
换率为１：２ ０００。本系统额定工作时．三相进线端线电流约为
１７７ Ａ，电流霍尔传感器输出约为８８．５ ｍＡ的电流，取电阻
Ｒ。２＝３０ Ｑ，使其采集到的电流经过电阻ＲＩ２’转换为约为２．７ Ｖ
的电压信号，经过绝对值电路，转换为直流电压信号，用线性
光耦ＨＣＮＲ２０１进行隔离．送到ＤＳＰ中进行处理。本电路线性
光耦两端电压相等，即采样输出电压值Ｉｐｈ＿ｏｕｔ约为２．７ Ｖ，
且随霍尔传感器采集值的变化而线性变化。 用三相调压器调节三相输入电压。使相电压从零慢慢上
升至额定值２２０ Ｖ，同时用示波器测量Ｉｐｈ—ｉｎ和Ｉｐｈ＿ｏｕｔ两点
的正向电压峰值．其测量数据如表１所示，用Ｍａｔｌａｂ对数据
进行数据拟合处理，得到电流采集信号输入和输出之间的关
系曲线如图５所示。
刘钰华．等 一种新型静电除尘用高频高压电源的设计
电 传
图４三相进线电流采样电路 Ｆｉｇ．４ Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｌｉｎｅ ｃｕｒｒｅｎｔ 表１电流采样电路输入和输出数值 ３．２温度采样电路设计
Ｔａｂ．１ Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｄａｔａ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ
３
２．５
２
＝ ０ １．５
一 ｌ
０．５
０ 电流采样电路输入一输出之问的关系曲线
／
／
／
／
／。 由于电除尘器的高频高压电源安装在电除尘设备的塔
顶上，其周围环境温度往往很高。特别是在炎热的夏天，环境
温度达到４０多度，电源本身也产生很大的热量。而变压器油
和ＩＧＢＴ对温升要求又很高，绝对不能超过其允许温升范围，
否则会产生很大的事故。因此必须对变压器油和ＩＧＢＴ温升
进行精确的在线检测。为了提高温度的采样精度，本系统采
用ＰＴＩＯ０采集温度．通过电阻桥使温度信号转换成电压信
号，工作原理如图７所示。
图５ 电流采样电路输入输出之间的关系曲线 Ｆｉｇ．５ Ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ 当其三相输入电压为额定值时，Ｉｐｈ—ｉｎ和Ｉｐｈ＿ｏｕｔ两点
的波形如图６所示。曲线２为霍尔传感器输出的交流电压信
号，曲线ｌ为采样电路最后输出的直流电压信号。由Ｉｐｈ—ｉｎ 由图７可得： 和Ｉｐｈ＿ｏｕｔ之间的关系曲线和其波形可知电路的正确性和准
确性。
！’ ！…：一 ： ！ ：
兰： 羔
徐 ．
－ ｌｌｌ＿＿ｌ 。。 ０
Ｍ●——●—●●■日●—————■ 图６电流采样电路输入输出波形 Ｆｉｇ．６ Ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ 经整理得： ＶＣＣ
ＧＮＤ 图７电桥电路 Ｆｉｇ．７ Ｂｒｉｄｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
一－ 一 Ｒ２＋Ｒ４
－一 （２）
（３）
由式（３）可得如果取Ｒ 为１００ ｎ，则当环境温度为０摄
氏度时（此时ＰＴ１００阻值为１００ ｎ）， 广 Ｏ，随着所测温度
升高，ＰＴ１００阻值变大，而 ， 一也变大，通过检测 广 的
大小．即可知道ＰＴ１００所检测的温度。为了消除电阻本身误
差，实际应用电路如图８所示。
由于采集到的 ＋－ 一值很小．很难直接进行测量，必须进
行足够的放大，为了抑制共模干扰，本电路选择ＡＤ６２０仪用
放大器进行设计，设计放大倍数为３０倍左右。温度采样电路
如图９所示。ｔｅｍｐ＿ｏｕｔ输出的电压和ＰＴＩＯ０测得的温度成线
性关系．通过测量ｔｅｍｐ＿ｏｕｔ的电压大小即可知ＰＴ１００测得的
一
】０９－