高电压技术应用FPGA的静电除尘电源控制器设计曹显奇，赵明，刘海江（辽宁科技大学，按山114051）场可编程门阵列（FPGA）技术的静电除尘电源控制器，并介绍了以Cyclone系列的EP1C12Q240C6芯片为控制核心，采取二折线火花跟踪控制算法，应用VHDL硬件描述语言实现的静电除尘电源控制器的系统结构和工作原理。通过是针对主电路为可控硅相控交流调压供电方式（采用IGBT调压方式在大功率时不稳定）的静电除尘电源控制器结构框图。图中/a、Ua、Ib、Ub分别为从升压变压器的初、次级采样的电流和电压信号，T为变压器油温。通过多路开关分别经V/F变换（模拟量变换成频率信号）、光电隔离、等精度测频等来实现模拟量的检测。等精度测频、信号综合、火花跟踪控制等虚线内的功能模块由一片EP1C12Q240C6芯片实现。q为可控硅移相脉冲输一片公司系J列心变压器二搬火花发生时5%e来确定。趾中中g10Hmss是！0H频信号的半个1.2工作原理1.2.1除尘效率除尘效率由多依奇公式n=1-e-Av/Q表示，其中：A为集尘极的面积；Q为气体流量；v为尘粒有效驱进速度，与电晕功率成正比，即正比于电晕电流和极间电压的乘积。电晕电流、电晕功率通常在接近火花放电状态时，随着电压的升高而急剧增加。

　　静电除尘器的峰值电压每增加1%c，电晕电流就增加5%，电晕功率就增加5. 5%110，111.因此，在A和Q不变时，提高峰值电压即可提高除尘效率。但供电电压幅值不能无限提高，当升高到一定值时，电晕极和集尘极间会产生火花放电，若不及时降压将发生电弧放电，从而损坏电极，这是不允许发生的1121.为了提高除尘效率同时减小对电极的损伤，除尘器应工作在适当的火花放电状态。大量的现场运行经验表明，每个除尘器都存在一个最佳火花率，在该火花率下除尘效率可达到最大值，此时电源电压处于火花放电的临界状态|131，且除尘效率提高所获得的效益恰能补偿火花放电所造成的电极损失。

　　1.2.2火花跟踪控制为保证最高除尘效率同时减小对电极的损伤，需寻求一个最佳的电源电压控制规律，即电压控制曲线。首先，电场内粉尘介质产生火花击穿后，其电极绝缘强度有一个恢复过程，恢复时间与原火花强度及电场风速有关。此恢复过程用介质绝缘强度与时间的函数来描述，称为介质恢复曲线1141.因此，电压控制曲线不能超出这条曲线。火花产生后，由可控硅调压进行降压保护，此后的电压上升过程要求趋近于介质恢复曲线，以避免过早地引发第二次火花。实际应用中，经常采用二折线的电压控制规律来逼近电压控制曲线，称为二折线火花跟踪曲线，如所示。

　　实际控制中，一旦发生火花，就会迅速关闭可控硅整流输出的一个周波，即电压迅速下降，使除尘器的本体电场不再处于火花状态。之后，分为二段计算可控硅导通角的增量（即快速升压段和慢速升压段），使电压上升到电压回压点直至再次发生火花。

　　这样，除尘器的电源电压总是趋近于电压控制曲线，保证了静电除尘器的最佳工作状态。

　　1.2.3二折线火花跟踪算法实现二折线火花跟踪控制，关键是电压回压点和2个升压阶段的可控硅导通角增量的确定。可控硅导通角增量随火花率（一般人为设定）的不同而改变。将火花频率作为可变参数引入控制算法，为寻求‘最佳火花率“奠定了基础。电压回压点根据升压由于除尘电源电压的直接控制量是可控硅的导通角，以下讨论电压回压点与可控硅导通角之间的关系。可控硅输出电压有效值的计算式为1151控硅触发前二次电压全电压波形的有效值；e为可控硅导通角。式（1）整理后得到1161设U2恢复到火花时85%时刻可控硅的导通角为0x%c，其中为导通角的变化率，则%）相对比较小，可忽略不计，从而得到x%=7225%.可见，当可控硅导通角变化到发生火花时的72 25%时，二次电压升到火花电压的85%.据此可控硅移相脉冲实现二折线火花跟踪控制。在除尘电压慢速升压段，可控硅导通角e慢慢增大，从上次发生火花时的可控硅导通角ft的72. 25%，即fi开始，经历ft，…，最后达到本次发生火花时的导通角ft，导通角的变化如所示。

　　由于对可控硅导通角的直接控制量是触发脉冲，因此实现二折线火花跟踪控制实质上是触发脉冲的移相跟踪。因为1min为6 000个10ms（50Hz工频信号半个周波），每个10ms都会发出一个触发脉冲给可控硅，所以，在慢速上升的过程中是每隔10ms给出一个并有移相的触发脉冲。如果火花率设为M，那么每两个火花之间的步数是6每一步所移相的角度为一个固定值A0.由电压回压点对应的7225%ft，两边同除以A0，则得到C=72. 25%Cs，其中C、Cs分别是导通角ft、ft对应的触发脉冲的移相步数，是相对两个火花间隔而言的。可见，当可控硅导通角为发生火花时的7225%时，可控硅触发脉冲移相的步数也为发生火花时的72.25%，此时的电源电压对应为发生火花时电压的85%，从而实现了二折线火花跟踪控制。

　　1.2.4工作过程主控EP1C12Q240C6芯片将检测到的/a、Ua、/b、Ub和T信号送到综合模块综合处理，并与设定的参数极限值比较。若发生故障则由故障处理模块分析、判断与处理，并给出故障类型在显示器上显示；若无故障，火花跟踪控制模块、整定火花率模块和数控分频器模块根据输入的火花率计算出脉冲移相的A0，并通过移相脉冲输出模块不断增大可控硅的导通角，直至发生火花。在封脉冲的同时，记录步数为Cs.由72 25%Cs计算出电压回压点对应的G.以后的控制过程为：通过检测Ub的急剧下降来判断出火花的发生后，立即关断可控硅一个周波（用于介质恢复），然后从对应的脉冲移相值开给出脉冲直至下一次火花，这样，周而复始，从而实现二折线火花跟踪控制。火花率的调节范围为50~200 2的电源控制器。给出的是采用二折线火花跟踪控制时，发生火花前后可控硅触发脉冲的仿真波形。

　　中，clk为整形后的工频信号，clkin是电路的时钟频率为20MHz，en为火花信号，n为通过键盘输入的火花率M（n设为120），cclk为控制导通角变化量的频率（即周期为A0），q为可控硅触发脉冲。

　　由（a）可见，在除尘器工作开始时，控制器根据键盘输入的火花率M得到cclk，且cclk只在clk为‘1’时有输出，并且与clk同步，以减小计数时的误差。当发生火花现象时，en置为高电平，q此时无输出，即可控硅关闭一个周波（20ms）；当火花现象消失后，q从电压回压点开始有脉冲输出。

　　和4（c）分别表示发生火花前后箭头所指处的脉刘海江冲放大图。可见，（b）输出脉冲q的宽度为35个cclk脉冲信号，（c）输出脉冲宽度25个，近似为7225%的关系。实现了二折线火花控制规律。

　　述控制器，在工作时实测的发生火花前后的脉冲波形，可见与（a）中的仿真波形相符。

　　3结语本文采用先进的FPGA技术手段，以全硬件的控制方式实现了静电除尘电源控制器，从本质上提高了系统的安全与可靠性。通过实验室的全面仿真狈J试及实际电路的实测，证明了方案的可行性，为静电除尘电源控制器的新型产品开发提供了基础。