Abstract：A kind of high-voltage and inverter power for ESP is introduced. The composition of the power and the working principles of main circuit and controlling circuit are described. At the same time, the software of the system is also introduced in this paper.

Keyword：Electrostatic precipitator High-Voltage and Inverter 

0    引言

    随着工业粉尘及废气排放量的日益增加，其对环境的污染也越来越严重，特别是在冶金、矿山、建材、化工等行业中。众所周知，应用静电除尘器能够有效地收集起这些粉尘，但是，常规的高压静电除尘装置体积庞大、笨重，使用不便，因此，减小高压静电除尘装置的体积与重量就显得尤为重要。

    近年来，伴随着电力电子技术的飞速发展，特别是新一代功率电子器件如IGBT,MOSFET等的应用，高频逆变技术越来越成熟，各种不同类型和特点的电路广泛地被应用于DC/DC与DC/AC等场合。在这一前提下，设计一种高压逆变电源代替常规高压电源，达到减小高压电源装置的体积与重量的目的已成为可能。同时其使用效果、输出特性和成本等也都比常规高压电源装置具有明显的优势，系统效率也得到了一定程度的提高。

1    系统硬件设计

1.1    电源主体结构

    图1所示为高压逆变电源的电路组成框图，它主要包括主电路及控制电路两部分。主电路主要包括配电开关、工频整流器、斩波器、滤波器、IGBT桥式逆变器、保护电路、高频高压变压器、高频高压硅堆（高频整流器）等部分。控制电路主要包括电流、电压、火花率采样及其处理单元，PWM信号产生和驱动电路，单片机控制器，参数输入键盘及液晶显示，通信接口等部分。

图1    电源结构图

1.2    主电路的工作机理

    主电路的工作原理如图2所示，高频逆变器中的功率开关管采用IGBT（绝缘栅双极晶体管）。它是将MOSFET和GTR的优点集于一体的新型复合器件，具有MOSFET的高输入阻抗、可用电压驱动，GTR的通态功耗低等优点。

图2    主电路原理图

    图2中交流电压经整流—斩波器调压—滤波后得到直流电压U₁，将U₁加到全桥式高频逆变器上。D₁～D₄与功率开关管S₁～S₄反向并联，承受负载产生的反向电流以保护开关管。C₁～C₄及R₃～R₆以及D₅～D₈的引入是为了避免4个开关管在关断时过高的电压上升率和减少管子的关断损耗。当栅极脉冲信号轮流驱动S₁、S₄或S₂、S₃时，逆变主电路把直流电压U₁转换为20kHz的高频矩形波交流电压送到高频高压变压器，经升压整流滤波后给负载（电除尘器）供电。控制S₁、S₄和S₂、S₃两组IGBT的占空比，就可得到脉宽可调的矩形波交流电压。

1.3    控制电路的工作机理

1.3.1    单片机控制器

    为了使整个电源系统具有自诊断和人机交换式的控制功能，该电源选用PHILIPS系列单片机80C552，主要负责实时监控和与上位机进行数据通信的任务。当除尘器处在工作状态时，单片机一方面定时采集其反馈的电流电压值，通过A/D转换通道将其读入，并通过一定算法得出控制量Uk，通过单片机输出控制量给脉宽调制控制器，进而改变调制脉冲宽度；另一方面可以实现根据用户的需求改变电源的外特性，如恒流，恒压，缓降等。另外，单片机还定期地将本电源的输出电流、输出电压、火花率等信息传递给上位机，将故障信息由串口发向上位机，以示警告，同时接收来自上位机的控制命令，使自身投入或退出工作或改变工作参数。

1.3.2    脉宽调制控制器

    脉宽调制控制器电路如图3所示，它的作用主要是为驱动电路提供控制脉冲以实现PWM控制。其核心是产生PWM信号的专用集成芯片SG3525A。SG3525A是电压型PWM集成控制器，外接元器件少，性能好，具有外同步、软启动、死区调节、欠压锁定、误差放大以及关闭输出驱动信号等功能。其内部结构主要包括基准电压源、欠压锁定电路、锯齿波振荡器、误差放大器和脉宽调制比较器5部分。

图3    脉宽调制控制电路

2    系统软件设计

    各电源模块的单片机都有独立的主程序以及与上位机的通信程序，数据采集子程序等。限于篇幅，本文只讨论电源模块的主程序及通信子程序的软件结构。主程序流程图如图4所示，数据通信子程序流程图如图5所示。

图4    主程序流程图

图5    数据通信子程序流程图

    电源模块的软件主要完成以下功能：接收上位机发送的数据和指令；向上位机传递数据；完成对电源输出的实时监控；根据用户需求进行各种外特性的控制。

3    实验及分析    

3.1    主逆变桥PWM调节对效率影响研究及规范调节方式的确定

    如图6所示，该电源在输入电压相同的情况下，占空比<50％时，随着占空比的增大，效率也增大；在占空比>50％时，随着占空比的增大，效率降低。由此可见，如果大范围地进行占空比调节，将会使电源进入效率很低的区域，而占空比在40％～70％时，效率较高。为此通过调节斩波电路占空比的方式控制直流母线电压，可以达到高效率的目的。

图6    不同占空比时的效率曲线

3.2    现场实验测试

    实验条件：电除尘器极板面积250m2，极间距150mm，占空比60％，频率18.6kHz。

    实验结果：图7为输出电压与输入电压的对应关系，图8为输出电流与输入电压的对应关系。当输出电压达到58kV（此时电流82mA）时除尘器开始发生闪络现象,达到了设计要求。

图7    输出电压与输入电压关系

图8    输出电流与输入电压关系

4    结语

    1）通过主逆变桥PWM调节对效率影响研究所确定的，由斩波电路对直流母线电压进行调节的方式是可行的；

    2）该电源在大大减小体积的同时重量也大为减少，较传统的电源而言其对电能的利用率也有所提高，对除尘器的控制也比传统的电源方便，同时还可和工控机进行数据通信，实现了对除尘器的远程控制。