专利名称：节能型调幅电路及控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电路与它的控制系统，更准确地说本发明涉及一种节能型调幅电路和与之配套的控制系统。
背景技术：
电除尘器的最佳运行，需要为电场建立尽可能高的场强和满足烟尘荷电及自身消耗所需要的合适电流。
采用工频电源及控制装置为电除尘器的运行提供电源，是将电网的单相380V电源送入装置内，通过改变可控硅的导通角改变电源电压，即通过调相实现调压。该工频调压电源送工频变压器进行升压、整流，为电除尘器提供负高压直流脉动电源。通常，为了提高电除尘器的除尘效率，往往努力增加装置内的导通角，以提高运行电压，即提高电除尘器内电场的场强。但随着导通角的增加，在提高电压的同时，也将增加电流，且电流增加的斜率比电压增加的斜率大得多，当导通角增加到某一个值时，电流呈非线性增加，远远超过烟尘荷电所需要的电流，因此，虽然为电场提供了一定的场强，也能够提高电除尘器运行的除尘效率，但同时除少量的电流用于烟气中粉尘荷电外，大量的电流以光能和热能的形式被浪费掉。
采用高频开关电源及控制装置为电除尘器的运行提供电源，是将电网三相380V电源送入装置内，经过整流滤波、逆变得到高频电源，即通过调频实现调压。该高频电源送高频变压器进行升压、整流，为电除尘器提供负高压直流脉动电源。该装置由于频率很高，单个脉冲的电流能量较低，故为电除尘器提供的场强比工频电源装置的高得多，为进一步提高电除尘器的除尘效率、满足新的环保关于烟尘排放标准的要求，做出了贡献。但与常规电源相比，也仅仅提高了除尘效率，并没有降低电除尘器运行电能的消耗，同样存在电能大量浪费的现象。尤其当电除尘器因其绝缘耐压材料老化时，往往通过改变装置内的电源频率、或通过改变电源波形的占空比来调整电压的幅值。前者受与之匹配的电除尘器的本体制约，后者受高频变压器的适应性制约，故只能小范围地调整电源的幅值，且在调整电源频率或改变电源波形占空比的过程中，将增加电除尘器运行电耗，同时也无法让电源充分发挥作用，既造成电能的大量浪费，又影响设备运行的安全性。
电除尘器是一个大的电容体，为电除尘器提供高压电源的变压器是一个大的电感，故它们具有储能特性；但同时它们也是等效电阻，具有耗能特性。在耗能过程中，将产生热能，该热能具有改变电容特性的副作用，并且随着热能的增加，将使得电容的耐压性能降低，此时在可控硅的导通角不变的条件下，运行电压将降低。反之，充分利用这一储能特性，不但提高了电除尘器的除尘效率，而且避免了电能的浪费。高频脉冲电源及控制装置正是根据这一特点，采用节能型调幅电路来实现节能的。因其频率较高，单个波形的能量小，为电除尘器电场建立的场强，具有与高频开关电源装置相同效果，即与工频电源相比，可提高电除尘器的除尘效率，但同时又与高频开关电源有别，在不需要通过调整频率或通过改变电源波形的占空比的前提下，灵活改变高频电源的幅值，既可克服高频开关电源在幅值调整过程中的附加能耗，提高高频变压器的传输效率，降低其发热量，延长其使用寿命；又可大幅度地降低电除尘器的运行电耗，即最大限度地节能。
同样，在冶炼、锻造行业，是通过消耗电能来完成生产过程的，它们需要在不同的温度、不同的强度下、以及各个阶段需要不同的时间来完成原材料的冶炼或锻造。故同样存在电能浪费的现象。若在为冶炼或锻造提供的供电装置中，采用该节能型调幅电路及控制系统(根据不同的控制对象，采用不同的控制软件)，将使得冶炼或锻造原材料的过程中，其运行能耗将大幅度地降低。
发明目的本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种可以大幅度地调整电源电压的范围，在满足设备运行工况需要的前提下，既能提高设备的运行效率；又能降低运行电耗；还能延长设备使用寿命的节能型调幅电路及控制系统。
为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的节能型调幅电路，包括IGBT器件、电感元件、电容滤波电路，其特征在于其由并联的两级电子开关电路组成，其中一级电子开关电路由一只IGBT器件(T1)构成；二级电子开关电路由两只IGBT器件(T2、T3)、一个电感元件(L)、一个电容(C)滤波电路构成。
前述的节能型调幅电路，其特征在于在电路中上述一级电子开关电路中的IGBT器件(T1)的输入端接整流滤波电路的输出端，输出端接高频逆变电路的输入端，控制端受控于多CPU控制单元；上述二级电子开关电路中的一只IGBT器件(T2)的输入端接上述整流滤波电路的输出端，输出端串接电感元件(L)，上述电感元件(L)的输出端接另一只IGBT器件(T3)，同时接电容(C)滤波电路的输入端，上述另一只IGBT器件(T3)的输出端接上述高频逆变电路的输入端。
前述的节能型调幅电路，其特征在于上述电容(C)滤波电路的输出端接地。
前述的节能型调幅电路，其特征在于当负载设备需要高能量电源时，上述一级电子开关电路中的IGBT器件(T1)工作，上述二级电子开关电路中的IGBT器件(T2、T3)关闭；当负载设备需要低能量电源时，上述一级电子开关电路中的IGBT器件(T1)关闭，上述二级电子开关电路中的IGBT器件(T2、T3)工作。
前述的节能型调幅电路，其特征在于当电网电压高于380V时，上述IGBT器件(T1)工作在PWM状态下；当电网电压低于380V时，上述IGBT器件(T1)工作在电平状态下；上述IGBT器件(T2、T3)工作在PWM状态下。
前述的节能型调幅电路，其特征在于上述IGBT器件(T1)的输出范围在0～540V(±10％)；上述IGBT器件(T2、T3)的输出范围在0～540V(-10％)。
节能型调幅电路控制系统，包括下列步骤(1)装置输出的高频脉冲信号，经高频脉冲变压器进行升压整流后，为电除尘器提供高频脉冲电源；(2)装置内三相整流滤波电路将电网380V、50Hz的交流电源，进行整流滤波，得到540V左右的直流电压，为装置提供电除尘器运行需要的、且纹波系数小的高质量的电源；(3)步骤(2)所述的电源作为节能型调幅电路的输入端，并由调幅电路为负载设备提供满足需要的高、低能量的电源，供高频逆变电路进行高频逆变，得到的高频信号送出装置外，施加于高频脉冲变压器的初级，升压后的次级，进行整流，通过改变变压器的匝比，可得到峰值在80kV～200kV范围、高能量平均值在60kV～150kV范围、低能量按需提供的负直流脉动电源，送入电除尘器内部，供建立电场及烟尘荷电使用。
前述的节能型调幅电路控制系统，其特征在于电网三相380V、50Hz电源，施加在整流滤波电路后，得到540V的直流电压，做为调幅电路的输入；当负载设备需要高能量电源时，第一级调幅电路T1工作，第二级调幅电路T2、T3关闭；当负载设备需要低能量电源时，第一级调幅电路T1关闭，第二级调幅电路T2、T3工作；当电网电压高于380V+5％时，T1工作在PWM状态下，使得其为负载设备提供的高能量电源输出保持在540V左右；当电网电压低于380V+5％及以下时，T1工作在电平状态下；当电网电压低于380V-5％及以下时，将向后续电路反馈电源电压偏低的信息，由后续电路根据差额进行调节予以弥补；T2、T3工作在PWM状态下，根据负载设备的实际需要，实时调整PWM的调制频率，为负载设备提供低能量电源；T1的输出在540V+10％、-10％范围内，T2、T3的输出在0～540V-10％范围内，两级调幅电路相互配合，可实现负载设备的无极调压。
本发明的具体工作原理是在整流滤波电路与高频逆变电路之间增加节能型调幅电路及与其配套的控制系统(见图1)。该调幅电路及控制系统由调幅电路、控制电路及为满足电除尘器运行工况需要的、对调幅电路实施控制的软件构成(见图2)，调幅电路由两级电子开关电路三只IGBT器件及电感、电容滤波电路并联组成。一级电子开关电路，由一只IGBT(T1)器件构成，用于对输入电压进行小范围调整，为用电设备提供高能量电源；另一级电子开关电路，由两只IGBT(T2、T3)器件及电感(L)、电容(C)滤波电路构成，用于对输入电压进行大范围调整，为用电设备提供低能量电源；控制系统由80C196KB单片机与信号隔离电路及其控制软件等组成。调幅电路在单片机软件的控制下，相互配合，实现电源装置输出电压的大范围的灵活调整。
调幅电路分为两级。第一级电路仅一只IGBT(T1)，其输入端接整流滤波电路的输出端；其输出端接高频逆变电路的输入端；其控制端受控于多单片机控制单元。第二级电路的一只IGBT(T2)的输入端，接整流滤波电路的输出端；输出端串接电感元件(L)的一端，电感元件(L)的另一端，除作为另一只IGBT(T3)的输入端，还并接一只电容(C)到地；另一只IGBT(T3)的输出端，接高频逆变电路的输入端。
控制电路由80C196KB单片机及其外围电路—多路开关、片选器件、程序存储器、双口RAM、信号驱动隔离器件等组成。单片机的高速输出口信号PWM1、PWM2、PWM3，经过驱动隔离器件后，得到T1、T2、T3的控制信号G1、G2、G3。其中G1控制第一级调幅电路T1，G2、G3控制第二级调幅电路T2、T3。同时，U1Z、U1F经过反馈信号隔离电路，供单片机进行采样、数据处理、调幅信号计算输出、故障识别处理等，并将运行数据量与状态量及控制方式送后台机，或接受后台机监控。
电网三相380V、50Hz电源，施加在整流滤波电路后，得到540V的直流电压，做为调幅电路的输入。当负载设备需要高能量电源时，第一级调幅电路T1工作，第二级调幅电路T2、T3关闭；当负载设备需要低能量电源时，第一级调幅电路T1关闭，第二级调幅电路T2、T3工作。当电网电压高于380V+5％时，T1工作在PWM状态下，使得其为负载设备提供的高能量电源输出保持在540V左右；当电网电压低于380V+5％及以下时，T1工作在电平状态下；当电网电压低于380V-5％及以下时，将向后续电路反馈电源电压偏低的信息，由后续电路根据差额进行调节予以弥补。T2、T3工作在PWM状态下，根据负载设备的实际需要，实时调整PWM的调制频率，为负载设备提供低能量电源。T1的输出在540V+10％、-10％范围内，T2、T3的输出在0～540V-10％范围内，两级调幅电路相互配合，可实现负载设备的无极调压。
该电路的工作波形如图3所示。U1Z为整流滤波输出的直流电压，UF2为T1输出的高能量直流电压，UF1为T2、T3输出的低能量直流电压，且随着负载设备的需要而改变，即UF1与UF2的幅度比实时改变，其高、低能量的占空比t2与t1之间的周期也随着负载设备的需要而改变。
本发明的有益效果是当该调幅电路用于电除尘器电源及控制装置时，可根据电除尘器内部结构、锅炉的形式、锅炉燃烧所用的煤种及燃烧后的灰样的成分、发电机负荷的大小等各种运行工况，充分利用电除尘器的电容特性与高频脉冲变压器的电感特性，在多CPU控制单元的控制下，实时地为电除尘器交替提供高能量电源与低能量电源。当为电除尘器提供高能量电源时，一方面在电除尘器内建立电场，对烟气中的粉尘进行荷电；另一方面对电容体进行充电，将多余电荷储存在电容体中。当为电除尘器提供低能量电源时，一方面利用已建立的电场，对烟气中的粉尘进行荷电；另一方面补充因电除尘器具有电阻特性而消耗掉的电场能量，维持电场的强度。高能量的电源，可以为电除尘器建立较高的场强，让烟气中的粉尘迅速荷电，提高除尘效率；低能量的电源，可作为对储能器件在运行过程中所消耗能量的补充，在满足电除尘器最佳运行所需电能的前提下，最大限度地降低电除尘器的运行电耗。
图1是本发明应用于电除尘器中装置的电原理框图；图2是本发明应用于电除尘器中的电路原理图；图3是本发明中节能型调幅电路的工作波形图；图4是本发明应用于电除尘器中装置的电路结构图；图5是本发明应用于电除尘器中装置的工作波形图；图6是本发明应用于电除尘器中节能型调幅电路控制系统的软件流程图。
具体实施例方式如图4-6所示的本发明节能型调幅电路及控制系统，当该节能型调幅电路用于电除尘器高频开关电源时，将改变电源供电特性，得到节能型电除尘器高频脉冲电源，与多CPU(多片80C196KB单片机组成)控制单元一起，组成节能型电除尘器高频脉冲电源及控制装置(见图4)。该装置为电除尘器提供电源时，将由通过调频实现小范围调压的高频开关电源，演变为通过节能型调幅电路实现大范围调压的高频脉冲电源，在多CPU控制下，既为电除尘器运行提供高能量电源，建立较强的电场，以提高电除尘器的除尘效率；又为电除尘器运行提供低能量电源，充分利用电容、电感的储能特性，将以光能与热能浪费掉的电能节约下来；还能延长电除尘器的运行寿命。
该装置由三相整流滤波电路、节能型调幅电路、高频逆变电路、多CPU控制单元等组成。装置输出的高频脉冲信号，经高频脉冲变压器进行升压整流后，为电除尘器提供高频脉冲电源。装置内三相整流滤波电路将电网380V、50Hz的交流电源，进行整流滤波，得到540V左右的直流电压，为装置提供电除尘器运行需要的、且纹波系数小的高质量的电源，该电源作为节能型调幅电路的输入端，并由调幅电路为负载设备提供满足需要的高、低能量的电源，供高频逆变电路进行高频逆变，得到的高频信号送出装置外，施加于高频脉冲变压器的初级，升压后的次级，进行整流，得到峰值在100kV左右、高能量平均值在72kV左右、低能量按需提供的负直流脉动电源，送入电除尘器内部，供建立电场及烟尘荷电使用。
该装置在多CPU控制单元的控制下，随着电除尘器运行工况的变化，装置始终为电除尘器提供运行所允许的高能量电源，建立高强度的电场，最大限度的提高除尘效率，其工作波形见图5。电网三相380V工频交流电源送入装置后，经过整流滤波电路，得到波形U1Z；经过节能型调幅电路，得到波形U1F，当电网电压高于380V+5％时，为电除尘器提供高能量电源的T1(其幅值如0～t1之间的U1F幅度)，其控制极G1是PWM调制脉冲驱动，反之，G1是电平驱动；根据电除尘器运行需要，为电除尘器提供低能量电源的T2、T3，输出的电源幅度，可能是t1～t2段的值，也可能是t3～t4值；经过高频逆变电路，得到波形U1；经过高频脉冲变压器及整流，得到波形-U2、I2。从波形图可见，该装置与高频开关电源及控制装置(为电除尘器电场提供的仅有0～t1高能量的波形，而无t1～t2或t3～t4低能量的波形)相比，显然为电除尘器电场提供的电能要少得多。
节能型调幅电路及控制系统的控制单元是80C196KB单片机系统，其软件流程见图6。该软件流程图由主程序、一级调幅程序、二级调幅程序、A/D采样及数据处理程序、故障识别及处理程序、数据交换程序等组成。
主程序完成的任务是在开机通电后，进行程序初始化工作，清除或设置相关标志位；接着进行单片机系统自检查，再进行装置内硬件电路检查。当检查通过后，等待运行命令。接到装置运行命令后，程序根据电网电源的幅值范围及电除尘器运行的工况，交替进行一级调幅程序运行，或二级调幅程序运行。在调幅程序运行的同时，分别对U1Z、U1F、U1、I1进行A/D采样、数据处理、故障识别、故障处理、以及与后台机进行数据交换等。
一级调幅程序完成的任务是为电除尘器运行提供高能量电源。此时，当电网电压高于380V+5％时，驱动T1的控制极G1是PWM调制脉冲，将为电除尘器提供的电源幅值控制在绝缘耐压允许范围内，以保护设备的安全；当电网电压低于380V+5％时，驱动T1的控制极G1是电平；当电网电压低于380V-5％时，将向后台机发出欠幅值信号，供后台机智能化处理。
二级调幅程序完成的任务是为电除尘器运行提供低能量电源。此时，驱动T2的控制极G2是PWM调制脉冲，驱动T3的控制极G3是电平。在单片机的控制下，根据电除尘器的运行工况，通过调整T2的调制频率与占空比，实时地为电除尘器提供合适的低能量电源。
两级调幅程序交替为电除尘器提供高低能量电源，因而实现提效节能。
A/D采样及数据处理程序的任务是对运行过程中U1Z、U1F、U1、I1进行实时采样。其中U1F高能量与低能量的采样值分别进行数据处理，当其高能量的幅度超过上限值时，为T1的控制建立PWM调制标志，反之提供电平标志；U1、I1的采样值，在进行数据处理时得到有效值，同时得到峰值与谷值，供后台机进行综合数据分析。
故障识别及处理程序的任务是在进行数据处理过程中，根据运行数据及工作状态的变化，参照其它单片机采集的对应数据，进行故障识别。当出现故障时，建立故障标志，同时程序将转入故障处理程序，根据故障的性质，进行相应处理；当出现故障趋势时，建立故障趋势标志，供下次故障识别时参考。
数据交换程序的任务是将运行过程中的实时数据及运行状态，送后台机，或接受后台机对装置进行参量设定或控制。
该装置在多CPU控制单元的控制下，随着电除尘器运行工况的变化，装置始终为电除尘器提供负载设备所允许的高能量电源，建立高强度的电场，最大限度的提高除尘效率，与常规工频电源相比，除尘效率可提高40％左右，即在经过常规电源实现的除尘效率的基础上，剩余部分的烟尘又被除掉40％左右，或在常规电源达到的烟尘排放的基础上，进一步降低烟尘排放高达40％左右；同时为电除尘器提供负载设备所合适的低能量电源，以满足烟尘荷电所需要的电流及负载设备本身所消耗的电能，最大限度地节约电能，与常规电源相比，可降低电除尘器运行电耗高达70％以上。
截止2005年底，全国火电装机容量高达5.08亿万千瓦，其中绝大部分采用电除尘器进行除尘，电除尘器运行电耗占机组容量的0.2％左右，按年均发电运行6000小时计算，每年将用于电除尘器运行的电能高达60亿千瓦时，每千瓦时消耗标准煤平均按360克计算，每年供电除尘器运行所消耗掉的标准煤高达216万吨！若采用具有节能型电除尘器供电装置，按照节能幅度70％计算，每年将节约标准煤高达150万吨。
上述实施例不以任何方式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.节能型调幅电路，包括IGBT器件、电感元件、电容滤波电路，其特征在于其由并联的两级电子开关电路组成，其中一级电子开关电路由一只IGBT器件(T1)构成；二级电子开关电路由两只IGBT器件(T2、T3)、一个电感元件(L)、一个电容(C)滤波电路构成。
2.根据权利要求1所述的节能型调幅电路，其特征在于在电路中上述一级电子开关电路中的IGBT器件(T1)的输入端接整流滤波电路的输出端，输出端接高频逆变电路的输入端，控制端受控于多CPU控制单元；上述二级电子开关电路中的一只IGBT器件(T2)的输入端接上述整流滤波电路的输出端，输出端串接电感元件(L)，上述电感元件(L)的输出端接另一只IGBT器件(T3)，同时接电容(C)滤波电路的输入端，上述另一只IGBT器件(T3)的输出端接上述高频逆变电路的输入端。
3.根据权利要求2所述的节能型调幅电路，其特征在于上述电容(C)滤波电路的输出端接地。
4.根据权利要求2所述的节能型调幅电路，其特征在于当负载设备需要高能量电源时，上述一级电子开关电路中的IGBT器件(T1)工作，上述二级电子开关电路中的IGBT器件(T2、T3)关闭；当负载设备需要低能量电源时，上述一级电子开关电路中的IGBT器件(T1)关闭，上述二级电子开关电路中的IGBT器件(T2、T3)工作。
5.根据权利要求2所述的节能型调幅电路，其特征在于当电网电压高于380V时，上述IGBT器件(T1)工作在PWM状态下；当电网电压低于380V时，上述IGBT器件(T1)工作在电平状态下；上述IGBT器件(T2、T3)工作在PWM状态下。
6.根据权利要求1所述的节能型调幅电路，其特征在于上述IGBT器件(T1)的输出范围在0～540V(±10％)；上述IGBT器件(T2、T3)的输出范围在0～540V(-10％)。
7.节能型调幅电路控制系统，包括下列步骤(1)装置输出的高频脉冲信号，经高频脉冲变压器进行升压整流后，为电除尘器提供高频脉冲电源；(2)装置内三相整流滤波电路将电网380V、50Hz的交流电源，进行整流滤波，得到540V左右的直流电压，为装置提供电除尘器运行需要的、且纹波系数小的高质量的电源；(3)步骤(2)所述的电源作为节能型调幅电路的输入端，并由调幅电路为负载设备提供满足需要的高、低能量的电源，供高频逆变电路进行高频逆变，得到的高频信号送出装置外，施加于高频脉冲变压器的初级，升压后的次级，进行整流，通过改变变压器的匝比，得到峰值在80kV～200kV范围、高能量平均值在60kV～150kV范围、低能量按需提供的负直流脉动电源，送入电除尘器内部，供建立电场及烟尘荷电使用。
8.根据权利要求7所述的节能型调幅电路控制系统，其特征在于电网三相380V、50Hz电源，施加在整流滤波电路后，得到540V的直流电压，做为调幅电路的输入；当负载设备需要高能量电源时，第一级调幅电路T1工作，第二级调幅电路T2、T3关闭；当负载设备需要低能量电源时，第一级调幅电路T1关闭，第二级调幅电路T2、T3工作；当电网电压高于380V+5％时，T1工作在PWM状态下，使得其为负载设备提供的高能量电源输出保持在540V左右；当电网电压低于380V+5％及以下时，T1工作在电平状态下；当电网电压低于380V-5％及以下时，将向后续电路反馈电源电压偏低的信息，由后续电路根据差额进行调节予以弥补；T2、T3工作在PWM状态下，根据负载设备的实际需要，实时调整PWM的调制频率，为负载设备提供低能量电源；T1的输出在540V+10％、-10％范围内，T2、T3的输出在0～540V-10％范围内，两级调幅电路相互配合，可实现负载设备的无极调压。
全文摘要
本发明涉及一种节能型调幅电路和与之配套的控制系统。包括IGBT器件、电感元件、电容滤波电路，并联的两级电子开关电路组成，其中一级电子开关电路由一只IGBT器件(T1)构成；二级电子开关电路由两只IGBT器件(T2、T3)、一个电感元件(L)、一个电容(C)滤波电路构成。当该调幅电路用于电除尘器电源及控制装置时，可根据电除尘器内部结构、锅炉的形式、锅炉燃烧所用的煤种及燃烧后的灰样的成分、发电机负荷的大小等各种运行工况，充分利用电除尘器的电容特性与高频脉冲变压器的电感特性，在多CPU控制单元的控制下，实时地为电除尘器交替提供高能量电源与低能量电源。
文档编号B03C3/68GK101043184SQ20061009781
公开日2007年9月26日 申请日期2006年11月14日 优先权日2006年11月14日
发明者付启文, 袁天明, 夏庆 申请人:国电南京自动化股份有限公司