一种静电除尘器系统的火花闪络检测电路的制作方法

本发明属于环保设备技术领域，特别地涉及一种静电除尘器系统的火花闪络检测电路。

背景技术

在人类的生产活动中，随着生产规模的扩大，环境污染如水污染、空气污染、废物污染、化学污染、噪音污染、热污染等日趋严重，在空气污染物中粉尘是主要污染物之一。现如今环保话题已经进入到大众的焦点里，环保已经成为各行各业的讨论热点，在空气治理领域，国家也出台了一系列政策，推进环保产业的全面建设与发展。高压除尘电源拥有除尘效率高、清洁能力强、而且不会对环境造成二次污染等特点，因此在空气除尘方面有着独特的优势。

目前绝大多数运行的电除尘器都是通过运行人员根据机组运行情况手动运行的。这种手动运行方式的弊端是很明显的，如果电除尘器运行电压控制太低的话，就有可能导致烟气排放浓度达不到排放标准。其次，大部分电除尘电源控制芯片工作电源是直接通过市电降压得来，增加了电源的损耗，从而降低了电源整体的效率。

因此，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

技术实现要素：

本发明鉴于现有技术的不足，提供了一种静电除尘器系统的火花闪络检测电路，用以更好地对电除尘器的输出工况进行控制。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种静电除尘器系统的火花闪络检测电路，包括逻辑芯片u2、二极管d9～d12、电阻r18～r23、电容c11～c12、npn型三极管q7～q8、火花感应电感l2；逻辑芯片u2的第1引脚与第2引脚、第二十一电阻r21的一端、第十二电容c12的一端连接，第3引脚与第4引脚连接，第5引脚与第1引脚连接，第6引脚与第9引脚、第10引脚、第十二电容c12的另一端连接，第7引脚接地，第8引脚与npn二极管q8的基极连接作为该检测电路的输出端fire_flag，第10引脚、第十二电容c12的另一端连接，第12引脚与第13引脚、第二电感l2的一段、第十八电阻r18的一段、第九二极管d9的阳极、第十一电容c11的两端、第二十电阻r20的两端、第十一二极管d11的两端、npn型三极管q7的发射极连接并接地，第14引脚接5v电源；第二电感l2的另一端与第十八电阻r18的另一端、第十九电阻r19的一端连接，第十九电阻r19的另一端与第九二极管d9的阴极、第十二极管d10的阳极、npn三极管q7的基极连接，第十二极管d10的阴极与npn三极管q7的集电极连接并接5v电源，第二十一电阻r21的另一端接地，npn三极管q8的集电极与第二十三电阻r23的一端、第十二二极管d12的阳极连接，npn三极管q8的发射极与第十二二极管d12的阴极连接并接地，第二十三电阻r23的另一端与5v电源连接；所述的逻辑芯片u2型号为sn74hc00，第十二二极管d12为led二极管，第二电感为火花检测电感；所述的5v电源由高压电源的辅助电源提供。

本发明具有的有益效果：

本发明的静电除尘器系统的火花闪络检测电路可以根据电除尘器的输出工况对电源输出进行火花闪络检测，提高了电除尘器的整体除尘效率，操作方便、安全、具有一定的实用价值。同时减少电源的损耗，提高了电源整体的功率转换效率。

附图说明

图1为本发明静电除尘器系统的高压除尘电源的系统框图；

图2为本发明中整流滤波电路的电路原理图；

图3为本发明中控制模块的电路原理图；

图4为本发明中开关管驱动模块的电路原理图；

图5为本发明静电除尘器系统的火花闪络检测电路的电路原理图。

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。

参见图1，所示为本发明高压除尘电源的系统框图，包括整流滤波电路、功率转换电路、控制模块、开关管驱动模块、辅助电源电路和火花闪络检测电路，其中，所述整流滤波电路与交流输入相连接，用于对交流输入进行整流和emi滤波；所述辅助电源电路与整流滤波电路相连接，用于输出直流电压为所述控制模块和开关管驱动模块提供供电；所述功率转化电路与整流滤波电路相连接，用于输出高压驱动静电除尘器；所述火花闪络检测电路与高压输出相连接，用于捕捉高压除尘电源输出电流时火花闪络现象并发送火花闪络信号给所述控制模块；所述控制模块与开关管驱动模块连接，用于根据火花闪络信号输出控制信号以调节所述开关管驱动模块输出的驱动信号；所述开关管驱动模块与功率转换电路相连接，用于输出驱动信号以调节所述功率转换电路输出的高压。

其中，辅助电源电路主要为控制模块、开关管驱动模块及其相关的控制芯片提供稳定的供电电压，在一种优选实施方式中，在整流滤波电路采用现有技术常用的辅助电源实现方式设计一个隔离型dc-dc电源，由于反激式开关拓扑适用于小功率输出的工况而且工作效率高、电路结构较为简单，适合作为辅助电源的主电路。整个高压除尘电源的辅助电源电源分为两路输出：主回路输出电压为12v，输出功率为9w，为控制模块和驱动模块提供直流电压；副回路输出电压为5v，输出功率为3w，控制芯片提供电压。

在一种优选实施方式中，功率转换电路采用现有技术常用的全谐振型变换器，从而达到后级的高电压输出的目的。

如图2，所示为整流滤波电路的电路原理图，包括保险丝f1、电阻r1～r3、电容c1～c5、共模电感l1、整流桥d1；保险丝f1的一端与输入市电一端连接，保险丝的另一端与第一电阻r1的一端、第一电容c1的一端、第二电阻r2的一端、共模电感l1的第1引脚连接，第一电阻r1的另一端与市电输入的另一端、电一电容c1的另一端、第二电阻r2的另一端、共模电感l1的第3引脚连接，共模电感l1的第2引脚与第二电容c2的一端、第四电容c4的一端、整流桥d1的第2引脚连接，第二电容c2的另一端与第三电容c3的一端连接并接地，第三电容c3的另一端与共模电感l1的第4引脚、第四电容c4的另一端、整流桥d1的第4引脚连接，整流桥d1的第3引脚与第三电阻r3的一端、第5电容c5的正极连接，整流桥d1的第1引脚与第三电阻r3的另一端、第五电容c5的负极连接并接地端；所述第一电阻r1为压敏电阻选型为20d471k，第一电容c1为x电容，第二电容c2与第三电容c3为y电容，第五电容c5为电解电容。

整流滤波电路对输入的交流市电进行整流滤波，作为高压除尘电源的第一部分，电路设计的优劣直接影响了电源的输出工况和各项性能指标。开关电源主要存在传导干扰和近场辐射干扰，而这些干扰源主要由功率开关管开关动作产生的di/dt和du/dt引起，同时由于整流电路中输入电流为断续，不仅造成了输入功率因素的大大降低，而且还增加大量的高次谐波，所以emi滤波器在开关电源中是非常必要的部分。emi滤波器有对差模和共模噪声信号有明显的抑制作用，所以一般可以加入差模滤波器和共模滤波器。

图2的设计主要是对模块整流原理的改进和完善，使得改进后的模块能够有效完成整流作用和emi滤波，为后级的功率装换模块以及辅助电源提供稳定的电压支持。整流滤波电路中包括了压敏电阻、整流桥、滤波电容以及emi滤波器等器件，其中，r1是型号为20d-471k的压敏电阻。压敏电阻是一种伏安特性为非线性的电阻，当发生雷击等类似突发情况时，滤波模块利用它的非线性特性将突然升高的电压钳位到一个相对固定的值，从而对后级的模块起到保护作用。共模电感l1为隔离变压器可以有效地隔离输入和后级负载的干扰。c4、c1为安规x型电容，c2、c3为安规y型电容。安规x电容连接在输入电路的两端，可以有效地过滤输入信号中的差模干扰，而安规y电容则连接在相线与地线之间，对电路的共模干扰起到抑制作用，安规电阻可以大大提高整流滤波电路的emi能力。emi模块后面连接着整流桥和电解电容，通过全桥整流的整流滤波处理使交流输入电转换为稳定的直流电压。

如图3，所示位本发明控制模块的电路原理图，包括控制芯片u1、二极管d2，电容c6～c10,电阻r4～r10；控制芯片u1的第1引脚与第八电容c8的一端、第六电阻r6的一端连接，第2引脚与第五电阻r5的一端、第九电阻r9的一端连接，第3引脚悬空，第4引脚悬空，第5引脚与第六电容c6的一端、第四电阻r4的一端连接，第6引脚与第十电阻r10的一端连接，第7引脚与第四电阻r4的另一端连接，第8引脚与第七电容c7的正极连接，第9引脚与第十电容c11的一端，第八电容c8的另一端、第九电容c9的一端连接，第10引脚与第二二极管d2的阴极、第九电阻r9的一端连接，第11引脚与电源内部驱动模块连接，第12引脚与第九电阻r9的另一端连接后并接地，第13引脚与第八电阻r8的一端连接，第14引脚与电源内部的驱动模块连接，第15引脚与第八电阻r8的另一端连接后接电源vcc，第16引脚与第七电阻r7的另一端连接；第五电阻r5的另一端接地，第六电容c6的另一端与第十电阻r10的另一端、第七电容c7的负极、第十电容c10的另一端、第九电阻r9的另一端连接并接地，第六电阻r6的另一端与第九电容c9的另一端连接，第十电容c10的另一端连接电源vcc，第二二极管d2的阳极作为检测信号的接收端fire_flag与火花闪络检测电路相连；所述的二极管d2为肖特基二极管，第七电容c7为电解电容，第十电阻r10为调节滑动电阻，控制芯片u1的型号为sg3525。

上述技术方案中，本发明采用sg3525作为控制芯片，为驱动模块提供控制波形。sg3525更适合应用在igbt作为功率开关管的全桥逆变拓扑中，性能稳定，外围电路器件需求少且功耗较小，更符合本文的设计指标。

sg3525芯片属于单片型高度集成电路，主要应用于高频开关电源、高压逆变器、大功率充电器等领域。芯片内置了所有功率开关管控制电路所需要的脉冲调节器。整块芯片内部包含了基准电压、误差放大器、脉冲宽度调节器、振荡器以、软启动电路以及输出驱动电路等模块。

sg3525的工作特点为：

(1)拥有5v±1％的内部基准电压；

(2)拥有很宽的工作频率震荡范围，可以在100hz～400khz内选择工作频率；

(3)内部拥有振荡模块具有外部同步功能；

(4)内部含有软启动电路，拥有2s的响应时间；

(5)输出波形拥有固定死区时间，通过引脚实现死区调制；

(6)芯片内的欠压保护电路，当电源电压不足8v时，芯片将会停止工作，进入锁定状态；

(7)拥有过压、过流以及过热保护模块；

sg3525的最大优点是内部拥有完整的误差放大模块以及比较器，误差放大电路通过一个两级差分放大器组成，拥有高达80db开环放大增益，通过分压电阻采集得到的电压信号接入sg3525的反相输入端(1脚)，而误差放大器的正相端(2脚)与基准电源相连。通过两级差分放大器的误差放大功能，完成电路系统的闭环反馈。表1列出了sg3525各个引脚的功能。

表1控制芯片sg3525引脚描述

控制芯片输出两路互补的spwm信号送向驱动模块，利用驱动模块使上下桥功率开关管的输出被隔离，主电路上的同一路高低侧开关管将不会同时处在导通状态，使高低侧的开关管完成驱动互补。控制芯片供电电压为12v，同时具有过流、过压以及短路保护。

sg3525通过11脚(outa)以及14脚(outb)输出两路驱动波形，通过6脚(r10)上的滑动变阻器r10控制输出波形的工作频率。芯片10脚(sd)为过流保护引脚，通过一个反向二极管与过流采集信号相连。

根据系统脉冲频率调制设计的需要，将sg3525的无用引脚3脚(sync)、4脚(osc)与地端直接短接。8脚(soft-star10)连接4.7μf的电容并与地线相连，给软启动引脚提供50μa电流，使芯片工作在软启动模式。15脚(vcc)与13脚(vc)接入辅助电源的12v供电。9脚(comp)与1脚(vio+)之间接入反馈网络，用来保证反馈环路的稳定。本发明采用ⅱ型补偿网络，通过图中的r6、c8、c9组成一个补偿器。

电路利用c6、r10以及r4来控制工作频率大小。c6连接芯片的5脚另一端接地，是芯片的震荡电容。它的容值范围在0.001uf～0.1uf之间，通过它的充放电产生芯片所需要的锯齿波。r10为震荡电容连接至6脚，它的取值决定了振荡电容c6的充电时间，阻值越大则充电时间越长。整个系统通过r10的控制来实现输出可调，因此它的取值关系到输出电压的范围，一般情况下为2k～150kω。r4为芯片的死区电阻连接至7脚，它的阻值决定了震荡电容的放电时间。系统通过设定r4的取值来决定死区时间的大小，避免了桥臂直通现象，阻值范围在0～500ω内。在一种优选实施方式中，通过计算确定了c6、r4的取值分别为2.7nf、100ω。

如图4，所示为开关管驱动模块的电路原理图，包括隔离变压器t1、二极管d3～d8、三极管q1～q4、mos管q5～q6、电阻r13～r17、电容c11；第一三极管q1的基极与第二三极管q2的基极、第十一电阻r11的一端连接，第十一电阻r11的另一端与控制芯片u1的11引脚连接，第一三极管q1的集电极与地端连接，第二三极管q2的集电极与15v电压连接，第一三极管q1的发射极与第二三极管q2的发射极、第十三电阻r13的一端、隔离变压器t1的第1引脚连接，第十三电阻r13的另一端与第十一电容c11的一端连接，第三三极管q3的基极与第四三极管q4的基极、第十二电阻r12的一端连接，第十二电阻r12的另一端与控制芯片u1的12引脚连接，第四三极管q4的集电极与地端连接，第三三极管q3的集电极与15v电压连接，第三三极管q3的发射极与第四三极管q4的发射极、第十一电容c11的一端、隔离变压器t1的第3引脚连接，隔离变压器t1的第2引脚与第三二极管d3的阴极、第十四电阻r14的一端连接，隔离变压器t1的第5引脚与第六二极管d6的阳极、第十六电阻r16的一端、第一mos管q5的源极、第二mos管q6的漏极连接，隔离变压器t1的第6引脚与第四二极管d4的阴极、第十五电阻r15的一端连接，隔离变压器t1的第4引脚与第八二极管d8的阳极、第十七电阻r17的一端、第二mos管q5的源极连接并接地端，第三二极管d3的阳极与第十四电阻r14的另一端、第五二极管d5的阳极、第十六电阻r16的另一端、第一mos管q5的栅极连接，第五二极管d5的阴极与第六二极管d6的阴极连接，第四二极管d4的阳极与第十五电阻r15的另一端、第七二极管d7的阳极、第十七电阻r17的另一端、第二mos管q6的栅极连接，第七二极管d7的阴极与第八二极管d8的阴极连接，第一mos管q5的漏极与整流滤波电路的310v母线电压连接；所述隔离变压器t1采用ee22磁芯，初级绕组和两个次级绕组各绕30匝，变比为1：1：1，三极管q1、q3为npn型三极管，三极管q2、q4为pnp型三极管，二极管d3、d4型号为rs1m，二极管d5～d8为稳压为机关，mos管q5、q6型号为irfp460。

本发明采用变压器驱动mos管irfp460，从而提高了控制模块中pwm波的驱动能力。

如图5，所示为本发明火花闪络检测电路的电路原理图，包括逻辑芯片u2、二极管d9～d12、电阻r18～r23、电容c11～c12、npn型三极管q7～q8、火花感应电感l2；逻辑芯片u2的第1引脚与第2引脚、第二十一电阻r21的一端、第十二电容c12的一端连接，第3引脚与第4引脚连接，第5引脚与第1引脚连接，第6引脚与第9引脚、第10引脚、第十二电容c12的另一端连接，第7引脚接地，第8引脚与npn二极管q8的基极连接作为检测电路的输出端fire_flag，第10引脚、第十二电容c12的另一端连接，第12引脚与第13引脚、第二电感l2的一段、第十八电阻r18的一段、第九二极管d9的阳极、第十一电容c11的两端、第二十电阻r20的两端、第十一二极管d11的两端、npn型三极管q7的发射极连接并接地，第14引脚接5v电源；第二电感l2的另一端与第十八电阻r18的另一端、第十九电阻r19的一端连接，第十九电阻r19的另一端与第九二极管d9的阴极、第十二极管d10的阳极、npn三极管q7的基极连接，第十二极管d10的阴极与npn三极管q7的集电极连接并接5v电源，第二十一电阻r21的另一端接地，npn三极管q8的集电极与第二十三电阻r23的一端、第十二二极管d12的阳极连接，npn三极管q8的发射极与第十二二极管d12的阴极连接并接地，第二十三电阻r23的另一端与5v电源连接；所述的逻辑芯片u2型号为sn74hc00，第十二二极管d12为led二极管，第二电感为火花检测电感；所述的5v电源由高压电源的辅助电源提供。

火花闪络现象指的是在高电压作用下，气体或液体介质沿绝缘表面发生的破坏性放电，这也常发生在电除尘器上。火花闪络现象会使负载端的电流迅速增大并出现打火花，除尘器的除尘效率也会大幅度下降。为了能使静电除尘器工作在最佳的工况，使除尘效率维持在最佳值，必然需要对火花闪络现象进行检测以及控制。

当静电除尘器发生火花闪络现象时，输出负载上的电流会迅速增大，并且电压也将马上降低。本发明闪络检测电路就是根据这个特性来对火花闪络现象进行捕捉。

电路通过感应电感l2对变压器的输出进行感应，变压器输出线从电感圈中心穿过。由于电磁感应现象输出端的电流变化在感应线圈上产生了感应电流，从而使系统采集到闪络信号，感应电流通过电阻r18和r19的分压放大成为感应的电压信号，电路中的二极管d9、d10起到嵌位保护作用。r21与c12组成的rc微分电路利用电容的充放电，可以将矩形波变为脉冲波，因此只有采集信号骤然发生突变时才会有输出，使检测系统的反馈更加稳定。u2是一个四路2输入正与非门，包含四个独立的2输入与非门，可以执行逻辑函数或当检测到闪络现象时，u2会输出高电平反馈到电路的指示灯上，指示灯开始闪缩，而当闪络现象消失时，u2则会输出低电平，系统正常工作。本电路利用rc电路的微分特性以及与非门的逻辑特性，使系统的火花闪络检测准确率大大提高，减少了漏检以及错检的现象，从而提升了除尘器的安全性与可控性。

工作过程：

电源通过整流滤波电路将市电电压转换为母线的310v电压，控制模块使用sg3525产生30khz左右的spwm信号，通过开关管驱动模块对开关管进行驱动，再结合火花闪络信号检测对系统进行反馈控制。

火花闪络检测电路通过感应电感l2对高压电源的输出工况进行实时监控，变压器输出线从电感圈中心穿过。由于电磁感应现象输出端的电流变化在感应线圈上产生了感应电流，从而使系统采集到闪络信号，感应电流通过电阻的分压放大成为感应的电压信号，电路中的二极管d9、d10起到嵌位保护作用。r21与c12组成的rc微分电路利用电容的充放电，可以将矩形波变为脉冲波，因此只有采集信号骤然发生突变时才会有输出，使检测系统的反馈更加稳定。逻辑芯片是一个四路2输入正与非门，包含四个独立的2输入与非门，可以执行逻辑函数或当检测到闪络现象时，u2会输出高电平，此时fire_flag信号为高电平，反馈到电路的指示灯上，指示灯开始闪缩，此时电源控制芯片u1的第10引脚接受到高电平，芯片u1开始降低工作频率控制输出电压下降，而当闪络现象消失时，u2则会输出低电平，指示灯无提示，控制模块正常工作。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。