电压可调节的静电除尘装置的制作方法

本实用新型属于空气净化
技术领域：
，涉及一种电压可调节的静电除尘装置。
背景技术：
：近些年，受室外雾霾天气的影响，室内空气环境也遭到严重破坏。在雾霾天气出现时，室外可吸入颗粒物通过空调通风系统或者建筑围护结构缝隙等途径进入室内含量会显著增多。其中粒径小于或等于2.5μm的细颗粒物(即PM2.5)富含大量的有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，能够沉积在人体下呼吸系统甚至进入肺部和血液循环系统，进而影响心脏和大脑等重要器官。颗粒物的粒径越小，其比表面积就越大，相对表面能够吸附的有害物质就会越多。可见，对室内环境中PM2.5浓度的控制问题不容松懈，采用空气净化装置来改善室内空气品质问题是一种经济合理且高效节能的方法。现有技术中存在采用滤网式空气净化器和静电式空气净化器进行空气净化，但存在以下问题：第一，对于滤网式空气净化器至少需要高中效级别的过滤网才能实现对PM2.5≥90％的净化效率，且滤网需定期清洁或更新，后期成本较高，同时在运行过程中阻力较大；第二，静电式空气净化器在净化过程中使用高压静电，且无法根据PM2.5浓度来调节电压大小，导致高电压产生过量臭氧，而臭氧过量对人体危害极大。技术实现要素：为了达到上述目的，本实用新型提供一种电压可调节的静电除尘装置，解决了现有技术中因使用滤网式空气净化器而带来成本高、运行阻力大和使用静电式空气净化器过程中不能根据室内空气PM2.5浓度自动调节电压而产出过量臭氧的问题。本实用新型所采用的技术方案是提供一种电压可调节的静电除尘装置，其特征在于，包括BUCK电路控制部、显示电路、激光PM2.5传感器、电压传感器和DSP控制系统；所述BUCK电路控制部与集尘板相连；电压传感器与DSP控制系统、激光PM2.5传感器、显示电路彼此相连；电源对以上所有部件供电。进一步地，所述电源分为强电控制模块和弱电控制模块；所述强电控制模块针对集尘板上的电压调节，由220V交流电压供电，经过高频震荡电路-升压电路-倍压整流电路，输出8000V高压直流电；所述弱电控制模块采用有效输出5V直流电压的S-100-5稳压电源模块以及有效输出3.3V直流电压的AMS1117-3.3V稳压电源模块。进一步地，所述DSP控制系统在硬件电路中采用包含ADC模块和ePWM模块的TMS320F28335芯片及其相应最小系统电路，在软件算法中采用增量式PI控制器；所述激光PM2.5传感器采用ZH03A激光粉尘传感器。本实用新型的有益效果是：1、本实用新型静电式空气净化装置按照室内PM2.5浓度等级自动控制调节集尘板电压。由于现有的静电式空气净化器不具有自动调节电压的功能，一旦开启就一直处于高压静电释放的状态，虽然集尘效果增强，但也造成了多余的臭氧产生量和电能损失。本实用新型通过实现控制不同电压静电的释放解决了这一矛盾。2、本实用新型对于电压可调节的静电式空气净化器电压调节部分进行了优化处理，如果在实际应用中，由于控制系统本身误差以及环境因素的影响，开环控制并不能够实现目标电压的稳定输出，所以本实用新型选用传统PI控制器来进行控制，让其能够根据室内PM2.5浓度等级更加稳定调节集尘板的电压，可靠性高，具备一定抗电压突变干扰能力。附图说明为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本实用新型静电除尘装置结构示意图。图2是本实用新型静电除尘装置流程图。图3是本实用新型静电除尘电路及其拓扑结构图。图4是本实用新型静电除尘系统整体控制图。图1中，1.净化装置壳体，2.电源，3.BUCK电路控制部，4.导线，5.显示电路，6.激光PM2.5传感器，7.集尘板，8.集尘板框架，9.电压传感器，10.DSP控制系统。具体实施方式下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。一种电压可调节的静电除尘装置，包括BUCK电路控制部3、设置在净化装置壳体1上的显示电路5、激光PM2.5传感器6、设置在集尘板框架8上的电压传感器9和DSP控制系统10；BUCK电路控制部3与集尘板7相连；电压传感器9与DSP控制系统10、激光PM2.5传感器6、显示电路5通过导线4彼此相连；电源2通过导线4对以上部件供电。进一步地，电源2分为强电控制模块和弱电控制模块；强电控制模块针对集尘板7上的电压调节，由220V交流电压供电，经过高频震荡电路-升压电路-倍压整流电路，输出4000V-8000V的高压直流信号，本实用新型输出8000V高压直流电；弱电控制模块采用S-100-5直流稳压电源模块，有效输出5V直流电压，对激光PM2.5传感器6、电压传感器9和显示电路5进行供电，同时采用AMS1117-3.3V稳压芯片，输入5V直流电压，进行3.3V稳压操作，对DSP控制系统10供电；进一步地，DSP控制系统10在硬件电路中采用包含ADC模块和ePWM模块的TMS320F28335芯片及其相应最小系统电路，在软件算法中采用增量式PI控制器。进一步地，BUCK电路控制部3中设有BUCK电路、比较器、和PWM调制部；进一步地，激光PM2.5传感器6采用ZH03A激光粉尘传感器。一种电压可调节的静电除尘装置的除尘方法，包括以下步骤：1)计算目标电压值，在DSP程序执行过程中，根据当前室内PM2.5浓度等级，DSP会计算出集尘板7目标电压值Vref；2)电压采集，DSP控制系统10同时通过电压传感器9对集尘板7间电压进行电压采集，得到当前第k周期的AD采样周期集尘板实际电压Vo；3)电压比较，DSP控制系统10将目标电压值与实际电压值进行差值计算Vref-Vo。得到当前周期电压差值error(k)；进行到下一周期时，error(k)则成为自动保存成上一周期电压差值error(k-1)，将当前周期电压差值error(k)与上一周期电压差值error(k-1)再次做差，得出积分差值Δerror；将电压差值error(k)、积分差值Δerror输入给增量式PI控制器，其工作公式如下：Δu(k)＝u(k)-u(k-1)＝Kp*Δerror+Ki*error(k)；式中，u(k)为当前第k周期控制量，u(k-1)为第(k-1)周期控制量，Δu(k)为当前第k周期控制量与第(k-1)周期控制量差值，Kp为比例调节系数，Ki为积分调节系数，前述公式可以写成以下形式：u(k)＝u(k-1)+Kp*Δerror+Ki*error(k)；4)调节集成板电压，将u(k)输送到DSP内部PWM调制单元，生成PWM波形，此时PWM波形占空比会随着集尘板实际电压进行调整，将其稳定在目标电压值。例如当目标电压与实际电压一致时，电压差值error(k)与积分差值Δerror将同时为0，PWM波形占空比即为理论占空比。当实际电压小于目标电压，则error(k)>0,u(k)>u(k-1),即PWM占空比将提升，直到实际电压等于目标电压；反之，当实际电压大于目标电压，PWM占空比将降低，使最终集尘板7电压等于目标电压。进一步地，步骤1)中激光PM2.5传感器6检测到的PM2.5浓度值与目标电压的对应关系为：PM2.5浓度小于75μg/m3对应的目标电压设置为0V，PM2.5浓度介于大于或等于75μg/m3且小于115μg/m3之间，对应的目标电压设置为4000V，PM2.5浓度介于大于或等于115μg/m3且小于150μg/m3之间，对应的目标电压设置为6000V，PM2.5浓度大于150μg/m3时，对应的目标电压设置为8000V。本实用新型的工作原理及功能介绍：该电压可调节的静电除尘装置通过调节集尘板两端电压，以实现对室内不同浓度PM2.5的清除，既可以利用高压放电有效去除高浓度的PM2.5，又可以当室内PM2.5浓度不是很高时，降低静电释放压力，从而降低臭氧释放量同时减少阻力损失。如图2，开启本装置后，当室内PM2.5浓度>150μg/m3时，集尘板两端电压会自动调节至8000V；电压增大后PM2.5浓度将降低，当115μg/m3<PM2.5浓度<150μg/m3时，电压将自动调节至6000V；当75μg/m3<PM2.5浓度<115μg/m3时，电压将自动调节至4000V；当PM2.5浓度<15115μg/m3时，电压为零。1、本实用新型集尘装置介绍集尘装置由三组集尘板和电晕极组成，使得集尘板板间距离缩小，集尘板间距离间隙只有几毫米，有效的控制了臭氧产生量，同时提高了集尘效率。电源正极线与集尘板相连，负极线与电晕极相连。工作时电源供电使得电晕极带负电，将进入电场内的空气电离为正负离子，负离子吸附空气中的细颗粒物向集尘板定向移动并最终被吸附于集尘板。2、本实用新型整体控制部分介绍：系统整体控制框图如图4所示。电源部分中强电部分给集尘板供电，弱电部分给DSP控制系统、传感器、液晶显示器等供电。工作过程为DSP通过PM2.5浓度传感器测得空气中PM2.5浓度等级，来进行集尘板相应电极电压控制。并根据电压传感器测量的集尘板间实时电压值，进行反馈控制，使集尘板间输出电压更加精确。最后通过液晶显示模块将当前室内PM2.5浓度等级显示出来。3、本实用新型电源部分介绍：电源部分分为强电控制模块与弱电控制模块，其中强电控制模块主要是针对集尘板上的电压调节，弱电控制模块则是对中央控制器、传感器等元件进行供电。强电与弱电地信号之间需要进行光耦隔离以达到保护电路的目的。(1)强电控制模块强电控制模块即为高压电源，由生活中220V交流电压供电，经过高频震荡电路-升压电路-倍压整流电路后可以输出4000V-8000V的高压直流信号。本设计中输出8000V高压直流电。(2)弱电控制模块弱电控制模块采用S-100-5直流稳压电源模块，同样由生活中220V交流电压供电，能够有效输出5V直流电压，对传感器等进行供电，同时又采用AMS1117-3.3V稳压芯片，输入5V直流电压，进行3.3V稳压操作，对DSP最小系统供电。4、本实用新型传感器和液晶显示器介绍(1)PM2.5浓度传感器采用郑州炜盛有限公司的ZH03A激光粉尘传感器，ZH03A是一个小型化模组，利用激光散射原理，探测空气中的粉尘颗粒物。当激光照射到检测位置的颗粒物时会产生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形与颗粒直径有关，通过不同粒径的波形分类统计及换算公式可以得到不同粒径实时颗粒物的数量浓度并按照标定方法得到跟官方单位统一的质量浓度，传感器具有DAC模拟输出引脚，PM2.5浓度范围0-1000μg/m3对应模拟电压0-2V，将引脚接于DSP中AD模块中A1采样引脚，通过程序运算处理即能够得出空气中实时粉尘浓度。(2)电压传感器采用CHV-10000V霍尔电压传感器，此传感器能够精确测量原边电压值，通过对原边以及副边电阻的设定，能够改变副边电压输出范围，由于本实用新型需要，当原边电压为0-10000V时，副边电压对应输出为0-3V。将副边电压引脚接于DSP中AD模块中A2采样引脚，同样通过数据处理以及原边副边对应电压比例关系可以得到原边电压实时值。(3)液晶显示部分液晶显示器主要选用LCM320240型号的320*240的点阵LCD显示模块，工作电源3.3V，与DSP兼容。程序初始化过程中配置DSP与LCD相连接的I/O口的功能配置以及LCD的工作方式和显示模式的设置，在控制过程中主要完成液晶显示器与DSP的时序匹配，根据LCM320240的时序表和时序图即可编写出与时序匹配的DSP控制程序。作为执行功能元件，能够实时显示室内PM2.5浓度，用户能够实时的了解室内PM2.5污染状况。5、本实用新型的控制部分介绍(1)处理器的选型本专利中央处理器选用数字信号处理器(DSP)TMS320F28335芯片，其时钟频率可达150MHz，具备1.8V/3.3V的内核设计和3.3V的I/O口设计，是性能较高的32位CPU。本设计系统着重应用其中两个模块：ADC模块与ePWM模块。①ADC模块：DSPAD采样模块采样精度为12位，AD采样通道有16个，通过模/数转换的工作，能够对0-3V范围内的电压进行准确测量。最快采样时间80ns，可以对传感器输出电压信号进行转换处理，完全符合本系统设计需求。②ePWM模块：28335中PWM模块是加强型模块，采用事件管理器控制。共有6个，有12个PWM输出引脚，均可单独调节输出波形占空比，完全符合本设计需求。(2)集尘板的调压部分集尘板电压调节部分主要采用降压型斩波电路—BUCK电路进行控制。电路及其拓扑结构如图3所示；图中Vin是由电源部分生成的8000V高压直流电源，S为功率开关器件，D为续流二极管，L、C分别为电感和电容，VO则是接在集尘板正负极之间的直流电压，即加在集尘板两端的电压。根据BUCK电路特性，集尘板间电压VO与电源电压Vin具有以下关系：Vo＝DVin；(1)式中D为DSP输出PWM波形占空比，范围区间为[0,1]。对于集尘板上电压控制，实际上是对BUCK电路中功率器件的PWM占空比的控制，例如集尘板上的目标电压是4000V，根据公式(1)，则只需控制PWM占空比D为50％即可，而当检测室内污染指数为重度污染时，只需控制PWM占空比为100％，即功率开关工作在一直导通状态即可。GB/T3095-2012《环境空气质量标准》中对我国PM2.5日均浓度对应污染指数的分级，如表1所示：表1PM2.5浓度(μg/m3)＜7575～115115～150＞150污染指数良好轻度污染中度污染重度污染本实用新型根据该分级来控制集尘板电压，PM2.5浓度与集尘板两端电压之间的对应关系如表2所示：表2PM2.5浓度(μg/m3)＜7575～115115～150＞150集尘板目标电压(V)0400060008000根据PM2.5浓度传感器，室内PM2.5浓度0-1000μg/m3对应传感器输出模拟电压，即DSP输入模拟电压0-2V，则PM2.5浓度在75μg/m3、115μg/m3、150μg/m3时对应DSP输入模拟电压分别为0.15V、0.23V、0.3V。根据公式1及表2，DSP输入模拟电压与输出理论占空比如表3所示：表3但是在实际应用中，由于环境以及器件工作状态等原因，DSP输出的理论占空比并不能使集尘板上输出目标电压，为了实现集尘板上输出目标电压达到稳定状态，必须进行电压反馈控制。在本实用新型中，电压反馈控制器选用传统PID控制器。但是由于PID中的微分控制主要应用于较为慢速的惰性系统，为其提供一个超前的控制量，但是本系统并非具有较大的滞后特性，所以在控制器的选择中选用电压PI控制器来进行集尘板电压的调节。参照图3，图中Vo是加在集尘板两端的电压，其工作过程如下(由于本实用新型中CPU选择数字信号处理器DSP)则：(1)在DSP程序执行过程中，根据当前室内PM2.5浓度等级，DSP会计算出集尘板目标电压值Vref，此时对集尘板间电压进行电压采集，得到当前AD采样周期(第k周期)集尘板实际电压Vo，将目标电压值与实际电压值进行差值计算Vref-Vo。得到当前周期电压差值error(k)。进行到下一周期时，error(k)则成为自动保存成上一周期电压差值error(k-1)，将当前周期电压差值error(k)与上一周期电压差值error(k-1)再次做差，得出积分差值Δerror。(2)在DSP程序控制中应用传统PI控制器，将电压差值error(k)、积分差值Δerror输入给PI控制器，其中PI控制器分为位置式和增量式两种形式，增量式PI要求执行机构具有控制量的累加功能，考虑到DSP运行的实际情况，本实用新型选用程序较为容易实现的增量式PI控制器，其工作公式如式(2)所示：Δu(k)＝u(k)-u(k-1)＝Kp*Δerror+Ki*error(k)；(2)式中，u(k)为当前第k周期控制量，u(k-1)为第(k-1)周期控制量，Δu(k)为当前第k周期控制量与第(k-1)周期控制量差值，Kp为比例调节系数，Ki为积分调节系数。则式(2)可以写成式(3)形式：u(k)＝u(k-1)+Kp*Δerror+Ki*error(k)；(3)(3)将u(k)输送到DSP内部PWM调制模块，生成PWM波形，此时PWM波形占空比会随着集尘板实际电压进行调整，将其稳定在目标电压值。例如当目标电压与实际电压一致时，电压差值error(k)与积分差值Δerror将同时为0，PWM波形占空比即为理论占空比(详细参数参照表3)。当实际电压小于目标电压，则error(k)>0,u(k)>u(k-1),即PWM占空比将提升，直到实际电压等于目标电压。反之，当实际电压大于目标电压，PWM占空比将降低，使最终集尘板电压等于目标电压。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。当前第1页1 2 3