CN202778717U - 基于真有效值技术的静电除尘控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于真有效值技术的静电除尘控制装置，包括信号调理模块：将静电除尘系统的取样信号转换为既符合DSP输入电平规范，又满足检测幅度要求的信号；DSP处理、控制模块：在信号周期内对信号连续等间隔采样，计算均方根值，并由标定系统转换得到测量值，利用最小二乘法拟合，计算变压器次级电压的理论值，与实测值比对，判断是否发生火花闪络。线性系数的训练采取固定时窗长度，动态移动的策略。并根据系统运行状态，故障状况，用户设置等调整可控硅导通角，实现调压。该装置适用于信号波形严重畸变的静电除尘系统的信号测量，测量准确，响应速度快，故障保护及时、准确，而且能测量功率、功率因数、效率等电气参数测量。

Description

基于真有效值技术的静电除尘控制装置

技术领域

本实用新型属于环保控制技术领域，具体是一种基于真有效值技术的静电除尘控制装置。

背景技术

目前的静电除尘控制装置多采用平均值测量方法，具体将低压，高压侧的电流、电压，通过取绝对值或整流的非线性变换转换为单极性脉动直流信号；此信号一般有两种处理方式，一种方式是直流采样，即通过时间常数大于信号周期的R、C网络滤成直流信号之后再输入A/D采样模块；另一种方式是交流采样，即信号直接输入A/D采样模块，由软件在一定时间内取多个点做数值平均处理。

由于测量结果受非线性转换电路及波形因素的影响，精度差，难以得到真值；而且非线性电路参数调整困难，计算结果与真实值之间的标定费时费力；更为严重的是，由于信号处理电路中的大的取直电容的存在，或者是程序中取平均值算法的影响，测量结果较实际信号变化滞后，控制的实时性差，严重影响响应速度。

对于标准无失真的单一频率正弦信号可以由测出的平均值乘以系数得到，对于失真的正弦信号，则不存在固定的换算关系。电气设备的功率与提供的电流、电压的平方成正比，平均值转换得到的结果不可避免地存在误差，已不能真实反应实际功率消耗情况。

有效值是根据被测信号在一个信号周期内的等效功率计算得到的数值，因此有效值能真实反应出被测信号的做功情况。真有效值将待测信号进行离散积分计算其均方根值，是按信号周期连续实时采样被测信号一个完整的波形，能精确，实时地测量各种波形，且不用考虑波形参数的失真度大小，检测结果与实际值完全相符。

静电除尘控制器多采用可控硅移相触发的方式实现调压。具体方式为：将两个可控硅反向并联之后串接在电源与整流变压器之间，通过控制可控硅导通时所对应的相位，在电源的每半个周期内触发一次可控硅，使整流变压器的输入端获得大小可调的交流电压。对导通角的控制严重破坏了各种电气信号的单一频率特性，波形畸变，谐波成分增加，平均值的测量出现误差，已不再适用。

为了达到最佳除尘效率，静电除尘系统在不发生故障的前提下以极限电流、电压运行。静电除尘装置常见的故障类型为初次级的过流、过压，变压器偏励磁，高压电场火花闪络等。在不发生上述故障的情况下的除尘效率是衡量控制器性能的重要指标。多数故障的定义是基于对装置的热保护得到的，真有效值是基于等功率的原理得到的数值，直接反应了功率消耗情况，根据真有效值大小进行各种保护，更加及时且恰到好处；而由于平均值法测量的固有缺陷，使得控制装置对各种故障的判断存在偏差，从而影响了静电除尘系统的效率。

在静电除尘系统中，通常会安装电流、电压表用于指示工作状况。在实际工程应用场合，机械表仍被大量使用。机械表的表笔由信号产生的平均电磁力驱动，是一种平均值的测量方式。而真有效值与平均值存在的固有误差，导致这两种测量结果不具备可比性。

此外，静电除尘装置的耗电情况也是用户关注参数之一。但是由于采用平均值测量方法，目前的控制器都不能提供功率，电能，功率因数等相关参数。用户只能通过其它仪表获取相关信息。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种基于真有效值技术的静电除尘控制装置。

本实用新型具体技术路线为： 采用具有硬件乘、除法器的定点数DSP作为处理、控制模块。

从静电除尘装置取样得到的初次级电流，电压信号经过放缩，平移的线性变换之后直接输入DSP的A/D采样模块。选择计算周期为整数倍的信号周期，在一个计算周期内，等时间间隔取N（N为正整数）个时间点进行A/D采样转换。对于每个信号，定义两个变量A和B，变量A保存信号去除偏置之后的A/D结果的绝对值之和，变量B保存信号的平方和，在一个周期开始之前，将这两个变量清零，之后在每个时间点上，对初，次级的电流，电压同步采样，顺序转换，所有信号转换完后触发ADC转换完成中断，在中断服务程序中，根据事先标定的系数减去直流偏置，分别将结果的绝对值以及平方加入变量A和变量B。完成计算周期内的采样之后，在主循环程序中根据标定系数计算信号的平均值以及均方根值。

程序进一步对计算结果标定。标定是用精度高的测量仪器对计算结果进行定度，目的在于设定DSP计算结果与真实测量值的转换关系。由于信号处理引入了直流偏置，所以在获得每一个A/D转换值之后必须首先将偏置分量减去。在计算周期完成并获得计算结果之后，用标定系数转换最终得到真实测量值。通常情况下，信号取样、调理环节的线性度满足测量要求。从而转换仅需将计算结果乘以系数k，系数k一般为浮点数。问题在于，浮点数运算量非常大，而且目前市场占有量最大的定点DSP并不支持浮点运算。本实用新型将浮点数k转换为乘以一个整数m再除以另一个整数n。

程序对各信号A/D转换值分别求其绝对值之和以及求平方和。其中绝对值之和用于得到平均值的测量结果，而平方和用于得到真有效值的测量结果。用户可以通过外部电平输入或者通过通信命令选择平均值或者真有效值测量方式。在一种周期采样转换完后，如果选择为平均值测量方式，则程序将绝对值之和取平均后乘以一个整数m再除以另一个整数n,结果即为信号测量值；如果选择为真有效值测量方式，则程序将平方和取平均后开方，将开方值乘以一个整数m除以另一个整数n，结果即为信号测量值。

本装置对火花闪络的判断是这样的：

利用最小二乘法对可控硅导通角A及次级电压V₂的关系进行拟合，得到关系式V₂=K₁A+K₂。采用固定时窗动态滑动的策略学习未定参数K₁，K₂。具体为，以采样的一个信号周期的次级电压值及其对应的导通角为一个学习样本（A_i,V_2i），将参训样本总数固定为M，随着时间逐步移动，参训样本也随最新观测窗移动。程序不断吸收最新样本，删除最老样本，从而训练样本长度固定，学习规模保持不变。

当产生新的样本时，根据最小二乘法公式计算线性关系系数K₁、K₂，由该线性关系，计算当前导通角所对应的次极电压值，如果计算的二次电压值与实际的二次电压的差值超过了设定的火花判定阈值，则认为有火花闪络，进行相关故障处理。

如果没有火花闪络，则将新的样本加入，同时删除时间窗所对应的最老样本。根据最小二乘法计算公式更新系数K₁、K₂，。

本装置对变压器偏励磁的判断是这样的：

定义变量P₊，记录正半周功率，定义变量P_-，记录负半周功率。A/D转换中断发生之后，从A/D转换结果中减去直流偏置分量，并将电压A/D值乘以电流A/D值，如果电压符号为正，将乘积加入P₊，否则将乘积加入P_-。在一段时间窗口内，如果正负半周功率之差超过设定的阈值，则认为变压器发生偏励磁故障，进行相关故障处理。

更多的，本装置还计算了初级的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，次级的有功功率，变压器效率，消耗电能等参数；这些参数可通过LCD屏等显示设备显示，也可以由用户通过通信接口查询。

本实用新型的有益之处在于，在信号取样调整环节中避免了整流平滑，取绝对值等非线性的处理，而仅对信号进行放缩、平移等线性处理，电路简单，保证信号的测量精度以及控制的响应速度；过流、过压、短路、偏励磁等故障基于等功率的真有效值判断，更为准确、及时、恰到好处；火花闪络采用滑动时间窗的最小二乘法动态跟踪次级的电流，电压，检测可靠，抗干扰能力强。

用户可以通过外部开关输入或者通过通信线发送命令等方式选择真有效值或者平均值的测量方式，使测量结果适用于不同的应用场合。

此外，对测量值的标定采取了先从A/D转换结果中减去其直流偏置分量，再将一个计算周期完成以后得到的A/D绝对值之和或者A/D均方根值乘以一个整数再除另一个整数的方式。避免了费时的浮点数运算。

附图说明

图1是本实用新型提供的静电除尘控制装置系统框图。

图2是信号调理电路图。

图3是A/D转换中断服务程序流程图。

图4是真有效值计算流程图。

图5是火花闪络处理流程图

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

图1为控制装置的系统框图。该装置主要包括属于硬件部分的信号调理电路101、可控硅驱动电路110，以及属于软件部分的DSP处理、控制模块102。

其中，DSP处理、控制模块102主要包含以下程序单元：

A/D采样单元103，该单元主要功能为采用定时器定时触发DSP的A/D转换模块启动信号采样、转换、触发中断并减去直流偏置分量；

功率、功率因数计算单元104，该单元从A/D转换结果中提取出初、次级的电流、电压值，求出乘积进行累加，在完成一个计算周期之后，利用标定系统求出各种功率及功率因数。

真有效值/平均值计算单元105，该单元将各信号的A/D转换结果的绝对值以及平方值进行累加；在完成一个计算周期之后，根据客户的设置，选择绝对值之和或者平方和进行标定转换，得到信号测量值。

故障处理判断单元106，该单元根据上述计算结果判断是否发生各种故障，如果发生故障则采取相应处理措施。

如图2所示，从静电除尘系统中取样得到的信号Vin输入至信号调理电路101，Vin经过R1,R2分压以及C1滤波之后输入运放U1A的同相端，二极管D1以及D2用于输入信号的嵌位，避免过高的电压损坏运放。经过运放U1A同相放大的输出信号包含负信号，因此采用U1B对信号进行平移，增加直流偏置分量，使输入信号均为正，满足DSP输入电压要求。如果输入信号为初级电流、电压，则输入为不含直流分量的交流信号，调整R1，R2的分压比，使得U1A的输出为-2.5V~+2.5V的交流信号，+5.0V的电压经过R8,R9分压，得到1.25V的直流输入至U1B的同相端。U1B输出0V~+5V的交流信号Vout，实现信号的满幅输入。如果输入信号为次级电流、电压信号，则输入为叠加一定直流分量的脉动波形，应调整R8，R9的分压比，使输入DSP的信号达到满幅。

一般而言，静电除尘系统的电气信号的A/D采样通道为4个，分别为初级电流、电压以及次级电流、电压。DSP程序采用定时器触发A/D模块四个通道轮流转换，在所有通道转换完成以后，触发A/D转换完成中断；同时，自动同步采样4个通道的输入信号以准备下次转换。

取信号周期的整数倍为计算周期，在计算周期内共采样信号N次，以ADij表示第i个通道的第 j次采样值。不妨设0≤i≤3，其中第0个通道为初级电压，第1个通道为初级电流，第2个通道为次级电压，第3个通道为次级电流。第i个通道的直流偏置分量标定为整型变量ADOff_i，标定系数的分子为整型变量m_i，分母为整型变量n_i。

第i个通道的信号平均值T_iAVG为

                                                  (公式1)

第i个通道的信号真有效值T_iRMS为

                                              (公式2)

初级的有功功率P1为：

                               (公式3)

次级的有功功率P2为：

                           (公式4)

初级的视在功率S为：

                                                                            (公式5)

初级的无功功率Q为：

                                                                                (公式6)

初级的功率因数Pf为

                                                                              (公式7)

变压器效率η为：

                                                                       (公式8)

消耗电能E为：

                                                                      (公式9)

图3为A/D采样中断服务程序。在步骤301至步骤302，依次取出各个通道的采样结果，减去相应的直流偏置分量并存入缓存变量。在步骤303，计算上述步骤所得结果的绝对值以及平方和，加入相应的缓存变量。如果在步骤304判断所有通道处理完毕，则跳转至下一步骤；否则返回步骤301，处理下一通道A/D采样结果。在步骤305将采样计算值递增之后，程序进一步在步骤306、307计算初、次级的功率并加入相应的缓存变量。在步骤308，判断采样计数是否大于计算周期的采样次数，如果是，则跳转至下一步骤，否则，从中断服务程序返回。在步骤309，缓存变量的数值被赋给结果变量。在步骤310、311，清空缓存变量以及采样计数器，以便进入下一个计算周期；同时将采样完成标志置位。

图4为真有效值计算流程图。DSP在其主程序中根据A/D采样结果计算各参数的真有效值。在步骤401判断采样完成标志是否被置位。如果否，继续等待信号采样。否则，程序跳转至步骤402判断是否选择真有效值测量方式。如果选择真有效值测量方式，则在步骤403将平方和变量除以采样次数N并开方，否则，在步骤404将绝对值之和变量除以采样次数N。在步骤405,根据标定系数从上述步骤的结果转换得到平均值测量值T_iAVG或者真有效值测量值T_iRMS。步骤407，根据标定系数转换得到初、次级有功功率测量值P1以及P2。步骤408，根据公式5-公式9，分别计算初级的视在功率、无功功率、功率因数，变压器效率以及消耗电能。

在得到信号测量值之后，DSP将进行过流、电压、过温、变压器偏励磁、火花闪络等故障判断。根据故障以及运行状况，调整可控硅的导通角。图5是火花闪络处理流程图。定义长度为参训样本总数量M的二维数组Buff用于缓存参训样本，变量uchP用于记录当前参训样本的指针，变量SumX用于记录所有参训样本的导通角之和，变量SumY用于记录所有参训样本的次极电压之和，变量SumX2用于记录参训样本的导通角的平方和，变量SumXY用于记录参训样本的次极电压与导通角的乘积之和。在步骤501, 程序判断新的计算周期的信号采样、计算是否完成。如果完成，则进行火花闪络的判断、处理；否则，跳转至下一步。在步骤502，判断已参训样本数量是否大于参训样本总数M。如果小于，程序跳转至步骤506；如果大于等于，则在步骤503用最小二乘法公式, 计算导通角A与次极电压V2的线性关系系数 K₁、K₂，如下：

在步骤504，根据公式V₂=K₁A+K₂，计算出次极电压的理论值，再与实际测量值进行比较。如果理论值低于实际测量值且其差值超过火花闪络的判断阈值，则在步骤504认为发生火花闪络，进行相应故障处理。否则，在步骤505从参训样本中删除最老样本,即从SumX、SumY、SumX2、SumXY变量中分别减去最老样本的相应计算值，并跳转至步骤506。在步骤506，将当前的测量值（A_i,V_2i）加入线性系数 K₁、K₂的训练学习，即从SumX、SumY、SumX2、SumXY变量中分别加上（A_i,V_2i）的相应计算值；同时在步骤507将（A_i,V_2i）存入参训样本缓存。在步骤508、509中，将参训样本缓存指针前移。

Claims (8)

1.一种基于真有效值技术的静电除尘控制装置，其特征在于，包括：

信号调整模块，对静电除尘系统的信号进行放缩，滤波，平移；

所述信号调整模块由两级运算放大器组成，第二级运算放大器对静电除尘系统的取样信号采样进入放缩，滤波，第二级运算放大器的同相端连接第一级运算放大器的输出端，反相端连接直接偏置电平；

DSP控制处理模块，以定点数DSP为核心，对信号进行采样、处理，判断故障，根据故障状态以及运行状况调节可控硅的导通角。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于： DSP采用真有效值技术在信号周期内对各信号连续等间隔采样并计算均方根值，并根据标定系数转换得到真实测量值。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，测量值的标定转换通过将A/D采样结果减去直流偏置分量，再乘以一个整数m后除以另一个整数n实现。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：可以通过外部开关输入或通信命令设置选择真有效值测量方式或者平均值测量方式。

5.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：用真有效值技术测量变压器初级、次级的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：由变压器初级的有功功率P1、次级的有功功率P2，根据公式P2/P1计算静电除尘系统的效率。

7.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：采用最小二乘法拟合可控硅导通角A与变压器次级电压V2的线性关系V2=k1*A+k2，根据当前导通角以及系数k1、k2计算二次电压的理论值，如果小于次级的次级电压值且其差值超过火花闪络的判断阈值则认为发生火花闪络。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于：线性系数k1、k2随着时间移动动态调整。

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