張旭

【摘要】 本文在分析煤礦安全生產(chǎn)狀況和直流電源原理基礎(chǔ)上，將電力電子技術(shù)和微處理器控制相結(jié)合設(shè)計礦用直流設(shè)備試驗(yàn)電源，主要包括整流單元和控制單元，其中控制單元主要包括電壓反饋電路、電流檢測電路和溫度保護(hù)電路，所設(shè)計的試驗(yàn)電源可以按照標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)現(xiàn)直流設(shè)備恒壓、恒流試驗(yàn)操作。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 直流設(shè)備 試驗(yàn) 控制技術(shù)

隨著電力行業(yè)的迅速發(fā)展和新能源發(fā)電的技術(shù)限制，使得電力行業(yè)對于煤炭的依賴程度不斷提高。煤礦井下工作環(huán)境中含有大量瓦斯、煤塵等可燃性氣體和混合物，電氣設(shè)備短路、過載等故障可能直接導(dǎo)致井下安全生產(chǎn)事故，所以對井下電氣設(shè)備的可靠性和安全性要求較高。礦用架線機(jī)車、蓄電池機(jī)車作為井下運(yùn)輸工具，車輛的穩(wěn)定運(yùn)行對于井下安全生產(chǎn)和避免安全隱患具有也十分重要的意義。

一、整流技術(shù)

變流電路用于實(shí)現(xiàn)電能（交流（AC）和直流（DC））之間的變換，屬于電能轉(zhuǎn)換過程常用的電路。根據(jù)電能輸入輸出形式不同，變流電路可以分為AC-DC轉(zhuǎn)換、AC-AC轉(zhuǎn)換、DC-DC轉(zhuǎn)換和DC-AC轉(zhuǎn)換。本文涉及的變流電路為AC-DC，即整流電路，其目的是將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，為煤礦直流設(shè)備控制裝置試驗(yàn)提供電源。傳統(tǒng)的整流裝置大部分采用二極管不可控整流技術(shù)或晶閘管相控整流技術(shù)，這類技術(shù)控制過程簡單、效率較高，但功率因數(shù)較低，且輸入電流的諧波含量比較高，對電網(wǎng)具有不良的影響。本文選用四個絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）兩兩串聯(lián)Q1、Q2及Q3、Q4串聯(lián)后并聯(lián)組成橋式整流單元（如圖1所示），并設(shè)計RCD緩沖電路避免瞬態(tài)操作電壓對IGBT管的沖擊，降低IGBT的開關(guān)損耗，保護(hù)整流單元安全、可靠運(yùn)行，在IGBT關(guān)斷過程中，電容C通過二極管充電，吸收關(guān)斷過程產(chǎn)生的du/dt，在IGBT開通后，電容C兩端的電壓通過電阻R放電。

圖1橋式整流電路原理圖

二、控制單元設(shè)計

煤礦直流設(shè)備控制裝置試驗(yàn)電源控制單元用于實(shí)現(xiàn)電源的控制和保護(hù)，主要由操作面板、處理器、IGBT驅(qū)動單元、顯示單元、電壓和電流檢測單元等組成，其中操作面板用于控制指令的輸入；處理器是整個控制系統(tǒng)的核心，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算、處理、實(shí)驗(yàn)過程控制和輸出電壓調(diào)節(jié)；IGBT驅(qū)動單元用于驅(qū)動IGBT可靠導(dǎo)通和關(guān)斷；顯示單元用于顯示電源的電壓、電流、狀態(tài)等信息；電壓和電流檢測單元用于檢測電源的電壓、電流信號，并將信號進(jìn)行隔離放大處理后發(fā)送給處理器。

2.1 電壓反饋電路

煤礦直流設(shè)備控制裝置試驗(yàn)用電源需要穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電壓輸出，并且要根據(jù)不同型號產(chǎn)品的需求調(diào)節(jié)電壓幅值，所以需要設(shè)計可靠的電壓反饋電路，處理器計算反饋值與需求值之間的偏差，然后對輸出電壓進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，保證試驗(yàn)電壓的準(zhǔn)確性。由于電源輸出電壓最高可達(dá)600V，所以不能從端口直接獲得電壓信號，設(shè)計由大功率電阻分壓后得到處理器AD可以接收的電壓信號。為了保證電路的穩(wěn)定性，在電路中加入一個高輸入阻抗的電壓跟隨器來獲取電壓信號。電壓反饋電路如圖2所示，圖中C5作用是濾除信號中的雜質(zhì)，

圖2 電壓反饋電路

穩(wěn)點(diǎn)電路輸入電壓，減小信號漂移，通常選取高頻無感電容。電阻R5、R6起到分壓作用，電壓反饋電路測量電壓等于電阻R6兩端電壓，其電壓值為總電壓的R6/R5+R6。穩(wěn)壓二極管D5和電容C6起到保護(hù)作用，防止運(yùn)放輸入電平高于其供電電壓。

2.2 電流檢測電路

煤礦直流設(shè)備控制裝置過載試驗(yàn)是在額定電流的1.6倍、3倍和5倍條件下進(jìn)行，試驗(yàn)過程對電流值具有明確要求，所以試驗(yàn)電源應(yīng)該具有穩(wěn)定、可靠的電流檢測電路。為了降低主電路對電流信號的干擾，提高電流檢測的精度，選用基于霍爾效應(yīng)電流傳感器采集母線電流。CS600E2型電流傳感器原邊額定輸入電流600A，原邊測量電流范圍0～±1000A，響應(yīng)時間小于等于5μs，工作電源為±15V，傳感器輸出電壓范圍0-4V。傳感器輸出信號經(jīng)過隔離和LM324組成的電壓跟隨其處理后發(fā)送給處理器的AD轉(zhuǎn)換引腳，電路檢測電路原理圖如圖3所示。

圖3 電流檢測電路

2.3 溫度保護(hù)電路

直流電源內(nèi)的整流開關(guān)管和變壓器在工作過程中產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致工作環(huán)境溫度升高，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此次除了采取常規(guī)散熱措施外，還需要設(shè)計溫度保護(hù)電路對電源的溫度進(jìn)行控制和動態(tài)調(diào)節(jié)。溫度控制電路工作過程：電源上電后溫度保護(hù)電路開始工作，當(dāng)溫度值高于設(shè)定值時，熱敏電阻阻值變大，這時在運(yùn)放M的同相輸入端電壓高于0V，信號經(jīng)過放大后輸出到N，使得運(yùn)放的同相輸入端電壓高于反相端，運(yùn)放輸出+5V的電壓驅(qū)動場效應(yīng)管導(dǎo)通，熱電制冷器開始工作降低系統(tǒng)溫度，當(dāng)溫度達(dá)到正常溫度時場效應(yīng)管截止，熱電制冷器停止工作。

同時，系統(tǒng)設(shè)置有溫度采集電路，處理器對高精度溫度傳感器的信號進(jìn)行計算處理，并發(fā)送給顯示屏進(jìn)行系統(tǒng)溫度實(shí)時顯示。

三、結(jié)論

礦用直流架線電機(jī)、礦用蓄電池車輛是我國中小煤礦井下主要的運(yùn)輸設(shè)備之一，其安全性直接關(guān)系到煤礦安全生產(chǎn)工作能否順利開展，本文設(shè)計的煤礦直流設(shè)備控制裝置試驗(yàn)電源滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，符合礦用直流設(shè)備控制裝置檢驗(yàn)需求，具有輸出穩(wěn)定、安全可靠等特點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 賈德利.IGBT逆變電源的設(shè)汁與應(yīng)用[M]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[2] 董紀(jì)淸，陳為，盧增藝.開關(guān)電源高頻變壓器電容效應(yīng)建模與分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2009.12（2）：169-172.

[3] 葛麗霞.礦用機(jī)車直流電源變換器的研究開發(fā)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2010.25（3）：44-45.