賈永峰

（潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

0 引 言

因高頻變壓器隔離型本安電源具有高質(zhì)量的電壓輸出和較小的紋波而被廣泛的應(yīng)用于煤礦井下。但隨著煤礦生產(chǎn)需求的不斷增大，一些問題也逐漸顯露出來，例如功率管耗費(fèi)電源較大功率損失，溫度升高迅速，有時(shí)甚至超過設(shè)定值；輸出電容容易引起短路故障，進(jìn)而有可能誘發(fā)爆炸，電源安全性得不到保障；井下因用電設(shè)備眾多，電網(wǎng)電壓波動(dòng)明顯，本安電源中的電路對(duì)電壓波動(dòng)適應(yīng)性較慢[1]。這些問題若不及時(shí)解決，將嚴(yán)重時(shí)會(huì)危害整個(gè)礦井的安全供電，為保障煤礦安全生產(chǎn)，論文對(duì)高頻變壓器隔離型本安電源的整流濾波電路、控制電路、多路輸出電路和過壓過流保護(hù)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期提高高頻變壓器隔離型本安電源達(dá)到更高的質(zhì)量和性能，這對(duì)整個(gè)礦井的供電系統(tǒng)安全來說也具有重大的意義！

1 高頻變壓器隔離型本安電源結(jié)構(gòu)

礦井高頻變壓器隔離型本安電源性能特點(diǎn)[2]：一是采用PWM控制芯片，電源的響應(yīng)速度和控制精度較高；二是高頻變壓器體積較小、重量輕，與一般的工頻變壓器相比，占用空間小，易于搬運(yùn)，良好的適應(yīng)了井下條件所需。煤礦井下高頻變壓器隔離型本安電源結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的功能示意如圖1所示。

外界傳入的交流電壓（AC）輸入到高頻變壓器隔離型本安電源的輸入濾波整流電路，經(jīng)過濾波整流作用后的電壓被輸送至高頻變壓器隔離環(huán)節(jié)中，根據(jù)高頻變壓器判別，若是多路輸出，高頻變壓器的次級(jí)側(cè)根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系分成相對(duì)應(yīng)的路數(shù)，進(jìn)而得到相應(yīng)的電壓等級(jí)，此時(shí)每級(jí)電壓輸送至每個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出整流濾波電路，經(jīng)過整流濾波作用后進(jìn)入本安雙重保護(hù)電路進(jìn)行檢測(cè)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，最后輸出本質(zhì)安全型的電壓，整個(gè)過程便是高頻變壓器隔離型本安電源工作的基本原理。

2 本安電源主要硬件電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 整流濾波電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

礦井電源電路中的功率管功耗大，輸出電容易引發(fā)短路爆炸，井下電網(wǎng)電壓波動(dòng)明顯，引起變換器適應(yīng)性極差，為此，需要對(duì)高頻變壓器隔離型本安電源的整流濾波電路進(jìn)行優(yōu)化。圖2為高頻變壓器隔離型本安電源整流濾波電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保護(hù)電路由熱敏電阻、熔斷器、壓敏電阻共同構(gòu)成，出線端E接地，共同作用確保本安電源安全。安規(guī)電容C1、C4、C5屬于X型系列，作用是消除電路中電流差值干擾。安規(guī)電容C2、C3屬于Y型系列，與中性線接地極E相連，防止電路中電流過高對(duì)電感造成影響。在電容C5后面的電源電路中不在增加整流，電容C5兩端的交流電已經(jīng)整流為紋波直流電[4]，可以直接輸入到高頻逆變器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本安電路整流濾波作用。

圖2 整流濾波電路優(yōu)化方案

2.2 控制電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖3 基于脈寬調(diào)制控制的電路

煤礦井下使用反饋，高頻變壓器隔離型本安電源常因響應(yīng)速度和控制精度較低，電壓穩(wěn)定性較差?；诿}寬調(diào)制（PWM）[3]控制芯片優(yōu)化后的電源電路如圖3所示。整流濾波電路將輸入的220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡绷麟娍梢詾楣β书_關(guān)提供動(dòng)力[4]。脈寬調(diào)制器將本安電源電路中電壓信號(hào)調(diào)質(zhì)，并與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行對(duì)比、分析、放大，差值結(jié)果傳輸至控制端。脈寬調(diào)制器頻率保持不變，表示其處于正常的工作狀況，一旦本安電源電路輸出電壓V0變小，脈寬調(diào)制器新建與基準(zhǔn)電壓比較差值，比較的電壓差值經(jīng)過放大器放大后傳輸至比較器中，在PWM芯片控制下將電壓信號(hào)脈沖寬度增寬。增寬的電壓脈沖通過開關(guān)管繼續(xù)傳輸給變壓器，經(jīng)過變壓器作用升高電壓，磁芯進(jìn)一步耦合升高的電壓，此時(shí)的電壓經(jīng)過高頻變壓器轉(zhuǎn)換到變壓器次級(jí)側(cè)，次級(jí)側(cè)有二極管，經(jīng)過二極管整流和電容C2濾波后，最終得到井下機(jī)械設(shè)備需要的的電壓。需要較低輸出電壓時(shí)，其調(diào)節(jié)與控制過程正好相反。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，顯著改善了本安電源控制精度和反應(yīng)速度，有效的提高了本安電源供電安全性和穩(wěn)定性。

2.3 多路輸出電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

因礦井使用設(shè)備眾多，整個(gè)電網(wǎng)電壓波動(dòng)明顯，為了更好的控制每個(gè)電壓等級(jí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了本安電源的多路輸出電路[5]詳見圖4所示，其中高頻變壓器TR結(jié)構(gòu)為反激式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)調(diào)控占空比的誤差信號(hào)幅度較小，有利于誤差信號(hào)放大器的增益。在初級(jí)繞組Lp左側(cè)的尖脈沖吸收回路由元件R1、R2、C7、VD1構(gòu)成。變壓器的次級(jí)繞組LS1右側(cè)將穩(wěn)態(tài)二極管VD5、VD6并聯(lián)，目的是對(duì)半波整流，可以有效提高電流通過的最大值。濾波電路有電器元件VD7、C20、C21、L4、C22構(gòu)成，吸收回路上設(shè)置電阻R19和電容C16，有利于減小電壓輸出的波動(dòng)，增設(shè)二極管阻止電子反向流入。三端穩(wěn)壓源78L12設(shè)計(jì)在次級(jí)繞組LS3的右側(cè)，該穩(wěn)壓源能夠?qū)⒌谌芈分械碾妷狠敵鲋捣€(wěn)定在12V。次級(jí)繞組LS3設(shè)計(jì)為高精度的穩(wěn)壓源光耦合反饋電路，三個(gè)回路中的輸出的電壓12V、18V、24V是在反饋電阻R22、R23、R24分別作用下形成的。若輸出電壓變大，則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中的二極管亮度增加，接收的晶體管電流變大，此時(shí)芯片控制器通過調(diào)節(jié)占空比迫使高頻變壓器TR輸出降低的電壓。若輸出電壓較低，調(diào)節(jié)方法與之相反。通過對(duì)高頻變壓器隔離型本安電源多路輸出電路優(yōu)化，可以有保障井下設(shè)備所需的電壓。

圖4 優(yōu)化后的多輸出電路

2.4 過壓過流保護(hù)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了更好的保護(hù)高頻變壓器隔離型本安電源，優(yōu)化設(shè)計(jì)了過壓過流雙重保護(hù)電路，詳見圖5所示。保護(hù)電路組成部分分為故障檢測(cè)電路和自動(dòng)恢復(fù)電路。過壓檢測(cè)電路中的元件主要有分壓電阻RS1和RS2以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC5，電流檢測(cè)電路中元件由電阻RS3和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC6組成，短路檢測(cè)電路中元件為電感L5和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC6組成。為了提高檢測(cè)精準(zhǔn)率，采用電感實(shí)時(shí)檢測(cè)電流變化情況。自動(dòng)恢復(fù)電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、電阻R30和三極管VT6等元件，驅(qū)動(dòng)電路采用三極管VT7和VT8構(gòu)成，自動(dòng)加快截流開關(guān)響應(yīng)速度。在該過壓過流雙重保護(hù)電路中串聯(lián)同樣的電路，目的是為高頻變壓器隔離型本安電源提供兩道保護(hù)措施，確保礦井供電需求和安全性。

圖5 優(yōu)化后的過壓過流保護(hù)電路

3 高頻變壓器隔離型本安電源優(yōu)化后的效果

為了驗(yàn)證高頻變壓器隔離型本安電源電路優(yōu)化的效果，以測(cè)試過壓過流保護(hù)效果為例進(jìn)行說明，測(cè)試的簡(jiǎn)易電路如圖6所示。測(cè)試電路中采用滑動(dòng)變阻器代替負(fù)載，電流變化可以通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值實(shí)現(xiàn)。若把開關(guān)S閉合，則為測(cè)試本安電源短路故障，論文在此不再贅述，下面對(duì)以過電流情況進(jìn)行說明。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器迫使整個(gè)電路中的阻值減小，當(dāng)電流增大到過流保護(hù)執(zhí)行動(dòng)作時(shí)，停止調(diào)節(jié)，此時(shí)檢測(cè)電流、電壓變化情況。

圖6 高頻變壓器隔離型本安電源過壓過流保護(hù)電路測(cè)試原理

高頻變壓器隔離型本安電源過壓過流保護(hù)電路測(cè)試結(jié)果見表1：

表1 過壓過流保護(hù)電路測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表1測(cè)試結(jié)果表明，本安電源電路中的過電壓保護(hù)波動(dòng)范圍為+3.9%～-3.4%，電路中的過電流保護(hù)波動(dòng)范圍為+3%～-9%，滿足設(shè)計(jì)要求，能夠達(dá)到礦井高頻變壓器隔離型本安電源需求，起到了良好的過電壓和過電流雙重保護(hù)作用，有利于提高井下用電設(shè)備安全性。

4 結(jié) 論

1）采用X與Y型系列的安規(guī)電容及電感、電阻、二極管等元件實(shí)現(xiàn)整流濾波；采用PWM控制芯片進(jìn)行脈寬調(diào)制改善控制電路影響速度和控制精度；變壓器運(yùn)用反激式結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)占空比從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)回路電壓穩(wěn)定；運(yùn)用故障檢測(cè)和自動(dòng)恢復(fù)組成的過電壓過電流雙重保護(hù)的電路自動(dòng)檢測(cè)過壓、過流和短路故障并作出反應(yīng)。

2）為了驗(yàn)證高頻變壓器隔離型本安電源電路優(yōu)化的效果，以測(cè)試過壓過流保護(hù)為例進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明過電壓、過電流保護(hù)波動(dòng)范圍均小于10%，滿足礦井高頻變壓器隔離型本安電源要求。