煤矿直流设备控制装置试验电源研制

张旭

【摘要】 本文在分析煤矿安全生产状况和直流电源原理基础上，将电力电子技术和微处理器控制相结合设计矿用直流设备试验电源，主要包括整流单元和控制单元，其中控制单元主要包括电压反馈电路、电流检测电路和温度保护电路，所设计的试验电源可以按照标准要求实现直流设备恒压、恒流试验操作。

【关键词】 煤矿 直流设备 试验 控制技术

随着电力行业的迅速发展和新能源发电的技术限制，使得电力行业对于煤炭的依赖程度不断提高。煤矿井下工作环境中含有大量瓦斯、煤尘等可燃性气体和混合物，电气设备短路、过载等故障可能直接导致井下安全生产事故，所以对井下电气设备的可靠性和安全性要求较高。矿用架线机车、蓄电池机车作为井下运输工具，车辆的稳定运行对于井下安全生产和避免安全隐患具有也十分重要的意义。

一、整流技术

变流电路用于实现电能（交流（AC）和直流（DC））之间的变换，属于电能转换过程常用的电路。根据电能输入输出形式不同，变流电路可以分为AC-DC转换、AC-AC转换、DC-DC转换和DC-AC转换。本文涉及的变流电路为AC-DC，即整流电路，其目的是将交流电转变成直流电，为煤矿直流设备控制装置试验提供电源。传统的整流装置大部分采用二极管不可控整流技术或晶闸管相控整流技术，这类技术控制过程简单、效率较高，但功率因数较低，且输入电流的谐波含量比较高，对电网具有不良的影响。本文选用四个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）两两串联Q1、Q2及Q3、Q4串联后并联组成桥式整流单元（如图1所示），并设计RCD缓冲电路避免瞬态操作电压对IGBT管的冲击，降低IGBT的开关损耗，保护整流单元安全、可靠运行，在IGBT关断过程中，电容C通过二极管充电，吸收关断过程产生的du/dt，在IGBT开通后，电容C两端的电压通过电阻R放电。

图1桥式整流电路原理图

二、控制单元设计

煤矿直流设备控制装置试验电源控制单元用于实现电源的控制和保护，主要由操作面板、处理器、IGBT驱动单元、显示单元、电压和电流检测单元等组成，其中操作面板用于控制指令的输入；处理器是整个控制系统的核心，用于实现数据的计算、处理、实验过程控制和输出电压调节；IGBT驱动单元用于驱动IGBT可靠导通和关断；显示单元用于显示电源的电压、电流、状态等信息；电压和电流检测单元用于检测电源的电压、电流信号，并将信号进行隔离放大处理后发送给处理器。

2.1 电压反馈电路

煤矿直流设备控制装置试验用电源需要稳定、准确的电压输出，并且要根据不同型号产品的需求调节电压幅值，所以需要设计可靠的电压反馈电路，处理器计算反馈值与需求值之间的偏差，然后对输出电压进行动态调节，保证试验电压的准确性。由于电源输出电压最高可达600V，所以不能从端口直接获得电压信号，设计由大功率电阻分压后得到处理器AD可以接收的电压信号。为了保证电路的稳定性，在电路中加入一个高输入阻抗的电压跟随器来获取电压信号。电压反馈电路如图2所示，图中C5作用是滤除信号中的杂质，

图2 电压反馈电路

稳点电路输入电压，减小信号漂移，通常选取高频无感电容。电阻R5、R6起到分压作用，电压反馈电路测量电压等于电阻R6两端电压，其电压值为总电压的R6/R5+R6。稳压二极管D5和电容C6起到保护作用，防止运放输入电平高于其供电电压。

2.2 电流检测电路

煤矿直流设备控制装置过载试验是在额定电流的1.6倍、3倍和5倍条件下进行，试验过程对电流值具有明确要求，所以试验电源应该具有稳定、可靠的电流检测电路。为了降低主电路对电流信号的干扰，提高电流检测的精度，选用基于霍尔效应电流传感器采集母线电流。CS600E2型电流传感器原边额定输入电流600A，原边测量电流范围0～±1000A，响应时间小于等于5μs，工作电源为±15V，传感器输出电压范围0-4V。传感器输出信号经过隔离和LM324组成的电压跟随其处理后发送给处理器的AD转换引脚，电路检测电路原理图如图3所示。

图3 电流检测电路

2.3 温度保护电路

直流电源内的整流开关管和变压器在工作过程中产生的热量会导致工作环境温度升高，影响控制系统的稳定性，此次除了采取常规散热措施外，还需要设计温度保护电路对电源的温度进行控制和动态调节。温度控制电路工作过程：电源上电后温度保护电路开始工作，当温度值高于设定值时，热敏电阻阻值变大，这时在运放M的同相输入端电压高于0V，信号经过放大后输出到N，使得运放的同相输入端电压高于反相端，运放输出+5V的电压驱动场效应管导通，热电制冷器开始工作降低系统温度，当温度达到正常温度时场效应管截止，热电制冷器停止工作。

同时，系统设置有温度采集电路，处理器对高精度温度传感器的信号进行计算处理，并发送给显示屏进行系统温度实时显示。

三、结论

矿用直流架线电机、矿用蓄电池车辆是我国中小煤矿井下主要的运输设备之一，其安全性直接关系到煤矿安全生产工作能否顺利开展，本文设计的煤矿直流设备控制装置试验电源满足国家标准要求，符合矿用直流设备控制装置检验需求，具有输出稳定、安全可靠等特点。

参 考 文 献

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