基于NCP1207的矿井本安电源电路优化设计

2019-12-12王超峰

煤 2019年12期

王超峰

(潞安集团潞宁煤业公司，山西忻州 036000)

煤矿井下使用的本安电源具有电压输出质量高和纹波小的特点，被许多煤矿采用，但随着井下生产能力提高，需求不断提升，本安电源电路中的功率管功耗大、发热高，输出电容易引发短路爆炸，电源电压变压器体积庞大，不仅需要额外增加电源防爆外壳，而且造价高昂，井下电网电压波动明显，引起变换器适应性极差[1]。为了优化煤矿井下本安电源电路，设计了整流滤波和控制电路，并优化了电源电路散热结构，基于NCP1207控制的电源电路适合高低压功率以及危险场所[2]，结构简单，控制准确，确保了井下电源电路安全，不仅可为矿井降低成本，还为煤矿安全生产奠定了安全基础。

1 本安电源电路总体优化方案

为了解决矿井电源电路功率耗损、发热严重、输出电流容易发生短路爆炸、变压器体积大、电压波动明显等问题，本文提出基于NCP1207控制本安电源电路。图1为矿井本安电源电路总体优化设计方案，被输入到滤波整流电路的电压范围在85～265 V，进入整流电路为交流电压，经过滤波器整流后，交流电压在高频逆变器作用下降压为三个电路输出电压，输出的电压必须要经过本安双重过压过流保护[3]才能达到优化要求。采集电压信息设置在DC/DC1(DC2、DC3)的输入端，反馈电路将输入端的电压值传输至NCP1207控制芯片，控制芯片根据电压值判断，进而调节占空比，改变适合电压的开关导通频率，迫使高频变压器输出较为适宜的电压，满足本安电源电路电压允许范围。NCP1207控制芯片本身是不具有供电的内部电源，需要依靠外部给其供电才能工作，整个本安电源电路是一个闭环系统，输入与输出之间相互约束，才能达到安全、可靠的井下供电。

图1 本安电源电路总体优化方案

2 整流滤波电路和控制电路优化设计

2.1 整流滤波电路优化设计

矿井电源电路中的功率管功耗大，输出电流容易引发短路爆炸，电源电压变压器体积庞大，井下电网电压波动明显，引起变换器适应性极差。图2为基于NCP1207控制芯片的本安电源电路整流滤波电路优化设计方案，保护电路由热敏电阻、熔断器、压敏电阻共同构成，出线端E接地，共同作用确保本安电源电路安全。安规电容C1、C4、C5属于X型系列，作用是消除电路中电流差值干扰；安规电容C2、C3属于Y型系列，与中性线接地极E相连，防止电路中电流过高对电感造成影响。在电容C5后面的电源电路中不再添加整流，电容C5两端的交流电已经整流为纹波直流电[4]，可以直接输入到高频逆变器，进而实现本安电路整流滤波作用。

图2 整流滤波电路优化方案

2.2 基于NCP1207控制电路优化设计

NCP1207属于PWM电源控制芯片，可以实现软启动，开关状态可以在零电压和零电流下进行，是一种高效低耗的电子控制芯片。NCP1207电源电子控制芯片内部集成了退磁检测功能的电路，NCP1207电源电子控制芯片中的“跳过周期”能够降低本安电源电路中的空载损耗，显著提升电源电路工作成效。若发生电压突变或者波动等突发情况，NCP1207电源电子控制芯片可以有效控制本安电源电路中突变的峰值电流，抑制电流在较小范围内变化或者波动，且不会对整个电源电路产生额外的噪声[5]，本安电源电路中的NCP1207电源电子控制芯片如图3所示。

图3 NCP1207电子芯片

基于NCP1207芯片控制优化后的电源电路如图4所示。整流滤波电路将输入的220 V交流电转变为直流电，直流电可以为功率开关提供动力[6]。脉宽调制器生成的脉冲驱动栅极或者基极，栅极是用来驱动电源电路中场效应的，而基极是用来驱动电源电路开关管的。基准电压、比较器、误差分析器、信号放大器、锯齿发生器等构成了脉宽调制器，脉宽调制器属于NCP1207控制芯片的一部分。脉宽调制器将本安电源电路中电压信号调质，并与基准电压进行对比、分析、放大，差值结果传输至NCP1207芯片。脉宽调制器频率保持不变，表示其处于正常的工作状况，一旦本安电源电路输出电压V0变小，NCP1207控制芯片将会促使脉宽调制器新建与基准电压比较差值。比较的电压差值经过放大器放大后传输至比较器中，在NCP1207芯片控制下将电压信号脉冲宽度增宽。增宽的电压脉冲通过开关管继续传输给变压器，经过变压器作用升高电压，磁芯进一步耦合升高的电压，此时的电压经过高频变压器转换到变压器次级侧，次级侧有二极管，经过二极管整流和电容C2滤波后，最终得到井下机械设备需要的稳定、平稳、安全的电压。需要较低输出电压时，其调节与控制过程正好相反。这就是整个基于NCP1207技术调节控制电源电路的基本原理，也确保了井下安全供电，实现了井下本质安全型的电源电路。

图4 基于NCP1207芯片控制的电路

3 本安电源电路中散热优化设计

3.1 梳理发热源

煤矿井下本安电源电路中的二极管、整流器、电容、滤波器、变压器、电感和开关管在工作时均会产生较大热量，如果热量过大不仅会损坏电路中的电器，而且还会对供电安全造成威胁，为了减小或者降低电源电路中热量，确保井下电路安全，应合理布置电路中的器件，每个器件之间要有合适的距离，保障器件散发热量相互不影响。

NCP1207芯片控制的脉宽调制器、基准电压源、电源电压与电流信号转换的光耦器均会在本安电源电路发热，这些器件内部腔体发热变形，严重影响芯片信号的接收、分析、处理，为了降低器件热稳定性，采用DIP材料封装器件，并促使光耦转换器悬空，减小受PCB板热量影响。

3.2 散热优化

随着井下机械设备使用量增加或者长期工作，本安电源电路以及电路中的器件产生的热量就会增加，对于电能或者电源电路本身来说损耗就相当高。为了确保本安电源电路使用安全，降低电源和电路中器件温度，进一步提高井下供电安全，散热优化措施为：一是在本安电源处增设防爆风扇，采用自动监测装置实时监控风扇运行参数，通过工业以太环网实时传输给控制中心，控制中心根据风扇工作状态将信息反馈给NCP1207芯片调控电路；二是给控制板添加裸铜，及时将器件和NCP1207芯片的热量散发；三是本安电源电路的电线、器件尽可能选择耐高温和性能可靠的器材；四是在电气设备密集区增设风门，及时将电气设备产生热量散发开，确保电气设备稳定运行。

基于NCP1207技术调控的本安电源电路通过在井下试验，良好地解决了本安电源电路功率耗损、发热严重、变压器占用空间大等问题，稳定了电网中电压波动，减小了矿井供电成本，为矿井安全供电提供了保障。