矿井高频变压器隔离型本安电源优化设计研究

2020-10-14贾永峰

煤矿现代化 2020年6期

贾永峰

（潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司，山西宁武 036700）

0 引言

因高频变压器隔离型本安电源具有高质量的电压输出和较小的纹波而被广泛的应用于煤矿井下。但随着煤矿生产需求的不断增大，一些问题也逐渐显露出来，例如功率管耗费电源较大功率损失，温度升高迅速，有时甚至超过设定值；输出电容容易引起短路故障，进而有可能诱发爆炸，电源安全性得不到保障；井下因用电设备众多，电网电压波动明显，本安电源中的电路对电压波动适应性较慢[1]。这些问题若不及时解决，将严重时会危害整个矿井的安全供电，为保障煤矿安全生产，论文对高频变压器隔离型本安电源的整流滤波电路、控制电路、多路输出电路和过压过流保护电路进行优化设计，以期提高高频变压器隔离型本安电源达到更高的质量和性能，这对整个矿井的供电系统安全来说也具有重大的意义！

1 高频变压器隔离型本安电源结构

矿井高频变压器隔离型本安电源性能特点[2]：一是采用PWM控制芯片，电源的响应速度和控制精度较高；二是高频变压器体积较小、重量轻，与一般的工频变压器相比，占用空间小，易于搬运，良好的适应了井下条件所需。煤矿井下高频变压器隔离型本安电源结构和实现的功能示意如图1所示。

外界传入的交流电压（AC）输入到高频变压器隔离型本安电源的输入滤波整流电路，经过滤波整流作用后的电压被输送至高频变压器隔离环节中，根据高频变压器判别，若是多路输出，高频变压器的次级侧根据对应关系分成相对应的路数，进而得到相应的电压等级，此时每级电压输送至每个对应的输出整流滤波电路，经过整流滤波作用后进入本安双重保护电路进行检测是否符合标准，最后输出本质安全型的电压，整个过程便是高频变压器隔离型本安电源工作的基本原理。

2 本安电源主要硬件电路优化设计

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，输出电容易引发短路爆炸，井下电网电压波动明显，引起变换器适应性极差，为此，需要对高频变压器隔离型本安电源的整流滤波电路进行优化。图2为高频变压器隔离型本安电源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在增加整流，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 控制电路优化设计

图3 基于脉宽调制控制的电路

煤矿井下使用反馈，高频变压器隔离型本安电源常因响应速度和控制精度较低，电压稳定性较差。基于脉宽调制（PWM）[3]控制芯片优化后的电源电路如图3所示。整流滤波电路将输入的220V交流电转变为直流电，直流电可以为功率开关提供动力[4]。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，差值结果传输至控制端。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，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PWM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的电压。需要较低输出电压时，其调节与控制过程正好相反。通过优化设计，显著改善了本安电源控制精度和反应速度，有效的提高了本安电源供电安全性和稳定性。

2.3 多路输出电路优化设计

因矿井使用设备众多，整个电网电压波动明显，为了更好的控制每个电压等级，优化设计了本安电源的多路输出电路[5]详见图4所示，其中高频变压器TR结构为反激式结构，该结构调控占空比的误差信号幅度较小，有利于误差信号放大器的增益。在初级绕组Lp左侧的尖脉冲吸收回路由元件R1、R2、C7、VD1构成。变压器的次级绕组LS1右侧将稳态二极管VD5、VD6并联，目的是对半波整流，可以有效提高电流通过的最大值。滤波电路有电器元件VD7、C20、C21、L4、C22构成，吸收回路上设置电阻R19和电容C16，有利于减小电压输出的波动，增设二极管阻止电子反向流入。三端稳压源78L12设计在次级绕组LS3的右侧，该稳压源能够将第三回路中的电压输出值稳定在12V。次级绕组LS3设计为高精度的稳压源光耦合反馈电路，三个回路中的输出的电压12V、18V、24V是在反馈电阻R22、R23、R24分别作用下形成的。若输出电压变大，则单稳态触发器中的二极管亮度增加，接收的晶体管电流变大，此时芯片控制器通过调节占空比迫使高频变压器TR输出降低的电压。若输出电压较低，调节方法与之相反。通过对高频变压器隔离型本安电源多路输出电路优化，可以有保障井下设备所需的电压。

图4 优化后的多输出电路

2.4 过压过流保护电路优化设计

为了更好的保护高频变压器隔离型本安电源，优化设计了过压过流双重保护电路，详见图5所示。保护电路组成部分分为故障检测电路和自动恢复电路。过压检测电路中的元件主要有分压电阻RS1和RS2以及单稳态触发器IC5，电流检测电路中元件由电阻RS3和单稳态触发器IC6组成，短路检测电路中元件为电感L5和单稳态触发器IC6组成。为了提高检测精准率，采用电感实时检测电流变化情况。自动恢复电路采用单稳态触发器、电阻R30和三极管VT6等元件，驱动电路采用三极管VT7和VT8构成，自动加快截流开关响应速度。在该过压过流双重保护电路中串联同样的电路，目的是为高频变压器隔离型本安电源提供两道保护措施，确保矿井供电需求和安全性。

图5 优化后的过压过流保护电路

3 高频变压器隔离型本安电源优化后的效果

为了验证高频变压器隔离型本安电源电路优化的效果，以测试过压过流保护效果为例进行说明，测试的简易电路如图6所示。测试电路中采用滑动变阻器代替负载，电流变化可以通过调节滑动变阻器阻值实现。若把开关S闭合，则为测试本安电源短路故障，论文在此不再赘述，下面对以过电流情况进行说明。调节滑动变阻器迫使整个电路中的阻值减小，当电流增大到过流保护执行动作时，停止调节，此时检测电流、电压变化情况。