CN101867298A

CN101867298A - 一种矿用本安电源装置

Info

Publication number: CN101867298A
Application number: CN 201010220652
Authority: CN
Inventors: 宋建成; 刘国瑞; 曲兵妮; 樊志坚; 田慕琴; 许春雨
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2010-07-03
Filing date: 2010-07-03
Publication date: 2010-10-20

Abstract

一种矿用本安电源装置是输入滤波整流电路的输入端接矿井低压交流电网，其输出直流电压接高频逆变电路的输入端，高频逆变电路的输出端接输出整流滤波电路的输入端，控制脉冲生成电路通过输出电压、电流反馈生成控制高频逆变电路逆变所需的PWM脉冲，控制器内部电源电路的输入端接输入滤波整流电路输出的直流电压，输出给控制脉冲生成电路中控制器供电，本安保护电路通过采集输出整流滤波电路输出电压及负载电流实现本安保护。本发明解决了现有煤矿井下直流稳压电源体积大，供电效率低，电网适应性差，本安输出功率小等问题，为煤矿井下供电提供了安全可靠的保障，也为煤矿井下的自动化开采作业创造了有利条件。

Description

一种矿用本安电源装置

技术领域

本发明涉及一种矿用电源装置，特别是一种适用于在瓦斯、煤尘等***危险环境使用的大容量本安电源装置。

技术背景

现有煤矿开采的电源信号、仪表、通讯、监控及其自动化***中的本安电源装置满足不了矿井掘进自动化的需求，迫切需要解决矿用大容量的本安电源装置是现有煤矿自动化开采突出的重要问题。

本安直流稳压电源由两大模块组成，AC/DC直流稳压模块和本安输出保护模块。目前矿井本安直流稳压电源的AC/DC直流稳压模块多采用线性稳压电源实现，而线性稳压电源具有供电效率低、抗干扰性差、体积大等缺点，当矿井电网电压大幅度波动时，常常不能稳定运行，电网适应性差；本安输出模块由于受矿井采煤工作面煤尘大，瓦斯浓度高等条件限制，其输出功率一直比较低，很难满足井下采煤工作面自动化控制***中许多大功率器件如支架电液控制***电磁阀，瓦斯浓度传感器等对大容量本安电源的需求。为此，本发明在现有本安电源装置的基础上，对现有本安电源装置进行了改进，以满足和能够保证煤矿自动化开采的需求和煤矿开采的安全性以及可靠性。

发明内容

本发明提供一种矿用本安电源装置，用于解决现有煤矿井下直流稳压电源存在的体积比较大，供电效率低，电网适应性差，本安输出功率小等问题。

本发明基于上述问题和目的，所采取的技术方案包括输入滤波整流电路，高频逆变电路，输出整流滤波电路，控制脉冲生成电路，控制器内部电源电路和本安保护电路。其中，输入滤波整流电路的输入端接矿井低压交流电网，其输出直流电压接高频逆变电路的输入端，将直流电压逆变为高频PWM脉冲，高频逆变电路输出的高频PWM脉冲接输出整流滤波电路的输入端，将高频PWM脉冲整流滤波为额定电压等级的直流电压，控制脉冲生成电路通过输出电压、电流反馈生成控制高频逆变电路逆变所需的PWM脉冲，控制器内部电源电路的输入端接输入滤波整流电路输出的直流电压，输出给控制脉冲生成电路中控制器供电，本安保护电路通过采集输出整流滤波电路输出电压及负载电流实现本安保护。

所述的输入滤波整流电路是由输入保护单元，输入滤波单元和整流桥单元三部分构成，其中的输入保护单元的输入端接矿井低压交流电网，输出端接输入滤波单元，输入滤波单元输出端接整流桥单元输入端，整流桥输出端接高频逆变电路的输入端；

所述的高频逆变电路是由驱动变压器，MOSFET和MOSFET保护电路构成，其中的驱动变压器的原边接控制脉冲生成电路输出的PWM驱动信号，副边经栅极电阻和MOSFET的栅极和源极相连接，MOSFET保护电路并联在MOSFET漏极和源极之间；

所述的输出整流滤波电路是由整流脉冲变压器，整流二极管、电感和电容构成，其中的整流脉冲变压器原边接高频逆变电路的输出端，其副边接整流二极管，电感串联在整流二极管整流输出直流回路，电容并联在整流二极管整流输出直流回路中；

所述的控制脉冲生成电路是由开关电源芯片和电压电流反馈电路构成；其中的输入端接负载端电压电流反馈信号，输出是用于控制高频逆变电路MOSFET开通和关断的PWM脉冲信号；

所述的控制器内部电源电路是由隔离型DC/DC降压模块、稳压滤波电容和假电阻负载构成，其中的隔离型DC/DC降压模块的输入端接输入滤波整流电路输出端，稳压滤波电容和假电阻负载并联在隔离型DC/DC降压模块的输出端；

所述的本安保护电路是由功率监视芯片和MOSFET开关管构成，其中的功率监视芯片输入接输入滤波整流电路输出的电压、电流信号，MOSFET开关管串联在输出整流滤波电路输出电压回路中，其开通和关断状态是由功率监视芯片输出的控制电平信号决定。

本发明自称的一种矿用本安电源装置所具有的优点与积极效果在于：通过控制脉冲生成电路的宽范围PWM脉冲占空比调制和电压电流双反馈，使装置允许输入电压范围加宽，能够适应煤矿井下电网电压的大幅度波动；高频逆变电路和输出整流滤波电路采用高频逆变技术和高频整流技术，省去了体积庞大的工频变压器，使装置体积减小，结构紧凑，供电效率明显提高；输入滤波整流电路在装置输入端接压敏电阻、共模抑制电感、共模滤波电容和差模滤波电容，能有效抑制矿井电网中的各种干扰，提高了装置的抗干扰能力；输入滤波整流电路具有输入过热、过压和过流保护功能，控制脉冲生成电路具有装置输入欠电压、输出欠电压和输出过电流保护功能。本安保护电路具有输出过流、过功率保护和上电保护功能，以上三级保护不仅提高了整个装置运行的安全性和可靠性，而且有效提高了整个装置的本安供电容量。

附图说明

图1是本发明输入滤波整流电路；

图2是本发明高频逆变电路；

图3是本发明输出整流滤波电路；

图4是本发明控制器内部电源电路；

图5是本发明控制脉冲生成电路；

图6是本发明本安保护电路；

图7是本发明输出电流采集及输出电压滤波电路。

具体实施方式

以下结合附图用实施例进一步详细描述本发明的一种矿用大容量本安电源装置，所述领域的技术人员在阅读了本具体实施例后，能够实现本发明所述的技术方案，同时也能够体现本发明所述的优点与积极效果。

实施例1

本发明由输入滤波整流电路，高频逆变电路，输出整流滤波电路，控制脉冲生成电路，控制器内部电源电路，本安保护电路，输出电流采集及输出电压滤波电路构成。

如图1～图7所述，将输入滤波整流电路的输入端接矿井交流低压电网，将矿井交流电压整流为一直流电压，其输出端接至高频逆变电路输入端；高频逆变电路将输入滤波整流电路输出的直流电压逆变为占空比可调的一系列高频PWM脉冲后输入给输出整流滤波电路，输出整流滤波电路对该高频PWM脉冲进行整流滤波后输出恒定的直流电压信号；控制脉冲生成电路通过采集输出电压电流信号不断改变高频逆变电路输出PWM脉冲的占空比，进而保证输出整流滤波电路输出的直流电压恒定不变；控制器内部电源电路的输入为输入滤波整流电路输出的直流电压，将该直流电压降压后为控制脉冲生成电路提供+15V电源；本安保护电路通过采集装置输出电压和负载电流判断装置是否运行正常，如果发生故障，立即关断本安保护电路中的输出MOSFET开关管，从而切断装置输出；输出电流采集及输出电压滤波电路通过在输出负载回路中串联小电阻的方法将装置输出电流转换为电压信号后送给本安保护电路。

如图1所述，为本发明的输入滤波整流电路。L和N为装置交流输入端，接矿井低压交流电网；PTC为用于防止装置长期过载的热敏电阻；F1为用于防止装置内部短路或交流电网短路的熔断器；RV1为用于抑制由于雷击、静电等出现瞬时过电压的压敏电阻；差模干扰抑制电容C1和C4，共模干扰抑制电容C2和C3以及共模抑制电感L12组成装置输入EMC滤波器，该滤波器一方面可以防止矿井交流电网的干扰信号干扰装置的正常运行，另一方面防止装置自身产生的干扰串入电网；单相全波整流桥BR将交流电压整流为直流电压，DC+和DC-为输入滤波整流电路输出的直流母线电压U_DC的正极和负极。

如图2所述，为本发明的高频逆变电路。DC+和DC-为输入滤波整流电路的输出；CJ1和CJ2为直流母线分压稳压电解电容，CJ1和CJ2必须是容值大小相同的电解电容；R3和R4为平衡分压电阻，保证CJ1和CJ2两个电解电容两端压降相同；T11为驱动变压器，其1脚PULSE1和2脚PULSE2接控制脉冲生成电路输出的PWM脉冲信号，其副边3、4引脚和5、6引脚分别经栅极电阻R10和R12限流后接高频逆变MOSFET管T1和T2的栅极G和源极S；D5和D7为变压器副边瞬态过电压抑制用瞬态抑制二极管，防止变压器副边绕组在MOSFET管关断瞬间产生的反电势将MOSFET的栅极和源极之间击穿；D6和D8为防止电流反向流动的二极管；电阻R9和R11为线圈自感电势提供一个能量消耗回路；T1和T2为高频逆变用MOSFET开关管，通过T1和T2的开通和关断可以将直流母线电压U_DC逆变为占空比可调的高频PWM脉冲U_PWM；电阻R5和R6为直流母线均压电阻；D2、D3、D10和D11为抑制瞬时过电压和过电流用瞬态抑制二极管；电容C8、二极管D9、电阻R13和R14构成T1的缓冲吸收电路，电容C7、二极管D4、电阻R7和R8构成T2的缓冲吸收电路，用于减小T1和T2的开关损耗；ZL-1和ZL-2为高频逆变电路的输出端。

如图3所述，为本发明的输出整流滤波电路。其输入端接高频逆变电路的输出端ZL_1和ZL_2；TR1为降压隔离变压器；R1和C6为变压器TR1原边线圈的吸收电阻和电容，C5为TR1原边通交隔直电容；D15和D16为输出整流二极管，在PWM脉冲的正半周，D15导通，PWM脉冲的负半周，D16导通，D15和D16交替导通将高频双极性PWM脉冲整流为高频单极性PWM脉冲，再经过由电感L1和L2，电容C17和C19及电解电容CJ11和CJ12组成的稳压滤波网络将高频单极性PWM脉冲整形为恒定的直流电压；二极管D1和电阻R32构成电感L1的吸收电路，二极管D17和电阻R35构成电感L2的吸收电路。

如图4所述，为本发明的控制器内部电源电路。其输入为输入滤波整流电路输出的直流电压U_DC，DC/DC降压模块M1将U_DC降压为+15V的直流电压，其中CJ18为稳压滤波电解电容，C29为滤波电容，R67为假负载。

如图5所述，为本发明的控制脉冲生成电路。控制电路的输入端接输出整流滤波电路输出直流电压V-OUT和电流反馈信号IFB，输出为控制高频逆变电路中MOSFET开通和关断的脉冲信号PULSE1和PULSE2；图中的+15V电源由图4中控制器内部电源电路输出电压供电，图中的+5V电源由开关电源芯片IC1内部基准输出电压供电，从开关电源芯片IC1的VREF管脚输出；电阻R33、R34和R37，可变电阻VR1及电容C16和C11组成了脉冲生成电路的电压反馈滤波电路，其中电阻R33、R34和R37及可变电阻VR1组成分压电阻网络，输出电压V-OUT在电阻R37和可变电阻VR1上的压降V_FB与开关电源芯片IC1第2脚输出的基准电压进行比较，通过比较偏差值调整输出PWM脉冲占空比，使输出电压V-OUT维持不变；R22和R26为分压电阻，R26上的压降为开关电源芯片IC1的2脚提供基准电压；电阻R27，电容C12和C14组成高频反馈滤波电路，用于抑制高频干扰；电阻R21和电解电容CJ6为开关电源芯片IC1软启动时间配置用电阻和电容；电阻R21和R28为开关电源芯片IC1输出PWM脉冲死区时间配置电阻；电阻R29和电容C15为开关电源芯片IC1外接振荡电阻和电容；电阻R20、R24和R25，三极管T4，二极管D12及电解电容CJ5构成了装置输出电压欠压保护电路，当装置由于输出短路或严重过载导致输出电压V-OUT偏低时，三极管T4关断，+5V电压通过电阻R20和二极管D12接至开关电源芯片IC1的第4脚DT，即死区时间控制管脚，将PWM脉冲封锁，切断输出；R17和R18为控制脉冲生成电路的电流反馈电阻；C10为电流反馈滤波电容；R23和C13构成开关电源芯片IC1内部运放高频反馈滤波，用以抑制高频干扰；稳压管D18，光耦IC2，电阻R15、R19和R42，三极管T3及电解电容CJ3、CJ4和CJ7构成控制脉冲生成电路输入电压欠压保护电路，其中DC+和DC-接输入滤波整流电路的输出U_DC，当U_DC大于稳压管D18的稳压值时，光耦IC2导通，从而使三极管T3导通，将+15V电压接入开关电源芯片IC1的VCC引脚，允许开关电源芯片IC1工作，若U_DC低于稳压管D18的稳压值，光耦IC2截止，三极管T3关断，开关电源芯片IC1工作截止；电阻R16、R16’、R30和R31及三极管T5、T6、T7和T8构成控制脉冲生成电路的推挽式输出电路，当开关电源芯片IC1的E1管脚为正脉冲，E2管脚为负脉冲时，三极管T6和T8导通；反之，三极管T5和T7导通，采用推挽式输出方式可以提高开关电源芯片IC1的输出驱动能力。

如图6所述，为本发明的本安保护电路。具有三种保护功能：过流保护、过功率保护和上电保护。RS5为电流保护取样电阻，负载电流流经RS5时，在RS5两端产生压降，该电压经内部运放放大，将负载电流转换为与其电流大小成正比的电压信号后，从IOUT引脚输出，电压IOUT经电阻R46和R47分压后接至功率监视芯片U1内部保护输出比较器1的正向输入端CIN1+；过功率保护输出引脚POUT在功率监视芯片U1内部进行了一次乘法运算，POUT引脚输出电压值是输出整流滤波电路的输出电压V-OUT和电流取样电阻压降IOUT的乘积，POUT引脚输出电压分压电阻由R45和R48构成；上电瞬间，负载上会产生浪涌电流，这种瞬时的浪涌电流会在IOUT上产生较高的电压，导致本安保护电路误关断MOSFET管Q1或Q2，上电保护电路由电解电容CJ15和电阻R43构成的RC充电回路构成；两个P沟道MOSFET管Q1和Q2为保护动作用开关管，正常工作时，U1的比较器输出端COUT1和COUT2为低电平，Q1和Q2均能导通，负载正常工作；当其中一种故障发生时，COUT1或COUT2被拉高为高电平，Q1或Q2关断，切断输出；故障切除后，COUT1和COUT2又恢复为低电平，Q1和Q2导通，负载恢复正常工作；R70和R70分别为Q1和Q2的栅极上拉电阻；图6中的VCC_OUT为本发明装置的负载电压正极性接入点。

如图7所述，为本发明的输出电流采集及输出电压滤波电路。图中发光二极管LED为电源输出指示灯，R38为发光二极管LED的限流电阻；CJ8、CJ9和CJ10为稳压滤波电解电容，C20为滤波电容，R39和R40为输出假负载，R2为稳压管ZD3限流电阻，稳压管ZD3输出的稳压电压值+5V1给图6中的U1供电，RS4为输出电流取样电阻，通过RS4将输出电流信号转换为电压信号IFB，反馈给图5中的IC1芯片。

Claims

1.一种矿用本安电源装置，包括输入滤波整流电路，高频逆变电路，输出整流滤波电路，控制脉冲生成电路，控制器内部电源电路和本安保护电路，其特征在于：输入滤波整流电路的输入端接矿井低压交流电网，其输出直流电压接高频逆变电路的输入端，将直流电压逆变为高频PWM脉冲，高频逆变电路输出的高频PWM脉冲接输出整流滤波电路的输入端，将高频PWM脉冲整流滤波为额定电压等级的直流电压，控制脉冲生成电路通过输出电压、电流反馈生成控制高频逆变电路逆变所需的PWM脉冲，控制器内部电源电路的输入端接输入滤波整流电路输出的直流电压，输出给控制脉冲生成电路中控制器供电，本安保护电路通过采集输出整流滤波电路输出电压及负载电流实现本安保护。

2.如权利要求1所述的矿用本安电源装置，其特征在于输入滤波整流电路是由输入保护单元，输入滤波单元和整流桥单元三部分构成，其中的输入保护单元的输入端接矿井低压交流电网，输出端接输入滤波单元，输入滤波单元输出端接整流桥单元输入端，整流桥输出端接高频逆变电路的输入端。

3.如权利要求1所述的矿用本安电源装置，其特征在于高频逆变电路是由驱动变压器，MOSFET和MOSFET保护电路构成，其中的驱动变压器的原边接控制脉冲生成电路输出的PWM驱动信号，副边经栅极电阻和MOSFET的栅极和源极相连接，MOSFET保护电路并联在MOSFET漏极和源极之间。

4.如权利要求1所述的矿用本安电源装置，其特征在于输出整流滤波电路是由整流脉冲变压器，整流二极管、电感和电容构成，其中的整流脉冲变压器原边接高频逆变电路的输出端，其副边接整流二极管，电感串联在整流二极管整流输出直流回路，电容并联在整流二极管整流输出直流回路中。

5.如权利要求1所述的矿用本安电源装置，其特征在于控制脉冲生成电路是由开关电源芯片和电压电流反馈电路构成；其中的输入端接负载端电压电流反馈信号，输出是用于控制高频逆变电路MOSFET开通和关断的PWM脉冲信号。

6.如权利要求1所述的矿用本安电源装置，其特征在于控制器内部电源电路是由隔离型DC/DC降压模块、稳压滤波电容和假电阻负载构成，其中的隔离型DC/DC降压模块的输入端接输入滤波整流电路输出端，稳压滤波电容和假电阻负载并联在隔离型DC/DC降压模块的输出端。

7.如权利要求1所述的矿用本安电源装置，其特征在于本安保护电路是由功率监视芯片和MOSFET开关管构成，其中的功率监视芯片输入接输入滤波整流电路输出的电压、电流信号，MOSFET开关管串联在输出整流滤波电路输出电压回路中，其开通和关断状态是由功率监视芯片输出的控制电平信号决定。