礦井機電設備遠程控制開關電源的設計研究

郭 志

（山西煤炭進出口集團左云長春興煤業有限公司， 山西 左云 037100）

引言

近年來，隨著我國綜采設備自動化水平及采煤技術的不斷提升，綜采工作面的采煤效率在不斷提升。在如今高速、高質量采煤的形勢下，綜采工作面由于存在瓦斯、CO 以及H2S 等有害氣體以及大量粉塵導致其生產環境相對惡劣。而且，綜采工作面的生產距離很長，從而導致煤礦自動化設備的供電問題無法被100%保障。為解決上述問題，在電子電力技術的推動下傳統開關電源已經在體積、質量以及穩定性等方面得到了飛速的提升，所研發的遠程可控的開關電源被應用于煤礦綜采工作面的生產中[1]。基于遠程可控開關電源可為綜采工作面提供平滑、無波紋的直流電壓。本文著重對礦井機電設備的遠程可控開關電源設計進行研究。

1 開關電源工作原理的分析

開關電源的設計原理為基于電子技術通過半導體等元器件控制開關的打開和關閉，從而確保電壓能夠穩定輸出；此外，基于開關電源能夠控制內部晶體管的開關。當晶體管導通時，電壓低、電流較大；當晶體管閉合時，電壓高、電流較小[2]。在各類半導體元件的作用下可確保開關電源能夠在損耗較低的情況下為機電設備提供多種規格的穩定電源。開關電源的基本原理框圖如圖1 所示。

如圖1 所示，交流電壓在整流、濾波作用下轉化為直流電壓。此時所得的直流電壓中含有一定的脈動成分。將具有一定脈動成分的電壓經高頻交換器再次整流濾波操作后得出可供給機電設備的穩定直流電壓。

基于對開關電源工作原理分析的基礎上，得出開關電源的設計總體思路如下：選用合適的高頻交換器及濾波器等元器件對交流電壓進行整流、濾波等操作。此外，還可通過上位機對電源實時輸出的電壓及電流波形進行顯示，用戶可實時操作開關電源實現對機電設備的遠程控制。

圖1 開關電源原理框圖

2 開關電源的設計

開關電源的設計主要包括有硬件設計和軟件設計兩部分[3]。其中，硬件設計主要指的是開關電源中的輸入電路、功率變換電路等電路及其中關鍵元器件的選型；軟件設計指用戶可通過上位機操作系統實現對機電設備的遠程控制功能。

2.1 開關電源的硬件設計

2.1.1 輸入電路的設計

輸入電路即為交流電壓輸入系統中的路徑。基于對開關電源工作原理分析研究的基礎上，輸入電路中需配置相應的濾波器和整流濾波電路。其中，濾波器的主要功能是消除輸入交流電壓內的電磁干擾。

2.1.2 功率變換電路的設計

根據功率變換電路的功能要求，需為該電路配置相應規格的功率管、變壓器以及控制芯片等。

2.1.2.1 功率管的選型

功率管為半橋式逆變電路的核心元器件。因此，根據開關管所能承受的最高電壓為輸入電壓的一半。為安全起見，一般取開關管所能承受的最高電壓即為輸入電壓[4]。設定開關管的最高電壓為350 V，經換算可得其對應的電流值為14 A。

結合上述計算結果，所選功率管的型號為GT60。該功率管的具體參數如下頁表1 所示。

表1 GT60 功率管參數

2.1.2.2 變壓器的選型

根據生產需求，設定開關電源的可輸出的最大功率值為1 600 W。結合經驗及各類變壓器的性能對比，最終選定變壓器的型號EE55 鐵氧體磁芯比變壓器。該變壓器的關鍵參數如表2 所示。

表2 EE55 鐵氧體變壓器關鍵參數

2.1.2.3 芯片的選型

控制芯片作為功率變換電路的核心處理器，基于控制芯片能夠實現對半橋變換電路中功率開關管占空比的調節，并在相應功率管驅動電路的作用下，確保開關電源所輸出的直流電壓為穩定電壓。本開關電源所選芯片的型號為KA3525。

2.1.3 保護電路的設計

為提升開關電源為機電設備供電的穩定性，降低對機電設備的沖擊，還需為開關電源配置欠壓保護電路、過溫保護電路以及過壓保護電路等保護電路。開關電源中的各類保護電路均是基于LM324 比較器對相應參數對比分析后，將對比結果傳輸至PWM控制器中達到對開關電源欠電壓、過電壓以及過溫保護功能。

2.1.4 單片機的選型

為了實現用戶對礦井機電設備的遠程控制，將開關電源與上位機之間基于相應通信功能實現數據傳輸。在數據傳輸過程中，單片機為數據的中轉站不僅可以采集電源實時輸出的電壓值和電流值，并通過波形的形式顯示于上位機上；還可將用戶在上位機所設定電壓值和電流值經單片機控制器傳遞至開關電源的控制端。

鑒于工作面相對惡劣的生產環境以及可靠性的要求下，本開關電源所選擇的單片機型號為STM32F107。

2.2 開關電源的軟件設計

開關電源的程序軟件是實現其對電源實時輸出電壓監測、過壓、欠壓以及過溫保護、控制開關電源輸出電壓值等功能的基礎。根據實際生產需求及可靠性分析，設計如圖2 所示的網絡中斷程序流程圖。

如圖2 所示，基于網絡中斷程序流程圖可實現對開關電源的過壓、欠壓以及過溫保護，從而確保開關電源在供電過程中的安全性和可靠性。

圖2 網絡中斷程序流程圖

3 開關電源應用效果驗證

根據2 中對開關電源各類電路及其硬件的選型設計結構和相應的軟件程序設計了可應用于為工作面遠程供電的開關電源。經實踐得出：

1）所設計的開關電源能夠實現與上位機的數據傳輸。不僅可實時顯示開關電源的實時輸出電壓值和電流值；還可根據用戶需求控制開關電源的輸出。

2）所設計的開關電源為工作面機電設備所提升的電壓值非常穩定，滿足實際生產的需求。

4 結論

1）鑒于煤礦綜采工作面生產環境惡劣、工作面距離長的特點，導致為工作面機電設備提供穩定、安全的電壓為如今急需解決的問題。為此，基于電子電力技術及半導體技術所設計的開關電源可為礦井機電設備提供穩定電壓。

2）所設計的礦井機電設備遠程開關電源系統不僅可以實時監測并顯示其輸出的電壓值和電流值，還可根據工作面生產需求設定特定、穩定的電壓值和電流值，大大提升了用戶對機電設備電壓的遠程控制能力，對提升綜采工作面產煤效率及安全具有實際意義。