礦井高頻變壓器隔離型本安電源優化設計研究

賈永峰

（潞安集團潞寧孟家窯煤業有限公司，山西 寧武 036700）

0 引 言

因高頻變壓器隔離型本安電源具有高質量的電壓輸出和較小的紋波而被廣泛的應用于煤礦井下。但隨著煤礦生產需求的不斷增大，一些問題也逐漸顯露出來，例如功率管耗費電源較大功率損失，溫度升高迅速，有時甚至超過設定值；輸出電容容易引起短路故障，進而有可能誘發爆炸，電源安全性得不到保障；井下因用電設備眾多，電網電壓波動明顯，本安電源中的電路對電壓波動適應性較慢[1]。這些問題若不及時解決，將嚴重時會危害整個礦井的安全供電，為保障煤礦安全生產，論文對高頻變壓器隔離型本安電源的整流濾波電路、控制電路、多路輸出電路和過壓過流保護電路進行優化設計，以期提高高頻變壓器隔離型本安電源達到更高的質量和性能，這對整個礦井的供電系統安全來說也具有重大的意義！

1 高頻變壓器隔離型本安電源結構

礦井高頻變壓器隔離型本安電源性能特點[2]：一是采用PWM控制芯片，電源的響應速度和控制精度較高；二是高頻變壓器體積較小、重量輕，與一般的工頻變壓器相比，占用空間小，易于搬運，良好的適應了井下條件所需。煤礦井下高頻變壓器隔離型本安電源結構和實現的功能示意如圖1所示。

外界傳入的交流電壓（AC）輸入到高頻變壓器隔離型本安電源的輸入濾波整流電路，經過濾波整流作用后的電壓被輸送至高頻變壓器隔離環節中，根據高頻變壓器判別，若是多路輸出，高頻變壓器的次級側根據對應關系分成相對應的路數，進而得到相應的電壓等級，此時每級電壓輸送至每個對應的輸出整流濾波電路，經過整流濾波作用后進入本安雙重保護電路進行檢測是否符合標準，最后輸出本質安全型的電壓，整個過程便是高頻變壓器隔離型本安電源工作的基本原理。

2 本安電源主要硬件電路優化設計

2.1 整流濾波電路優化設計

礦井電源電路中的功率管功耗大，輸出電容易引發短路爆炸，井下電網電壓波動明顯，引起變換器適應性極差，為此，需要對高頻變壓器隔離型本安電源的整流濾波電路進行優化。圖2為高頻變壓器隔離型本安電源整流濾波電路優化設計方案，保護電路由熱敏電阻、熔斷器、壓敏電阻共同構成，出線端E接地，共同作用確保本安電源安全。安規電容C1、C4、C5屬于X型系列，作用是消除電路中電流差值干擾。安規電容C2、C3屬于Y型系列，與中性線接地極E相連，防止電路中電流過高對電感造成影響。在電容C5后面的電源電路中不在增加整流，電容C5兩端的交流電已經整流為紋波直流電[4]，可以直接輸入到高頻逆變器，進而實現本安電路整流濾波作用。

圖2 整流濾波電路優化方案

2.2 控制電路優化設計

圖3 基于脈寬調制控制的電路

煤礦井下使用反饋，高頻變壓器隔離型本安電源常因響應速度和控制精度較低，電壓穩定性較差?；诿}寬調制（PWM）[3]控制芯片優化后的電源電路如圖3所示。整流濾波電路將輸入的220V交流電轉變為直流電，直流電可以為功率開關提供動力[4]。脈寬調制器將本安電源電路中電壓信號調質，并與基準電壓進行對比、分析、放大，差值結果傳輸至控制端。脈寬調制器頻率保持不變，表示其處于正常的工作狀況，一旦本安電源電路輸出電壓V0變小，脈寬調制器新建與基準電壓比較差值，比較的電壓差值經過放大器放大后傳輸至比較器中，在PWM芯片控制下將電壓信號脈沖寬度增寬。增寬的電壓脈沖通過開關管繼續傳輸給變壓器，經過變壓器作用升高電壓，磁芯進一步耦合升高的電壓，此時的電壓經過高頻變壓器轉換到變壓器次級側，次級側有二極管，經過二極管整流和電容C2濾波后，最終得到井下機械設備需要的的電壓。需要較低輸出電壓時，其調節與控制過程正好相反。通過優化設計，顯著改善了本安電源控制精度和反應速度，有效的提高了本安電源供電安全性和穩定性。

2.3 多路輸出電路優化設計

因礦井使用設備眾多，整個電網電壓波動明顯，為了更好的控制每個電壓等級，優化設計了本安電源的多路輸出電路[5]詳見圖4所示，其中高頻變壓器TR結構為反激式結構，該結構調控占空比的誤差信號幅度較小，有利于誤差信號放大器的增益。在初級繞組Lp左側的尖脈沖吸收回路由元件R1、R2、C7、VD1構成。變壓器的次級繞組LS1右側將穩態二極管VD5、VD6并聯，目的是對半波整流，可以有效提高電流通過的最大值。濾波電路有電器元件VD7、C20、C21、L4、C22構成，吸收回路上設置電阻R19和電容C16，有利于減小電壓輸出的波動，增設二極管阻止電子反向流入。三端穩壓源78L12設計在次級繞組LS3的右側，該穩壓源能夠將第三回路中的電壓輸出值穩定在12V。次級繞組LS3設計為高精度的穩壓源光耦合反饋電路，三個回路中的輸出的電壓12V、18V、24V是在反饋電阻R22、R23、R24分別作用下形成的。若輸出電壓變大，則單穩態觸發器中的二極管亮度增加，接收的晶體管電流變大，此時芯片控制器通過調節占空比迫使高頻變壓器TR輸出降低的電壓。若輸出電壓較低，調節方法與之相反。通過對高頻變壓器隔離型本安電源多路輸出電路優化，可以有保障井下設備所需的電壓。

圖4 優化后的多輸出電路

2.4 過壓過流保護電路優化設計

為了更好的保護高頻變壓器隔離型本安電源，優化設計了過壓過流雙重保護電路，詳見圖5所示。保護電路組成部分分為故障檢測電路和自動恢復電路。過壓檢測電路中的元件主要有分壓電阻RS1和RS2以及單穩態觸發器IC5，電流檢測電路中元件由電阻RS3和單穩態觸發器IC6組成，短路檢測電路中元件為電感L5和單穩態觸發器IC6組成。為了提高檢測精準率，采用電感實時檢測電流變化情況。自動恢復電路采用單穩態觸發器、電阻R30和三極管VT6等元件，驅動電路采用三極管VT7和VT8構成，自動加快截流開關響應速度。在該過壓過流雙重保護電路中串聯同樣的電路，目的是為高頻變壓器隔離型本安電源提供兩道保護措施，確保礦井供電需求和安全性。

圖5 優化后的過壓過流保護電路

3 高頻變壓器隔離型本安電源優化后的效果

為了驗證高頻變壓器隔離型本安電源電路優化的效果，以測試過壓過流保護效果為例進行說明，測試的簡易電路如圖6所示。測試電路中采用滑動變阻器代替負載，電流變化可以通過調節滑動變阻器阻值實現。若把開關S閉合，則為測試本安電源短路故障，論文在此不再贅述，下面對以過電流情況進行說明。調節滑動變阻器迫使整個電路中的阻值減小，當電流增大到過流保護執行動作時，停止調節，此時檢測電流、電壓變化情況。

圖6 高頻變壓器隔離型本安電源過壓過流保護電路測試原理

高頻變壓器隔離型本安電源過壓過流保護電路測試結果見表1：

表1 過壓過流保護電路測試結果

根據表1測試結果表明，本安電源電路中的過電壓保護波動范圍為+3.9%～-3.4%，電路中的過電流保護波動范圍為+3%～-9%，滿足設計要求，能夠達到礦井高頻變壓器隔離型本安電源需求，起到了良好的過電壓和過電流雙重保護作用，有利于提高井下用電設備安全性。

4 結 論

1）采用X與Y型系列的安規電容及電感、電阻、二極管等元件實現整流濾波；采用PWM控制芯片進行脈寬調制改善控制電路影響速度和控制精度；變壓器運用反激式結構調節占空比從而實現每個回路電壓穩定；運用故障檢測和自動恢復組成的過電壓過電流雙重保護的電路自動檢測過壓、過流和短路故障并作出反應。

2）為了驗證高頻變壓器隔離型本安電源電路優化的效果，以測試過壓過流保護為例進行檢測，結果表明過電壓、過電流保護波動范圍均小于10%，滿足礦井高頻變壓器隔離型本安電源要求。