专利名称：具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及矿用隔爆兼本安电源，尤其涉及煤矿井下带功率因数校正环节的隔爆兼本安开关电源，具体为一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源。
背景技术：
矿用隔爆兼本安型电源主要应用于煤矿等井下含有爆炸性气体的环境中，为井下安全监控系统、控制器及各种矿用设备提供本质安全型电源。直流线性稳压电源具有结构简单、电压纹波小、响应速度快、成本低等优点，传统的矿用隔爆兼本安电源正是采用了线性稳压电源技术，但是随着生产实践发现，采用线性稳压电源技术会导致电源效率低、体积大、发热高甚至会造成电网污染等问题，而且线性稳压电源无法适应电源电压波动较大的场合。当人们逐渐认识到这一问题后，开始采用开关电源替代传统线性稳压电源。采用高 频电子开关原理设计开关电源，带来了节能高效、体积小、损耗低以及适应电网能力强等优点，因此开关稳压电源在煤矿等井下应用中具有广阔的前景。目前采用的开关电源直接应用于煤矿的井下生产仍存在问题，例如(I)谐波问题，指用开关电源取代线性电源后，整流电路会使电网含有严重畸变的非正弦电流，产生高次谐波使得电网的功率因数下降。(2)开关电源的输出端直接配置大的电容、电感等元件均不能符合煤矿本质安全电路要求的问题，隔爆兼本安电源的输入侧为非本质安全的交流电源，而输出侧为本质安全电源，在结构内部是一个非本质安全到本质安全的转换电路，从电气特性上应防止外部非本质安全输入并传至输出端，需达到符合防爆要求的电压等级，并且煤矿井下电压等级较多，输入侧采用开关电源应具有较宽的电压范围。(3)可靠性问题，井下交流供电经常有断电事故发生，应保证断电时数据信息的不丢失，并且考虑到井下具体的工作环境设备分布分散、设备无人值守等情况，因此要提高隔爆兼本安开关电源的可靠性。正是为了解决目前矿用隔爆兼本安开关电源存在的问题，本实用新型提出了一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源。
发明内容本实用新型为了解决现有矿用隔爆兼本安开关电源存在电网功率因数较低、不易满足煤矿本质安全电路要求以及可靠性较低的问题，提供了一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源。本实用新型具体采用如下技术方案实现一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源，包括电源箱、输入模块、功率变换模块、控制模块、频率振荡发生模块、双重过压过流保护输出模块，还包括由输出电压检测电路、反馈补偿和乘法器组成的功率因数校正模块，电源箱接输入模块经功率因数校正模块连接功率变换模块，功率变换模块分别连接控制模块和输出模块，控制模块连接频率振荡发生模块，输出模块上连接双重过压过流保护输出模块。所述电源箱的输入电源可根据使用者现场情况分别提供交流660VU27V中的任意一种，次级为127V绕组提供给开关电源。输入模块与功率因数校正模块连接包括变压器、整流滤波器，其功能在于完成信号的滤波与整。功率因数校正模块包括输出电压检测电路、反馈补偿和乘法器，实现降低高次谐波含量，实现抑制脉冲电流谐波，提高功率因数的功能，位于输入模块与功率变换模块之间，应用于矿用127V电压等级。功率变换模块中包括电子开关和高频变压器，把直流电压变换为方波脉冲，高频方波脉冲电压经二次整流与直流滤波后变成24V和27V 二路直流电压输出。控制模块控制将24V电压用以驱动继电器线圈控制外部设备；控制27V电压可以提供给后备电池充电及充电管理，可以进行分压、采样与基准电压比较，放大为控制信号去脉宽调制与驱动电路，还可以直接分出5路独立DC-DC，最终经5路独立双重过压过流保护，产生系统所需要的5路18V本安电源输出。频率振荡发生模块包括锯齿波频率振荡发生器，产生频率振荡高频信号，与控制信号叠加进行脉宽调制。双重过压过流保护输出模块实现输出电压的双重过压过流保护输出。本实用新型装置还配备有备用电池，以便在断电时备用电池提供稳压电源实现不间断供电。根据井下工作环境，设备分布分散，许多设备无人值守，因此本设计按照高可靠性设计电源，故障时自动切断电源，故障消除后供电自动恢复。与现有技术相比，本实用新型提供的一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源具有如下的有益效果，即体积小、质量轻、可靠性高，降低了高次谐波含量，提高了功率因数，实现降低线路的损耗节省电能，减少电网的谐波污染，提高电网的供电质量；并且采用开关电源技术具有输出电流、电压容易调整且稳定、可靠，具有较宽的电压范围等优点；本实用新型可以被安全可靠的使用于含有爆炸性气体环境的矿用生产中。
图I为本实用新型所述一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源的原理框图；图2为本实用新型所述一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源的电路原理图。
具体实施方式
一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源，包括电源箱、输入模块、功率变换模块、控制模块、频率振荡发生模块、双重过压过流保护输出模块，还包括由输出电压检测电路、反馈补偿和乘法器组成的功率因数校正模块，电源箱接输入模块经功率因数校正模块连接功率变换模块，功率变换模块分别连接控制模块和输出模块，控制模块连接频率振荡发生模块，输出模块上连接双重过压过流保护输出模块。所述电源箱的输入电源可根据使用者现场情况分别提供交流660VU27V中的任意一种，次级为127V绕组提供给开关电源。输入模块与功率因数校正模块连接包括变压器、整流滤波器，其功能在于完成信号的滤波与整。功率因数校正模块包括输出电压检测电路、反馈补偿和乘法器，实现降低高次谐波含量，实现抑制脉冲电流谐波，提高功率因数的功能，位于输入模块与功率变换模块之间，应用于矿用127V电压等级。功率变换模块中包括电子开关和高频变压器，把直流电压变换为方波脉冲，高频方波脉冲电压经二次整流与直流滤波后变成24V和27V 二路直流电压输出。控制模块控制将24V电压用以驱动继电器线圈控制外部设备；控制27V电压可以提供给后备电池充电及充电管理，可以进行分压、采样与基准电压比较，放大为控制信号去脉宽调制与驱动电路，还可以直接分出5路独立DC-DC，最终经5路独立双重过压过流保护，产生系统所需要的5路18V本安电源输出。频率振荡发生模块包括锯齿波频率振荡发生器，产生频率振荡高频信号，与控制信号叠加进行脉宽调制。双重过压过流保护输出模块实现输出电压的双重过压过流保护输出。本实用新型装置还配备有备用电池，以便在断电时备用电池提供稳压电源实现不间断供电，当交流供电正常时，备用电池处于浮充电状态，当交流电停电时备用电池立即投入工作，维持分站与传感器连续工作2小时以上。当接收到外部给出控制信号时，可控制相应继电器动作，切断或接通被控设备电源。使用时根据现场条件，将电源箱放置在设备架上，引入相应的交流电源，把16芯通信电缆同所在矿用分站相连，将电源箱外壳可靠接地。本实用新型的基本工作原理为输入电压经由变压器降压、整流桥整流、电解电容 滤波后，再经稳压环节得到稳定的电源输出，同时为满足安全性能要求，采用双重过流过压保护，使输出满足安全性能要求。输入电压660V或127V，额定输出电压DC18V，额定输出电流300mA，过压保护输出值小于等于19V，过流保护输出值小于等于350mA，输出继电器4组，继电器触点的容量为AC36V，5A。具体的工作过程为煤矿交流660V或127V电压经变压器变压17后转换为交流127V电压，通过交流滤波器进行低通滤波1，同时起到隔离内外电路的相互干扰，经全桥电路进行一次整流2，输出的直流脉动电压后进入功率因数校正环节3，提高功率因数后进入功率变换环节，该环节由电子开关和高频变压器实现(开关调整4)，功能为将直流电压转换为受控的高频方波脉冲电压。高频方波脉冲电压经二次整流5与直流滤波6后变成直流电压输出，产生的直流电压分为两路，其中一路为直流24V，用以驱动继电器线圈控制外部设备7。另一路为27V，该路电压的主要作用有三个，一为提供电池的充电电压及充电管理8 ;二为分出5路独立DC-DC，并经5路独立双重过压过流保护15，产生系统所需要的5路18V本安电源输出；三为经分压、采样9后输出到控制电路，与电路的基准12进行比较10，放大为控制信号去控制脉宽调制与驱动电路11，使输出电压保持稳定。锯齿波频率振荡发生器产生的高频波段信号13与控制信号叠加进行脉宽调制。如图2所示，主电路为两路输出单端反激式，开关器件和PWM控制采用集成的控制芯片KA5L0380R，KA5L0380R芯片由高压800V功率MOSFET开关管和电流控制模式PWM集成芯片组成，PWM控制器集成了固定频率的振荡器、欠压锁定、开通和关断的优化驱动、热关断保护、过压保护、温度补偿以及故障保护电路等。集成芯片KA5L0380R和分离的MOSFET和PWM控制器相比，能减小总的器件数量、体积和重量，同时增加了效率和系统可靠性。图2中芯片KA5L0380R的D管脚为MOSFET的漏极，G管脚为MOSFET的源极，同时也是该芯片的地，VCC为芯片的工作电压，由直流母线电压经R12、R13和电容C9得到，该电压最大为30V。FB管脚接反馈电压，光电耦合器LTV817、可调精密电压基准源TL431和C13组成一个负反馈闭环系统。通过电阻R7和R8构成的输出电压采样电路，将电压信号与TL431内部2. 5V的电压基准进行比较而形成的误差电压来改变光电耦合器中LED流过的电流，即控制光接受三极管的开度，从而使KA5L0380R发出PWM控制信号，调节KA5L0380R的输出占空比范围使用输出电压保持不变，最终达到稳压的作用。功率因数校正电路主要由集成功率因数校正芯片SA7527、MOSFET开关管FQPT4N90、电感TX2 —次绕组、电容C15组成的升压斩波电路。功率因数校正器采用集成芯片SA7527是一个简单但是高效的功率因数校正电路，除了具有通用的PWM控制芯片的功能外，还提供了精确的过电压保护、调整零电流检测器、一个乘法器、内置启动定时器、R/C滤波器、可校正的I. 5%内部带隙基准、欠电压锁定、输出驱动器钳位电路，启动电流和工作电流低。此外还有特殊的防击穿电路。此电路所需体积小，功耗低，外围器件少的高密度电源。集成功率因数校正器SA7527的INV管脚为误差放大器的倒相输入，R9、R11、R12、RV2构成输出电压检测电路，检测电压输入到管脚INV。管脚EA即EA_0UT，为误差放大器的输出管脚，此管脚通过电容C7和INV管脚之间连接，成为一个反馈补偿网络。MULT为乘法器输入管脚，电阻Rl、R2和R3构成整流输出采样信号接入SA7527乘积运算的一输入端 MULT脚。CS为PWM比较器的输入管脚。MOSFET管电流经过电阻R9后，转变为电压提供给CS管脚。Idet为零电流检测输入管脚。GND为接地管脚。OUT为阈值驱动器输出管脚，这个推挽输出级的峰值电流500mA可以驱动功率MOSFET管。电路中OUT端通过电阻R8接到MOSFET的栅极。管脚VCC为芯片的工作电压输入管脚，通过直流母线电压经R4、R5和电容C6获得。工作时，升压斩波输出电压检测值通过管脚INV与内部参考电压经误差放大器调节输出，输出信号与整流输出电压信号(正弦电压的绝对值，一个周期内脉动两次)经管脚MULT进入乘法器进行相乘，相乘的结果作为电流参考值。而回路实际电流由电阻RlO接入管脚CS，并与参考值比较进行电流控制，输出占空比按正弦规律变化的PWM信号，且与输入电压同相。该信号由OUT管脚经电阻R8接到MOSFET的栅极，控制MOSFET按正弦规律开通和关断，从而控制流过电感的电流波形为正弦波的绝对值，从而使输入电流的波形为正弦波，且输入电压同相，输入功率因数接近I。尽管已示出和描述了本实用新型的优选实施例，可以设想，本领域的技术人员可在本实用新型的精神和范围内设计对本实用新型进行各种修改。
权利要求1.一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源，包括电源箱、输入模块、功率变换模块、控制模块、频率振荡发生模块、双重过压过流保护输出模块，其特征在于还包括由输出电压检测电路、反馈补偿和乘法器组成的功率因数校正模块，电源箱接输入模块经功率因数校正模块连接功率变换模块，功率变换模块分别连接控制模块和输出模块，控制模块连接频率振荡发生模块，输出模块上连接双重过压过流保护输出模块。
2.如权利要求I所述的一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源，其特征在于所述的功率因数校正模块应用于矿用127V电压等级。
3.如权利要求I和2所述的一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源，其特征在于功率因数校正模块使用集成功率因数校正器SA7527。
专利摘要本实用新型涉及矿用隔爆兼本安开关电源，尤其涉及煤矿井下带功率因数校正环节的隔爆兼本安开关电源，具体为一种具有功率因数校正的隔爆兼本安开关电源。解决了现有矿用隔爆兼本安开关电源存在电网功率因数较低、不易满足煤矿本质安全电路要求以及可靠性较低的问题，包括电源箱、输入模块、功率变换模块、控制模块、频率振荡发生模块、双重过压过流保护输出模块，还包括功率因数校正模块，输入模块经功率因数校正模块连接功率变换模块，功率变换模块分别连接控制模块和输出模块，控制模块连接频率振荡发生模块，输出模块上连接双重过压过流保护输出模块。本实用新型具有提高功率因数、可靠性高、节能安全省电等优点。
文档编号H02H7/10GK202565158SQ20122020878
公开日2012年11月28日 申请日期2012年5月10日 优先权日2012年5月10日
发明者田振东, 张光峰, 冯伟政, 范斌, 程志, 姜骑 申请人:山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司