矿用交流稳压电源的制作方法
【专利摘要】矿用交流稳压电源，涉及交流稳压电源装置，本实用新型为了解决现有矿用电源体积大、价格高的问题，本实用新型包括工频降压变压器、工频整流电路、第一逆变电路、高频升压变压器、高频整流电路、第二逆变电路、输出滤波电路和控制单元，工频降压变压器的输入与煤矿井下电源的输出连通，工频降压变压器的输出与工频整流电路的输入连通，工频整流电路的输出与第一逆变电路的输入连通，第一逆变电路的输出与高频升压变压器的输入连通，高频升压变压器的输出与高频整流电路的输入连通，高频整流电路的输出与第二逆变电路的输入连通，第二逆变电路的输出与输出滤波电路的输入连通，输出滤波电路的输出为所述稳压电源的输出。本实用新型适用于交流稳压。
【专利说明】矿用父流稳压电源
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及交流稳压电源装置。
【背景技术】
[0002]在煤矿井下的电源系统中一般米用交流660V供电电压，同一电源传输线上会接有多种用电设备，有些设备的功率达几百千瓦。当这些功率较大的用电设备启停时会造成电源电压在较大范围内波动，在交流660V供电情况下电源波动有时会达到±30%(462-858V)。电源在这样大的范围变化时会使一些设备不能正常工作。
[0003]目前，常用的井下矿用电源通常采用工频、多抽头的供电方式，输出电压分段、有级、体积大、价格高，同时输出电压的响应速度慢，使用效果不理想。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的是为了解决现有矿用电源体积大、价格高的问题，提供一种矿用交流稳压电源。
[0005]矿用交流稳压电源，它包括工频降压变压器、工频整流电路、第一逆变电路、高频升压变压器、高频整流电路、第二逆变电路、输出滤波电路和控制单元，工频降压变压器的输入端对应与煤矿井下电源的输出端连通，工频降压变压器的输出端与工频整流电路的输入端连通，工频整流电路的输出端与第一逆变电路的输入端连通，第一逆变电路的输出端与高频升压变压器的输入端连通，高频升压变压器的输出端与高频整流电路的输入端连通，高频整流电路的输出端与第二逆变电路的输入端连通，第二逆变电路的输出端与输出滤波电路的输入端连通，输出滤波电路的输出端为所述稳压电源的输出端；控制单元的第一功放的输出端与第一逆变电路的功放的输入端连通，控制单元的第二功放的输出端与第二逆变电路的功放的输入端连通，控制单元的第一电压检测电路的输入端与第一逆变电路的电压检测信号的输出端连通，控制单元的第一电流检测电路的输入端与第一逆变电路的电流检测信号的输出端连通，控制单元的第二电压检测电路的输入端与第二逆变电路的电压检测信号的输出端连通，控制单元的第二电流检测电路的输入端与第二逆变电路的电流检测信号的输出端连通。
[0006]本实用新型对现有矿井中不稳定的交流电源输入经工频降压变压器降压、通过工频整流、稳压处理后得到直流电压；由工频整流得到的直流电压经逆变单元处理后输出基波为零的PWM波，PWM输出电压经过高频升压变压器、高频整流及滤波后得到稳定的1000V直流电压；通过第二逆变电路，采用SPWM技术和适当的调制比M，通过功率管输出的SPWM波经滤波器将高频载波信号滤掉，最终得到50Hz、660±l%的输出交流电压。
[0007]本实用新型具有输入电压范围宽、输出电压精度高、动态调节速度快的特点，同时减小了电源装置的体积，降低了成本，提高了可靠性。
【专利附图】
【附图说明】[0008]图1为本实用新型的系统结构示意图，图2为【具体实施方式】四的主要输出波形图，图3为【具体实施方式】九的稳压控制原理图，图4为【具体实施方式】九的输出电压检测电路图，图5为【具体实施方式】九的过载保护电路图，图6为【具体实施方式】九的功率驱动电路图，图7为【具体实施方式】九的主程序流程图，图8为【具体实施方式】九的输出电压PI调节流程图，图9为【具体实施方式】九的逆变输出波形图，图10为【具体实施方式】九的交流正弦输出波形图。
【具体实施方式】
[0009]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式所述矿用交流稳压电源，它包括工频降压变压器1、工频整流电路2、第一逆变电路3、高频升压变压器4、高频整流电路5、第二逆变电路6、输出滤波电路7和控制单元8，工频降压变压器I的输入端对应与煤矿井下电源的输出端连通，工频降压变压器I的输出端与工频整流电路2的输入端连通，工频整流电路2的输出端与第一逆变电路3的输入端连通，第一逆变电路3的输出端与高频升压变压器4的输入端连通，高频升压变压器4的输出端与高频整流电路5的输入端连通，高频整流电路5的输出端与第二逆变电路6的输入端连通，第二逆变电路6的输出端与输出滤波电路7的输入端连通，输出滤波电路7的输出端为所述稳压电源的输出端；控制单元8的第一功放的输出端与第一逆变电路3的功放的输入端连通，控制单元8的第二功放的输出端与第二逆变电路6的功放的输入端连通，控制单元8的第一电压检测电路的输入端与第一逆变电路3的电压检测信号的输出端连通，控制单元8的第一电流检测电路的输入端与第一逆变电路3的电流检测信号的输出端连通，控制单元8的第二电压检测电路的输入端与第二逆变电路6的电压检测信号的输出端连通，控制单元8的第二电流检测电路的输入端与第二逆变电路6的电流检测信号的输出端连通。
[0010]本实用新型采用AC-DC-DC-AC的控制方案，其中AC-DC采用工频变压器实现，DC-DC环节采用高频变压器实现，DC-AC采用全桥结构和LC滤波实现。该方案的优点是该装置具有在很宽的输入电压范围内进行调节的能力。此外，本实用新型还具有过压、欠压、过载、过流保护功能，确保了装置安全、可靠。由于其中的DC-DC变换环节采用高频升压变压器实现，减小了装置的体积，降低了成本，提高了装置的响应速度和交流输出电压的精度。
[0011]不稳定交流输入电压660V±30% (462-858V)经过降压变压器(660/110)降压、整流(D1-D4)、稳压(Cl)处理后得到直流母线电压Ul (电压范围:90-170V)，通过高频升压变压器(80/1000)升压及电压闭环控制得到直流母线电压U2 (为1000V);直流母线电压U2采用适当调制比M和SPWM技术，使M2、N2得到SPWM电压输出；经L、C3滤波处理后，M2、N2输出的SPWM电压中的高频成分被消除，得到50Hz、660V交流电压输出。
[0012]【具体实施方式】二:结合图1说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述矿用交流稳压电源的进一步限定，工频降压变压器I采用660/110的工频降压变压器。
[0013]【具体实施方式】三:结合图1说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述矿用交流稳压电源的进一步限定，工频整流电路2包括第一桥式整流电路和一号电容Cl，第一桥式整流电路的交流输入端对应与工频降压变压器I的输出端连通，一号电容Cl并联在第一桥式整流电路的直流输出端。
[0014]【具体实施方式】四:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述矿用交流稳压电源的进一步限定，第一逆变电路3包括一号功率管V1、二号功率管V2、三号功率管V3、四号功率管V4、一号电阻Rl和四个二极管，一号功率管Vl的源极通过一个二极管与漏极连通，二号功率管V2的源极通过一个二极管与漏极连通，三号功率管V3的源极通过一个二极管与漏极连通，四号功率管V4的源极通过一个二极管与漏极连通，第一桥式整流电路的一个直流输出端同时与一号功率管Vl的漏极和二号功率管V2的漏极连通，第一桥式整流电路的另一个直流输出端同时与三号功率管V3的源极、四号功率管V4的源极和一号电阻Rl的一端连通，一号电阻Rl的另一端接地，一号功率管Vl的源极同时与三号功率管V3的漏极、第一逆变电路3的一个输出端连通，二号功率管V2的源极同时与四号功率管V4的漏极、第一逆变电路3的另一个输出端连通,控制单兀8的第一功放的输出端包括P1、P2、P3和P4，对应Pl与一号功率管Vl的栅极连通，P2与二号功率管V2的栅极连通，P3与三号功率管V3的栅极连通，P4与四号功率管V4的栅极连通，流经一号电阻Rl的电流il为控制单元8的第一电流检测电路的输入电流。
[0015]本实用新型逆变部分采用单相全桥逆变功率拓扑结构，图2中分别为功率开关管开关频率为10kHz，占空比为50%的PWM控制信号，V1/V4、V2/V3的驱动波形和VMlNl输出电压波形，其中Vl和V4驱动波形一致，V2和V3驱动波形一致，均为高频PWM信号。当Vl和V4导通时，输出电压为+U，当V2和V3导通时，输出电压为-U。逆变器输出的PWM波形如图2下部波形所示。PWM波经高频升压变压器、高频整流、C2滤波后得到直流电压U2。
[0016]【具体实施方式】五:结合图1说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述矿用交流稳压电源的进一步限定，高频升压变压器4采用80/1000的高频升压变压器。
[0017]【具体实施方式】六:结合图1说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述矿用交流稳压电源的进一步限定，高频整流电路5包括第二桥式整流电路和二号电容C2，第二桥式整流电路的交流输入端对应与高频升压变压器4的输出端连通，二号电容C2并联在第二桥式整流电路的直流输出端。
[0018]【具体实施方式】七:结合图1说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述矿用交流稳压电源的进一步限定，第二逆变电路6包括五号功率管V5、六号功率管V6、七号功率管V7、八号功率管V8、二号电阻R2和四个二极管,五号功率管V5的源极通过一个二极管与漏极连通，六号功率管V6的源极通过一个二极管与漏极连通，七号功率管V7的源极通过一个二极管与漏极连通，八号功率管V8的源极通过一个二极管与漏极连通，高频整流电路5的一个直流输出端同时与五号功率管V5的漏极和六号功率管V6的漏极连通，高频整流电路5的另一个直流输出端同时与七号功率管V7的源极、八号功率管V8的源极和二号电阻R2的一端连通，二号电阻R2的另一端接地，五号功率管V5的源极同时与七号功率管V7的漏极、第二逆变电路6的一个输出端连通，六号功率管V6的源极同时与八号功率管V8的漏极、第二逆变电路6的另一个输出端连通，控制单元8的第二功放的输出端包括P5、P6、P7和P8，对应P5与五号功率管V5的栅极连通，P6与六号功率管V6的栅极连通，P7与七号功率管V7的栅极连通，P8与八号功率管V8的栅极连通，流经二号电阻R2的电流i2为控制单元8的第二电流检测电路的输入电流。
[0019]【具体实施方式】八:结合图1说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述矿用交流稳压电源的进一步限定，输出滤波电路7包括电感线圈L和三号电容C3，第二逆变电路6的一个输出端与电感线圈L的一端连通，电感线圈L的另一端同时与三号电容C3的一端、矿用交流稳压电源的一个输出端连通，第二逆变电路6的另一个输出端同时与三号电容C3的另一端、矿用交流稳压电源的另一个输出端连通。
[0020]【具体实施方式】九:结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述矿用交流稳压电源的进一步限定，控制单元8采用TMS320F2812。
[0021]本实用新型中的控制单元8采用TI公司的TMS320F2812实现，其高速的数据处理能力:具有150MHz的处理速度，和丰富外设资源:双6路PWM输出、16路A/D转换通道，为本实用新型的实现提供了物质保证；通过电压、电流霍尔传感器采样输入、输出的电压、电流，通过温度传感器采样装置的环境温度，可方便对本装置工作状态进行实时监控。
[0022]直流稳压控制原理图如图3所示，由TMS320F2812采样输出直流母线电压U2，与给定电压进行PI调节，并改变PWM波占空比，经功放后驱动逆变器的各功率开关器件V1-V4。输出的PWM电压波形经过整流、电容滤波后得到稳定的直流电压1000V ; 1000V直流电压U2，通过采用SPWM控制技术和适当的调制比M驱动功率开关器件V5-V8，经过低通滤波L、C3处理后得到50Hz、660±l%的输出交流电压。
[0023]本实用新型中的驱动单元采用隔离型功率驱动芯片TLP250实现，该芯片可以驱动50A/1200V IGBT功率开关管。控制单元与主电路进行隔离，提高了整个装置的抗干扰能力。同时，反压关断的驱动方式可抑制功率管关断时的米勒效应，防止功率管关断时的误导通。
[0024]电压检测电路通过降压变压器采样输出电压，经过整流电路将采样到的电压信号转换成直流量，通过电阻分压后同样接入TMS320F2812的A/D转换口，最终由液晶显示输出电压。
[0025]过载保护电路如图5所示，采样升压变压器的原边电流，当原边电流超过30A时，通过直流侧0.01 Ω的接地电阻，使电压信号限制为0.3V。当TMS320F2812的A/D转换口检测到电压大于0.3V时，TMS320F2812进入A/D中断子程序，此时停止输出PWM波，从而使逆变稳压单元停止工作，起到保护装置的作用。
[0026]过流保护电路与过载保护电路相似，是为了防止在主电路中出现短路故障而引入的保护措施。当电流超过一定值(本装置设置为0.6V，即60A)时，TMS320F2812进入中断，停止输出PWM波。具体过程如下:通过直流侧0.01 Ω的接地电阻而获得的电压信号接入电压比较器的反相输入端，与同相输入电压进行比较。当电路发生过流时，反相端的输入电压高于同相端的输入电压，输出端变为低电平，输出端与TMS320F2812外部中断端口 TOPINTA相连，当检测到低电平时，TMS320F2812停发PWM波，从而起到过流保护作用。
[0027]本实用新型控制单元8的系统软件:主程序开始前首先关闭中断，同时对A/D、PWM等功能模块和变量进行初始化，对程序中所涉及到的变量进行定义，之后打开中断，开始循环等待中断事件的发生，主程序流程如图7所示。
[0028]本实用新型PI调节子程序采用定时器启动A/D中断，每次进入中断时间是50us，每次进入中断更新一次SPWM占空比，正弦波每半个周期共更新200次占空比。当t++超过200时，进行一次PI调节，即正弦波每半个周期进行一次PI调节。PI调节中A/D采样值与程序设定的给定值进行比较，当采样值小于给定值时，相应成比例的增加每个SPWM波的占空比；当采样值大于给定值时，相应成比例的减小每个SPWM波的占空比；从而使输出电压保持稳定。PI调节的流程图如图8所示。
[0029]图9和图10为本实用新型的测试结果，其中逆变后的交流电压如图9所示，通过LC滤波去除其中的高频成分，最终得到图10所示的正弦基波电压。
[0030]【具体实施方式】十:结合图1说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述矿用交流稳压电源的进一步限定，它还包括液晶显示，控制单元8的显示信号的输出端与液晶显示的信号输入端连通。
[0031]由电压传感器采样输入电压、直流母线电压、输出电压、电流，由温度传感器采样装置的工作温度，由液晶显示将采样到的数据进行实时显示，从而方便对装置的运行状态进行监控。
[0032]本实用新型具有以下优点:
[0033]1、相对于传统矿用稳压电源，本实用新型减少了装置的体积和重量，提高了装置的运行效率；
[0034]2、采用数字信号处理器(DSP)为电源装置的控制核心，提高装置的控制精度；
[0035]3、采用高频变压器实现了 DC-DC变换，大大提高系统的动态特性，同时降低了成本，提高了装置的可靠性；
[0036]4、良好的人机交互功能，便于对装置进行实时监控；
[0037]5、过压、过流、过载等保护功能使得装置可以安全、可靠地运行。
【权利要求】
1.矿用交流稳压电源，其特征在于，它包括工频降压变压器(I)、工频整流电路(2)、第一逆变电路(3)、高频升压变压器(4)、高频整流电路(5)、第二逆变电路(6)、输出滤波电路(7)和控制单元(8)，工频降压变压器(I)的输入端对应与煤矿井下电源的输出端连通，工频降压变压器(I)的输出端与工频整流电路(2)的输入端连通，工频整流电路(2)的输出端与第一逆变电路(3)的输入端连通，第一逆变电路(3)的输出端与高频升压变压器(4)的输入端连通，高频升压变压器(4)的输出端与高频整流电路(5)的输入端连通，高频整流电路(5)的输出端与第二逆变电路(6)的输入端连通，第二逆变电路(6)的输出端与输出滤波电路(7)的输入端连通，输出滤波电路(7)的输出端为所述稳压电源的输出端；控制单元(8)的第一功放的输出端与第一逆变电路(3)的功放的输入端连通，控制单元(8)的第二功放的输出端与第二逆变电路出)的功放的输入端连通，控制单元(8)的第一电压检测电路的输入端与第一逆变电路(3)的电压检测信号的输出端连通，控制单元(8)的第一电流检测电路的输入端与第一逆变电路⑶的电流检测信号的输出端连通，控制单元⑶的第二电压检测电路的输入端与第二逆变电路(6)的电压检测信号的输出端连通，控制单元(8)的第二电流检测电路的输入端与第二逆变电路(6)的电流检测信号的输出端连通。
2.根据权利要求1所述矿用交流稳压电源，其特征在于，工频降压变压器(I)采用660/110的工频降压变压器。
3.根据权利要求1所述矿用交流稳压电源，其特征在于，工频整流电路(2)包括第一桥式整流电路和一号电容(Cl)，第一桥式整流电路的交流输入端对应与工频降压变压器(I)的输出端连通，一号电容(Cl)并联在第一桥式整流电路的直流输出端。
4.根据权利要求1所述矿用交流稳压电源，其特征在于，第一逆变电路(3)包括一号功率管(VI)、二 号功率管(V2)、三号功率管(V3)、四号功率管(V4)、一号电阻(Rl)和四个二极管，一号功率管(Vl)的源极通过一个二极管与漏极连通，二号功率管(V2)的源极通过一个二极管与漏极连通，三号功率管(V3)的源极通过一个二极管与漏极连通，四号功率管(V4)的源极通过一个二极管与漏极连通，第一桥式整流电路的一个直流输出端同时与一号功率管(Vl)的漏极和二号功率管(V2)的漏极连通，第一桥式整流电路的另一个直流输出端同时与三号功率管(V3)的源极、四号功率管(V4)的源极和一号电阻(Rl)的一端连通，一号电阻(Rl)的另一端接地，一号功率管(Vl)的源极同时与三号功率管(V3)的漏极、第一逆变电路(3)的一个输出端连通，二号功率管(V2)的源极同时与四号功率管(V4)的漏极、第一逆变电路(3)的另一个输出端连通，控制单元(8)的第一功放的输出端包括P1、P2、P3和P4，对应Pl与一号功率管(Vl)的栅极连通，P2与二号功率管(V2)的栅极连通，P3与三号功率管(V3)的栅极连通，P4与四号功率管(V4)的栅极连通，流经一号电阻(Rl)的电流(il)为控制单元⑶的第一电流检测电路的输入电流。
5.根据权利要求1所述矿用交流稳压电源，其特征在于，高频升压变压器(4)采用80/1000的高频升压变压器。
6.根据权利要求1所述矿用交流稳压电源，其特征在于，高频整流电路(5)包括第二桥式整流电路和二号电容(C2)，第二桥式整流电路的交流输入端对应与高频升压变压器(4)的输出端连通，二号电容(C2)并联在第二桥式整流电路的直流输出端。
7.根据权利要求1所述矿用交流稳压电源，其特征在于，第二逆变电路(6)包括五号功率管(V5)、六号功率管(V6)、七号功率管(V7)、八号功率管(V8)、二号电阻(R2)和四个二极管，五号功率管(V5)的源极通过一个二极管与漏极连通，六号功率管(V6)的源极通过一个二极管与漏极连通，七号功率管(V7)的源极通过一个二极管与漏极连通，八号功率管(V8)的源极通过一个二极管与漏极连通，高频整流电路(5)的一个直流输出端同时与五号功率管(V5)的漏极和六号功率管(V6)的漏极连通，高频整流电路(5)的另一个直流输出端同时与七号功率管(V7)的源极、八号功率管(V8)的源极和二号电阻(R2)的一端连通，二号电阻(R2)的另一端接地，五号功率管(V5)的源极同时与七号功率管(V7)的漏极、第二逆变电路(6)的一个输出端连通，六号功率管(V6)的源极同时与八号功率管(V8)的漏极、第二逆变电路(6)的另一个输出端连通，控制单元(8)的第二功放的输出端包括P5、P6、P7和P8，对应P5与五号功率管(V5)的栅极连通，P6与六号功率管(V6)的栅极连通，P7与七号功率管(V7)的栅极连通，P8与八号功率管(V8)的栅极连通，流经二号电阻(R2)的电流(i2)为控制单元(8)的第二电流检测电路的输入电流。
8.根据权利要求1所述矿用交流稳压电源，其特征在于，输出滤波电路(7)包括电感线圈(L)和三号电容(C3)，第二逆变电路(6)的一个输出端与电感线圈(L)的一端连通，电感线圈(L)的另一端同时与三号电容(C3)的一端、矿用交流稳压电源的一个输出端连通，第二逆变电路(6)的另一个输出端同时与三号电容(C3)的另一端、矿用交流稳压电源的另一个输出端连通。
9.根据权利要求1所述矿用交流稳压电源，其特征在于，控制单元(8)采用TMS320F2812。
10.根据权利要求1所述矿用交流稳压电源，其特征在于，它还包括液晶显示，控制单元(8)的显示信号的输 出端与液晶显示的信号输入端连通。
【文档编号】H02M5/458GK203590046SQ201320823829
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2013年12月16日
【发明者】刘静 申请人:哈尔滨华富科技有限公司