660v输出矿用稳压电源的制作方法
【专利摘要】660V输出矿用稳压电源，涉及稳压电源装置，本实用新型为了解决现有交流660V供电情况下电源波动有时会达到±30%使一些设备不能正常工作的问题，本实用新型包括双电源切换电路、工频降压变压器、工频整流电路、逆变电路、升压变压器、输出滤波电路和控制单元，双电源切换电路与煤矿井下电源连通，双电源切换电路的输出与工频降压变压器的输入连通，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逆变电路的输入连通，逆变电路的输出与升压变压器的输入连通，升压变压器与输出滤波电路连通，输出滤波电路的输出为稳压电源输出，控制单元的输出电压检测的输入与输出电路的输出连通。本实用新型适用于稳压电源装置。
【专利说明】660V输出矿用稳压电源
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及稳压电源装置。
【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，有些设备的功率在几百千瓦。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。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，使用效果不够理想。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的是为了解决现有交流660V供电情况下电源波动有时会达到±30%使一些设备不能正常工作的问题,提供一种660V输出矿用稳压电源。
[0004]660V输出矿用稳压电源，它包括双电源切换电路、工频降压变压器、工频整流电路、逆变电路、升压变压器、输出滤波电路和控制单元，双电源切换电路的第一电源输入端对应与煤矿井下第一电源的输出端连通，双电源切换电路的第二电源输入端对应与煤矿井下第二电源的输出端连通，双电源切换电路的输出端与工频降压变压器的输入端连通，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逆变电路的输入端连通，逆变电路的输出端与升压变压器的输入端连通，升压变压器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矿用稳压电源的输出端，双电源切换电路的输入电压检测信号的输出端与控制单元的输入电压检测信号的输入端连通，控制单元的启动切换控制信号的输出端与双电源切换电路的启动切换控制信号的输入端连通，控制单元的功放信号的输出端与逆变电路的功放信号的输入端连通，控制单元的输出电压检测信号的输入端与输出滤波电路的输出电压检测信号的输出端连通。
[0005]本实用新型通过检测输入的两相电压，确定输入电压较高的一路进行投切，以实现双电源切换的功能，实现了电能更加合理的分配和利用；同时，运用正弦脉宽调制控制模式，通过数字PI实时调节逆变器功率开关的占空比，从而实现输出交流电压的稳压控制。从而得到稳定的50Hz、660±0.5%交流电压输出。
[0006]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】
[0007]图1为本实用新型的结构示意图，图2为【具体实施方式】三的双电源切换电路图，图3为【具体实施方式】二的控制单元的示意图，图4为【具体实施方式】六的一号功率管Vl的驱动波形图，图5为【具体实施方式】六的三号功率管V3的驱动波形图，图6为【具体实施方式】六的四号功率管V4的驱动波形图，图7为【具体实施方式】六的二号功率管V2的驱动波形图，图8为【具体实施方式】六的逆变器输出的SPWM波形图，图9为【具体实施方式】九的直流稳压控制原理图，图10为【具体实施方式】九的输出电流检测电路图，图11为【具体实施方式】九的输出电压检测电路图，图12为【具体实施方式】九的过载保护电路图，图13为【具体实施方式】九的逆变驱动电路图，图14为【具体实施方式】九的主程序流程图，图15为【具体实施方式】九的PI调节的流程图，图16为【具体实施方式】九的50Hz的方波波形图，图17为【具体实施方式】九的两路高频SPWM波形图，图18为【具体实施方式】九的逆变后的交流电压图，图19为【具体实施方式】九的正弦基波电压图。
【具体实施方式】
[0008]【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660V输出矿用稳压电源，它包括双电源切换电路1、工频降压变压器2、工频整流电路3、逆变电路4、升压变压器5、输出滤波电路6和控制单兀7,双电源切换电路I的第一电源输入端对应与煤矿井下第一电源的输出端连通，双电源切换电路I的第二电源输入端对应与煤矿井下第二电源的输出端连通，双电源切换电路I的输出端与工频降压变压器2的输入端连通，工频降压变压器2的输出端与工频整流电路3的输入端连通，工频整流电路3的输出端与逆变电路4的输入端连通，逆变电路4的输出端与升压变压器5的输入端连通，升压变压器5的输出端与输出滤波电路6的输入端连通，输出滤波电路6的输出端为矿用稳压电源的输出端，双电源切换电路I的输入电压检测信号的输出端与控制单元7的输入电压检测信号的输入端连通，控制单元7的启动切换控制信号的输出端与双电源切换电路I的启动切换控制信号的输入端连通，控制单元7的功放信号的输出端与逆变电路4的功放信号的输入端连通，控制单元7的输出电压检测信号的输入端与输出滤波电路6的输出电压检测信号的输出端连通。
[0009]【具体实施方式】二:结合图3说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述660V输出矿用稳压电源的进一步限定，控制单元7采用单片机PIC18F2331。
[0010]本实用新型以PIC18F2331单片机为核心，工作频率可达40MHz，具有10位高速A/D转换器和可编程的死区发生器，具有很强的抗干扰能力，适用于工业控制领域；进而实现双电源切换和输出稳压控制功能。
[0011]【具体实施方式】三:结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】二所述660V输出矿用稳压电源的进一步限定，控制单元7包括RAl端、RA2端、RB6端和RB7端，双电源切换电路I包括一号变压器B1、二号变压器B2、一号整流电路ZL1、二号整流电路ZL2、一号电容Cl、二号电容C2、一号光电稱合器U1、二号光电稱合器U2、一号二极管D1、二号二极管D2、一号继电器J1、二号继电器J2、一号电阻Rl和二号电阻R2，一号变压器BI的输入端对应与煤矿井下第一电源的输出端连通，一号变压器BI的输出端与一号整流电路ZLl的输入端连通,一号整流电路ZLl的一个输出端同时与一号电容Cl的一端、控制单兀7的RAl端连通,一号整流电路ZLl的另一个输出端同时与一号电容Cl的另一端、电路地连通，二号变压器B2的输入端对应与煤矿井下第二电源的输出端连通，二号变压器B2的输出端与二号整流电路ZL2的输入端连通，二号整流电路ZL2的一个输出端同时与二号电容C2的一端、控制单元7的RA2端连通，二号整流电路ZL2的另一个输出端同时与二号电容C2的另一端、电路地连通，控制单元7的RB6端与一号光电耦合器Ul的信号输入端连通，一号光电稱合器Ul的电源输入端通过一号电阻Rl与+5V电源的输出端连通,一号光电率禹合器Ul的信号输出端同时与一号二极管Dl的阳极、一号继电器Jl的线圈的一端连通，一号二极管Dl的阴极、一号继电器Jl的线圈的另一端同时与+12V电源的输出端连通,一号光电稱合器Ul的接地端与电路地连通,一号继电器Jl控制的输出端为双电源切换电路I的第一电源的输出端；控制单兀7的RB7端与二号光电稱合器U2的信号输入端连通,二号光电稱合器U2的电源输入端通过二号电阻R2与+5V电源的输出端连通,二号光电I禹合器U2的信号输出端同时与二号二极管D2的阳极、二号继电器J2的线圈的一端连通，二号二极管D2的阴极、二号继电器J2的线圈的另一端同时与+12V电源的输出端连通，二号光电耦合器U2的接地端与电路地连通，二号继电器J2控制的输出端为双电源切换电路I的第二电源的输出端。
[0012]双电源切换电路I由三相四线制的两相输入构成，由控制单元7检测两相交流输入，并将适合的一相电源接入工频降压变压器2。
[0013]A、B两相电压经降压、整流、滤波后由单片机A/D 口 RAl和RA2进行采样，通过比较选择合适的一路相电压作为输入。单片机输出的RB6、RB7经功率型光耦TLP627后驱动Jl和J2继电器，进而控制A、B相电源切入。
[0014]【具体实施方式】四: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660V输出矿用稳压电源的进一步限定，工频降压变压器2采用660/110的工频降压变压器。
[0015]【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660V输出矿用稳压电源的进一步限定，工频整流电路3包括桥式整流电路和三号电容C3，桥式整流电路的交流输入端对应与工频降压变压器2的输出端连通，三号电容C3并联在桥式整流电路的直流输出端。
[0016]【具体实施方式】六:结合图1、图4至图8说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述660V输出矿用稳压电源的进一步限定,逆变电路4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、电阻和四个二极管，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，工频整流电路3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，工频整流电路3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的源极和电阻的一端连通，电阻的另一端接地，一号功率管Vl的源极同时与三号功率管V3的漏极、逆变电路4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、逆变电路4的另一个输出端连通，控制单元7的功放的输出端包括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。
[0017]逆变电路采用单相全桥逆变功率拓扑结构，逆变电路的主要组成部分是功率开关器件构成的逆变桥和LC输出滤波器。当功率管Vl和V4导通时，输出电压为VMN正，为+U ;当功率管V2和V3导通时，输出电压为-U。这样通过对功率管的控制，逆变电路输出正负交替的交流电压，从而实现DC/AC电能变换。当V1、V2或V3、V4同时导通时，电路工作在旁路状态，此时由功率管中的寄生二极管进行续流，输出电压为0，由此实现三电平电压输出。[0018]图4至图7分别为功率开关管V1、V3、V4、V2的驱动波形。Vl和V3为两路互补输出的50Hz方波信号，V2和V4为高频SPWM信号。当Vl导通时，V2和V4交替导通，当Vl和V4导通时，输出电压为+U，当Vl和V2导通时，输出电压为零。同理，当V3导通时，V2和V4交替导通，当V3和V2导通时，输出电压为-U，当VT3和VT4导通时，输出电压为零。逆变器输出的SPWM波形如图8所示。SPWM波经LC低通滤波，滤掉其中的高频成分，得到工频50Hz输出电压。
[0019]【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660V输出矿用稳压电源的进一步限定，升压变压器5采用50/660的升压变压器。
[0020]【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660V输出矿用稳压电源的进一步限定，输出滤波电路6包括电感线圈L和四号电容C4，升压变压器5的一个输出端与电感线圈L的一端连通，电感线圈L的另一端同时与四号电容C4的一端、660V输出矿用稳压电源的一个输出端连通,升压变压器5的另一个输出端同时与四号电容C4的另一端、660V输出矿用稳压电源的另一个输出端连通。
[0021]【具体实施方式】九:结合图9至图19说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述660V输出矿用稳压电源的进一步限定，它还包括液晶显示，控制单元7的显示信号的输出端与液晶显示的信号输入端连通。
[0022]本实用新型采用液晶显示来显示参量，可方便对工作状态进行实时监控。
[0023]本实用新型具体应用为:
[0024]控制单元检测两相交流输入，并将适合的一相电源接入降压变压器。降压变压器为660/110，通过整流(D1-D4)、稳压(C3)处理后得到稳定的直流电压。由整流环节得到的直流电压通过逆变单元(V1-V4)处理后在M、N点得到SPWM输出电压。M、N点的SPWM输出电压经过升压变压器及输出滤波器的处理后，将SPWM输出电压中的高频载波信号滤掉，则得到50Hz、660±0.5%的输出交流电压。直流稳压控制原理图如图9所示。
[0025]单片机完成双电源切换和输出稳压两个功能:通过RA1/RA2检测两相交流输入相电压，由单片机进行判定，并通过控制Jl或J2的通/断实现双输入电源的切换；单片机通过RAO检测输出的交流输出电源，通过数字PI调节得到PWM1-4，经过功率放大后驱动V1-V4，从而得到稳定的50Hz、660±0.5%交流电压输出。
[0026]本实用新型的硬件电路主要由IR2110自举驱动电路、电压电流检测电路、过载和过流保护电路组成，其中逆变驱动电路如图13所示。IR2110的抗噪声能力强，具有独立的高低端输出通道，工作电压可达500V，驱动电流峰值达2A。其上桥臂驱动电源采用自举悬浮设计，一套电源可同时驱动上下两个功率管，从而减少了驱动电源的数量。
[0027]输出电流检测电路如图10所示，通过电流霍尔传感器采样输出电流，采样的电流经精密全波整流后转换成直流量，经RC低通滤波处理后接入单片机PIC18F2331的A/D转换口，通过软件计算电流值并最终由液晶进行显示。
[0028]输出电压检测电路如图11所示，本实用新型中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单片机A/D转换口，最终由液晶显示输出电压。
[0029]过载保护电路如图12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0.01Ω的接地电阻，使电压信号限制为0.3V。当单片机的A/D转换口检测到电压大于0.3V时，单片机进入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，从而起到保护装置的作用。
[0030]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，单片机进入中断，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同相输入端，与反相输入电压进行比较。当电路发生过流时，同相端的输入电压高于反相端的输入电压，输出端变为高电平，输出端与单片机外部中断端口相连，当检测到高电平时，单片机停发PWM波，从而起到过流保护作用。
[0031]本实用新型的系统软件: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14所示。
[0032]本实用新型PI调节子程序采用单片机定时器启动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15所示。
[0033]图16-图19为测试结果，其中图16为50Hz的方波波形，可以看出两路方波(V1、V3)为互补输出；图17为两路高频SPWM波形(V2、V4)，同样为互补输出；经过逆变后的交流电压如图18所示，通过LC滤波去除其中的高频成分，最终得到图19所示的正弦基波电压。
[0034]本实用新型具有以下优点:
[0035]1、对输入电源进行判断以实现双电源切换，实现了电能更加合理的分配和利用。
[0036]2、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；
[0037]3、采用单片机为电源装置的控制核心，提高装置的控制精度；
[0038]4、良好的人机交互功能，便于对装置进行实时监控；
[0039]5、欠压、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】
1.660V输出矿用稳压电源，其特征在于，它包括双电源切换电路(1)、工频降压变压器(2)、工频整流电路(3)、逆变电路(4)、升压变压器(5)、输出滤波电路(6)和控制单元(7)，双电源切换电路(1)的第一电源输入端对应与煤矿井下第一电源的输出端连通，双电源切换电路(1)的第二电源输入端对应与煤矿井下第二电源的输出端连通，双电源切换电路(1)的输出端与工频降压变压器(2)的输入端连通，工频降压变压器(2)的输出端与工频整流电路(3)的输入端连通，工频整流电路(3)的输出端与逆变电路(4)的输入端连通，逆变电路(4)的输出端与升压变压器(5)的输入端连通，升压变压器(5)的输出端与输出滤波电路(6)的输入端连通，输出滤波电路(6)的输出端为矿用稳压电源的输出端,双电源切换电路(1)的输入电压检测信号的输出端与控制单元(7)的输入电压检测信号的输入端连通，控制单元(7)的启动切换控制信号的输出端与双电源切换电路(1)的启动切换控制信号的输入端连通，控制单元(7)的功放信号的输出端与逆变电路(4)的功放信号的输入端连通，控制单元(7)的输出电压检测信号的输入端与输出滤波电路(6)的输出电压检测信号的输出端连通。
2.根据权利要求1所述660V输出矿用稳压电源，其特征在于，控制单元(7)采用单片机P1C18F2331。
3.根据权利要求2所述660V输出矿用稳压电源，其特征在于，控制单元(J)包括RAl端、RA2端、RB6端和RB7端，双电源切换电路(1)包括一号变压器(B1)、二号变压器(B2)、一号整流电路(ZLl)、二号整流电路(ZL2)、一号电容(Cl)、二号电容(C2)、一号光电1禹合器(Ul)、二号光电耦合器(U2)、一号二极管(Dl)、二号二极管(D2)、一号继电器(Jl)、二号继电器(J2)、一号电阻(Rl)和二号电阻(R2),—号变压器(B1)的输入端对应与煤矿井下第一电源的输出端连通，一号变压器(B1)的输出端与一号整流电路(ZLl)的输入端连通，一号整流电路(ZLl)的一个输出端同时与一号电容(Cl)的一端、控制单兀(7)的RAl端连通，一号整流电路(ZLl)的另一个输出端同时与一号电容(Cl)的另一端、电路地连通，二号变压器(B2)的输入端对应与煤矿井下第二电源的输出端连通，二号变压器(B2)的输出端与二号整流电路(ZL2)的输入端连通，二号整流电路(ZL2)的一个输出端同时与二号电容(C2)的一端、控制单元(7)的RA2端连通，二号整流电路(ZL2)的另一个输出端同时与二号电容(C2)的另一端、电路地连通，控制单元(7)的RB6端与一号光电耦合器(Ul)的信号输入端连通，一号光电耦合器(Ul)的电源输入端通过一号电阻(Rl)与+5V电源的输出端连通，一号光电稱合器(Ul)的信号输出端同时与一号二极管(Dl)的阳极、一号继电器(Jl)的线圈的一端连通，一号二极管(Dl)的阴极、一号继电器(Jl)的线圈的另一端同时与+12V电源的输出端连通，一号光电耦合器(Ul)的接地端与电路地连通，一号继电器(Jl)控制的输出端为双电源切换电路⑴的第一电源的输出端；控制单兀(X)的RB7端与二号光电耦合器(U2)的信号输入端连通，二号光电耦合器(U2)的电源输入端通过二号电阻(R2)与+5V电源的输出端连通,二号光电1禹合器(U2)的信号输出端同时与二号二极管(D2)的阳极、二号继电器(J2)的线圈的一端连通，二号二极管(D2)的阴极、二号继电器(J2)的线圈的另一端同时与+12V电源的输出端连通，二号光电耦合器(U2)的接地端与电路地连通，二号继电器(J2)控制的输出端为双电源切换电路⑴的第二电源的输出端。
4.根据权利要求1所述660V输出矿用稳压电源，其特征在于，工频降压变压器(2)采用660/110的工频降压变压器。
5.根据权利要求1所述660V输出矿用稳压电源，其特征在于，工频整流电路(3)包括桥式整流电路和三号电容(C3)，桥式整流电路的交流输入端对应与工频降压变压器(2)的输出端连通，三号电容(C3)并联在桥式整流电路的直流输出端。
6.根据权利要求1所述660V输出矿用稳压电源，其特征在于，逆变电路(4)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)、电阻和四个二极管，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，工频整流电路(3)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，工频整流电路(3)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)的源极和电阻的一端连通，电阻的另一端接地，一号功率管(Vl)的源极同时与三号功率管(V3)的漏极、逆变电路⑷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、逆变电路(4)的另一个输出端连通，控制单元(7)的功放的输出端包括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。
7.根据权利要求1所述660V输出矿用稳压电源，其特征在于，升压变压器(5)采用50/660的升压变压器。
8.根据权利要求1所述660V输出矿用稳压电源，其特征在于，输出滤波电路(6)包括电感线圈(L)和四号电容(C4)，升压变压器(5)的一个输出端与电感线圈(L)的一端连通，电感线圈(L)的另一端同时与四号电容(C4)的一端、660V输出矿用稳压电源的一个输出端连通，升压变压器(5)的另一个输出端同时与四号电容(C4)的另一端、660V输出矿用稳压电源的另一个输出端连通。
9.根据权利要求1所述`660V输出矿用稳压电源，其特征在于，它还包括液晶显示，控制单元(7)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】H02M5/48GK203590047SQ201320823830
【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