礦井機電設(shè)備遠程控制開關(guān)電源的設(shè)計研究

郭 志

（山西煤炭進出口集團左云長春興煤業(yè)有限公司， 山西 左云 037100）

引言

近年來，隨著我國綜采設(shè)備自動化水平及采煤技術(shù)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(zhì)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(dǎo)致其生產(chǎn)環(huán)境相對惡劣。而且，綜采工作面的生產(chǎn)距離很長，從而導(dǎo)致煤礦自動化設(shè)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(shù)的推動下傳統(tǒng)開關(guān)電源已經(jīng)在體積、質(zhì)量以及穩(wěn)定性等方面得到了飛速的提升，所研發(fā)的遠程可控的開關(guān)電源被應(yīng)用于煤礦綜采工作面的生產(chǎn)中[1]?；谶h程可控開關(guān)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(shè)備的遠程可控開關(guān)電源設(shè)計進行研究。

1 開關(guān)電源工作原理的分析

開關(guān)電源的設(shè)計原理為基于電子技術(shù)通過半導(dǎo)體等元器件控制開關(guān)的打開和關(guān)閉，從而確保電壓能夠穩(wěn)定輸出；此外，基于開關(guān)電源能夠控制內(nèi)部晶體管的開關(guān)。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時，電壓低、電流較大；當(dāng)晶體管閉合時，電壓高、電流較小[2]。在各類半導(dǎo)體元件的作用下可確保開關(guān)電源能夠在損耗較低的情況下為機電設(shè)備提供多種規(guī)格的穩(wěn)定電源。開關(guān)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(zhuǎn)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(jīng)高頻交換器再次整流濾波操作后得出可供給機電設(shè)備的穩(wěn)定直流電壓。

基于對開關(guān)電源工作原理分析的基礎(chǔ)上，得出開關(guān)電源的設(shè)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(guān)電源實現(xiàn)對機電設(shè)備的遠程控制。

圖1 開關(guān)電源原理框圖

2 開關(guān)電源的設(shè)計

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

2.1 開關(guān)電源的硬件設(shè)計

2.1.1 輸入電路的設(shè)計

輸入電路即為交流電壓輸入系統(tǒng)中的路徑?；趯﹂_關(guān)電源工作原理分析研究的基礎(chǔ)上，輸入電路中需配置相應(yīng)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(nèi)的電磁干擾。

2.1.2 功率變換電路的設(shè)計

根據(jù)功率變換電路的功能要求，需為該電路配置相應(yīng)規(guī)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(jù)開關(guān)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(guān)管所能承受的最高電壓即為輸入電壓[4]。設(shè)定開關(guān)管的最高電壓為350 V，經(jīng)換算可得其對應(yīng)的電流值為14 A。

結(jié)合上述計算結(jié)果，所選功率管的型號為GT60。該功率管的具體參數(shù)如下頁表1 所示。

表1 GT60 功率管參數(shù)

2.1.2.2 變壓器的選型

根據(jù)生產(chǎn)需求，設(shè)定開關(guān)電源的可輸出的最大功率值為1 600 W。結(jié)合經(jīng)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(guān)鍵參數(shù)如表2 所示。

表2 EE55 鐵氧體變壓器關(guān)鍵參數(shù)

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?qū)崿F(xiàn)對半橋變換電路中功率開關(guān)管占空比的調(diào)節(jié)，并在相應(yīng)功率管驅(qū)動電路的作用下，確保開關(guān)電源所輸出的直流電壓為穩(wěn)定電壓。本開關(guān)電源所選芯片的型號為KA3525。

2.1.3 保護電路的設(shè)計

為提升開關(guān)電源為機電設(shè)備供電的穩(wěn)定性，降低對機電設(shè)備的沖擊，還需為開關(guān)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(guān)電源中的各類保護電路均是基于LM324 比較器對相應(yīng)參數(shù)對比分析后，將對比結(jié)果傳輸至PWM控制器中達到對開關(guān)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(xiàn)用戶對礦井機電設(shè)備的遠程控制，將開關(guān)電源與上位機之間基于相應(yīng)通信功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，單片機為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)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(shè)定電壓值和電流值經(jīng)單片機控制器傳遞至開關(guān)電源的控制端。

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

2.2 開關(guān)電源的軟件設(shè)計

開關(guān)電源的程序軟件是實現(xiàn)其對電源實時輸出電壓監(jiān)測、過壓、欠壓以及過溫保護、控制開關(guān)電源輸出電壓值等功能的基礎(chǔ)。根據(jù)實際生產(chǎn)需求及可靠性分析，設(shè)計如圖2 所示的網(wǎng)絡(luò)中斷程序流程圖。

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

圖2 網(wǎng)絡(luò)中斷程序流程圖

3 開關(guān)電源應(yīng)用效果驗證

根據(jù)2 中對開關(guān)電源各類電路及其硬件的選型設(shè)計結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的軟件程序設(shè)計了可應(yīng)用于為工作面遠程供電的開關(guān)電源。經(jīng)實踐得出：

1）所設(shè)計的開關(guān)電源能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)傳輸。不僅可實時顯示開關(guān)電源的實時輸出電壓值和電流值；還可根據(jù)用戶需求控制開關(guān)電源的輸出。

2）所設(shè)計的開關(guān)電源為工作面機電設(shè)備所提升的電壓值非常穩(wěn)定，滿足實際生產(chǎn)的需求。

4 結(jié)論

1）鑒于煤礦綜采工作面生產(chǎn)環(huán)境惡劣、工作面距離長的特點，導(dǎo)致為工作面機電設(shè)備提供穩(wěn)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(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)所設(shè)計的開關(guān)電源可為礦井機電設(shè)備提供穩(wěn)定電壓。

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