礦井機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)研究

賈振興

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))平定東升興裕煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045200)

1 開(kāi)關(guān)電源工作原理的分析

開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理為基于電子技術(shù)通過(guò)半導(dǎo)體等元器件控制開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和關(guān)閉，從而確保電壓能夠穩(wěn)定輸出；此外，基于開(kāi)關(guān)電源能夠控制內(nèi)部晶體管的開(kāi)關(guān)。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電壓低、電流較大；當(dāng)晶體管閉合時(shí)，電壓高、電流較小。在各類(lèi)半導(dǎo)體元件的作用下可確保開(kāi)關(guān)電源能夠在損耗較低的情況下為機(jī)電設(shè)備提供多種規(guī)格的穩(wěn)定電源。

交流電壓在整流、濾波作用下轉(zhuǎn)化為直流電壓。此時(shí)所得的直流電壓中含有一定的脈動(dòng)成分。將具有一定脈動(dòng)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(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定直流電壓。

基于對(duì)開(kāi)關(guān)電源工作原理分析的基礎(chǔ)上，得出開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)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(duì)交流電壓進(jìn)行整流、濾波等操作。此外，還可通過(guò)上位機(jī)對(duì)電源實(shí)時(shí)輸出的電壓及電流波形進(jìn)行顯示，用戶可實(shí)時(shí)操作開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)主要包括有硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。其中，硬件設(shè)計(jì)主要指的是開(kāi)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(jì)指用戶可通過(guò)上位機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能。

2.1 開(kāi)關(guān)電源的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 輸入電路的設(shè)計(jì)

輸入電路即為交流電壓輸入系統(tǒng)中的路徑。基于對(duì)開(kāi)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(jì)

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(kāi)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(jiàn)，一般取開(kāi)關(guān)管所能承受的最高電壓即為輸入電壓。設(shè)定開(kāi)關(guān)管的最高電壓為350V，經(jīng)換算可得其對(duì)應(yīng)的電流值為14A。結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，所選功率管的型號(hào)為GT60。該功率管的具體參數(shù)如表1所示。

表1 GT60功率管參數(shù)

2.1.2.2 變壓器選型

根據(jù)生產(chǎn)需求，設(shè)定開(kāi)關(guān)電源的可輸出的最大功率值為1600W。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及各類(lèi)變壓器的性能對(duì)比，最終選定變壓器的型號(hào)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(duì)半橋變換電路中功率開(kāi)關(guān)管占空比的調(diào)節(jié)，并在相應(yīng)功率管驅(qū)動(dòng)電路的作用下，確保開(kāi)關(guān)電源所輸出的直流電壓為穩(wěn)定電壓。本開(kāi)關(guān)電源所選芯片的型號(hào)為KA3525。

2.1.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

為提升開(kāi)關(guān)電源為機(jī)電設(shè)備供電的穩(wěn)定性，降低對(duì)機(jī)電設(shè)備的沖擊，還需為開(kāi)關(guān)電源配置欠壓保護(hù)電路、過(guò)溫保護(hù)電路以及過(guò)壓保護(hù)電路等保護(hù)電路。開(kāi)關(guān)電源中的各類(lèi)保護(hù)電路均是基于LM324比較器對(duì)相應(yīng)參數(shù)對(duì)比分析后，將對(duì)比結(jié)果傳輸至PWM控制器中達(dá)到對(duì)開(kāi)關(guān)電源欠電壓、過(guò)電壓以及過(guò)溫保護(hù)功能。

2.1.4 單片機(jī)的選型

為了實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)礦井機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，將開(kāi)關(guān)電源與上位機(jī)之間基于相應(yīng)通信功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，單片機(jī)為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站不僅可以采集電源實(shí)時(shí)輸出的電壓值和電流值，并通過(guò)波形的形式顯示于上位機(jī)上；還可將用戶在上位機(jī)所設(shè)定電壓值和電流值經(jīng)單片機(jī)控制器傳遞至開(kāi)關(guān)電源的控制端。

鑒于工作面相對(duì)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境以及可靠性的要求下，本開(kāi)關(guān)電源所選擇的單片機(jī)型號(hào)為STM32F107。

2.2 開(kāi)關(guān)電源的軟件設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源的程序軟件是實(shí)現(xiàn)其對(duì)電源實(shí)時(shí)輸出電壓監(jiān)測(cè)、過(guò)壓、欠壓以及過(guò)溫保護(hù)、控制開(kāi)關(guān)電源輸出電壓值等功能的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求及可靠性分析，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中斷程序流程圖。以實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的過(guò)壓、欠壓以及過(guò)溫保護(hù)，從而確保開(kāi)關(guān)電源在供電過(guò)程中的安全性和可靠性。

3 開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用效果驗(yàn)證

1)所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。不僅可實(shí)時(shí)顯示開(kāi)關(guān)電源的實(shí)時(shí)輸出電壓值和電流值；還可根據(jù)用戶需求控制開(kāi)關(guān)電源的輸出。

2)所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源為工作面機(jī)電設(shè)備所提升的電壓值非常穩(wěn)定，滿足實(shí)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(zhǎng)的特點(diǎn)，導(dǎo)致為工作面機(jī)電設(shè)備提供穩(wěn)定、安全的電壓為如今急需解決的問(wèn)題。為此，基于電子電力技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源可為礦井機(jī)電設(shè)備提供穩(wěn)定電壓。

2)所設(shè)計(jì)的礦井機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)機(jī)電設(shè)備電壓的遠(yuǎn)程控制能力，對(duì)提升綜采工作面產(chǎn)煤效率及安全具有實(shí)際意義。