矿用电源（共7篇）
矿用电源 篇1
0 引言
随着工业以太网在井下的迅速发展与应用, 为保证交换机正常工作, 对供电电源质量的要求越来越高, 因此, 煤矿井下交换机用不间断电源 (UPS) 的地位愈显突出。UPS按其输出形式可分为交流UPS和直流UPS, 交流UPS需要逆变器将电池电压逆变为交流电输出, 直流UPS则可直接供给负载, 不需要再经过逆变。鉴此, 笔者设计了一种煤矿井下交换机用直流UPS。该电源在现有直流UPS的基础上增加了人机对话功能:通过液晶显示能准确、实时显示电池的供电状态、电池电压、充电电流、UPS输出电压、UPS输出电流的大小等。
1 直流UPS的硬件设计
1.1 基本设计思路
设计的煤矿井下交换机用直流UPS可在矿用交流电供电时使交换机正常工作, 并通过以电源管理芯片MAX731为核心的充电电路给镍镉电池充电。当矿用交流电断电时, MSP430F147单片机控制的切换开关自动切换, 使后备电源利用镍镉电池给交换机供电。该UPS总体结构如图1所示[1,2]。
正常工作情况下, AC/DC模块完成交流与直流的转换, 输出24 V直流电压, 供交换机工作;同时127 V交流输入通过桥式整流电路, 经稳压后给镍镉电池组供电。MSP430F147通过内部集成的AD转换模块, 实时采集整个工作过程, 当监测到有127 V交流输入时, MSP430F147控制切换开关关闭, 24 V电源由AC/DC模块供给;当监测到无127 V交流输入时, MSP430F147控制切换开关导通, 24 V电源由镍镉电池供电。同时, MSP430F147将采集到的电池电压、充电电流、UPS输出电压、UPS输出电流, 通过控制液晶显示模块OCMJ2×10C显示出来。
在设计时把整个UPS系统分为UPS模块和MSP430F147模块2个部分来进行单独设计, 最后通过接口跳线完成系统的统一。这样不仅简化了设计难度, 而且方便了调试。在UPS模块中主要完成电池的充放电管理、电源的切换及过放管理电路的设计, 其中电源的切换、过放保护的控制由MSP430F147的输出端提供。MSP430F147模块的功能:实时监测127 V交流电是通电状态还是断开状态;实时将采集到的24 V电压信号通过液晶屏显示出来;通过控制图1所示的切换开关的闭合或断开, 提供给负载不间断供电。
1.2 硬件电路设计
煤矿井下交换机用直流UPS硬件电路包括整流稳压电路、充放电管理电路、切换电路、过放保护电路4个部分, 主要满足当矿用交流电供电时, 交流电一部分经整流稳压后在电池管理芯片的控制下对电池充电, 另一部分通过AC/DC模块转换为24 V直流电源给交换机及MSP430F147供电;当矿用交流电断电后, 在200 ms内经过MSP430F147检测并自动控制晶闸管控制位, 使晶闸管导通完成切换, 启动后备电源镍镉电池给交换机供电, 从而完成UPS功能[3]。
1.2.1 整流稳压电路
整流稳压电路如图2所示, 经J1接入矿用交流电, 从整流桥输出的脉动电压经过电解电容C1滤除高次谐波分量后, 接入三端可调稳压管LM317T, 输出电压为
undefined
这样通过适当调节调整电阻R7的值可以使输出电压达到24 V左右。
图2中, 在LM317T输入端接C1可进一步滤除纹波, 输出端接C7能消除自激振荡, 确保电路电压稳定;C6与R6并联组成滤波电路, 减小输出的纹波电压;二极管D5的作用是防止输出端与地短路时, C7上的电压损坏稳压器。
另外, TSET1端与MSP430F147的P1.3、P1.4脚相连, 用来监测供电状态。P1.3脚设置为中断模式 (下降沿有效) , 用来判断矿用交流电是否掉电, 如果掉电则立即启动电池供电系统;P1.4脚用来判断供电状态, 如果为高电平则采用矿用交流电供电, 如果是低电平则采用电池供电。
1.2.2 充放电管理电路
充放电管理电路如图3所示。
(1) 电池数量的设定:
MAX713提供可编程引脚PGM0和PGM1, 通过对这2个引脚采取不同的电压连接方式即可设置充电电池数量 (1～16节) 。由于采用24 V镍镉电池, 按照每节2 V计算, 可知所用电池数量为12节, 因此, PGM0连接BATT-、PGM1连接REF。
(2) 充电速率及时间的设定:
通过设置PGM2和PGM3引脚的编程电压可设定电池的充电速率和充电时间。MAX713最大允许快速充电时间为264 min, 因此, 其最小充电速率将不能低于充电电池容量的四分之一。快速充电电流可按以下公式计算:
undefined
由于本设计中采用最大充电时间为264 min, 可以算出快速充电速率。设置PGM2、PGM3都与镍镉电池负极相连, 可使最大充电时间为264 min。
为了更好地测量电池电压及充电电流, 在电池的输出端串联了一个1 Ω电阻。图3中TEST4与MSP430F147的电压采集端P6.6相连。
1.2.3 切换电路
晶闸管在工作过程中, 阳极A和阴极K分别与电源和负载连接, 组成晶闸管主电路, 晶闸管的门极G与MSP430F147的控制引脚相连, 组成晶闸管控制电路。
如图4所示, P0与MSP430F147的P2.1引脚相连, 在矿用交流电供电时, 矿用交流电经AC/DC模块直接作为UPS输出 (即为DC24 V) , 当检测到矿用交流电断电时, MSP430F147立即置P2.0、P2.1引脚为高电平, 导通晶闸管, 启动电池供电;当矿用交流电再次通电后, 在交流电的作用下, AC/DC模块的24 V电压使晶闸管的阳、阴极压降接近于零, 晶闸管关断, 从而切断电池供电。
1.2.4 过放保护电路
矿用交流电故障时, 晶闸管导通, 由电池对外供电。为保证电池的正常使用, 放电时必须保证电池电压高于放电终止电压。放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压, 则蓄电池继续放电, 电池两端电压会迅速下降, 形成深度放电, 这样, 极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复, 从而影响电池的寿命[4]。本设计采用的镍镉电池的放电终止电压一般规定为1 V。因此, 为保护电池, 避免形成深度放电, 设计了过放保护电路, 如图5所示。其中P1端与MSP430F147的P2.0引脚相连, MSP430F147实时检测电池电压, 当电池电压高于放电终止电压时, P1端置高电平, 三极管Q3导通, 继电器J2的1、2脚闭合, 电池处于充电状态;当电池电压低于放电终止电压时, P2.0引脚置低电平, 三极管Q3截止, 继电器J2的1、2脚断开, 从而使电池断开, 避免深度放电。
为了测量UPS输出电压及输出电流, 在输出端串联了一个0.1 Ω的电阻, TEST2、TEST3端分别与MSP430F147的电压采集端P6.3、P6.4相连。
1.3 微控制单元设计
微控制单元采用MSP430F147单片机, 它是一款16位单片机, 具有集成度高、外围设备丰富、功耗低等优点, 非常适合在手持设备、由电池供电的设备中使用。MSP430F147在休眠条件下的工作电流只有0.8 μA, 就是在2.2 V、1 MHz条件下工作电流也只有280 μA。
图6为MSP430F147控制框图。
微控制单元的主要功能:
(1) 通过外部中断来检测供电状态, 当矿用交流电断开时控制切换电路使电池供电。
(2) 完成对电压电流的采集, 当矿用交流电正常时, 采集电池电量和输出电流;当交流电断开时, 采集电池电量、充电电流。
(3) 控制液晶显示芯片, 输出采集数据。
(4) 通过对电池电量的采集, 判断电池电量, 当电池电量低于1 V时控制过放保护电路, 切断电池供电, 运行结束。
2 直流UPS的软件设计
煤矿井下交换机用直流UPS利用MSP430F147的P1.3引脚作为中断口来监测矿用交流电是否掉电。如果掉电, 则启动中断子程序来处理。该UPS软件包括中断模块 (电源切换模块) 、过放保护模块、电压采集模块、液晶显示模块4个模块。其中, 主程序流程、中断程序流程、过放保护程序流程分别如图7、图8、图9所示[5]。
3 测试结果分析
为验证该UPS的可行性, 笔者对其进行了测试。测试结果表明, 该UPS电源功能基本上能实现, 但是在稳定性和精确性上还存在着一定问题。存在的问题及解决方法如下: (1) 在最初的程序设计中采用的是循环检测P1.3端口的电平, 这样就造成了当矿用交流电掉电后, 不能迅速检测到P1.3端口电压的变化, 导致启动电池供电不是太及时。把P1.3端口改为中断模式, 这样就可以做到P1.3端口电压的实时监测; (2) 在UPS模块硬件电路设计中, 晶闸管的控制端没有加电阻R12, 使晶闸管的控制端存在着静电, 导致矿用交流电重新供电时, 不能很好地切断电池供电, 在晶闸管的控制端接一个下拉电阻可解决该问题[6,7]。
4 结语
煤矿井下交换机用直流UPS采用MAX713电源管理芯片对电池进行智能充电;采用MSP430F147单片机作为微处理器, 利用外部中断方式监测矿用交流电掉电或出现故障状态, 当发现矿用交流电不能正常供电时对电路进行切换, 启动电池供电, 从而确保交换机可持续工作。
摘要：设计了一种煤矿井下交换机用直流不间断电源。该不间断电源采用MAX713电源管理芯片对镍镉电池进行智能充电;采用MSP430F147单片机作为微处理器, 利用外部中断方式监测矿用交流电的工作状态, 当发现矿用交流电不能正常供电时对电路进行切换, 启动镍镉电池供电, 从而保证交换机持续工作。测试结果表明, 该不间断电源具有一定的实用性。
关键词：矿用交换机,直流不间断电源,镍镉电池,充电,MSP430F147,MAX713
参考文献
[1]张广明, 沈卫东, 曲颖, 等.UPS供电系统设计与应用[M].北京:人民邮电出版社, 2004.
[2]王其英, 刘秀荣.新型不停电电源 (UPS) 的管理使用和维护[M].北京:人民邮电出版社, 2005.
[3]李成章.现代UPS电源及电路图集[M].北京:电子工业出版社, 2001.
[4]欧阳森.基于MSP430单片机的过电流继电保护单元设计[J].低压电器, 2005 (1) :30-33.
[5]李增科.基于软开关技术的PWM开关电源的研究[J].自动化博览, 2006 (增刊1) :87-88.
[6]MOLT P V, ANDERSON H.Uninterruptible PowerSupplies Today Installation Engineering Designing andMaintaining Successful Systems[C]//ThirdInternational Conference, 1988, London.
[7]GALTI D.Control and Monitoring of UninterruptiblePower Systems[C]//International TelecommunicationsEnergy Conference, 1989, Washington.
矿用防爆电源控制电路的设计 篇2
控制电路中采用的核心控制芯片是STC12C5052AD单片机, 其实现数字化控制的工作流程框图如图1所示。
接在主电路输出端的电压、电流、温度传感器进行实时的信号采集, 由于STC12C5052AD单片机内部自带有A/D转换功能, 于是我们将采集到的电压、电流以及温度信号进行适当的处理之后传送给单片机, 经过单片机内部程序的比较处理之后输出控制信号, 控制信号经D/A转换器处理后的电压信号被送入到运算放大器OP07中进行信号的放大, 然后将得到的电压信号送到斩波电路中的脉宽调制控制芯片TL494中, 用于发出脉宽调制电路的控制信号。电压信号被送入到TL494的第3引脚, 经过TL494内部电路的工作转换之后在其第9、10引脚输出PWM控制信号, 控制信号再通过光电隔离芯片被送入到驱动电路中, 在驱动电路的输出端就产生了能够使得功率开关管IGBT导通及关断的驱动信号。
为了保障充电系统的安全运行, 以及延长硬件系统的使用寿命, 在设计本充电电源的控制电路时, 在单片机的软件设计中加入了能够控制系统软启动、软关断的子程序, 即在充电电源每次启动充电时, 程序控制主电路中斩波电路中IGBT的驱动信号PWM的占空比按照斜率由0上升至设定值。接下来进入到充电工作中。在充电过程中系统通过程序自动调节主电路的输出电流、电压值, 以保证充电过程的顺利完成。当系统充电完成后, 再由程序控制将主电路中斩波电路的驱动信号PWM的占空比按照斜率降低至0进行软关断。
这样就完成了由单片机所实现的数字化控制的过程, 在主电路的输出端能够得到我们所需要的恒定的电压值以及恒定的电流值, 同时还可以对于主电路产生的温度过高现象发出报警信号, 提高了系统的安全性能。
2 单片机外围硬件电路
单片机除了完成相应的充电控制功能以外, 还同时具备了过流、过压、过热保护以及故障显示的功能。单片机的硬件原理图如图2所示。
单片机对传感器采集到的电压、电流以及温度信号进行处理, 之后通过D/A转换器TLC5618输出控制信号。
差分放大电路中的运算公式如下所示:
当UI=0时, U0=3.5V, 保证在输入电压为零的情况下, 封锁TL494发出的驱动信号。
3 斩波控制电路
TL494的工作频率由第5、6引脚所外接的电容和电阻的容量值来确定。TL494采用单端输出的工作方式, 第13脚与第7引脚相连。第10引脚连接第8引脚后外接vCC, 第9引脚接第11引脚后串连下拉电阻输出, 由第11引脚单独的输出一个控制脉冲, 脉冲频率为逆变电路中TL494的振荡频率。由于本充电系统采用数字化设计原则, 所以在使用TL494时应屏蔽掉两个误差放大器, 即TL494的第1、16引脚接地, 第2、15引脚串联电阻后与第14引脚相连。
采集到的主电路输出电压、电流信号, 经转换器转换后被送入到单片机中。在单片机内部将采集到的电压、电流信号按照预先设好的程序进行处理, 并将处理结果输出, 再经D/A转换器转换后控制信号被送到TL494的第3引脚, 相应的在TL494的第9、10引脚输出控制脉冲, 再经驱动电路后驱动斩波电路中的IGBT, 以达到稳压输出的目的。斩波电路的硬件原理图如图3所示。
总结
针对国内对数字化矿用防爆充电电源的要求, 研制了基于单片机的逆变充电电源。文中首先进行了逆变充电电源主电路的设计及主电路电参数的计算和选择;其次, 进行了控制部分硬件平台的搭建;最后, 通过功率负载实验对所设计的逆变电源进行了系统验证。整个控制系统采用STC12C5052AD单片机作为核心控制芯片, 采用结构化的方式编制的系统软件指令执行效率高, 速度快, 并设有软启动以及软关断控制过程, 以提高主电路中各个元器件的使用寿命。
摘要：在本充电系统的控制电路设计中, 单片机所要实现的控制要求是:首先根据程序设计, 按照预设的电流值对蓄电池进行恒流充电, 当输出电压达到恒压模式翻转电压时, 由程序控制切换为恒压充电模式。经过一段时间的充电后, 当输出电流降低到恒流充电模式翻转电流时, 切换到小电流恒流充电模式, 一直到铅酸蓄电池充满 (程序控制主电路软关断) , 充电过程结束。
矿用本质安全型电源的研制 篇3
随着我国煤矿事业的蓬勃发展, 煤矿电气化水平也越来越高。煤矿的特殊环境, 要求电气设备能够在含有瓦斯、粉尘的危险环境中使用, 这就要求矿用电气设备采用相应的防爆型式。防爆型式有隔爆型、本质安全型、增安型、充油型、充砂型、浇封型、复合型等多种, 而本质安全型电气设备在井下的监控、通讯、信号、仪表和自动化系统中应用日益广泛。本质安全电路是指, 在规定的试验条件下, 正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体或蒸汽的电路。本安电源是本安系统的关键环节, 本安电源是指在正常工作和规定的故障状态下, 其输出的最高电压、最大电流均具有本安性能的电源。本文的研究对象是隔爆兼本安电源, 即输出本安电源, 本安电源本身放置于防爆箱体内, 通过输入输出电气隔离, 并对其输出电压、电流进行双重化限制和保护, 使输出的能量限制在一定的范围之内, 满足本安性能的要求。
2 电路介绍
2.1 AC-DC转换电路
本部分电路功能为将输入的非本安交流电源, 经过隔离、整流、开关变换, 转换为18V的直流电源。根据设备提供的AC36V电源, 以及开关电源芯片的输入范围要求, 定制一个36V/20V的变压器, 并且该变压器的两个绕组间有带接地的屏蔽层, 以满足隔离的要求。在变压器的初级绕组侧串接保险管, 同时要求变压器的功率大于保险管额定电流的1.7倍与36V的乘积, 以确保满足本安的要求。整流可以用4个二极管搭出电路, 也可以直接选用整流桥堆。开关稳压芯片选用L4978, 通过计算匹配电阻使输出电压为18V。
2.2 过流保护电路
本部分电路功能为将18V的直流电源进行限流、截流及短路保护处理, 使电源输出的电流限制在一定的范围 (340m A) 内, 在负载短路的情况下, 输出电流限制在20m A内, 本部分电路为双重化电路。限流保护电路是通过在电源输出母线上串接一个三极管V1, 并且将三极管V1的基极电阻进行限流匹配, 从而限制其集电极电流, 以达到限制18V电源母线输出电流的目的。同时, 将输出电压引入反馈比较, 接近0V时说明输出短路, 给出控制信号, 在三极管V1基极投入相当大电阻, 使输出电流限制在20m A内, 从而达到短路保护的目的。三极管V1在限流过程中会产生较大热量, 需要加装散热片。截流保护电路是通过在电源输出母线上串接一个小电阻R1和一个MOS管, 通过一个电流检测芯片检测通过电阻R1的电流, 并转化为电压信号, 与标准信号比较, 得到一个控制信号, 去控制MOS管。当电流小于规定值时, MOS管开通, 电源正常输出;当电流达到规定值时, MOS管关断, 电源无输出。当负载电阻值小于规定值时, 截流保护电路输出的是通断交替的脉冲波形。
2.3 过压保护电路
本部分电路功能为将18V的直流电源进行限压处理, 使电源输出的电压限制在一定的范围 (18.7V) 内, 本部分电路为双重化电路。过压保护电路是将输出电压引入反馈比较, 当输出电压值高于18.7V时, 比较器就输出一个控制信号, 使得可控硅导通, 从而将输出电压箝位到约1V, 达到过压保护的目的。
结语
本设计通过三个版本的调试、改进, 已经通过了本安试验、取得了安标, 并且已经在变频器项目中进行了实际应用, 使用效果良好。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 1999.
[2]GB3836.4-2010.爆炸性环境[S].北京:中国标准出版社, 2010.
[3]柳玉磊, 等.浅谈如何设计矿用本安输出电源[J].煤矿安全, 2010 (1) :81-83.
矿用电源 篇4
关键词：矿用本安电源,监测设备,Matlab
随着计算机应用技术的提高, 电子电路设计仿真软件被应用到了工业生产的各个领域。Matlab作为电子CAD仿真软件中的一种, 依靠其简洁、直观的特性被广泛应用于电子电路虚拟仿真中。本次电路建模仿真分析是通过Simulink下的各个模块库构建相应的电路模型, 并结合仿真结果为电力电子系统模型数据分析提供了解决方法[1]。
矿用本安电源, 应用于煤矿井下特殊环境中, 需要设计合适的电器参数, 使各电路达到防爆要求。本安电源作为供电设备, 包括主电路、保护电路、备用电源和防爆外壳, 各部分均对矿井安全起着重要作用。该电源可用于含爆炸气体和粉尘的煤矿井下, 拥有AC-DC转换电路、过电流保护电路、抗干扰电路、DC电源转换电路等多部分组成。一般接在井下配电所的127 V照明电路上, 故需要考虑照明电路停电检修时防爆电源的工作情况, 加设锂电池作备用输出直流电源供监测设备应急使用[2]。
1 本安电源的电路结构
鉴于煤矿井下特殊环境, 防爆电路设计是重点。矿用防爆本安电源的组成如图1所示, 分别是变压器降压电路、整流滤波电路、充电电路、电压调节电路、多重限能电路、电源转换电路。来自安全环境的电网 (交流) 电压, 先经电源变压器降压将127 V的交流电变成24 V, 通过在变压器原边或副边绕组并联阻容吸收过电压保护电路, 也可采用并联双向稳压管作为过电压保护电路。然后, 经整流滤波通过相应的整流滤波电路将交流电转化成较平滑的直流电, 由于本安设备对容性要求越低越好, 故在选用电容时, 选择满足要求的容性较小的电容。再经过先行电压调节电路, 改善煤矿井下电压波动时对供电系统带来的不稳定电压。最后经过多重限压限流电路后输出本质安全电压到井下现场设备中[3]。
矿用防爆本安电源的本质安全性能主要依靠多重化输出限能保护电路来保证, 多重化输出限能电路在负载电路或电网供电网络出现故障时, 通过对自身电路的电压、电流保护, 杜绝电路中产生超出安全范围的电火花, 以避免在井下特殊环境所造成的爆炸, 从而实现自身输出的本质安全性[2]。由于矿用防爆本安电源的整个电路被放置在一个满足相关标准要求的防爆外壳内, 只要确保输出满足本质安全要求即可, 而其他部分的防爆性能则由防爆外壳保证。因此, 矿用防爆本安电源的关键是选择一个满足本质安全要求的输出限能保护电路, 而其他部分的电路设计相对较为灵活。
本文通过Matlab, 对输出端滤波电路前后两侧电压、电流波形进行分析比较, 进一步了解电容、电感对去除干扰信号、降低电压冲击的作用。
2 矿用防爆本安电源电路分析
2.1 备用电源电路分析
图2所示为矿用本安电源内部备用电源的接线结构图。为保证煤矿井下在交流电网停电后或井下设备因故障需检修时, 如水文监测、通信转换器等关键性设备供电的可靠, 在本安电源内部必须配置备用电源, 以确保电源能维持正常工作时间不小于2 h[4]。且矿用本安电源输入端127 V交流电通常采用井下照明电输入, 而在井下照明电路检修时, 断电是不可避免的。因此, 备用电源的可靠是依靠备用电池通过充电电路向自身充电来完成的。当井下电网检修或故障停电时, 备用电源侧接入, 完成对井下监测设备的持续供电, 两个电压通过二极管D1、D2进行分时叠加, 从而大幅提高了供电的可靠性, 并可有效抑制外电路对备用电池电路的冲击[5]。
2.2 变压器电路
矿用变压器的选择需要兼顾安全保护、滤波作用, 通过变压器将矿用交流127 V降低至交流24 V, 实现电压的初步调节。出于安全设想, 变压器需承受输入电网的波动, 并确保对低电压电路的冲击在安全范围内, 不会造成设备的损坏。实际应用中大多选择R型变压器, 该种变压器效率高, 铁芯无磁隙且绕组均衡。同时其具有体积小、重量轻、无噪音、发热少、漏磁小及安全系数高等优点[3]。
2.3 整流调压滤波电路
图3所采用的是二极管电流限制型保护电路, 在稳压电路中通过接入一个二极管D, 实现对三极管的调节。二极管D上的电压是三极管的发射极e、基极b间电压Ube与负载电流I0在检测电阻R上的电压降之和 (UD=Ube+UR) 。正常工作的情况下, 电阻R两端的电压小于二极管D的最小导通电压, 所以电流不能通过二极管D, 二极管D对稳压电源的正常工作并无影响。当负载电流I0增加到临界值I0m时, 电阻R上的电压降增大, 恰好达到二极管导通电压, 使得电流开始流经二极管, 从而限制三极管电压Ube继续增加, 达到限制三极管发射极电流的目的。当I0<I0m时, 电阻R上的电压UR减小, 当UD小于自身导通电压0.2 V或0.5 V时, 二极管进入截止状态, 电路恢复正常工作, 从而达到对电流限制的作用, 以及起到保护电路的目的。
交流电网电压不稳定, 将引起整流电路输出电压的变化。交流电压变化可从-20%~+10%, 而煤矿井下变化更大[6]。调压电路, 提高矿用本安电源对电网电压抑制作用, 减小电网电压波动时对输出端的影响, 在设计调压电路时考虑煤矿井下温度变化, 选取的元器件温度系数要小或通过加设差分电路进行温度补偿。随着集成电路的发展, 稳压电路中多采用专用的集成稳压器, 如LM339、79XX系列。集成稳压器将差分电路、辅助电源电路、取样比较电路、调节电路、保护电路等集成在自身内部, 将原有的复杂电路简单化, 并大幅提升了自身的稳压精度和工作稳定性, 内部集成的电路解决了电网电压波动和煤矿井下温度变化等实际问题, 使得其在矿用本安电源电路中得到了普遍应用。图4所示是79XX的简单保护电路。通过整流滤波电路出的电压可能含有交流部分, 电容有效抑制了电路中的纹波电压。当输出电路发生短路时, 二极管导通, 实现了对输出电路的保护[7,8,9]。
在经过滤波电路后, 电感、电容通过自身“阻碍”特性, 使得通过负载的电压和电流波动减小, 波形曲线变得平滑。Matlab滤波电路仿真电路如图5所示, 输入侧为经过变压器二次侧变压的AC24V交流电, 并通过桥式整流电路和LC-π型滤波电路到达负载侧。交流电电压波形如图6 (a) 所示;图6 (b) 为未经滤波电路前负载侧两端电压波形;图6 (c) 为经过滤波电路后负载侧两端电压波形的比较图。可以看出滤波后电压波动明显降低, 没有出现反向电压情况, 减少了电压波动对电路所带来的冲击, 且对整流电路中整流管的冲击电流也有较好的抑制作用。
3 结束语
各种监测设备在煤矿井下的使用, 为煤矿工人的安全建立了保障, 而文中分析的矿用本安电源便是为其提供可靠的用电保障。通过对矿用防爆本安电源电路进行分析, 提出了针对各个电路提高安全、稳定、可靠性的建议, 为日后更好地提升电源设备打下了基础。
参考文献
[1]王晶, 翁国庆, 张友兵.电力系统的Matlab/Simulink仿真及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2008.
[2]薛鹏骞.煤矿安全检测技术与监控系统[M].北京:煤炭工业出版社, 2010.
[3]代涛.煤矿井下隔离兼本安型不间断电源的设计[D].武汉:武汉理工大学, 2012.
[4]章良海.安全火花及应用[M].北京:煤炭工业出版社, 1984.
[5]崔居普.煤矿电气防爆[M].北京:煤炭工业出版社, 2006.
[6]李树刚.安全监测与监控技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2008.
[7]张占松, 蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社, 1999.
[8]何希才, 张明莉.新型稳压电源及应用实例[M].北京:电子工业出版社, 2004.
一种新型矿用本质安全型电源设计 篇5
关键词：本质安全,浪涌抑制器,过压过流保护电路
0引言
随着科学技术的发展,煤矿井下作业环境中使用自动化设备的程度越来越高, 各种检测仪表大量涌现,致使本安电源在矿井中的使用越来越频繁, 同时对其参数要求和使用要求也越来越高。 目前在煤矿井下本安电源已经是一个不可替代的安全供电设备。 通常情况下,煤矿井下存在瓦斯等爆炸性气体,各种仪表都要求本安设计,但是在供电过程中,也需要本安电源来供电,以达到安全要求。 这就要求本安电源在设计过程中一定要考虑到电路中电压、 电流以及功率等情况, 某些特殊应用还需要考虑到保护的速度等情况, 作好充分的保护工作, 以防止过压或过流以及保护不及时而产生井下瓦斯气体爆炸等情况,造成不必要的人员和财产损失[5]。
本质安全型电源即本安电源, 由于它通常有一个隔爆外壳,所以也叫做隔爆兼本安电源。 在中国防爆国标和煤矿行业标准中对本安输出特点有详细规定。 主要有:(1)输出的电压电流不能点燃周围的可燃气体;(2) 本安与非本安之间必须有可靠的隔离[2]; (3) 输出保护必须采用双重保护机制[3];(4)有后备电源的要求采用安全系数高的环保型镍氢或磷酸铁锂电池, 并同时满足GB3836 . 4 - 2010中第10条和MT / T1051 - 2007 《 矿灯用锂离子蓄电池 》 的安全规定[4]。 上述这些要求同时也给设计本安电源提供了努力的方向。
1系统原理
本文中介绍的本安电源是带有后备电池的本安电源, 根据国家煤矿行业标准规定的使用要求, 隔爆兼本安电源的组成部分大致包括:隔爆外壳、变压器、交直流变换电路、 直流稳压电路、 电池管理电路、 后备电池、 一级过压过流保护、二级过压过流保护。 电池考虑到安全性和环保性, 本设计采用了24 V/5 Ah磷酸铁锂电池。 系统工作原理框图如1所示。
其工作原理为:井下高压电源通过变压器降压,低压交流电经过交直流变换稳压后,经过一级过压过流保护, 再经过二级过压过流保护后输出18 V/1 A的电源。 当外供电临时断电后,后备电池供电,经过直流稳压电路, 然后再经过一、 二级过压过流保护电路输出18 V/1 A的电源。 当外供电正常时,外供电对电池充电。 当电池供电时,可以满负荷供电2.5 h以上,完全满足安全监控系统的要求。
2方案设计
2 . 1变压器及交直流变换
变压器是一个比较重要的环节, 它既可以作为高压变低压的转换器件,也可以作为本安与非本安的中间隔离器件。 应当选用隔离耐压较高, 漏磁小, 噪声小的R型变压器。 由于井下一般的照明电是127 V, 动力电为380 V 、 660 V 、 1 140 V几种, 为了满足不同的电压输入通常采用多头输入的变压器,这样使用性更强。 在变压器输出后再通过整流桥滤波电路输出32 V左右的电压。 具体电路如图2所示。
2 . 2直流稳压电路
经过整流变换的电源信号纹波较大, 还必须进行稳压和滤波处理, 获得较为理想的直流信号, 并将其做为整个系统的输入直流电源。 本设计采用国产的大功率DC / DC电源模块XL4015 , 此模块输入电压8 V ~ 36 V , 输出1.25 V ~32 V可调, 最大输出电流5 A。 同样满足GB3836 . 4规定的1 . 5倍的功率余量设计。 电路图如图3所示。
2 . 3保护电路
传统的过压过流保护措施是先调整好合适的电压电流阈值,通过采样电阻采样,然后将信号送给比较器, 进行正常的保护功能。 这个方法在生产调试时操作复杂, 有时电位器发生偏移也容易导致阈值发生偏移,存在诸多隐患。
本设计采用先进的浪涌抑制器芯片LT4356和场效应管IRF2805为核心器件设计过压过流保护电路。 LT4356是凌特( LT ) 公司生产的一款具有故障锁断功能的浪涌抑制器, 该器件能同时进行过压和过流保护,工作电压范围可到4 V~80 V, 在不对自身和负载造成损坏的前提下提供-60 V的反向输入保护、 输出电压检测,集检测保护于一体,既提高了系统的可靠性,也简化了调试操作,提高了生产效率。 下面详细介绍电路的设计情况[1]。
2 . 3 . 1过流保护设计
如图4所示,直流电源输入到LT4356后通过RSNS进行采样,当RSNS两端的压降控制LT4356的GATE端以实现过流保护功能。 采样电阻两端VCC和SNS端的压降和内部50 m V基准电压进行比较, 当采样电阻压降大于50 m V时, 电路进入过流保护。 SNS端最低还能够工作在-60 V,SNS端和VCC端的压降不能超过30 V。 本文介绍的电源是18 V/1 A的电流,故可以计算出[1]:
RSNS= 50 m V / 1 A = 50 mΩ
2 . 3 . 2过压保护设计
LT4356的一个重要作用就是浪涌抑制, 它内部可以设置一个箝位电压, 当电压超过箝位电压时,LT4356起作用,保证输出电压在箝位电压以下。 本文就是利用这个功能来达到过压保护的设计目的。 如图4所示, LT4356有一个FB端, 它内部连接一个电压比较器, FB端的反馈电压和内部的1.25 V基准电压比较来控制芯片GATE的输出,GATE端和外部的MOS管的栅极连接来控制电压的输出。 当电压超过设定值时,MOS管关断以实现过压保护功能。 R1和R2两个电阻分压后,连接到FB端, 发生过压时, 芯片即进入故障状态, 在故障周期内,GATE端控制MOSFET继续保持导通,直到时间超过故障设定的时间,GATE端控制MOSFET关断,进入保护状态[6]。 计算R1、R2的值使用如下方法:
浪涌抑制箝位电压VREG=1.25 ×(R1+R2)/R2 , 输出的本安电源是18 V,所以,箝位电压VREG= 1 . 25 × ( R1 + R2 ) / R2 = 18 V , R1 = 13 . 4R2 。
考虑到故障时经过R2的电流一般控制在0.2 m A~ 1 m A之间, 电源本身有一定的稳定度, 而且对保护电压也要有一定的余量,避免频繁误动作,取R2=1.5 kΩ, 计算出R1 =20.1 kΩ, 选R1 =22 kΩ, 此时设计出的箝位电压为19.58 V。 在图4中的R4、R5为电池供电时的低电压检测设置, 根据使用电池的情况, 可以合理地设置欠压条件。 如果不使用可以悬空。
2 . 3 . 3场效应管的功率选择设计
当发生过压过流时, 功率器件MOSFET并没有及时关闭, 而是还要工作较长一段时间, 此时间一般称为故障时间, 因此对MOSFET的性能提出了较高要求。 对MOSFET重点考核的参数有导通电阻RDS ( ON), 最大漏源电压VDSS和安全工作区SOA曲线等。 根据上述的特点,本文选择IRF2805做为开关控制功率器件。 其源漏电压VDSS最大达到55 V, 漏极电流ID最大为75 A, 整体耗散功率可以用下式计算:
而本设计选用的IRF2805完全满足电路的设计要求。
2 . 3 . 4故障时间设置
故障时间实际上是本安电路保护时的反应时间。 本安电路的故障时间能够通过LT4356芯片上的一个TMR端的电容(CTMR) 来调节。 在故障时间内电路箝位工作在给定的电压和电流值范围内,当超过故障时间时,MOSFET关断以保护后级电路不被损坏。 电容CTMR同样也控制着电路恢复时间, 经过一段恢复时间后,LT4356会自动重启。 适当地调整电路故障时间来设置保护电路的保护反应速度,这也是提高电路安全性能的一个重要方法。 根据LT4356芯片数据手册,故障时间的计算为:
如果取CTMR= 1 μF , 则故障时间大约为2 ms 。
3实验分析
本安电源设计除了结构上的要求外, 电气的要求就是过压过流保护速度和恢复时间的问题了。 本文设计的本安电源经过国家煤矿防爆安全产品质量监督检验中心试验,主要实验数据如表1所示。
本表格中的数据表明,本电源设计电气参数符合要求,在实际工作过程中,其电路具体保护速度为:当超过19 . 58 V达到2 ms时, 电路进入保护, 当电路等待2 ms后,电路自动恢复功能;对于负载电流,当电路电流超过1.05 A达到2 ms时, 电路进入保护, 当电路等待2 ms后, 电路自动恢复功能。 经过火花实验,其任一选择的正常和故障状态下的短路、 通断实验均未出现点燃现象,其最终本安参数分别为UO= 18 V 、 I0= 1 . 05 A 、 CO= 0 . 1 μF 、 LO= 0 . 1 m H , 完全满足设计目标要求。
4结论
本文设计了一款新型的带备电的本安电源, 它具有双重的过压过流保护功能,当电路发生故障时保护井下设备,当故障解除时,可以自动恢复,进入到正常保护状态,重新保护井下设备安全运行。 本电源已通过国家安标检验,在使用过程中表现良好。 但是由于存在过压过流和快速保护功能,因此对于某些上电后有冲击电流的负载, 可能造成不能正常工作, 还需要在设计负载设备时增加软启动电路, 使得电源负载能稳步增加, 降低电路中的瞬间电流,从而避免误动作的发生。
参考文献
[1]LT4356-1/LT4356-2 Surge Stopper Data Sheet[OL].Linear Technology Corporation.
[2]中华人民共和国国家标准.GB3836.1-2010.爆炸性环境第1部分设备通用要求[S].北京:中国标准出版社,2011.
[3]中华人民共和国国家标准.GB3836.4-2010爆炸性环境第4部分由本质安全型“i”保护的设备[S].北京:中国标准出版社,2011.
[4]中华人民共和国煤炭行业标准MT/T 1051-2007.矿灯用锂离子蓄电池[S].北京:煤炭工业出版社,2008.
[5]徐磊,周孟然,赵祥.煤矿实用本安电源设计[J].煤矿机械,2012(3):33-03.
矿用电源 篇6
天地(常州)自动化股份有限公司研制推出的KDQ1140矿用隔爆型双电源切换控制箱是一种具有自动切换、手动切换功能的双电源切换装置。设备正常工作时,主电源为外部负载供电,辅助电源处于备用状态, 当主电源断电时自动切换辅助电源供电,从而实现2路电源之间的自动切换,自动切换时间小于60ms;同时可手动实现2路电源之间的切换,为负载提供稳定、可靠的电源。
该控制箱的2路输入电压分别取自不同馈电开关,可接入AC127,660,1 140V电压等级。控制箱输出电压为AC127V,输出端有4个喇叭嘴,在总输出电流不超过4A的情况下,最多可以带4路负载,为其他矿用交流设备供电。控制箱具有输出断开和输出上电功能,当后级设备需要维护或更换时,可以通过按键将控制箱的输出断开,维护完毕后通过按键实现上电,操作方便。通过观察窗可以直观地显示输入状态、输出状态以及当前主电源和辅助电源供电状态,方便用户查看。控制箱具有短路保护、过载保护、漏电保护功能, 当发生故障时自动切换至另一路电源,如果仍有故障,2路电源全部断开,以保护后级设备的安全,解除故障后只需按下上电按钮即可恢复供电。
矿用电源 篇7
矿用防爆柴油机车作为矿井辅助运输的主要设备[1,2], 因其运输方式灵活、节省人力、运输效率高等特点而得到积极推广[3]。启动电源作为柴油机车重要的配套设备[4,5], 不仅给启动机供电来启动柴油机车, 还给灯、喇叭等机车辅助设备供电。柴油机车启动后, 带动充电机对启动电源进行充电。
目前, 矿用防爆柴油机车的启动电源主要使用隔爆启动型铅酸蓄电池。GB 3836.2—2010《爆炸性环境第2部分:由隔爆外壳“d”保护的设备》规定, 隔爆壳内不能使用有可燃混合物析出的蓄电池, 因此, 需要对现行的煤矿隔爆铅酸蓄电池进行改进, 可替代产品主要有免维护铅酸蓄电池和锂离子蓄电池。免维护铅酸蓄电池容量小、自放电量大、使用寿命短、对环境污染严重[6];锂离子蓄电池具有比功率和比能量高、绿色无污染、使用寿命长等特点, 是铅酸蓄电池的最优替代产品, 是新型二次蓄电池的发展方向。锂离子蓄电池在过放、过充、过热等条件下会导致电池寿命缩短或损坏[7], 本文设计了一套矿用防爆柴油机车锂离子蓄电池启动电源系统, 该系统配备电池管理系统, 可确保锂离子蓄电池使用安全可靠, 延长其使用寿命。
1 煤矿安全标准要求
由于锂离子蓄电池启动电源系统应用于矿用防爆柴油机车, 所以必须满足《矿用隔爆 (兼本安) 型锂离子蓄电池电源安全技术要求 (试行) 》中关于防爆柴油机车启动机用启动电源的所有指标。
1.1 锂离子蓄电池基本要求
(1) 防爆柴油机车启动机用启动电源中锂离子蓄电池的标称容量不超过100A·h; (2) 在正常充、放电过程中单体电池的最高温度不应超过60℃; (3) 锂离子蓄电池应采用串联方式连接, 其类型、规格、技术参数应一致, 并为同一制造厂家生产的产品; (4) 锂离子蓄电池应放置在独立的隔爆腔内, 且该隔爆腔内不应放置除电池管理系统中检测单体电池温度的传感元件和防止锂离子蓄电池安装时发生短路的熔断器以外的其他电气元件; (5) 隔爆腔内不允许锂离子蓄电池以任何形式的并联连接。
1.2 电池管理系统基本要求
应对所有单体电池的电压和极耳处温度, 电池组的电压、电流、电池容量等参数进行检测, 误差应满足表1的要求;测量信息的显示和故障报警功能应满足实际需要;应具有单体电池过放、单体电池过充、放电过流、充电过流、输出短路、温度等保护功能, 以及均衡充电控制功能;应具有电池信息采集线开路保护。
2 系统结构
现场调研启动电源的电压一般不低于24V, 因此系统选用8节标称电压为3.2V的100A·h磷酸铁锂蓄电池串联成组, 得到24V电压。对于电压高于24V的启动电源, 可通过增加串联电池的数量来满足电压需求;对于容量高于100A·h的启动电源, 可通过多个启动电源外部并联的方式提高容量。
依据GB 3836.2—2010的相关规定, 设计3腔 (电池腔、控制腔和接线腔) 结构的隔爆箱, 箱体能够承受1.5 MPa的水压试验。锂离子蓄电池启动电源系统结构如图1所示, 图中Bat1—Bat8为8节单体电池。由8节单体电池串联而成的锂离子蓄电池组及温度传感器放入隔爆箱的电池腔内;总开关、电池管理系统、液晶显示屏和万能开关、中间继电器以及接触器KM1等放入隔爆箱的控制腔内;接线腔为用户提供外部接线端口, 实现启动电源与柴油机车启动机、充电机、司控器的电气连接。用户通过万能开关1-1、万能开关1-2、万能开关2分别实现对启动电源的充电、柴油机车的启动、司控器的供电控制;通过司控器实现对电池管理系统的控制。电池管理系统完成对锂离子蓄电池的电压检测及均衡控制、温度检测、电流检测、电池剩余电量 (State of Charge, SOC) 估算等, 并配合中间继电器和接触器KM1完成对电池组的过充、过放、短路、过温等保护。
3 电池管理实现
3.1 单体电池电压检测及均衡控制
采用LTC6803配合MCU实现对串联电池组的单体电池电压检测和均衡控制, 如图2所示。LTC6803是新一代高电压电池组监视器, 其AD转换速度快, 待机功耗低, 配备通用SPI通信接口, 每片最多可实现12个单体电池串联成组的电压检测和均衡, 每个单体电池电压测量范围为-0.3~5V。MCU选用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103RET6, 该芯片外设SPI通信接口, 具有12路AD采样通道和CAN总线接口等。LTC6803与STM32F103RET6之间的SPI通信使用数字隔离芯片SI8441, 它可实现4个通道的模拟信号隔离, 具有功耗小、速率快 (150 Mbit/s) 、电路简单的特点, 非常适用于数字通信, 避免了光耦隔离电路的繁琐。
系统采用能耗型均衡方式, 即在每个单体电池两端并联1个MOSFET开关和1个电阻, 通过控制MOSFET开关把电池组中高电压单体电池的多余电量通过电阻释放掉。具体过程:STM32F103RET6通过分析LTC6803采集的电压得到高电压单体电池电量, 然后发送CFG (Configuration Register Group) 指令控制LTC6803的S1—S8输出电平来控制MOSFET开关, 通过电阻实现电压均衡。
3.2 单体电池温度、电流检测
单体电池温度检测采用一线总线方式传输的DS18B20温度传感器实现, 如图3所示, 最大程度地简化了布线, 最大误差为0.5℃, 符合煤矿安全相关标准要求。开发程序运用基于二叉树的搜索算法, 首先查找每个DS18B20的64位序列号, 然后对其对应的每个单体电池进行软件编号[8]。
电流检测采用单电源供电的电流霍尔传感器实现。由于启动电流太大, 而充电电流相对较小, 系统选用2个不同量程的单电源电流霍尔传感器HFK400BS5和HFK25BS5。电流霍尔传感器的输出信号通过运放调整电路分别连接STM32F103RET6的2路AD通道进行采样, 如图3所示。
3.3 电池组SOC估算
系统的电池组长期处于浮充状态, 因此对于电池组的瞬态特性, 只考虑欧姆内阻对电池组的影响, 得到电池组开路电压和工作电压的关系式:
式中:Uoc为电池组开路电压;U为电池组工作电压;I为电池组工作电流;r0为电池组欧姆内阻。
选定实际工况对电池进行充放电, 得到特定的充放电曲线。电池组的内阻已知, 工作电压和工作电流可直接测得, 根据式 (1) 可得电池组的开路电压, 然后根据开路电压法得到电池组的SOC。在实际工程应用中, 该方法简单可靠。
4 系统测试
电池组单体电池电压实际值、测量值及误差见表2, 误差远小于煤矿安全标准中的规定值。
电池组电流实际值、测量值及误差见表3, 符合煤矿安全标准的规定。
5 结语
依据《矿用隔爆 (兼本安) 型锂离子蓄电池电源安全技术要求 (试行) 》的规定, 设计了多个单体锂离子蓄电池串联成组的矿用锂离子蓄电池启动电源系统, 通过调节电池组的数量可适用于不同的柴油机车。该系统结构简单可靠, 电池检测数据符合煤矿安全标准相关要求。
摘要：针对GB 3836.2—2010规定隔爆壳内不能使用有可燃混合物析出的蓄电池的要求, 将多个单体锂离子蓄电池串联成组, 设计了一套矿用防爆柴油机车锂离子蓄电池启动电源系统;分析了系统的设计要求和结构, 详细介绍了系统中电池管理功能的实现。电池管理系统采用LTC6803配合单片机实现对电池组的单体电池电压检测和均衡控制, 利用DS18B20温度传感器采集单体电池温度, 运用双电流霍尔传感器采集电池组启动电流和充电电流。测试结果表明, 该系统运行稳定, 电压和电流测量误差远小于煤矿安全标准的规定值。
关键词：防爆柴油机车,锂离子蓄电池,启动电源,电池管理
参考文献
[1]张立斌, 汪学明, 程刘胜.一种新型矿用柴油机车保护装置的设计[J].工矿自动化, 2011, 37 (4) :11-13.
[2]汪学明.一种新型矿用防爆柴油机车显示器的设计[J].工矿自动化, 2011, 37 (10) :19-21.
[3]周旭.一种新型防爆柴油机车安全保护系统设计[J].工矿自动化, 2013, 39 (2) :9-11.
[4]陈亚, 汪丛笑, 周旭, 等.防爆柴油机车状态监测平台可靠性研究[J].工矿自动化, 2011, 37 (4) :51-53.
[5]周旭, 晏伟光, 孙勇, 等.CAN总线在矿用柴油机车安全保护系统中应用的必要性和可行性分析[J].工矿自动化, 2011, 37 (1) :59-61.
[6]袁晓明.煤矿车辆用蓄电池技术[J].工矿自动化, 2011, 37 (6) :26-28.
[7]CHATURVEDI N A, KLEIN R, CHRISTENSEN J, et al.Algorithms for advanced battery-management systems[J].IEEE Control Systems Magazine, 2010, 30 (3) :49-68.