CN101873072B - 一种矿用三相数字化电源装置 - Google Patents

Abstract

一种矿用三相数字化电源装置是输入切换单元直接和矿井电网相连接，其输出接输入变压器原边；输入变压器副边经输入电抗器接入AC/DC单元，AC/DC单元输出接DC/AC单元输入；DC/AC单元经输出滤波器接至输出变压器原边，输出变压器副边直接和负载相连；旁路供电单元输入接输入变压器副边，输出接输出变压器原边；保护单元通过采集输入电压、输入零序电流和输出电流来判断装置是否运行正常；显示单元通过通讯总线与AC/DC单元和DC/AC单元相连接；隔爆外壳将整个装置电气部分封装在其腔体内。本发明装置调节速度快，调节精度高，输入功率因数高，谐波污染小，提高了煤矿井下重要电控设备的供电质量。

Description

一种矿用三相数字化电源装置

技术领域

本发明涉及一种矿用三相数字化电源装置，特别是一种适用于煤矿井下电网电压大范围波动的稳定性较高的交流电源装置。

技术背景

煤矿井下胶带输送机控制系统、安全生产监测监控系统、采煤机监控系统及支架电液控制系统等设备对供电质量的要求较高。而井下电网负荷变化剧烈，使三相供电电压波动大；同时，矿用电力电子装置的大量使用，导致电网谐波含量增大，供电质量下降。以上两种原因经常使上述设备控制系统不能正常工作，甚至损坏。

目前，应用成熟的稳压电源装置采用由反伺服电机调节自耦变压器组成的电路进行调压或通过调整可控硅的导通角的方式调压。伺服电机和传动系统的机械惯性使反伺服电机调节自耦变压器型稳压电源的电压调节速度较慢，调节精度较低，而且有机械接触，使用寿命短。调整可控硅的导通角的方法虽能实现稳压，但使输入输出电压电流波形严重畸变，对交流输入侧电网造成极大的谐波污染，使功率因数降低，供电质量下降。专利号为200620025335.X，名称为“高压数字式全自动交流稳压电源”，虽然自述为数字式自动交流稳压电源，在控制系统中加入了单片机、PLC、工业控制计算机，但是其控制方式还是电动伺服调压器。以上调压方式都存在着调节速度慢，调节精度低，有机械接触，使用寿命短，谐波污染严重，功率因数低等缺陷，很难适应煤矿井下负荷变化剧烈的工作环境。在煤矿井下投入使用时，一旦出现短路、漏电，所产生的电火花会引起瓦斯、煤尘爆炸等事故。经查新本发明提出的一种矿用三相数字化电源装置未见有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿用三相数字化电源装置，用于解决现有煤矿井下交流稳压电源存在的调节速度慢，调节精度低，有机械接触，使用寿命短，功率因数低和谐波污染严重等问题，提高煤矿井下重要电控设备的供电质量，使其运行更加安全可靠。

本发明基于上述问题和目的，所采取的技术方案包括：输入切换单元，输入变压器，输入电抗器，AC/DC单元，DC/AC单元，输出滤波器，输出变压器，旁路供电单元，保护单元，显示单元和隔爆外壳。

输入切换单元直接和矿井电网相连接，其输出接输入变压器原边；输入变压器副边经输入电抗器接入AC/DC单元，AC/DC单元输出接DC/AC单元输入；DC/AC单元经输出滤波器接至输出变压器原边，输出变压器副边直接和负载相连；旁路供电单元输入接输入变压器副边，输出接输出变压器原边；保护单元通过采集输入电压、输入零序电流和输出电流来判断装置运行正常；显示单元通过RS-485通讯与AC/DC单元和DC/AC单元相连接；隔爆外壳将整个装置电气部分封装在其腔体内。

所述的输入切换单元是输入接矿井交流电网，输出接输入变压器原边，由一组互相闭锁的真空接触器构成的电路切换单元；

所述的输入变压器是其原边接输入切换单元的输出，副边经输入接触器接输入电抗器的三相树脂浇注型端封干式变压器，原副边采用Yy0联结型式；

所述的输入电抗器是串联在输入接触器和AC/DC单元之间的环氧浇注型三相干式铁芯电抗器；

所述的AC/DC单元是其输入接输入电抗器输出端，输出接DC/AC单元输入端，它是由全控型功率开关器件IGBT构成主电路且以数字化CPU为控制系统核心的风冷式交流直流变换器；

所述的DC/AC单元是其输入接前级AC/DC单元的输出端，其输出端接输出滤波器输入端，它是由全控型功率开关器件IGBT构成主电路且以数字化CPU为控制系统核心的风冷式直流交流变换器；

所述的输出滤波器是串联在DC/AC单元和输出接触器之间，由环氧浇注型三相干式铁芯电抗器和CBB系列交流电容器串联构成的LC滤波器；

所述的输出变压器是原边接输出接触器输出，副边接负载的三相树脂浇注型端封干式变压器，其原副边采用Yy0联结型式；

所述的旁路供电单元是输入侧接输入变压器副边，输出侧接输出变压器原边，由三相真空接触器构成的辅助供电单元；

所述的保护单元是由电压、电流采集电路，CPU控制电路，开关量输入电路，继电器输出电路构成的装置保护子单元；

所述的显示单元是由液晶屏，CPU控制系统，通讯总线或者是RS-485通讯接口构成的装置电气参数显示子单元；

所述的隔爆外壳是由具有隔爆性能和耐爆能力用钢板按防爆设计要求制成的外壳，包括主腔体、进线腔和出线腔。隔爆方式为平面止口隔爆方式。

本发明采用模块化的系统结构，将输入切换单元，输入变压器，输入电抗器，AC/DC单元，DC/AC单元，输出滤波器，输出变压器，旁路供电单元，保护单元，显示单元，隔爆外壳组成一个有机整体。本发明实施上述一种矿用三相数字化电源装置的技术方案所具有的优点和积极效果在于：输入切换单元接矿井双回交流电网并自动切除故障供电线路，提高了装置交流输入的可靠性；AC/DC单元采用先进的数字化控制实现了装置输入侧电压电流基本同相位，且电压、电流波形均为正弦，减小了对电网的谐波污染和无功损耗，有效提高了电能利用率；DC/AC单元采用先进的数字化控制实现了高稳定度三相交流电压输出，调节速度快，调节精度高，可以满足煤矿井下重要负荷高质量供电的要求，而且不需要频繁的机械接触，有效提高了装置的使用寿命；保护单元具有短路，过载，过压，欠压，漏电等故障保护功能，有效提高了装置的工作可靠性；显示单元可以显示装置三相输入输出电压、电流、功率、功率因数以及AC/DC单元直流母线电压值，使煤矿井下工作人员及时了解装置的运行信息；预留的远程通讯接口，可实现远程监控；专用于煤矿井下装置的隔爆外壳，可以将电火花能量与外界隔离开，并将其限制在隔爆外壳内，保证了煤矿井下的生产安全。

附图说明

图1是本发明装置组成结构图

图2是本发明输入切换单元工作原理图

图3是本发明AC/DC单元工作原理图

图4是本发明DC/AC单元工作原理图

图5是本发明交流电压采样电路图

图6是本发明直流电压采样电路图

图7是本发明RS-485通讯硬件电路图

图8是本发明IGBT驱动电路图

具体实施方式

下面结合附图用实施例进一步详细描述本发明的一种矿用三相数字化电源装置，本专业的普通技术人员在阅读了本实施例后，能够理解和实施本发明，同样，本具体实施例也能够带来如上述的优点和积极效果，实现本发明所述目标。

矿用三相数字化电源装置是集输入切换单元，输入变压器，输入电抗器，AC/DC单元，DC/AC单元，输出滤波器，输出变压器，旁路供电单元，保护单元，显示单元及隔爆外壳为一体的煤矿专用电源装置。所述的输入切换单元用于整个装置外部输入交流信号其中一回线路出现故障时，自动将故障输入线路切除，同时将非故障运行线路接至装置输入；所述的输入变压器用于将输入电压切换单元输出的高压电能转换为低压电能，同时与AC/DC单元隔离；所述的输入电抗器用于AC/DC单元升压时储能及滤除AC/DC单元运行时引起的高次谐波；所述的AC/DC单元用于将输入变压器副边输出的交流电压整流为直流电压；所述的DC/AC单元用于将AC/DC单元输出的直流电压逆变为PWM波；所述的输出滤波器用于将DC/AC单元输出的PWM波进行低频滤波；所述的输出变压器用于将输出滤波器输出的电压进行隔离后供给负载使用；所述的保护单元用于保护装置在出现短路，过压，欠压，过载，漏电故障时不损坏装置自身的硬件电路；所述的显示单元用于显示装置的电气运行参数，包括输入输出三相电压、电流，输入输出功率、功率因数，AC/DC单元输出直流母线电压；所述的隔爆外壳用于将电火花能量与外界隔离开，并将其限制在隔爆外壳内。

如图1所示为本发明装置组成结构图。AC-1和AC-2分别为整个系统的两回交流进线，分别接入系统的输入切换单元；输入切换单元选择其中一回线路接至输入变压器；输入变压器对三相电压隔离降压后接至输入接触器的输入端；输入接触器的输出端经输入电抗器接至AC/DC单元；AC/DC单元将三相交流电压整流为直流电压，然后接至DC/AC单元；DC/AC单元将直流电压逆变为PWM波，然后接至输出滤波器；输出滤波器对PWM波进行低通滤波，将PWM波中的高次谐波分量滤除，保留其中的工频正弦分量，然后经输出接触器接至输出变压器；输出变压器将前端电路与负载隔离，其副边接负载。图1中的旁路切换单元输入接至输入变压器副边，输出接至输出变压器原边，当在输入变压器输出到输出变压器输入中间任何一个环节出现故障时，系统自动将输出切换至旁路供电单元，保证负载连续工作。图1中的保护单元通过采集三相输入电压、输入零序电流及输出电流信号判断整个系统是否运行正常，如有异常立即切断装置输出。显示系统通过和AC/DC单元的CPU及DC/AC单元的CPU进行通讯将整个装置的电气运行参数显示在液晶屏上；显示系统还预留有和整个矿井远程控制中心通讯的串口，方便矿井远程监控装置的运行状态。

如图2所示为本发明输入切换单元工作原理图。AC-1接至矿井电网一回线路，AC-2接至矿井另一回线路。AC-1通过三相真空接触器KM4接至输入变压器，AC-2通过三相真空接触器KM5接至输入变压器。KM4和KM5为带有机械和电气闭锁的一组互锁式真空接触器，即KM4吸合时，KM5断开；KM4断开时，KM5吸合。这种闭锁结构可以保证任意时刻只有一回电源线路接进输入变压器原边。

如图3所示为本发明AC/DC单元工作原理图。其中的AC输入为图2中的输入切换单元输出，经过输入变压器T1隔离降压后接至输入电抗器L1输入端，输入电抗器L1输出端接至图中虚线框内AC/DC主电路。图3中下半部分为AC/DC单元的控制电路，控制器通过采集变压器T1原边三相交流电压信号、变压器T1副边三相交流电流信号及AC/DC单元输出直流母线电压信号，经过运算后输出6路驱动信号，再经过IGBT驱动电路隔离放大，接至功率开关器件IGBT即V1～V6。

如图4所示为本发明DC/AC单元工作原理图。其输入DC+和DC-接图3中AC/DC单元直流输出DC+和DC-；虚线框内为DC/AC逆变单元的主电路，DC/AC逆变单元的输出接至由电抗器L2和电容C组成的低通LC滤波器，经过滤波后再接至输出变压器T2；输出变压器T2将前端电路与负载隔离，其副边接至负载。图4下半部分为DC/AC逆变单元的控制电路，控制器采集变压器T2副边三相电压信号和变压器原边三相电流信号，对信号运算后，输出6路IGBT驱动信号；IGBT驱动信号再经过IGBT驱动电路隔离放大后，驱动虚线框内的功率开关器件IGBT即V7～V12。

如图5所示为本发明交流电压采样电路图。PT1为电流型电压互感器，其输入端UA接至图3中变压器原边A相，UN接至图3中变压器原边中线N；电阻RA2和RA3为限流电阻，R5为互感器副边取样电阻，R7和R44共同确定电路的放大倍数，电容C1～C6起抗干扰、滤波作用；电路输出PA接至图2中的控制器。装置中共用到9路交流电压信号，包括图3中3路输入电压信号，图4中3路输出电压信号，图1中保护系统3路交流输入电压信号；10路交流电流信号，包括图3中3路输入电流信号，图4中3路输出电流信号，图1中3路逆变器交流输出电流信号，图1中1路零序电流信号；其中交流电流采样电路和电压采样电路基本一致，附图中不再给出。

如图6所示为本发明直流电压采样电路图。应用于图3中AC/DC单元直流电压采集。HR_TRANS为霍尔电流型直流电压传感器，R4和R19为限流电阻，R32为直流电压传感器副边取样电阻，运放U1C接为电压跟随器形式。其中DC+接至图3中AC/DC单元的直流输出母线DC+；DC-接至AC/DC单元的直流输出母线DC-。

如图7所示为本发明R8-485通讯硬件电路图。用于图1所示装置中显示系统和AC/DC单元及DC/AC单元之间通讯，以及预留给远程通讯的接口。其中TXD0和RXD0连接至CPU的串口配置引脚，485-A和485-B连接至另一台通讯设备。在发送模式下，CPU发出的电平信号经TXD0引脚和高速光耦OP3隔离，传输给RS-485通讯芯片UP5，再经差分输出端485-A和485-B传输给另外一台设备；在接收模式下，UP5两端的差分信号485-A和485-B经UP5转换为电平信号后，通过高速光耦OP2传输给CPU的串口接收引脚RXD0。

如图8所示为本发明的AC/DC单元A相上管V1驱动电路图。它将CPU发出的控制信号通过隔离、功率放大传输给功率开关器件IGBT。本设计中共用到了12路IGBT驱动电路，其中图3中AC/DC单元6路，图4中DC/AC单元6路。图8中DC+接图3中的正母线DC+；VG1接图3中V1的栅极；UA接图3中A相桥臂中点Uia；PWM1端接收图3中控制器输出的控制信号。其余11路IGBT驱动电路和图8所示电路结构原理相同。

对所述的四个控制器，AC/DC单元CPU，DC/AC单元CPU，显示单元CPU，保护单元CPU分别固化了相应的程序，包括系统初始化，A/D转换程序，数据处理程序，PWM整流控制算法程序，PWM逆变控制算法程序，通讯程序，保护算法程序，液晶显示程序。

Claims (11)

1.一种矿用三相数字化电源装置，包括输入切换单元、输入变压器、输入电抗器、AC/DC单元、DC/AC单元、输出滤波器、输出接触器、输出变压器、旁路供电单元、保护单元、显示单元和隔爆外壳，其特征在于所述的输入切换单元直接和矿井电网相连接，其输出接输入变压器原边；输入变压器副边经输入电抗器接入AC/DC单元，AC/DC单元输出接DC/AC单元输入；DC/AC单元经输出滤波器接至输出变压器原边，输出变压器副边直接和负载相连；旁路供电单元输入接输入变压器副边，输出接输出变压器原边；保护单元通过采集输入变压器的输入电压、AC/DC单元的输入零序电流和DC/AC单元的输出电流来判断矿用三相数字化电源装置是否运行正常；显示单元通过RS-485接口与AC/DC单元和DC/AC单元相连接；隔爆外壳将整个矿用三相数字化电源装置电气部分封装在其腔体内。

2.如权利要求1所述的矿用三相数字化电源装置，其特征在于输入切换单元是由一组互相闭锁的真空接触器构成的电路切换单元。

3.如权利要求1所述的矿用三相数字化电源装置，其特征在于输入变压器是三相树脂浇注型端封干式变压器，原副边采用Yy0联结型式。

4.如权利要求1所述的矿用三相数字化电源装置，其特征在于输入电抗器是环氧浇注型三相干式铁芯电抗器。

5.如权利要求1所述的矿用三相数字化电源装置，其特征在于AC/DC单元是由全控型功率开关器件IGBT构成主电路且以数字化CPU为控制系统核心的风冷式交流直流变换器。

6.如权利要求1所述的矿用三相数字化电源装置，其特征在于DC/AC单元是由全控型功率开关器件IGBT构成主电路且以数字化CPU为控制系统核心的风冷式直流交流变换器。

7.如权利要求1所述的矿用三相数字化电源装置，其特征在于输出滤波器是环氧浇注型三相干式铁芯电抗器和交流电容器串联构成的LC滤波器。

8.如权利要求1所述的矿用三相数字化电源装置，其特征在于输出变压器是原边接输出接触器输出，副边接负载的三相树脂浇注型端封干式变压器，其原副边采用Yy0联结型式。

9.如权利要求1所述的矿用三相数字化电源装置，其特征在于旁路供电单元是三相真空接触器构成的辅助供电单元。

10.如权利要求1所述的矿用三相数字化电源装置，其特征在于显示单元是由液晶屏，CPU控制系统，RS-485通讯接口构成的矿用三相数字化电源装置的电气参数显示子单元。

11.如权利要求1所述的矿用三相数字化电源装置，其特征在于隔爆外壳是由具有隔爆性能和耐爆能力用钢板按防爆设计要求制成的外壳，包括主腔体、进线腔和出线腔，隔爆方式为平面止口隔爆方式。

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