CN103872925A - 一种矿用隔爆型单相稳压变压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用隔爆型单相稳压变压装置，包括隔爆外壳，隔爆外壳内设有电压输入端、整流电路、直流母线电容、逆变电路、滤波器、补偿变压器、电压输出端及控制器，所述控制器包括操作面板、微控制单元、电压检测电路及驱动电路；相应地，本发明还提供了一种矿用隔爆型单相稳压变压方法。本发明可以精确地实现电压的稳压。

Description

一种矿用隔爆型单相稳压变压装置及方法

技术领域

本发明涉及一种稳压变压装置及方法，具体涉及一种矿用隔爆型单相稳压变压装置及方法。

背景技术

矿井供电系统普遍存在欠压、过压、电压幅值瞬时跌落、尖峰干扰等电能质量问题，严重影响用电设备的工作性能。机械式补偿稳压器具有较好的稳压精度，但由于使用机械结构调整调压器的触头，响应慢，可靠性差，寿命短，维护工作量大，更换碳刷需要将稳压器和负载断电。无触点式补偿稳压器使用半导体开关作为调压器抽头的切换方式，响应速度大大提高，但由于抽头位置固定，补偿电压只能分级调整，降低了稳压器的输出精度。

专利号为“CN102957150A”的中国专利公开了“一种单相交流补偿式稳压器”，涉及一种单相交流补偿式稳压器，通过在补偿变压器和负载之间的相线上串联叠加补偿变压器，通过叠加补偿电压来完成小范围的电压调整，可以大幅度减少碳刷的磨损，甚至减少一半以上的碳刷移动次数。专利号为“CN103064454A”的中国专利公开了“一种单相精密交流稳压器”，涉及一种单相精密交流稳压器，在补偿变压器和负载之间的相线上串联叠加补偿变压器，其中叠加补偿变压器的励磁线圈具有多个抽头，小范围的精密电压调整主要依靠叠加补偿变压器进行，可以提高输出电压的精度。以上两个专利针对机械式补偿稳压器碳刷易磨损、稳压精度不高的缺陷分别给出改进方案，但是不能从根本上解决问题。

专利号为“CN201266329Y”的中国实用新型专利公开了“补偿式交流稳压器”，涉及一种补偿式交流稳压器，根据输出电压的变化，由电压检测单元采样，检测并输出信号，再由通断控制单元根据电压检测信号分别控制可控硅的通断，从而达到根据外界电压的变化量自动调整补偿电压量，达到稳定输出电压的目的。该专利通过可控开关器件控制调压器抽头的通断，提高了调压器的响应速度，但是仍然存在补偿电压只能分级调节，输出电压稳压精度不高，两只可控硅之间可能瞬间短路等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种矿用隔爆型单相稳压变压装置及方法，通过方法可以精确的实现电压的稳压。

为达到上述目的，本发明所述的矿用隔爆型单相稳压变压装置包括隔爆外壳，隔爆外壳内设有电压输入端、整流电路、直流母线电容、逆变电路、滤波器、补偿变压器、电压输出端及控制器，整流电路的输入端与电压输入端相连接，整流电路的输出端与逆变电路的输入端相连接，逆变电路的输出端与滤波器的输入端相连接，滤波器的输出端与补偿变压器内的初级绕组相连接，补偿变压器内次级绕组的一端与电压输入端的相线相连接，另一端与电压输出端的相线相连接，电压输出端的中性线与电压输入端的中性线相连接，直流母线电容与整流电路的输出端并联连接；

所述控制器包括操作面板、微控制单元、电压检测电路及驱动电路，电压检测电路上的第一输入端与电压输入端相连接，电压检测电路上的第二输入端与电压输出端相连接，电压检测电路上的第一电压输出端及第二电压输出端与微控制单元的输入端相连接，微控制单元的输出端与驱动电路的输入端相连接，驱动电路上的第一输出端与逆变电路的控制端相连接，操作面板与微控制单元相连接。

所述电压检测电路包括电压相位检测电路及电压幅值检测电路，所述电压相位检测电路的输入端与电压输入端相连接，电压幅值检测电路的输入端与电压输出端及电压输入端相连接。

还包括制动电路，制动电路的输入端及输出端分别与整流电路的输出端及逆变电路的输入端相连接，电压检测电路上的第三输入端与直流母线电容相连接，电压检测电路上的第三电压输出端与微控制单元的输入端相连接，驱动电路上的第二输出端与制动电路的控制端相连接。

还包括电流检测电路以及用于检测逆变电路中功率模块温度的温度检测电路，电流检测电路的输入端与电压输出端相连接，电流检测电路的输出端及温度检测电路的输出端均与微控制单元的输入端相连接。

所述操作面板与微控制单元通过CAN总线或SCI总线相连接。

所述滤波器由电感与电容并联组成，电感为高频滤波电感，电容为无极性电容，滤波器的截止频率为300Hz。

隔爆外壳由钢板焊接而成。

相应地，本发明还提供了一种矿用隔爆型单相稳压变压方法，包括以下步骤：

1)输入交流电压经电压输入端输入到整流电路中，整流电路对所述输入交流电压进行整流，使输入交流电压转换为直流电压，所述直流电压经直流母线电容滤除脉动分量后输入到逆变电路中，逆变电路根据SPWM调制控制方法将直流电压转换为高频的PWM电压，滤波器滤除所述高频的PWM电压中的高频分量，使高频的PWM电压转换为工频正弦电压，然后将所述工频正弦电压输入到补偿变压器的初级绕组中，补偿变压器的初级绕组接收所述工频正弦电压，并在补偿变压器的次级绕组中产生补偿电压，所述补偿电压与电压输入端的输入交流电压叠加后经电压输出端输出；

2)电压检测电路检测电压输入端上输入交流电压的第一电压信息以及电压输出端上输出电压的第二电压信息，然后将所述第一电压信息及第二电压信息输入到微控制单元中，微控制单元根据所述第一电压信息判断输入交流电压的电压值是否小于预设最小额定电压值以及是否大于预设最大额定电压值，当输入交流电压的电压值小于所述预设最小额定电压值时，则产生第一PWM波，并将所述第一PWM波输入到驱动电路内，驱动电路对所述第一PWM波进行光电隔离及幅值放大，并根据放大后的第一PWM波控制逆变电路使补偿电压的相位与电压输入端中相线上电压的相位相一致，当输入交流电压的电压值大于所述预设最大额定电压值时，则产生第二PWM波，并将所述第二PWM波输入驱动电路内，驱动电路对第二PWM波进行光电隔离及幅值放大，并根据放大后的第二PWM波控制逆变电路使补偿电压的相位与电压输入端中相线上电压的相位相差180°；同时微控制单元根据所述第二电压信息获取电压输出端当前输出的电压幅值与预设电压幅值的差值，并根据所述差值产生控制信号，然后将所述控制信号输入到驱动电路中，驱动电路根据所述控制信号调整逆变电路的输出电压使补偿变压器输出电压的幅值与电压输入端上输入交流电压的幅值叠加后等于微控制单元内预设的电压幅值。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的矿用隔爆型单相稳压变压装置及方法在稳压的过程中，先通过整流电路将输入交流电压转换为直流电压，直流电压经直流母线电容滤除脉动分量后，再经逆变电路转换为高频的PWM电压，高频的PWM电压经滤波器滤波后输入到补偿变压器的初级绕组内，使补偿变压器的次级绕组产生补偿电压，补偿电压与输入交流电压叠加后输出，在对逆变电路进行控制的过程中，通过电压检测电路检测电压输入端上输入交流电压的第一电压信息及电压输出端上的第二电压信息，微控制单元根据所述第一电压信息及第二电压信息通过驱动电路来实现对逆变电路的控制，从而实现对输入交流电压的稳压，响应速度快，稳压精度高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为整流电路、2为制动电路、3为逆变电路、4为滤波器、5为补偿变压器、6为电压检测电路、7为驱动电路、8为微控制单元、9为操作面板、10为温度检测电路、11为电流检测电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的矿用隔爆型单相稳压变压装置包括隔爆外壳，隔爆外壳内设有电压输入端、整流电路1、直流母线电容、逆变电路3、滤波器4、补偿变压器5、电压输出端及控制器，整流电路1的输入端与电压输入端相连接，整流电路1的输出端与逆变电路3的输入端相连接，逆变电路3的输出端与滤波器4的输入端相连接，滤波器4的输出端与补偿变压器5内的初级绕组相连接，补偿变压器5内次级绕组的一端与电压输入端的相线相连接，另一端与电压输出端的相线相连接，电压输出端的中性线与电压输入端的中性线相连接，直流母线电容与整流电路1的输出端并联连接；

所述控制器包括操作面板9、微控制单元8、电压检测电路6及驱动电路7，电压检测电路6上的第一输入端与电压输入端相连接，电压检测电路6上的第二输入端与电压输出端相连接，电压检测电路6上的第一电压输出端及第二电压输出端与微控制单元8的输入端相连接，微控制单元8的输出端与驱动电路7的输入端相连接，驱动电路7上的第一输出端与逆变电路3的控制端相连接，操作面板9与微控制单元8相连接，电压检测电路6包括电压相位检测电路及电压幅值检测电路，所述电压相位检测电路的输入端与电压输入端相连接，电压幅值检测电路的输入端与电压输出端及电压输入端相连接。另外，本发明还包括制动电路2、电流检测电路11以及用于检测逆变电路3中功率模块温度的温度检测电路10，制动电路2的输入端及输出端分别与整流电路1的输出端及逆变电路3的输入端相连接，电压检测电路6上的第三输入端与直流母线电容相连接，电压检测电路6上的第三电压输出端与微控制单元8的输入端相连接，驱动电路7上的第二输出端与制动电路2的控制端相连接，电流检测电路11的输入端与电压输出端相连接，电流检测电路11的输出端及温度检测电路10的输出端均与微控制单元8的输入端相连接。

需要说明的是，操作面板9与微控制单元8通过CAN总线或SC工总线相连接，所述滤波器4由电感与电容并联组成，电感为高频滤波电感，电容为无极性电容，滤波器4的截止频率为300Hz，隔爆外壳由钢板焊接而成。

本发明所述的矿用隔爆型单相稳压变压方法包括以下步骤：

1)输入交流电压经电压输入端输入到整流电路1中，整流电路1对所述输入交流电压进行整流，使输入交流电压转换为直流电压，所述直流电压经直流母线电容滤除脉动分量后输入到逆变电路3中，逆变电路3根据SPWM调制控制方法将直流电压转换为高频的PWM电压，滤波器4滤除所述高频的PWM电压中的高频分量，使高频的PWM电压转换为工频正弦电压，然后将所述工频正弦电压输入到补偿变压器5的初级绕组中，补偿变压器5的初级绕组接收所述工频正弦电压，并在补偿变压器5的次级绕组中产生补偿电压，所述补偿电压与电压输入端的输入交流电压叠加后经电压输出端输出；

2)电压检测电路6检测电压输入端上输入交流电压的第一电压信息以及电压输出端上输出电压的第二电压信息，然后将所述第一电压信息及第二电压信息输入到微控制单元8中，微控制单元8根据所述第一电压信息判断输入交流电压的电压值是否小于预设最小额定电压值以及是否大于预设最大额定电压值，当输入交流电压的电压值小于所述预设最小额定电压值时，则产生第一PWM波，并将所述第一PWM波输入到驱动电路7内，驱动电路7对所述第一PWM波进行光电隔离及幅值放大，并根据放大后的第一PWM波控制逆变电路3使补偿电压的相位与电压输入端中相线上电压的相位相一致，当输入交流电压的电压值大于所述预设最大额定电压值时，则产生第二PWM波，并将所述第二PWM波输入驱动电路7内，驱动电路7对第二PWM波进行光电隔离及幅值放大，并根据放大后的第二PWM波控制逆变电路3使补偿电压的相位与电压输入端中相线上电压的相位相差180°；同时微控制单元8根据所述第二电压信息获取电压输出端当前输出的电压幅值与预设电压幅值的差值，并根据所述差值产生控制信号，然后将所述控制信号输入到驱动电路7中，驱动电路7根据所述控制信号调整逆变电路3的输出电压使补偿变压器5输出电压的幅值与电压输入端上输入交流电压的幅值叠加后等于微控制单元8内预设的电压幅值。

需要说明的是，电压检测电路6检测电压输入端中相线与中性线之间的第一电压信息、检测直流母线电容两端的电压、以及电压输出端中相线与中性线之间的第二电压信息，温度检测电路10检测逆变电路3中功率模块的温度；电流检测电路11检测电压输出端中相线上或中性线上的电流。

所述的操作面板9包括显示单元和输入设备，其中显示单元包括液晶显示屏、八段数码管和发光二极管指示灯，操作面板9的输入设备为按键，操作面板9与微控制单元8的通讯采用CAN总线或SCI总线，微控制单元8将接收的温度检测电路10检测的温度信息、电流检测电路11检测的电流信息以及电压检测电路6检测的电压信息均转发至操作面板9。

所述的滤波器4为电感和电容并联的结构，其中，电感是采用高频铁芯制成的高频滤波电感，电容为无极性电容，滤波器4的截止频率设定为300Hz。

所述的隔爆外壳由钢板焊接制成，进线口和出线口均设计成喇叭形结构，操作面板9显示单元所在位置处的钢板由透明件代替，操作面板9键盘所在位置处安装按键。

电压检测电路6检测直流母线电容的电压，当用电设备为感性负载，如感应电动机，运行在能量回馈状态，直流母线电容受到负载回馈能量的充电作用，直流母线电压上升，当直流母线电压高于预设定值时，微控制单元8发出制动信号，开通制动电路2让直流母线电容放电，当直流母线电压下降到设定值时，微控制单元8封锁制动信号，关闭制动电路2，停止直流母线电容的放电。另外，当电压输入端的电压值，电压输出端的电压值、直流母线电容的电压值、电压输出端的电流值或功率模块的温度超出预设范围时，微控制单元8封锁输出的PWM波，使逆变电路3中的功率模块停止工作，同时在操作面板9上显示相应的报警标志。

Claims (8)

1.一种矿用隔爆型单相稳压变压装置，其特征在于，包括隔爆外壳，隔爆外壳内设有电压输入端、整流电路(1)、直流母线电容、逆变电路(3)、滤波器(4)、补偿变压器(5)、电压输出端及控制器，整流电路(1)的输入端与电压输入端相连接，整流电路(1)的输出端与逆变电路(3)的输入端相连接，逆变电路(3)的输出端与滤波器(4)的输入端相连接，滤波器(4)的输出端与补偿变压器(5)内的初级绕组相连接，补偿变压器(5)内次级绕组的一端与电压输入端的相线相连接，另一端与电压输出端的相线相连接，电压输出端的中性线与电压输入端的中性线相连接，直流母线电容与整流电路(1)的输出端并联连接；

所述控制器包括操作面板(9)、微控制单元(8)、电压检测电路(6)及驱动电路(7)，电压检测电路(6)上的第一输入端与电压输入端相连接，电压检测电路(6)上的第二输入端与电压输出端相连接，电压检测电路(6)上的第一电压输出端及第二电压输出端与微控制单元(8)的输入端相连接，微控制单元(8)的输出端与驱动电路(7)的输入端相连接，驱动电路(7)上的第一输出端与逆变电路(3)的控制端相连接，操作面板(9)与微控制单元(8)相连接。

2.根据权利要求1所述的矿用隔爆型单相稳压变压装置，其特征在于，所述电压检测电路(6)包括电压相位检测电路及电压幅值检测电路，所述电压相位检测电路的输入端与电压输入端相连接，电压幅值检测电路的输入端与电压输出端及电压输入端相连接。

3.根据权利要求1所述的矿用隔爆型单相稳压变压装置，其特征在于，还包括制动电路(2)，制动电路(2)的输入端及输出端分别与整流电路(1)的输出端及逆变电路(3)的输入端相连接，电压检测电路(6)上的第三输入端与直流母线电容相连接，电压检测电路(6)上的第三电压输出端与微控制单元(8)的输入端相连接，驱动电路(7)上的第二输出端与制动电路(2)的控制端相连接。

4.根据权利要求1所述的矿用隔爆型单相稳压变压装置，其特征在于，还包括电流检测电路(11)以及用于检测逆变电路(3)中功率模块温度的温度检测电路(10)，电流检测电路(11)的输入端与电压输出端相连接，电流检测电路(11)的输出端及温度检测电路(10)的输出端均与微控制单元(8)的输入端相连接。

5.根据权利要求1所述的矿用隔爆型单相稳压变压装置，其特征在于，所述操作面板(9)与微控制单元(8)通过CAN总线或SCI总线相连接。

6.根据权利要求1所述矿用隔爆型单相稳压变压装置，其特征在于，所述滤波器(4)由电感与电容并联组成，电感为高频滤波电感，电容为无极性电容，滤波器(4)的截止频率为300Hz。

7.根据权利要求1所述的矿用隔爆型单相稳压变压装置，其特征在于，所述隔爆外壳由钢板焊接而成。

8.一种矿用隔爆型单相稳压变压方法，基于权利要求1所述的装置，包括以下步骤：

1)输入交流电压经电压输入端输入到整流电路(1)中，整流电路(1)对所述输入交流电压进行整流，使输入交流电压转换为直流电压，所述直流电压经直流母线电容滤除脉动分量后输入到逆变电路(3)中，逆变电路(3)根据SPWM调制控制方法将直流电压转换为高频的PWM电压，滤波器(4)滤除所述高频的PWM电压中的高频分量，使高频的PWM电压转换为工频正弦电压，然后将所述工频正弦电压输入到补偿变压器(5)的初级绕组中，补偿变压器(5)的初级绕组接收所述工频正弦电压，并在补偿变压器(5)的次级绕组中产生补偿电压，所述补偿电压与电压输入端的输入交流电压叠加后经电压输出端输出；

2)电压检测电路(6)检测电压输入端上输入交流电压的第一电压信息以及电压输出端上输出电压的第二电压信息，然后将所述第一电压信息及第二电压信息输入到微控制单元(8)中，微控制单元(8)根据所述第一电压信息判断输入交流电压的电压值是否小于预设最小额定电压值以及是否大于预设最大额定电压值，当输入交流电压的电压值小于所述预设最小额定电压值时，则产生第一PWM波，并将所述第一PWM波输入到驱动电路(7)内，驱动电路(7)对所述第一PWM波进行光电隔离及幅值放大，并根据放大后的第一PWM波控制逆变电路(3)使补偿电压的相位与电压输入端中相线上电压的相位相一致，当输入交流电压的电压值大于所述预设最大额定电压值时，则产生第二PWM波，并将所述第二PWM波输入驱动电路(7)内，驱动电路(7)对第二PWM波进行光电隔离及幅值放大，并根据放大后的第二PWM波控制逆变电路(3)使补偿电压的相位与电压输入端中相线上电压的相位相差180°；同时微控制单元(8)根据所述第二电压信息获取电压输出端当前输出的电压幅值与预设电压幅值的差值，并根据所述差值产生控制信号，然后将所述控制信号输入到驱动电路(7)中，驱动电路(7)根据所述控制信号调整逆变电路(3)的输出电压使补偿变压器(5)输出电压的幅值与电压输入端上输入交流电压的幅值叠加后等于微控制单元(8)内预设的电压幅值。

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