CN201181907Y

CN201181907Y - 一种煤矿用自适应电源

Info

Publication number: CN201181907Y
Application number: CNU2008200980758U
Authority: CN
Inventors: 黄强; 苏玉刚; 李祥和; 游青山; 刘亚辉; 林引; 孙跃
Original assignee: Chongqing Institute of China Coal Research Institute
Current assignee: CCTEG Chongqing Research Institute Co Ltd
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2018-04-17

Abstract

一种煤矿用自适应电源，包括晶闸管主电路、单片机辅助控制电路，其中：晶闸管主电路的输入端连接矿井电源，输出端连接外部开关电源，所述晶闸管主电路的控制端连接单片机辅助控制电路；其特征在于：所述晶闸管主电路由输入保护电路、自耦变压器、高压端晶闸管电路、低压端晶闸管电路、低压端启动延时保护电路、输出保护电路构成。该实用新型解决了矿井电网等级多、供电质量恶劣、波动范围大、使用安装不便等问题，采用单片机自动识别电网电压范围，自动适应全矿井的电网电压，同时消除因人为因素导致的安全隐患问题，更重要的是它能很好的改善发热大而带来的稳定和寿命问题，可广泛应用于煤矿安全供电设备中，具有良好的应用前景。

Description

一种煤矿用自适应电源

技术领域

本实用新型涉及电源电路，具体涉及一种煤矿用自适应电源。

背景技术

煤矿的电源供电复杂，包括127V、220V、380V、660V等多个不同的电源等级，原有的一种矿井监控系统宽电源输入解决方式如图1所示。变压器B1原边设计了多组抽头，PAC1和PAC2是输入矿井的两相电源，可能的电源等级为127V、220V、380V、660V等。变压器B1原边对应分出127V、220V、380V、660V等几个等级，每个等级对应一个绕组的抽头，接插部件I、II、III、IV为矿井电源与变压器的接插部件；在变压器的副边引出两组抽头，一组输出27V供给充电板给电池充电，另一组输出24V供给24V电源板给负载提供电源。F1、F2、F3、F3、F4为保险丝。原有解决方式的缺点如下：

1、使用不便。特别是当在矿井底下因需要而移动电源箱体至不同电压等级地点时，必须带到安全地点打开箱体更换抽头接插件才可以正常使用。

2、安全隐患。原电源使用时需配合合适的电源接插件，如果所接电压等级与实际使用的不一致，这样将会烧毁电源系统，其后果非常严重。

3、电压波动。由于很大部分煤矿井下电网供电质量恶劣，我们以前设计的电源都是每个等级上下波动25％的范围，但偶尔还是不能满足使用需要。以至于设计的变压器要求成本和体积更大，后面的电源和充电板的输入范围也很宽，导致电路设计难度很大。

4、发热问题。为了适应矿井下特殊的防爆防水要求，要求把电源系统放在密封的本安箱体内，目前使用的变压器发热量大，而电源板也发热，其只能靠箱体散热而导致环境温度很高，特别对备用铅酸电池的寿命影响相当大，也对系统的长期运行提出了很高的要求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种可靠性高、效率高、能自动适应矿井下多个电压等级的煤矿用自适应电源。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是，提供一种煤矿用自适应电源，包括晶闸管主电路、单片机辅助控制电路，所述晶闸管主电路的输入端连接矿井电源，输出端连接外部开关电源，所述晶闸管主电路的控制端连接单片机辅助控制电路；

其中：所述晶闸管主电路由输入保护电路、自耦变压器、高压端晶闸管电路、低压端晶闸管电路、低压端启动延时保护电路、输出保护电路构成，

所述输入保护电路的输入端连接矿井电源，输入保护电路的输出端连接自耦变压器的输入端和低压端晶闸管电路的输入端；

所述自耦变压器的输入端连接输入保护电路的输出端，自耦变压器输出端同时连接高压端晶闸管电路的输入端和单片机辅助控制电路；

所述高压端晶闸管电路的输入端连接自耦变压器输出端，高压端晶闸管电路的输出端连接输出保护电路的输入端，高压端晶闸管电路的控制端连接单片机辅助控制电路的输出端；

所述低压端晶闸管电路的输入端连接输入保护电路的输出端，低压端晶闸管电路的输出端连接低压端启动延时保护电路的输入端，低压端晶闸管电路的控制端连接单片机辅助控制电路的输出端；

所述低压端启动延时保护电路的输入端连接低压端晶闸管电路的输出端，低压端启动延时保护电路的输出端连接输出保护电路的输入端，低压端启动延时保护电路的控制端连接单片机辅助控制电路；

所述输出保护电路的输入端同时连接低压端启动延时保护电路的输出端和高压端晶闸管电路的输出端，输出保护电路的输出端连接外部开关电源。

根据本实用新型所述的一种煤矿用自适应电源的一种优选方案，所述单片机辅助控制电路由变压器、单片机电源变换电路、信号整流采样电路、单片机电源稳压电路、单片机电路、逻辑判断及驱动电路构成，其中：

所述变压器的输入端连接自耦变压器的输出端，其输出端分别连接单片机电源变换电路的输入端和信号整流采样电路的输入端；

所述单片机电源变换电路的输入端连接变压器的第一输出端，单片机电源变换电路的控制端连接单片机电路的第一输出端，单片机电源变换电路的输出端连接单片机电源稳压电路的输入端；所述单片机电源稳压电路的输出端连接单片机电路的电源输入端；

所述信号整流采样电路的输入端连接变压器的第二输出端，信号整流采样电路的输出端分别连接单片机电路的输入端和逻辑判断及驱动电路的输入端；

所述单片机电路的第一输出端连接单片机电源变换电路的控制端；所述单片机电路的第二输出端连接逻辑判断及驱动电路的控制端；

所述逻辑判断及驱动电路的输出端分别连接低压端启动延时保护电路的控制端、高压端晶闸管电路的控制端和低压端晶闸管电路的控制端。

根据本实用新型所述的一种煤矿用自适应电源的一种优选方案，所述低压端启动延时保护电路由保护继电器K2、二极管D13、电阻R27和电容C14构成，其中二极管D13连接在保护继电器K2的线圈两端，二极管D13的阳级连接到逻辑判断及驱动电路的输出端，二极管D13的阴极连接到单片机电源稳压电路的输出端，电阻R27和电容C14串联后连接到保护继电器K2的常开触点的两端，同时，保护继电器K2的常开触点的一端连接低压端晶闸管保护电路的输出端，保护继电器K2的常开触点的另一端连接输出保护电路的输入端。

根据本实用新型所述的一种煤矿用自适应电源的一种优选方案，所述单片机电源变换电路由变压器副边、电源继电器K1、三极管Q2、晶闸管Q1、稳压管二极管D10、D11、整流桥B1、电阻R7、R25构成，所述变压器一组副边引脚通过电源继电器K1的常闭触点连接到整流桥B1的输入端，变压器的副边的另一组引脚通过电源继电器K1的常开触点连接到整流桥B1的输入端，三极管Q2的基极连接单片机电路的第一输出端，三极管Q2的集电极连接晶闸管Q1的阳极和电源继电器K1的线圈的一端，三极管Q2的发射极连接晶闸管Q1的阴极、稳压二极管D11的阳级以及整流桥B1的输出负端并接地，晶闸管Q1的控制极连接稳压管二极管D10的阳极，稳压管二极管D10的阴极通过串联连接的电阻R7、R25连接电源继电器K1的线圈的另一端，电阻R7、R25的连接节点与整流桥B1的输出正端以及稳压管二极管D11的阴极连接。

根据本实用新型所述的一种煤矿用自适应电源的一种优选方案，所述逻辑判断及驱动电路包括功率驱动芯片U6。

根据本实用新型所述的一种煤矿用自适应电源的一种优选方案，所述晶闸管主电路还包括高压端晶闸管保护电路和低压端晶闸管保护电路，所述高压端晶闸管保护电路连接在高压端晶闸管电路的输入输出端之间，低压端晶闸管保护电路连接在低压端晶闸管电路的输入输出端之间。

本实用新型所述的一种煤矿用自适应电源有益效果是，解决了矿井电网等级多、供电质量恶劣、波动范围大、使用安装不便等问题，采用单片机自动识别电网电压范围，自动适应全矿井的电网电压，同时消除因人为因素导致的安全隐患问题，更重要的是它能很好的改善发热大而带来的稳定和寿命问题，可广泛应用于煤矿安全供电设备中，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是一种原有矿井监控系统宽电源输入解决方式的原理框图。

图2是一种新型矿井用自适应电源系统的原理框图。

图3是图2中自适应电源的主电路原理图。

图4是图2中自适应电源的控制电路原理图。

图5是图2中自适应电源的主程序框图

图6是晶闸管控制程序框图。

具体实施方式

参见图2，一种煤矿用自适应电源，由晶闸管主电路1、单片机辅助控制电路7构成，其中：晶闸管主电路1的输入端连接矿井电源，所述晶闸管主电路1的控制端连接单片机辅助控制电路7，晶闸管主电路1的输出端连接外部开关电源15，开关电源15分两路输出，一路直接经安全栅电路17输出，另一路给智能充放电管理器16供电；智能充放电管理器16作为备用电源使用，其电能在矿井电源停电时给负载供电。所述矿井电源输入85VAC～825VAC，经自适应电源变为85VAC～264VAC，之后再经过开关电源15输出稳定的24V电源。

其中，所述晶闸管主电路1由输入保护电路8、自耦变压器T1、高压端晶闸管电路12、低压端晶闸管电路11、低压端启动延时保护电路9、输出保护电路14、高压端晶闸管保护电路13和低压端晶闸管保护电路10构成，其中，所述输入保护电路8的输入端连接矿井电源，输入保护电路8的输出端连接自耦变压器T1的输入端和低压端晶闸管电路11的输入端；所述自耦变压器T1的输入端连接输入保护电路8的输出端，自耦变压器T1输出端同时连接高压端晶闸管电路12的输入端和单片机辅助控制电路7；所述高压端晶闸管电路12的输入端连接自耦变压器T1输出端，高压端晶闸管电路12的输出端连接输出保护电路14的输入端，高压端晶闸管电路12的控制端连接单片机辅助控制电路7的输出端；所述低压端晶闸管电路11的输入端连接输入保护电路8的输出端，低压端晶闸管电路11的输出端连接低压端启动延时保护电路9的输入端，低压端晶闸管电路11的控制端连接单片机辅助控制电路7的输出端；所述低压端启动延时保护电路9的输入端连接低压端晶闸管电路11的输出端，低压端启动延时保护电路9的输出端连接输出保护电路14的输入端，低压端启动延时保护电路9的控制端连接单片机辅助控制电路7；所述输出保护电路14的输入端同时连接低压端启动延时保护电路9的输出端和高压端晶闸管电路12的输出端，输出保护电路14的输出端连接外部开关电源15；所述高压端晶闸管保护电路13连接在高压端晶闸管电路12的输入输出端之间，低压端晶闸管保护电路10连接在低压端晶闸管电路11的输入输出端之间。

其中，所述单片机辅助控制电路7由变压器T2、单片机电源变换电路2、信号整流采样电路3、单片机电源稳压电路4、单片机电路5、逻辑判断及驱动电路6构成，所述变压器T2的输入端连接自耦变压器T1的输出端，其输出端分别连接单片机电源变换电路2的输入端和信号整流采样电路3的输入端；所述单片机电源变换电路2的输入端连接变压器T2的第一输出端，单片机电源变换电路2的控制端连接单片机电路5的第一输出端，单片机电源变换电路2的输出端连接单片机电源稳压电路4的输入端；所述单片机电源稳压电路4的输出端连接单片机电路5的电源输入端；所述信号整流采样电路3的输入端连接变压器T2的第二输出端，信号整流采样电路3的输出端分别连接单片机电路5的输入端和逻辑判断及驱动电路6的输入端；所述单片机电路5的输出端连接逻辑判断及驱动电路6的控制端；所述逻辑判断及驱动电路6的输出端分别连接低压端启动延时保护电路9的控制端、高压端晶闸管电路12的控制端和低压端晶闸管电路11的控制端。

参见图3，所述晶闸管主电路1由电源输入J1、自耦变压器T1、高端晶闸管TR1、低端晶闸管TR2、TR3，保护继电器K2、脉冲变压器T3～T5、压敏电阻R1、R2、电阻R3～R6、R16～R21、R27、R35、R36、R37、电容C3～C5、C16、二极管D1～D6、D13、瞬态电压抑制二极管D12、D14、保险丝FUSE1、电源输出J2构成。当电压处于高端电压265VAC～825VAC时，由自耦变压器T1经过3∶1的变比降压，再由高压端晶闸管TR1输出，而此时低压端晶闸管TR2、TR3处于关闭状态；当电压处于低端电压85VAC～264VAC时，高压端晶闸管TR1则关闭，此时由低压端的两个晶闸管TR2、TR3同时导通输出。信号SW1、SW2、SW3分别控制晶闸管TR1、TR2、TR3，脉冲变压器T3～T5及辅助电路驱动晶闸管TR1、TR2、TR3。

其中，所述低压端启动延时保护电路9由保护继电器K2、二极管D13、电阻R27和电容C14构成，其中二极管D13连接在保护继电器K2的线圈4脚、5脚两端，二极管D13的正级连接到逻辑判断及驱动电路6的输出端，二极管D13的负级连接到单片机电源稳压电路4的输出端VCC，电阻R27和电容C14串联后连接到保护继电器K2的常开触点的两端，同时，保护继电器K2的常开触点的一端连接低压端晶闸管保护电路10的输出端，保护继电器K2的常开触点的另一端连接输出保护电路14的输入端。在低压端启动延时保护电路9中特别用了保护继电器K2，是为了消除快速高压反复上电冲击造成低压晶闸管TR2、TR3误导通，开机时使保护继电器K2保持关断几秒钟再闭合导通。

输入保护电路8由保险丝FUSE1、瞬态电压抑制二极管D14、压敏电阻R1、R2、电阻R3、R4、电容C16构成，输出保护电路14由瞬态电压抑制二极管D12构成；所述高压端晶闸管保护电路13由电阻R6、电容C3构成，所述低压端晶闸管保护电路10由电阻R16～R19，电容C4、C5构成。

参见图4，所述单片机电源变换电路2由变压器T2副边、电源继电器K1、三极管Q2、晶闸管Q1、稳压管二极管D10、D11、整流桥B1、电阻R7、R25构成，所述变压器T2副边的引脚3脚、5脚通过电源继电器K1的常闭触点连接到整流桥B1的输入端，变压器T2副边的引脚4脚、5脚通过电源继电器K1的常开触点连接到整流桥B1的输入端，三极管Q2的基极连接单片机电路5的第一输出端RE2，三极管Q2的集电极连接晶闸管Q1的阳极和电源继电器K1的线圈的一端，三极管Q2的发射极连接晶闸管Q1的阴极、稳压二极管D11的阳级以及整流桥B1的输出端V-并接地，晶闸管Q1的控制极连接稳压管二极管D10的阳极，稳压管二极管D10的阴极通过串联连接的电阻R7、R25连接电源继电器K1的线圈的另一端，电阻R7、R25的连接节点与整流桥B1的输出端V+以及稳压管二极管D11的阴极连接。

其中，信号整流采样电路3由变压器T2副边的引脚3、5输出、整流桥B2、电感L2、电阻R12～R13、电容C6、C10构成，变压器T2副边的输出经过电阻R12～R13分压后进入单片机U5的A/D端口采样，同时电阻R12～R13分压后也输出给比较器U2的反向输入端。

单片机电源稳压电路4由开关稳压集成芯片U1、电阻R8、R9、R26、R13，电感L1、电容C1、C2、C8、C9，稳压二极管D7、发光二极管D8、接线端子JP1构成。其中，开关稳压集成芯片U1选用宽压输入开关电源稳压芯片MAX5035，以实现稳压输出单片机所需的5V电源。

单片机电路5由单片机U5、电阻R22～R24、R30～R34、R38，电容C11、发光二极管D9、接线端子JP2～JP6、P1构成。其中单片机U5选用uPD78F9202，P1为下载程序时所用端子。接线端子JP2～JP6为调试所用，单片机的主程序框图如图5，晶闸管导通控制程序框图如图6所示。

逻辑判断及驱动电路6由比较器U2、门电路芯片U3、U4，功率驱动芯片U6、电阻R10、R11、R15、R29、R28构成。其中，门电路芯片U4可以选用DM74LS00构成为逻辑互锁电路，比较器U2选用比较器LM311，其输出端接门电路芯片U3，门电路芯片U3可以选用54AC08FMQB，在这个逻辑判断电路中，既可实现软件判断，也可实现硬件判断。单片机U5的3脚输出PWM波控制，当电压突然变低时，软件来不及处理，则用硬件判断。为了使低压端晶闸管立即导通，通过比较器U2的输出相与，由功率驱动芯片U6反向驱动晶闸管TR2、TR2立即导通，晶闸管TR1则由软件控制关断。硬件逻辑判断电路判断后，由功率驱动芯片U6输出驱动电平信号SW1、SW2、SW3、RE1，驱动主电路中的脉冲变压器T3、T4、T5及其保护继电器K2。功率驱动芯片U6可选用uln2003。

单片机辅助控制电路7的工作原理是：变压器T2的副边分为两组输出，其中一组经过电源继电器K1输出，经过整流稳压进入开关稳压集成芯片U1，由其稳压输出5V电源给单片机U5供电；另一组输出经过电阻R12、R13、R14分压后进入单片机U5的A/D端口采样，单片机U5经过处理后输出信号给逻辑判断电路U4A、U4B、U4C、U4D判断后，由逻辑判断电路U4A、U4B、U4C、U4D输出给功率驱动芯片U6驱动脉冲变压器T3、T4、T5，再分别驱动两组晶闸管。由于输入电压范围太宽，虽经过电源变压器变压，但高压还会超过开关稳压集成芯片U1的输入范围，故采用了电源继电器K1用于降低高电压时变压器T2输出的电压值，当高压时由单片机U5发指令控制三极管Q2的基极，三极管Q2导通使电源继电器K1的常开触点吸合，使进入整流桥B1的电压值变低，从而达到降压的目的。

Claims

1、一种煤矿用自适应电源，包括晶闸管主电路(1)、单片机辅助控制电路(7)，其中：

晶闸管主电路(1)的输入端连接矿井电源，输出端连接外部开关电源(15)，所述晶闸管主电路(1)的控制端连接单片机辅助控制电路(7)；

其特征在于：所述晶闸管主电路(1)由输入保护电路(8)、自耦变压器(T1)、高压端晶闸管电路(12)、低压端晶闸管电路(11)、低压端启动延时保护电路(9)、输出保护电路(14)构成，其中

所述输入保护电路(8)的输入端连接矿井电源，输入保护电路(8)的输出端连接自耦变压器(T1)的输入端和低压端晶闸管电路(11)的输入端；

所述自耦变压器(T1)的输入端连接输入保护电路(8)的输出端，自耦变压器(T1)输出端同时连接高压端晶闸管电路(12)的输入端和单片机辅助控制电路(7)；

所述高压端晶闸管电路(12)的输入端连接自耦变压器(T1)输出端，高压端晶闸管电路(12)的输出端连接输出保护电路(14)的输入端，高压端晶闸管电路(12)的控制端连接单片机辅助控制电路(7)的输出端；

所述低压端晶闸管电路(11)的输入端连接输入保护电路(8)的输出端，低压端晶闸管电路(11)的输出端连接低压端启动延时保护电路(9)的输入端，低压端晶闸管电路(11)的控制端连接单片机辅助控制电路(7)的输出端；

所述低压端启动延时保护电路(9)的输入端连接低压端晶闸管电路(11)的输出端，低压端启动延时保护电路(9)的输出端连接输出保护电路(14)的输入端，低压端启动延时保护电路(9)的控制端连接单片机辅助控制电路(7)；

所述输出保护电路(14)的输入端同时连接低压端启动延时保护电路(9)的输出端和高压端晶闸管电路(12)的输出端，输出保护电路(14)的输出端连接外部开关电源(15)。

2、根据权利要求1所述的一种煤矿用自适应电源，其特征在于：所述单片机辅助控制电路(7)由变压器(T2)、单片机电源变换电路(2)、信号整流采样电路(3)、单片机电源稳压电路(4)、单片机电路(5)、逻辑判断及驱动电路(6)构成，其中：

所述变压器(T2)的输入端连接自耦变压器(T1)的输出端，其输出端分别连接单片机电源变换电路(2)的输入端和信号整流采样电路(3)的输入端；

所述单片机电源变换电路(2)的输入端连接变压器(T2)的第一输出端，单片机电源变换电路(2)的控制端连接单片机电路(5)的第一输出端，单片机电源变换电路(2)的输出端连接单片机电源稳压电路(4)的输入端；所述单片机电源稳压电路(4)的输出端连接单片机电路(5)的电源输入端；

所述信号整流采样电路(3)的输入端连接变压器(T2)的第二输出端，信号整流采样电路(3)的输出端分别连接单片机电路(5)的输入端和逻辑判断及驱动电路(6)的输入端；

所述单片机电路(5)的第一输出端连接单片机电源变换电路(2)的控制端；所述单片机电路(5)的第二输出端连接逻辑判断及驱动电路(6)的控制端；

所述逻辑判断及驱动电路(6)的输出端分别连接低压端启动延时保护电路(9)的控制端、高压端晶闸管电路(12)的控制端和低压端晶闸管电路(11)的控制端。

3、根据权利要求2所述的一种煤矿用自适应电源，其特征在于：所述低压端启动延时保护电路(9)由保护继电器K2、二极管D13、电阻R27和电容C14构成，其中二极管D13连接在保护继电器K2的线圈(4脚、5脚)两端，二极管D13的阳极连接到逻辑判断及驱动电路(6)的输出端，二极管D13的阴极连接到单片机电源稳压电路(4)的输出端(VCC)，电阻R27和电容C14串联后连接到保护继电器K2的常开触点的两端，同时，保护继电器K2的常开触点的一端连接低压端晶闸管保护电路(10)的输出端，保护继电器K2的常开触点的另一端连接输出保护电路(14)的输入端。

4、根据权利要求3所述的一种煤矿用自适应电源，其特征在于：所述单片机电源变换电路(2)由变压器(T2)副边(3脚、4脚、5脚)、电源继电器K1、三极管Q2、晶闸管Q1、稳压管二极管D10、D11、整流桥B1、电阻R7、R25构成，所述变压器(T2)副边的引脚(3脚、5脚)通过电源继电器K1的常闭触点连接到整流桥B1的输入端，变压器(T2)副边的引脚(4脚、5脚)通过电源继电器K1的常开触点连接到整流桥B1的输入端，三极管Q2的基极连接单片机电路(5)的第一输出端(RE2)，三极管Q2的集电极连接晶闸管Q1的阳极和电源继电器K1的线圈的一端，三极管Q2的发射极连接晶闸管Q1的阴极、稳压二极管D11的阳级以及整流桥B1的输出端(V-)并接地，晶闸管Q1的控制极连接稳压管二极管D10的阳极，稳压管二极管D10的阴极通过串联连接的电阻R7、R25连接电源继电器K1的线圈的另一端，电阻R7、R25的连接节点与整流桥B1的输出端(V+)以及稳压管二极管D11的阴极连接。

5、根据权利要求4所述的一种煤矿用自适应电源，其特征在于：所述逻辑判断及驱动电路(6)包括功率驱动芯片U6。

6、根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种煤矿用自适应电源，其特征在于：所述晶闸管主电路(1)还包括高压端晶闸管保护电路(13)和低压端晶闸管保护电路(10)，所述高压端晶闸管保护电路(13)连接在高压端晶闸管电路(12)的输入输出端之间，低压端晶闸管保护电路(10)连接在低压端晶闸管电路(11)的输入输出端之间。