CN216599412U - 一种用于碎岩装置的直流稳压电源变换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于碎岩装置的直流稳压电源变换装置，包括主回路，所述主回路包括EMI滤波模块、软启动模块、DC/AC变换模块和隔离升压整流模块；EMI滤波模块的输入端外接市电，EMI滤波模块的输出端通过整流器与软启动模块输入端连接，软启动模块的输出端通过整流器与DC/AC变换模块的输入端连接，DC/AC变换模块的输出端与隔离升压整流模块的输入端连接；EMI滤波模块用于实现输入直流电源的滤波功能；软启动模块用于实现主回路的输入软起动功能；隔离升压整流模块包括变压器T1和整流电路；本装置不仅具有较强的抗短路能力，而且具有稳压和恒流充电的功能，能够大大延长储能电容器的工作可靠性和使用寿命。

Description

一种用于碎岩装置的直流稳压电源变换装置

技术领域

本实用新型基于脉冲功率技术的碎岩技术领域，具体涉及一种用于碎岩装置的直流稳压电源变换装置。

背景技术

目前碎岩的主要方法仍然是传统的爆破法、射流法以及机械碎岩法。机械法其主要采用克服材料压应力做功实现破坏，具有高能耗、低效率、安全性差等缺点；射流法存在效率低、毁伤破坏半径及体积小、实现难度大等缺点。而高功率脉冲破碎岩技术是一种节能、高效、经济的新技术，由于矿石种类繁多，硬度也不尽相同，所以对碎岩电压、级别和单脉冲能量的要求也比较高，并且对于岩石开采比较重要的就是成本及安全性，脉冲放电碎岩相较于其他碎岩方法有明显的优势。

电源模块采用高压恒流充电技术。输出采用储能电容器方式进行储能。储能电容器工作在近似恒流充电、脉冲放电状态中。充电时间为150ms左右，放电时间小于1ms，最大放电频率为5Hz。对于容性负载，电源模块的设计必须要考虑较强的抗短路能力，同时为了提高储能电容器的工作可靠性和延长寿命方面，充电机必须具有稳压、恒流充电的功能，对于常规电源无法全面满足此项要求，因此高压直流充电机的设计具有一定的技术难度。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术上存在的问题，提供一种用于碎岩装置的直流稳压电源变换装置，本装置采用高压恒流充电技术。输出采用储能电容器方式进行储能，本装置不仅具有较强的抗短路能力，而且具有稳压和恒流充电的功能，能够大大延长储能电容器的工作可靠性和使用寿命。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种用于碎岩装置的直流稳压电源的变换装置，包括主回路，所述主回路包括EMI滤波模块、软启动模块、DC/AC变换模块和隔离升压整流模块；EMI滤波模块的输入端外接市电，EMI滤波模块的输出端通过整流器与软启动模块输入端连接，软启动模块的输出端通过整流器与DC/AC变换模块的输入端连接，DC/AC变换模块的输出端与隔离升压整流模块的输入端连接；EMI滤波模块用于实现输入直流电源的滤波功能，由两级共模滤波组成，用于滤除开关电源产生的高频噪声，同时滤除从电网侧传入开关电源的噪声；软启动模块用于实现主回路的输入软起动功能，减小后一级电路对输入电源的起动冲击DC/AC变换模块采用全桥变换电路，将直流变换为高频脉冲波以实现高频调制；隔离升压整流模块包括变压器T1和整流电路；所述变压器T1，用于实现一次侧和二次侧的高压隔离、电压升压功能；所述整流电路用于把变压器T1输出的交流脉动波形整流成直流脉动波形，对后一级的储能电容器进行充电和稳压。

进一步改进本方案，所述EMI滤波模块包括电感L21，电感L21分别设置在对应连接三相电源的输入端口VA、VB、VC和输出端口V1、V2、V3之间，电容C1的两端分别连接输入端口VA和VB，电容C2的两端分别连接输入端口VB和VC，电容C3的两端分别连接输入端口VC和VA，电容C7的两端分别连接输出端口V1和V2，电容C8的两端分别连接输出端口V2和V3，电容C9的两端分别连接输出端口V3和V1，电容C4、C5、C6的第一端对应连接输出端口V1、V2、V3，电容C4、C5、C6的第二端保护接地。

进一步改进本方案，包括辅助电源模块，所述辅助电源模块的输入端与市电连接，用于作为整机内部各主要功能单元弱电回路的供电电源；共包括有多组辅助电源输出，在各组辅助电源之间进行电气隔离。

进一步改进本方案，还包括控制回路，控制回路包括控制单元模块和通讯单元模块，其中控制单元模块包括逻辑控制单元和逆变控制单元，逻辑控制单元用于实现变换装置的内部的各类数据处理，逆变控制单元实现DC/AC变换模块的各类信号产生，通讯单元模块与控制单元模块信号连接，用于实现通讯接口的转换。

有益效果

本实用新型，通过创新，主回路电流波形采用LC谐振波形，通过合理的设计，开关管IGBT工作在ZCS软开关状态，开关管的开通和关断都在主回路电流过零时刻，从而使得开关管IGBT和输出高频整流二极管的dv/dt、di/dt减小，极大的降低开关管的电压、电流应力，使得IGBT开关损耗大大降低，提高了充电机的效率。同时极大的减小了IGBT开关过程中产生的EMI，提高了电源工作安全可靠性。由于串联谐振回路特性阻抗CL的原因，使得串联谐振变换器具有很强的抗负载短路能力，同时又具有一定精度的限流功能，具体分析如下：EMI滤波模块一方面是滤除开关电源产生的高频噪声，防止开关噪声窜入市电电网，对电网产生污染。另一方面EMI电路也可以滤除从电网侧传入的骚扰噪声，以免造成电源的不稳定工作，影响直流负载设备的性能。LC滤波能够滤除直流侧的差模电压扰动，减小直流侧电压的波动。软启动模块减小逆变桥投入时对交流输入电源的冲击。DC/AC变换模块将直流变换为高频脉冲波，实现高频调制，输出可控的交流功率，特别适用于高压、大功率的场合。隔离升压整流模块用于实现功率传输、电气隔离、电压等级变换等功能。

附图说明

为了更清楚地说明实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型电源变换装置的模块原理图；

图2为本实用新型电源变换装置的主回路的电路图；

图3为本实用新型中EMI滤波模块的电路图；

图4为本实用新型中软启动模块的电路图；

图5为本实用新型中驱动电路模块的电路图；

图6为本实用新型中辅助电源模块的电路图；

图中标记：1、EMI滤波模块，2、软启动模块，3、DC/AC变换模块，4、隔离升压整流模块，5、整流器，6、辅助电源模块，7、控制单元模块，8、驱动电路模块，9、通讯单元模块。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

如图所示：本实用新型实施例提供一种用于碎岩装置的直流稳压电源变换装置，包括主回路，所述主回路包括EMI滤波模块1、软启动模块2、DC/AC变换电路模块3、升压整流电路模块4和整流器5；其中EMI滤波模块1的输入端外接交流电源，EMI滤波模块1的输出端与软启动模块2输入端连接，软启动模块2的输出端通过整流器5与DC/AC变换电路模块3的输入端连接，DC/AC变换电路模块3的输出端与隔离升压整流模块4的输入端连接，

本方案中，EMI滤波模块1实现输入直流电源的滤波功能，采用两级共模滤波电路滤除共模干扰信号，采用两级差模滤波电容滤除高频差模干扰信号，一方面是滤除开关电源产生的高频噪声，防止开关噪声窜入市电电网，对电网产生污染。另一方面EMI滤波模块1的电路也可以滤除从电网侧传入的骚扰噪声，以免造成电源的不稳定工作，影响直流负载设备的性能。

具体地，EMI滤波模块1包括电感L21，电感L21分别设置在分别对应连接三相输入电源的输入端口VA、VB、VC和输出端口V1、V2、V3，电容C1的两端分别连接输入端口VA和VB，电容C2的两端分别连接输入端口VB和VC，电容C3的两端分别连接输入端口VC和VA，电容C7的两端分别连接输出端口V1和V2，电容C8的两端分别连接输出端口V2和V3，电容C9的两端分别连接输出端口V3和V1，电容C4、C5、C6的第一端对应连接输出端口V1、V2、V3，电容C4、C5、C6的第二端保护接地。

本方案中，软启动模块2用于实现主回路的输入软起功能，减小后一级电路对输入电源的起动冲击；在电源的EMI滤波后增加软启动模块2，即软启动电阻并联继电器，上电时，继电器处于断开状态，由软启动电阻给后一级直流电容充电，当直流电容器电压接近满电压值后，继电器闭合，短接软启动电阻，软启动过程结束。LC滤波模块采用一级LC滤波电路，用于滤除直流侧的差模电压扰动，减小直流侧电压的波动。

本方案中，DC/AC变换模块3采用全桥变换电路，该电路适用于高压、大功率的场合，用于实现高精度的高频载波调制，输出可控的交流功率。

进一步地，隔离升压整流模块4包括高频变压器T1和高频整流电路，所述变压器T1，用于高压隔离实现一次侧和二次侧的高压隔离、电压升压功能，把所述全桥变换电路产生的交流脉动电压隔离输出给后一级整流电路；所述整流电路用于把变压器T1输出的交流脉动波形整流成直流脉动波形，对后一级的储能电容器C5进行充电和稳压。

具体地，其中高频变压器T1的输入端与DC/AC变换电路模块3连接，高频变压器T1的输出端与高频整流电路连接，高频变压器T1把全桥逆变电路产生的高频交流脉动电压隔离输出给后一级高频整流电路，实现功率传输、电气隔离、电压等级变换等功能。高频变压器T1采用环形功率铁氧体作为高频变压器的磁芯，采用绝缘多股漆包线进行绕制而成，使用高压绝缘介质材料提高变压器的介质绝缘强度。高频整流电路用于将高频交流脉冲波整流为直流脉冲波。采用高压硅堆整流实现全桥整流，放置于高压油变内。

具体地，EMI滤波选用自制滤波板，上有两个70A三相共模电感组成2级共模滤波；不控整流桥选用MDS300A-1600V，三相不控整流桥总的通态损耗大约为210W，考虑1.5倍裕量，定整流桥的损耗为315W。不控整流桥前端接限流电阻和软启继电器，限流电阻选用3个1K/30W的绕线电阻并联而成，软启继电器选用RX20-50W-510交流接触器，其额定电流为200A。根据回路参数计算可知主回路的最大电流峰值，根据此参数选择IGBT，选用英飞凌科技公司的型号为FF600R12IE4的IGBT。

本装置中，充电机的电源模块采用模块化结构设计，6U高度机箱。后部出线，出线端子采用航空插头，便于安装和调试，面板布置简洁。

本方案中，电源模块主回路电流波形为LC谐振波形，在合理的设计情况下，开关管IGBT工作在ZCS软开关状态，开关管的开通和关断都在主回路电流过零时刻，从而使得开关管IGBT和输出高频整流二极管的dv/dt、di/dt减小，极大的降低开关管的电压、电流应力，使得IGBT开关损耗大大降低，提高了充电机的效率。同时极大的减小了IGBT开关过程中产生的EMI，提高了电源工作安全可靠性。由于串联谐振回路特性阻抗CL的原因，使得串联谐振变换器具有很强的抗负载短路能力，同时又具有一定精度的限流功能，因此，非常适合容性负载的充电设计。

本方案中，还包括控制回路，控制回路包括控制单元模块7、驱动电路模块8、通讯单元模块9和显示模块，其中控制单元模块7包括逻辑控制单元和逆变控制单元，逻辑控制单元用于实现充电机的内部的各类数据处理，逆变控制单元实现高频DC/AC逆变电路的各类信号产生，显示单元的信号输入端与控制单元模块7连接，用于显示充电机的预置电压和充电电压，通讯单元与控制单元模块信号连接，用于实现通讯接口的转换。

进一步地，控制回路中，PLC逻辑控制单元实现充电机的内部逻辑控制、状态检查、故障处理、通讯处理、参数设定、采样后的数据处理等功能；逆变控制单元实现逆变主回路的故障检测处理、运行参数的执行、控制闭环的调节、载波调制、逆变桥驱动信号的产生等功能；显示模块显示充电机的预置电压和充电电压；通讯单元模块9实现通讯接口的转换。主回路输入控制根据控制单元的要求，正常闭合、断开输入接触器，实现主回路电源输入的接通和断开。切断开关采用交流接触器，通过PLC控制单元的无源开出节点控制接触器的供电线包来实现此功能。

具体地，驱动电路模块8中，每个驱动电路的控制电源为+15V和-9V。4个驱动单元需要4组+15V和-9V电源。驱动电源供电方式：通过交流220V电源通过变压器提供4路24V交流电源。每组电源通过LM7824和LM7809线性稳压电源模块输出+15V和-9V电源。共计4组。具有抗干扰能力强，性能稳定、可靠性高等优点。实现方式：在模块的一次整流后，增加软启动电路，即软启动电阻并联继电器，上电时，继电器处于断开状态，由软启动电阻给后一级直流电容充电，当直流电容器电压接近满电压值后，继电器闭合，短接软启动电阻，软启动过程结束。

本方案中，辅助电源模块6提供整机的内部各主要功能单元弱电回路的供电电源，一共有8组辅助电源输出，12V、±12V、±5V控制电源，3路24V驱动电源，8组电源之间需要电气隔离。检测回路包括主流输入电压采样、直流输出电压采样、直流输出电流采样等部分电路组成。电压电流检测采用差分电路，具有抗共模干扰能力强的优点，同时，采用隔离放大，使高压侧与低压控制回路完全隔离，不但提高了抗干扰能力，即使在故障情况下，也能保证控制系统的安全可靠。

本方案解决了电源领域中交流市电转直流高压的设备繁琐等问题，装置能够稳定的将市电380V三相电源转换为2KV直流电源。

控制单元中，调制控制电路的核心是激励控制芯片，此处选用的是由MOTOROLA 公司生产的高性能谐振式变换器控制芯片MC33067, 该芯片集成有可变频率振荡器、欠压锁定、故障关断、软启动、单次脉冲发生器、5V 基准发生器和高性能运算放大器等,具有极广的应用场合。

MC33067的主要特点为：可变频率振荡器变化范围可达 1000:1；可重复触发的单次脉冲发生器；5MHz 带宽的误差放大器；双路大电流的图腾柱输出级；可选的欠压锁定；可程控的软启动电路；极低的启动电流。

本方案还包括故障检测模块，电源模块故障保护包括过电压和过电流保护两个部分。过压比较器的同相端接有反馈电压VF，如果VF 大于反相端设定电压，则过压比较器输出高电平，快速切断 MC33067的输出，同时通过光耦给PLC 送去故障信号，PLC会立即关断充电信号。串联在主回路的电流互感器也会采集变换器的工作电流，经过整流滤波后，加到过流比较器的同相端与反相端设定电压相比较，如回路发生故障，则过流比较器输出高电平，及时切断 MC33066的输出，同时通过光耦给PLC 送去故障信号，PLC 也会立即关断充电信号。并且在充电机充电过程中，若只检测到充电电流而没有检测到充电电压，则充电机自动关机。

由上可知，本方案具有故障监测保护功能和操作控制功能。具体如下：1、交流输入过欠压检测保护功能：具有交流输入电源的电压检测功能，通过与设定值进行比较判断交流过欠压故障，电源停机，本机控制单元将交流过欠压告警信号通过通讯上报监控模块；2、直流输出电压过压检测保护功能：有直流输出电压检测功能，通过与直流过压设定值进行比较判断直流过压故障，电源停机，本机控制单元将直流过压故障信号通过通讯上报监控模块；3、过流保护功能：具有逆变桥、IGBT的过流检测功能、过流故障保护功能，过流保护动作，电源关机，电源控制单元将过流故障信号通过通讯上报监控模块；4、过温保护功能：具有功率散热部分的温度检测功能，当温度达到保护动作值后，过温保护功能动作，电源关机，电源控制单元并将过温故障信号通过通讯上报监控模块；5、泄能功能：直流输出电路设置有泄能回路，在电源不工作状态或电源异常状态时，电源闭合泄能回路，泄放掉输出电容器组的储能电量，提高电源模块的安全性。

本方案的操作控制功能具体如下：1、电压设置功能：电源通过通信接收监控模块的直流工作电压设置值，并将该值作为本次充电电压目标值；2、主回路接触器控制功能：主回路接触器负责对充电主回路进加电和断电，主回路控制接触器一方面受高压脉冲电源的控制单元控制，当需要充电时则合上主回路接触器，放电前，控制单元模块7将断开主回路控制接触器。同时，充电变换装置在检测到充电故障时，会自动断开主回路接触器，并禁止对主回路接触器操作。本方案的变换装置通过光纤和电源系统的控制模块相连，接收控制模块的通信控制，并将电源模块的状态上传给监控模块。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种用于碎岩装置的直流稳压电源变换装置，包括主回路，其特征在于：所述主回路包括EMI滤波模块（1）、软启动模块（2）、DC/AC变换模块（3）和隔离升压整流模块（4）；

EMI滤波模块（1）的输入端外接市电，EMI滤波模块（1）的输出端与软启动模块（2）输入端连接，软启动模块（2）的输出端通过整流器（5）与DC/AC变换模块（3）的输入端连接，DC/AC变换模块（3）的输出端与隔离升压整流模块（4）的输入端连接；

EMI滤波模块（1）用于实现输入直流电源的滤波功能，由两级共模滤波组成，用于滤除开关电源产生的高频噪声，同时滤除从电网侧传入开关电源的噪声；

软启动模块（2）用于实现主回路的输入软起动功能，减小后一级电路对输入电源的起动冲击；

DC/AC变换模块（3）采用全桥变换电路，将直流变换为高频脉冲波以实现高频调制；

隔离升压整流模块（4）包括变压器T1和整流电路；所述变压器T1，用于实现一次侧和二次侧的高压隔离、电压升压功能；所述整流电路用于把变压器T1输出的交流脉动波形整流成直流脉动波形，对后一级的储能电容器进行充电和稳压。

2.如权利要求1所述的一种用于碎岩装置的直流稳压电源变换装置，其特征在于：所述EMI滤波模块（1）包括电感L21，电感L21分别设置在对应连接三相电源的输入端口VA、VB、VC和输出端口V1、V2、V3之间，电容C1的两端分别连接输入端口VA和VB，电容C2的两端分别连接输入端口VB和VC，电容C3的两端分别连接输入端口VC和VA，电容C7的两端分别连接输出端口V1和V2，电容C8的两端分别连接输出端口V2和V3，电容C9的两端分别连接输出端口V3和V1，电容C4、C5、C6的第一端对应连接输出端口V1、V2、V3，电容C4、C5、C6的第二端保护接地。

3.如权利要求1所述的一种用于碎岩装置的直流稳压电源变换装置，其特征在于：包括辅助电源模块（6），所述辅助电源模块（6）的输入端与市电连接，用于作为整机内部各主要功能单元弱电回路的供电电源；共包括有多组辅助电源输出，在各组辅助电源之间进行电气隔离。

4.如权利要求1所述的一种用于碎岩装置的直流稳压电源变换装置，其特征在于：还包括控制回路，控制回路包括控制单元模块（7）和通讯单元模块（9），其中控制单元模块（7）包括逻辑控制单元和逆变控制单元，逻辑控制单元用于实现变换装置的内部的各类数据处理，逆变控制单元实现DC/AC变换模块（3）的各类信号产生，通讯单元模块（9）与控制单元模块（7）信号连接，用于实现通讯接口的转换。

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