煤巷超前探测电法仪恒流模块设计.pdf

第4 7 卷 第8 期 煤炭工程 C OAL E NGI N EE RI N G Vo l - 47． No ． 8 do i 1 0． 1 1 7 9 9 ／c e 2 O1 5 O 8 0 43 煤巷超 前探测 电法仪恒流模块设计 张金涛 ，吕一鸣 ，周 游 ，刘志民 ，刘希高 ，吴 淼 I ．中 国矿业大学 北京 ，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 河北工程大学 ，河北 邯郸0 5 0 6 3 8 摘要 基于单端反激开关电源原理设计并制作 了高精度 ，高可控制性恒流模块 ，给 出了关 键部分电路参数的详细设计和计算过程。最后对模块的恒流精度和可控性进行 了实验测试 ，并且 给 出了该模块在双频激电法超前探测激励信号发送 系统 中的应用实例 。另外该恒流模块还可用于 直 流 电阻率法 、激发极 化 法及其他 不 同电法超前探 所 需 电法仪 的激励 信 号发送 系统 。 关键词 超前探测；高精度 ；恒流模块 ；开关电源 中图分类号 T D 1 7 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 5 0 8 - 0 1 3 4 - 0 4 De s i g n o f Co ns t a nt Cur r e nt M o d ul e f o r Ad va nc e d Ro a d wa y De t e c t i o n wi t h El e c t r i c a l I n s t r u me n t Z HANG J i nt a o ，L V Yi mi n g ，Z HOU Yo u ‘ ，LI U Zhi mi n 一， LI U Xig a o ，W U Mi a o 1 ． C h in a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o lo g y B e i j i n g ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 H e b e i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ，H and an 0 5 6 0 3 8 ，C h i n a Ab s t r a c t A h i g hp r e c i s i o n a n d c o n t r o l l a b l e c o n s t a n t c u r r e n t mo d u l e w a s d e s i g n e d． b a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f s i n g l e e n d e d fly ba c k s wi t c hi ng p o we r s u p pl y ． Th e de t a i l e d d e s i g n a n d c a l c u l a t i o n p r o c e s s o f s o me ke y c i r c ui t pa r a me t e r s we r e o f f e r e d， a n d a n e x p e ri me n t w a s c a r r i e d o u t t o t e s t i t s c o n s t a n t c u rre n t a c c u r a c y a n d c o n t r o l l a b i l i t y ． T h e mo d u l e c a n b e u s e d i n e x c i t a t i o n s i g n a l t r a n s mi s s i o n s y s t e ms o f D C r e s i s t i v i t y me t h o d，i n d u c e d p o l a r i z a t i o n me t h o d a n d o t h e r d i f f e r e n t e l e c t r i c a l a d v a n c e d d e t e c t i o n me t h o d s ． Ke y wo r d s a d v a n c e d d e t e c t i o n； h i g hp r e c i s i o n；c o n s t a n t c u rre n t ； s w i t c h i n g p o w e r s u p p l y 目前矿井 电法类 超前探测 已经在 煤巷 超前领 域发 展成 为了一个举足轻重的分支 0 ，电法类超前探测所用的设备 称为电法仪。电法类超前探测 中无论是直流电阻率法 、 激发极化法 还是近几 年新兴 的双频激 电法 J ，其 电法仪 发出的激励信号不是直流恒流信号，就是 由直流恒流调制 成的方波电流信号。其中调制方波电流信号对恒流精度要 求最高。本文考虑煤矿井下实际供电情况，基于单端反激 开关电源原理，设计 了可用于不同电法仪的高精度恒流模 块，并给出了 R C D吸收电路、输出电路和反馈控制电路三 个关键电路参数的详细设计和计算过程。 1 功能和总体结构 该模块基本功能是 采用井下 1 2 7 V交流电作为输 入电 源 ，输出为电压上限 I O O V，电流在 0～2 0 0 m A之 间连续稳 定可调。与输出电流变化范围线性对应的恒流控制信号是 在 0 2 ． 5 V之间连续变化 的电压信号 。 总体结构图如图 1 所示，电路中E M I R F I 滤波和整流 滤波为输入级，输出滤波是输 出级 ，其他除功率开关器件 和变压器外都属于反馈 控制 级。 图 1 高精度恒流模块总体结构图 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 2 1 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 项 目 2 0 1 2 A A 0 6 A 4 0 5 作者简介张金涛 1 9 8 5一 ，男，河北邢台人，博士研究生，主要从事电法超前探测理论与仪器研究，Em a i l j t z h a n g w h y 1 6 3 ． c o n。 引用格式张金涛，吕一鸣，周游，等．煤巷超前探测电法仪恒流模块设计 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 5 ，4 7 8 1 3 4 1 3 7 ． 】 3 4 2 0 1 5年第8 期 煤炭工程 2关键器件选型 输入级电路原理拓扑如图2所示，参考文献 [ 5 ]中电 路设计的经验值，该电路中X电容选用 2 7 5 V，2 2 0 0 p F的电 解电容 ；Y电容选用 2 k V，0 ． 1 的瓷 片电容 ；共模 电感 选 用 U F 1 0 ． 5 ；整流桥选用 K B DI O 。输出滤波电容 C 1选用标 称电压为 4 0 0 V，容值为 6 8 t x F的电解电容。另外功率开关 管选用的K A 5 M 0 3 6 5 ，其工作频率_厂 为 6 7 k H z 。滤波电容计 算公式如下 C 式 中 c _电容值 ，F ； 输入级负载 电流 ，A； 电容 提供 电流的时间 ，s ； △ 输入级负载所允许的峰 一峰值纹波电压，V。 C1 1 5 0 V；输出电流范围是 02 0 0 m A，电压范围为 01 0 0 V， 即最大输出功率为 2 0 W。假设 变压 器工 作的最 大 占空 比为 占 ⋯ 0 ． 4 5 ，由于最 小 的交流 输入 电压是 1 0 0 V，那么 最小 直流电压为 ⋯ 1 0 0 O f一 2 0 1 2 1 ． 4 2 V， 其中的2 0 V是 直流纹波电压和整流二级管的压降。经过整流后的最大直 流输入电压是 ⋯ 1 5 0 √ 2 0 2 1 2 ． 1 3 V ，此时变压器 初级峰值电流 一 为 ， p 0 ． 7 3 A 8 输入 电压 的比例 因子 K为 K 1 ． 7 5 9 i i 最小 占空 比6 ra in 为 8 m i． _ 3 2 1 0 因此 ，对于输入电压范围为 1 0 01 5 0 V的变压器，占 空 比的变化范 围就是 0 ． 3 2 0 ． 4 5 。 按文献 [ 7 ]中的方法计算变压器参数如下线圈导线 为直径 0 ． 3 1 mm的漆包线 ，磁芯用 E C 2 8 2 8的铁氧体磁芯， 磁芯开气隙长度为 0 ． 7 5 m m，初级线 圈 8 9匝 ，次级线 圈 1 0 0 匝。在计算过程中取 B 1 1 0 01 0 ～T 。经调试变压器初 级匝数定为 8 7匝。 图2 输入级电路原理拓扑 4 关键 电路设计 恒流模块的最高电流是 2 0 0 m A，最高电压是 1 0 0 V，故 最大功率是 2 0 W。设定最坏 的情况下恒流模块的效率为 6 0 ％ ，那么 ，单路的输出功率为 等 ． s s w 2 ∞ 6 0 ％ ⋯ ⋯ ’ 在输入交流为 U1 2 7 V时 ，直流输 出电压将是 U 1 7 9 ． 5 8 V 3 此时，输入端负载 变压器源边 电流为 ， U 丝 1 7 9 笪 5 8 A 0 ． 1 9 A 4 ‘ ‘ ‘ ’ ‘ ‘ ‘ ＼ ‘ ， 设定输入级负载所允许的峰 一 峰值纹波电压为 AV3 0 V 5 电容提供电流的时间为半周期，5 0 k Hz 工频的半周期 为 t0 ． 0 1 s 6 将式 4 、 5 和 6 带人式 1 得 C 6 3 ． 3 3 x 1 0 ～ F 6 3 3 3 t x F 7 考虑实 际应用情况 和式 、选取滤波 电容 C 1的标称 电压 为 4 0 0 V，容值为6 8 tx F 。 3 高频变压器设计 高频变 压器 的工作 条件 为工作 电压 A C 1 2 7 V，取 2 0 ％的浮动范 围，那么输入工作 电压浮动范 围为 1 0 0～ 4 ． 1 RC D吸 收 电路 设 计 在实际工作中，变压器漏感与励磁电感串联。励磁 电 感能量可通过变压器耦合到次级，而漏感因为不耦合，能 量不能传递到次级。因此在开关管关断时，漏感将引起 电 路 电压过 冲和振荡 ，影 响电路工作 性能 ，还 会引起 E M I问 题 ，严重 时会 烧毁 器件 。为 了防止 上述 情况 的 出现 ．需 要 增加R C D吸收电路来吸收漏感中的能量，但 R C D电路不能 消耗主励磁电感能量，否则会降低电路效率。故引入 R C D 吸收电路的目的有两个 一是吸收漏感中储存的能量；二 是在开关管由关断到开通过程中，钳制变压器初级电压不 低于次级反射电压。 本电路 中，由 、C 2 、D 4组成 R C D 吸收 电路 。开 关 管关断时，漏感中的能量通过 ／ 4向C 2充电。C 2上的电压 可充到反射电压与漏 感电压 的叠加值 ，其容量值 由式 1 1 来决定 ㈩ ～△ 一吃 式中 漏感， H； 反射电压 ，V； △ 漏感电动势的峰值，V。 、 和 △ 分别取文献 [ 7 ]中的经验值，5 0 H、 1 2 0 V、1 0 0 V，此 时有 6 “ 2主 1 2 0 1 0 0 1 2 0 F1 3 2 4 p F 1 2 一 、 1 35 煤炭工程 2 0 1 5 年第8 期 在实际应用时，选值大一些，故 c 2标称值选为 4 7 2 ／ 1 k V。 c 2充电完电后二极管 D 4 反向截止，c 2上的能量经 R ． 进行释放，R 上的电压缓慢下降。为使吸收网络起到钳位 的作用，在开关管导通之前必须保证 R 上的电压不低于变 压器次级 反射 到初 级 的反 射 电压 。R 的 阻值可 由下 式计 算 R 。 c 2 16 1 3 即， R， 1一占 ⋯ 4 ． 7 5 1 k 1 1 4 ， 一占 ⋯ ． R 上的功耗基本上是存储在漏感中的能量经电容 c 2 转换而来的能量，其功耗为 PL 1 ． 3 ， P d 厂1 ． 5 0 9 W 1 5 R 取标称值为 5 ． 1 k fl ／ 2 W。 D 4 选用快恢复二极管 F R 1 0 7 ，其 最大 可重复 峰值反 向 电压为 1 k V、最大阻断电压为 1 k V、最大正向平均整流电流 为 1 A、最大反向恢 复时间 3 0 0 n S 。 4 ． 2输 出电路 设 计 输 出电路 的作用是 对高 频变压 器次级 的高频 方波 电压 进行整流滤波 。输 出级和控制级电路原理拓扑如图 3 所示 。 图 3 输 出级和控制级 电路原理拓扑 因为变压器起存储能量的电感作用 ，所以二极管 D 7和 电容 C 1 7是产 生直 流输 出电压 的整流滤 波元件 。一 般要 求 D 7选用功率整流二极管且其必须具有正向压降低、快速恢 复以及功率足够大等特点。普通 P N结二极管不能满足要 求，本电路选用超快恢复整流二极管 MU R 4 6 0 ，其反向截止 电压为 6 0 0 V，最 大正 向电流为 4 A 。 输 出滤波 电容 的最小容值可按式 1 6 计算 c I l o u t 1 6 式中△ ， n 允许输出电流纹波 的峰 一峰值，一般情况 按0 ． 2 5 1 o 计算； av o 允许输 出 电压 纹波 的峰 一峰值 ，为提 高精 】 3 6 度此处 选 1 m V。 故有 C 。 9 3 ． 2 8 1x F 1 7 8 f A V 。 一 o Ⅲ 一 ’ 本电路选用标称值为 I O 0 1 F ／ 1 6 0 V的电解电容。 为使输 出的 电压或电流更 加平滑 ，本 电路加入 了 由 u 和 C 1 6组成的滤波网络 。另外开关 电源一 般输 出端都 要加 一 个 51 0 m A的 “ 死负载” ，本电路 中最大输出电压为 1 0 0 V，故死负载 R 2 3选用标称值为 2 0 k l q ／ 3 W 的金属膜电 阻。 4 ． 3控 制 电路 设计 反馈控制电路包括电压和电流双反馈控制。 电压反馈网络中选用 T L 4 3 1 提供 2 ． 5 V的基准电压，接 入运放的反相输入端 ，电压采样值接人运放的同相输入端。 电阻 R 1 4、R1 5以及 电位 器 V R 1组 成输 出电压 采样 网络 。 其作用 是对输 出端 电压进行 1 ／ 4 0分压 。当输 出端 电压大 于 1 0 0 V时 ，运放的正向输 入端 的电压大 于 2 ． 5 V，此 时运 放的 输出端是高电平 ，二极管 D 6导通 D 5截止电流反馈失效电 压反馈起 主导作 用。电压反馈 信号经 光耦 P C 8 1 7通过 K A 5 M 0 3 6 5压缩变压器初级 P WM波 的 占空 比来减 小变压器 能量的传输，从而减小电路输出端的电压。当输出端电压 小于 1 0 0 V时 ，二极管 D 6反 向截止 ，电压反馈 失效 ，电流 反馈起主导作用。 电流馈控制的设计功能要求是 电流控制端加 0～2 ． 5 V 的控 制 电压 ，对 应 电路 输 出 02 0 0 m A 的 电流 L 即 f ／ o 删 _控 制、 I K j o．∞ 电流反馈 网络 中的基准接地 。因为基准 电压为 O V，所 以控制信号给定且电路相应的输出电流稳定后接人运放反 相输入端 的电流采样信号 电压必须为 O V。 根据基尔霍夫定律知，加在电流控制端的电压与输出 的电流之间有如下对应关系 ， o 1 9 故根据式 1 8 知 R R L K l 2 ． 5 2 0 l 9 1 Rl ⋯ ～／ 本 电路 中电阻 R 。 、R R 。 以及 电位 器 I R1的标 称值 分别 为 1 n、2 ． 2 k O、3 0 k f l 和 1 0 2 。 5 试 验测试 根据上文的设计 制作 的样机进 行 了控制精 度 、限压 精 度和恒流精度测试，测试结果如图4～图6所示。另外本模 块成功用于 了双频激 电仪激 励信 号发 送系统 中。经双 频激 电仪调制后，输出了幅值恒定的双频电流方波。进行双频 调制对恒流精度要求最高，所以一般只要满足双频调制的 2 0 1 5年第8 期 煤炭工程 要求，就完全可以满足其他电法仪对恒流模块的精度要求。 恒流控制信号， V 图 4 恒流控制精度测试 曲线 恒流控制信号～ 图 5限压精 度测试 曲线 图 6 恒 流精 度测试 曲线 控制精度测试时的负载为标称值 1 0 0 1 “的电阻，为防止 测试过程中模块进入限压状态所以选用的负载阻值较低。 误差计算方法如式所示，从图4中可以看 出电流控制误差 低 于 2 ． 5 ％ 。 壹 ， 型 二 1 O 0 ％ 型二 型1 o o ％ ‘， ． 测 ， 实测 2 1 式中， 梗 9 不同控制信号下实测输出电流值，m A 论 根据控 制信号 电压计算 的理论 输 出电流值 ， mA； 拉 电流恒定值大小控制信号，V 。 在进行 限压精度测 试时 ，所 用负载是 标称值 5 k l 的 电 阻这样理论上当电流大于等于 2 0 m A时模块就进人 了限压 状态 ，即此时即使再增大控 制信号 ，由于电压 限定在 了 1 0 0 V电流也不再增大。从图 5中可以看出模块实际工作状 态完全符合预期。另外实测时输出电压限定在 1 0 0 V后电流 不是恰好 等于 2 0 m A这是 由负载 阻值误差 引起 的。 在进 行恒 流精度 测试 时将 电流设定 为一 个 固定 值 ，然 后更换不同阻值的负载，检测不同负载下实际输出的电流 值。恒定电流值的误差 E ， 计算方法如式 2 2 所示。 i ， 盟1 0 0 ％ 2 2 ‘ 设定 式 中 ， 实 镤 I 不同阻值负载情况下实测输出 电流值 ，m A； ， 设 定 设定的电流输出值，m A。 从图 6中可以看出恒流误差低于 0 ． 6 ％ 。 6结语 设计并制作了高可控性 、高精度的可调恒流限压模块。 经检测本模块 的恒流调控误差低于 2 ． 6 ％，恒流误差低于 0 ． 6 ％，且随电流恒定值的增大，恒流控制误差迅速减小。 本模块成功用在了对恒流信号要求最苛刻的，双频激 电仪的激励信号发送系统中。因此，该模块还可用于对恒 流精度要求较低的其他电法超前探测的激励信号发送系统。 参考文献 程久龙 ，李飞，彭苏萍 ，等．矿井巷道地球 物理方法超前 探测 研 究 进 展 与 展 望 [ J ] ．煤 炭 学 报 ，2 0 1 4 ，3 9 8 1 7 4 2一 l 7 5 0． 刘盛东 ，刘静 ，岳建华 ．中国矿井物探技术发展现状和关 键问题 [ J ] ．煤炭学报， 2 0 1 4 ，3 9 1 1 9 2 5 ． 李 金 铭．地 电 场 与 电法 勘 探 [ M] ．北 京地 质 出 版社 ， 2 o o 5 ． 李术才 ，刘斌 ，李树忱 ，等．基于激发极化法的隧道含水 地质构造超前探测研究 [ J ] ．岩 石力学 与工程学 报 ，2 0 1 1 ， 3 0 7 1 2 9 71 3 0 9 ． 张伟杰 ，郝明锐 ，杜毅博 ，等．基 于双频激电法的煤矿巷道 超前探测新 技术初探[ J ] ．煤 炭科 学技 术 ，2 0 1 0，3 8 3 7 3 7 5 ，7 9 ． 责任编辑赵巧芝 ＼ 上接 第 1 3 3页 在保证滚筒安全使用强度的基础上，通过采用结构优化的 方法，降低滚筒重量从而大大减少 了胶带机的转动惯量。 有效改善胶带机启动和制动性能并大量降低能耗。同时使 滚筒容易搬运，降低工人劳动工作量。 参 考文献 [ 1 ] 秦 东平 ．井下 胶带输送 带机 常见故 障分析及 处理 [ J ] ．山 东煤炭科技 ，2 0 1 1 5 4 44 5 ． [ 2 ] 邱新春．胶带输送机常见故障与处理 [ J ] ．煤矿开采， 2 0 0 6，1 1 3 3 53 7 ． [ 3 ] 王仲 民．煤矿胶带 输送机 常用 机械软启 动装置 [ J ] ．煤炭 工程 ，2 0 0 7 3 9 7 9 8 ． [ 4 ] 王继伟．煤矿胶带输送机常见故障及处理分析 [ J ] ．机械 与自动化， 2 0 1 4 1 2 5 3 5 5 ． 责任编辑赵巧芝 1 3 7 2 2 l l O O 榭酱 } 餐霹堰亘 } 茁鳞 涮酱 } 莨 遥挺亘 } 甜 1● 1j 1J