矿井高频变压器隔离型本安电源优化设计研究_贾永峰.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 因高频变压器隔离型本安电源具有高质量的电 压输出和较小的纹波而被广泛的应用于煤矿井下。 但 随着煤矿生产需求的不断增大， 一些问题也逐渐显露 出来， 例如功率管耗费电源较大功率损失， 温度升高 迅速， 有时甚至超过设定值； 输出电容容易引起短路 故障， 进而有可能诱发爆炸， 电源安全性得不到保障； 井下因用电设备众多， 电网电压波动明显， 本安电源 中的电路对电压波动适应性较慢[1]。这些问题若不及 时解决， 将严重时会危害整个矿井的安全供电， 为保 障煤矿安全生产， 论文对高频变压器隔离型本安电源 的整流滤波电路、 控制电路、 多路输出电路和过压过 流保护电路进行优化设计， 以期提高高频变压器隔离 型本安电源达到更高的质量和性能， 这对整个矿井的 供电系统安全来说也具有重大的意义 1高频变压器隔离型本安电源结构 矿井高频变压器隔离型本安电源性能特点 [2] 一 是采用 PWM控制芯片， 电源的响应速度和控制精度 较高； 二是高频变压器体积较小、 重量轻， 与一般的工 频变压器相比， 占用空间小， 易于搬运， 良好的适应了 井下条件所需。 煤矿井下高频变压器隔离型本安电源 结构和实现的功能示意如图 1 所示。 图 1高频变压器隔离型本安电源结构组成示意图 外界传入的交流电压 （AC ） 输入到高频变压器隔 离型本安电源的输入滤波整流电路， 经过滤波整流作 用后的电压被输送至高频变压器隔离环节中， 根据高 频变压器判别， 若是多路输出， 高频变压器的次级侧 根据对应关系分成相对应的路数， 进而得到相应的电 压等级， 此时每级电压输送至每个对应的输出整流滤 波电路， 经过整流滤波作用后进入本安双重保护电路 进行检测是否符合标准，最后输出本质安全型的电 压， 整个过程便是高频变压器隔离型本安电源工作的 基本原理。 2本安电源主要硬件电路优化设计 2.1整流滤波电路优化设计 矿井电源电路中的功率管功耗大， 输出电容易引 发短路爆炸， 井下电网电压波动明显， 引起变换器适 矿井高频变压器隔离型本安电源优化设计研究 贾 永 峰 （潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司 ，山西 宁武 036700 ） 摘要 为解决高频变压器隔离型本安电源功率损失大、 短路故障、 电压波动明显等问题， 论文对本 安电源的整流滤波电路、 控制电路、 多路输出电路和过压过流保护电路进行了优化设计。运用试验的 方法对过压过流保护电路进行了测试，测试结果表明高频变压器隔离型本安电源优化后的电路性能 更加优良， 有利于提高矿井供电系统稳定性和安全生产。 关键词 本安电源 ； 脉冲调制 ； 保护电路 ； 单稳态触发器 中图分类号 TM46文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0110-04 Optimization design of isolated intrinsically safe power supply for high frequency transer in mine JIA Yongfeng （Lu an group luning mengjiayao coal industry co., LTD. , Ningwu 036700 ， China ） Abstract In order to solve the problems of high power loss, short circuit fault and obvious voltage fluctuation of isolated intrinsic safe power supply of high frequency transer, the paper optimized the rectifier filter circuit, control circuit, multi output circuit and over-voltage and over-current protection circuit of intrinsic safe power supply. The over-voltage and over-current protection circuit is test- ed by the test . The test results show that the circuit perance of the isolated intrinsically safe power supply of high frequency transer is better after optimization, which is conducive to improving the stability and safety production of the mine power supply sys- tem. Key words Intrinsically safe power supply ; pulse modulation ; protection circuit ; monostable trigger 110 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 应性极差， 为此， 需要对高频变压器隔离型本安电源 的整流滤波电路进行优化。 图 2 为高频变压器隔离型 本安电源整流滤波电路优化设计方案， 保护电路由热 敏电阻、 熔断器、 压敏电阻共同构成， 出线端 E 接地， 共同作用确保本安电源安全。安规电容 C1、 C4、 C5属 于 X型系列， 作用是消除电路中电流差值干扰。安规 电容 C2、 C3属于 Y型系列，与中性线接地极 E 相连， 防止电路中电流过高对电感造成影响。在电容 C5后 面的电源电路中不在增加整流，电容 C5两端的交流 电已经整流为纹波直流电[4]， 可以直接输入到高频逆 变器， 进而实现本安电路整流滤波作用。 NTC- 热敏电阻； FU- 熔断器； RV- 压敏电阻； C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6- 安规电容； L1、 L2- 电感线圈； L- 电感； AC- 交流电源； D1- 二极管； R- 电阻； C- 电容 图 2整流滤波电路优化方案 2.2控制电路优化设计 UR- 整流滤波器； C1、 C2- 电容； TR- 变压器； VD- 二极管； V0- 输出电压； VT- 三极管 图 3 基于脉宽调制控制的电路 煤矿井下使用反馈， 高频变压器隔离型本安电源 常因响应速度和控制精度较低， 电压稳定性较差。基 于脉宽调制 （PWM ） [3]控制芯片优化后的电源电路如 图 3 所示。整流滤波电路将输入的 220V交流电转变 为直流电， 直流电可以为功率开关提供动力[4]。 脉宽调 制器将本安电源电路中电压信号调质， 并与基准电压 进行对比、 分析、 放大， 差值结果传输至控制端。脉宽 调制器频率保持不变，表示其处于正常的工作状 况， 一旦本安电源电路输出电压 V0变小， 脉宽调制 器新建与基准电压比较差值， 比较的电压差值经过 放大器放大后传输至比较器中，在 PWM芯片控制 下将电压信号脉冲宽度增宽。增宽的电压脉冲通过 开关管继续传输给变压器， 经过变压器作用升高电 压， 磁芯进一步耦合升高的电压， 此时的电压经过 高频变压器转换到变压器次级侧，次级侧有二极 管， 经过二极管整流和电容 C2滤波后， 最终得到井 下机械设备需要的的电压。需要较低输出电压时， 其调节与控制过程正好相反。通过优化设计， 显著 改善了本安电源控制精度和反应速度， 有效的提高 了本安电源供电安全性和稳定性。 2.3多路输出电路优化设计 R- 电阻； C- 电容 ；LP、 LS- 初级绕组； 次级绕组； VD- 稳态二极管；L- 电感；24V/1A- 电压为 24V； 电流为 1A 的支路 ； VT1- 三极管； VS3- 瞬态二极管； IC- 单稳态触发器；TL- 整流二极管 图 4优化后的多输出电路 因矿井使用设备众多，整个电网电压波动明显， 为了更好的控制每个电压等级， 优化设计了本安电源 的多路输出电路[5]详见图 4 所示， 其中高频变压器 TR 结构为反激式结构， 该结构调控占空比的误差信号幅 度较小， 有利于误差信号放大器的增益。在初级绕组 Lp 左侧的尖脉冲吸收回路由元件 R1、 R2、 C7、 VD1构 成。变压器的次级绕组 LS1右侧将稳态二极管 VD5、 VD6并联， 目的是对半波整流， 可以有效提高电流通 过的最大值。 滤波电路有电器元件 VD7、 C20、 C21、 L4、 C22 构成， 吸收回路上设置电阻 R19和电容 C16， 有利于减 小电压输出的波动，增设二极管阻止电子反向流入。 三端稳压源 78L12设计在次级绕组 LS3的右侧，该稳 111 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 压源能够将第三回路中的电压输出值稳定在 12V。 次 级绕组 LS3设计为高精度的稳压源光耦合反馈电路， 三个回路中的输出的电压 12V、 18V、 24V是在反馈电 阻 R22、 R23、 R24分别作用下形成的。若输出电压变大， 则单稳态触发器中的二极管亮度增加， 接收的晶体管 电流变大， 此时芯片控制器通过调节占空比迫使高频 变压器 TR 输出降低的电压。若输出电压较低， 调节 方法与之相反。 通过对高频变压器隔离型本安电源多 路输出电路优化， 可以有保障井下设备所需的电压。 2.4过压过流保护电路优化设计 为了更好的保护高频变压器隔离型本安电源， 优 化设计了过压过流双重保护电路， 详见图 5 所示。保 护电路组成部分分为故障检测电路和自动恢复电路。 过压检测电路中的元件主要有分压电阻 RS1和 RS2 以及单稳态触发器 IC5，电流检测电路中元件由电阻 RS3和单稳态触发器 IC6组成，短路检测电路中元件 为电感 L5和单稳态触发器 IC6组成。 为了提高检测精 准率， 采用电感实时检测电流变化情况。自动恢复电 路采用单稳态触发器、电阻 R30和三极管 VT6等元 件， 驱动电路采用三极管 VT7和 VT8构成， 自动加快 截流开关响应速度。 在该过压过流双重保护电路中串 联同样的电路， 目的是为高频变压器隔离型本安电源 提供两道保护措施， 确保矿井供电需求和安全性。 Vin- 输入电压； Vus、 Vis- 分担电压； Vuref、 Viref- 比较器的基准电压； Vout- 输出电压 图 5优化后的过压过流保护电路 3高频变压器隔离型本安电源优化后的效果 为了验证高频变压器隔离型本安电源电路优化 的效果，以测试过压过流保护效果为例进行说明， 测 试的简易电路如图 6 所示。 测试电路中采用滑动变阻 器代替负载， 电流变化可以通过调节滑动变阻器阻值 实现。 若把开关 S闭合， 则为测试本安电源短路故障， 论文在此不再赘述，下面对以过电流情况进行说明。 调节滑动变阻器迫使整个电路中的阻值减小， 当电流 增大到过流保护执行动作时， 停止调节， 此时检测电 流、 电压变化情况。 图 6高频变压器隔离型本安电源过压过流保护电路 测试原理 高频变压器隔离型本安电源过压过流保护电路 测试结果见表 1 表 1过压过流保护电路测试结果 根据表 1 测试结果表明， 本安电源电路中的过电 压保护波动范围为 3.9- 3.4， 电路中的过电流保 护波动范围为 3- 9， 满足设计要求， 能够达到矿 井高频变压器隔离型本安电源需求， 起到了良好的过 电压和过电流双重保护作用， 有利于提高井下用电设 备安全性。 4结论 1 ） 采用 X 与 Y 型系列的安规电容及电感、 电 阻、 二极管等元件实现整流滤波； 采用 PWM控制芯 片进行脉宽调制改善控制电路影响速度和控制精度； 变压器运用反激式结构调节占空比从而实现每个回 路电压稳定； 运用故障检测和自动恢复组成的过电压 过电流双重保护的电路自动检测过压、 过流和短路故 障并作出反应。 2 ） 为了验证高频变压器隔离型本安电源电路优 化的效果， 以测试过压过流保护为例进行检测， 结果 表明过电压、 过电流保护波动范围均小于 10， 满足 矿井高频变压器隔离型本安电源要求。 参考文献 [1] 孟庆海,牟龙华.本质安全电感电容复合电路电弧放电特 性的研究[J].煤炭学报,2004, （04） 510- 512. 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[5] 胡义涛.矿用多路输出本质安全型两级变换器研究[D].徐 州 中国矿业大学， 2014. 作者简介 贾永峰 （1986-） ， 男， 山西朔州人， 2011 年 7 月毕业于山 西大同大学自动化专业， 助理工程师， 煤矿机电方向。 （收稿日期 2020- 2- 10） 厚煤层窄工作面推进过程中自燃带测定及规律研究 李 振 武 （山东济宁运河煤矿有限责任公司 ，山东 济宁 272055 ） 摘要 运河煤矿 6304 工作面防灭火压力大， 经对其自燃带观测表明 正常推进过程中， 进风侧散热 带范围大于回风侧， 受快速推进过程影响， 自然带范围后移且变宽； 由于工作面长度相对较窄， 靠近采 空区进回风顺槽附近煤体冒落压实度较低造成采空区进回风通道上自燃带范围增大。考虑观测过程 中采空区 Graham系数变化及注氮工艺影响， 与观测结果吻合度较高， 研究对于指导矿井防灭火及矿 山安全生产具有重要的理论和现实意义。 关键词 窄工作面 ； 自燃 ； 三带 ； 指标气体 中图分类号 TD752文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 06- 0113- 04 Determination and Study of Spontaneous Combustion Zone in the Process of Advancing Thick Coal Seam and Narrow Working Face LI Zhenwu （Shandongjiningcanal coal mine co., Ltd. , Jining 272055 , China ） Abstract In Yunhe Coal Mine 6304 working face, the pressure of fire prevention and extinguishing is large. The observation of its spontaneous combustion zone shows that in the process of normal propulsion, the range of the scattered tropics on the air inlet side is larger than that on the air return side. Affected by the rapid propulsion process, the range of the natural zone moves backward and widens. Because the length ofthe workingface is relativelynarrow, the spontaneous combustion zone on the air inlet and air return channel ofthe goafis caused by the low caving compactness of the coal near the air inlet and air return chute of the goaf The range increases. Considering the change of Graham coefficient in goaf and the influence of nitrogen injection technology in the process of observation, the results are in good agreement with the observation results. The study has important theoretical and practical significance for guiding mine fire prevention and safety production. Key words Narrowworkingsurface ; Spontaneous combustion zone ; O- ringtheory; Indicator gases 1运河煤矿工作面概况 运河煤矿 6304 工作面主采 3 煤，煤层埋深 - 680～- 760m,煤层厚度 7.0m,煤层总体呈东西高中 间低的形态， 煤层倾角 2～16， 平均 9。6304 工 作面煤层稳定性较好， 煤质较好， 属低灰、 低硫、 特 低磷、 高发热量煤层， 硬度系数 f1～2,属中硬煤。 工 作面 3 煤层直接顶板为深灰色的粉砂岩， 煤层直接 底为褐灰色泥岩， 岩性较脆易断裂， 综合两顺槽掘 进过程中揭露地质资料分析， 工作面内及周边区域 地质构造发育密集， 局部煤层赋存不稳定， 厚度变 化较大， 工作面顶板岩石性脆易碎， 易局部垮落。 该工作面东临村庄保护煤柱，南临 - 725 西翼 胶带大巷，西临 6302 辅助轨道上山，北临 6302 工 作面保护煤柱。顺槽长度 （m/ 平距） 皮顺 463.0 轨 顺 463.0 倾向长 39.8m/ 平距。工业分析见表 3.1。 工作面设计日进尺为 3.6m，每月按 25 天组织 生产， 正规循环率 85， 煤的视密度 1.36t/m3， 工作 面回收率 85， 面长 39.8m。 表 1工业分析 26304 采空区自燃带划分 为研究运河煤矿 6304 工作面采空区煤自燃三 带的分布状况，且结合运河煤矿 6304 工作面实际 情况，决定使用束管监测方法对 6304 工作面采空 区进行煤自燃三带监控。 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 Mad （） Ad （） Vdaf （） Qb,ad MJ/kg FCd （） St,d （） Y （mm ） 工业 牌号 2.8824.6141.8627.6150.160.5113QM 113 ChaoXing