專利名稱：具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及礦用隔爆兼本安電源，尤其涉及煤礦井下帶功率因數校正環(huán)節(jié)的隔爆兼本安開關電源，具體為一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源。
背景技術：
礦用隔爆兼本安型電源主要應用于煤礦等井下含有爆炸性氣體的環(huán)境中，為井下安全監(jiān)控系統、控制器及各種礦用設備提供本質安全型電源。直流線性穩(wěn)壓電源具有結構簡單、電壓紋波小、響應速度快、成本低等優(yōu)點，傳統的礦用隔爆兼本安電源正是采用了線性穩(wěn)壓電源技術，但是隨著生產實踐發(fā)現，采用線性穩(wěn)壓電源技術會導致電源效率低、體積大、發(fā)熱高甚至會造成電網污染等問題，而且線性穩(wěn)壓電源無法適應電源電壓波動較大的場合。當人們逐漸認識到這一問題后，開始采用開關電源替代傳統線性穩(wěn)壓電源。采用高 頻電子開關原理設計開關電源，帶來了節(jié)能高效、體積小、損耗低以及適應電網能力強等優(yōu)點，因此開關穩(wěn)壓電源在煤礦等井下應用中具有廣闊的前景。目前采用的開關電源直接應用于煤礦的井下生產仍存在問題，例如(I)諧波問題，指用開關電源取代線性電源后，整流電路會使電網含有嚴重畸變的非正弦電流，產生高次諧波使得電網的功率因數下降。(2)開關電源的輸出端直接配置大的電容、電感等元件均不能符合煤礦本質安全電路要求的問題，隔爆兼本安電源的輸入側為非本質安全的交流電源，而輸出側為本質安全電源，在結構內部是一個非本質安全到本質安全的轉換電路，從電氣特性上應防止外部非本質安全輸入并傳至輸出端，需達到符合防爆要求的電壓等級，并且煤礦井下電壓等級較多，輸入側采用開關電源應具有較寬的電壓范圍。(3)可靠性問題，井下交流供電經常有斷電事故發(fā)生，應保證斷電時數據信息的不丟失，并且考慮到井下具體的工作環(huán)境設備分布分散、設備無人值守等情況，因此要提高隔爆兼本安開關電源的可靠性。正是為了解決目前礦用隔爆兼本安開關電源存在的問題，本實用新型提出了一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源。
發(fā)明內容本實用新型為了解決現有礦用隔爆兼本安開關電源存在電網功率因數較低、不易滿足煤礦本質安全電路要求以及可靠性較低的問題，提供了一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源。本實用新型具體采用如下技術方案實現一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源，包括電源箱、輸入模塊、功率變換模塊、控制模塊、頻率振蕩發(fā)生模塊、雙重過壓過流保護輸出模塊，還包括由輸出電壓檢測電路、反饋補償和乘法器組成的功率因數校正模塊，電源箱接輸入模塊經功率因數校正模塊連接功率變換模塊，功率變換模塊分別連接控制模塊和輸出模塊，控制模塊連接頻率振蕩發(fā)生模塊，輸出模塊上連接雙重過壓過流保護輸出模塊。所述電源箱的輸入電源可根據使用者現場情況分別提供交流660VU27V中的任意一種，次級為127V繞組提供給開關電源。輸入模塊與功率因數校正模塊連接包括變壓器、整流濾波器，其功能在于完成信號的濾波與整。功率因數校正模塊包括輸出電壓檢測電路、反饋補償和乘法器，實現降低高次諧波含量，實現抑制脈沖電流諧波，提高功率因數的功能，位于輸入模塊與功率變換模塊之間，應用于礦用127V電壓等級。功率變換模塊中包括電子開關和高頻變壓器，把直流電壓變換為方波脈沖，高頻方波脈沖電壓經二次整流與直流濾波后變成24V和27V 二路直流電壓輸出。控制模塊控制將24V電壓用以驅動繼電器線圈控制外部設備；控制27V電壓可以提供給后備電池充電及充電管理，可以進行分壓、采樣與基準電壓比較，放大為控制信號去脈寬調制與驅動電路，還可以直接分出5路獨立DC-DC，最終經5路獨立雙重過壓過流保護，產生系統所需要的5路18V本安電源輸出。頻率振蕩發(fā)生模塊包括鋸齒波頻率振蕩發(fā)生器，產生頻率振蕩高頻信號，與控制信號疊加進行脈寬調制。雙重過壓過流保護輸出模塊實現輸出電壓的雙重過壓過流保護輸出。本實用新型裝置還配備有備用電池，以便在斷電時備用電池提供穩(wěn)壓電源實現不間斷供電。根據井下工作環(huán)境，設備分布分散，許多設備無人值守，因此本設計按照高可靠性設計電源，故障時自動切斷電源，故障消除后供電自動恢復。與現有技術相比，本實用新型提供的一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源具有如下的有益效果，即體積小、質量輕、可靠性高，降低了高次諧波含量，提高了功率因數，實現降低線路的損耗節(jié)省電能，減少電網的諧波污染，提高電網的供電質量；并且采用開關電源技術具有輸出電流、電壓容易調整且穩(wěn)定、可靠，具有較寬的電壓范圍等優(yōu)點；本實用新型可以被安全可靠的使用于含有爆炸性氣體環(huán)境的礦用生產中。

圖I為本實用新型所述一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源的原理框圖；圖2為本實用新型所述一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源的電路原理圖。
具體實施方式
一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源，包括電源箱、輸入模塊、功率變換模塊、控制模塊、頻率振蕩發(fā)生模塊、雙重過壓過流保護輸出模塊，還包括由輸出電壓檢測電路、反饋補償和乘法器組成的功率因數校正模塊，電源箱接輸入模塊經功率因數校正模塊連接功率變換模塊，功率變換模塊分別連接控制模塊和輸出模塊，控制模塊連接頻率振蕩發(fā)生模塊，輸出模塊上連接雙重過壓過流保護輸出模塊。所述電源箱的輸入電源可根據使用者現場情況分別提供交流660VU27V中的任意一種，次級為127V繞組提供給開關電源。輸入模塊與功率因數校正模塊連接包括變壓器、整流濾波器，其功能在于完成信號的濾波與整。功率因數校正模塊包括輸出電壓檢測電路、反饋補償和乘法器，實現降低高次諧波含量，實現抑制脈沖電流諧波，提高功率因數的功能，位于輸入模塊與功率變換模塊之間，應用于礦用127V電壓等級。功率變換模塊中包括電子開關和高頻變壓器，把直流電壓變換為方波脈沖，高頻方波脈沖電壓經二次整流與直流濾波后變成24V和27V 二路直流電壓輸出?？刂颇K控制將24V電壓用以驅動繼電器線圈控制外部設備；控制27V電壓可以提供給后備電池充電及充電管理，可以進行分壓、采樣與基準電壓比較，放大為控制信號去脈寬調制與驅動電路，還可以直接分出5路獨立DC-DC，最終經5路獨立雙重過壓過流保護，產生系統所需要的5路18V本安電源輸出。頻率振蕩發(fā)生模塊包括鋸齒波頻率振蕩發(fā)生器，產生頻率振蕩高頻信號，與控制信號疊加進行脈寬調制。雙重過壓過流保護輸出模塊實現輸出電壓的雙重過壓過流保護輸出。本實用新型裝置還配備有備用電池，以便在斷電時備用電池提供穩(wěn)壓電源實現不間斷供電，當交流供電正常時，備用電池處于浮充電狀態(tài)，當交流電停電時備用電池立即投入工作，維持分站與傳感器連續(xù)工作2小時以上。當接收到外部給出控制信號時，可控制相應繼電器動作，切斷或接通被控設備電源。使用時根據現場條件，將電源箱放置在設備架上，引入相應的交流電源，把16芯通信電纜同所在礦用分站相連，將電源箱外殼可靠接地。本實用新型的基本工作原理為輸入電壓經由變壓器降壓、整流橋整流、電解電容 濾波后，再經穩(wěn)壓環(huán)節(jié)得到穩(wěn)定的電源輸出，同時為滿足安全性能要求，采用雙重過流過壓保護，使輸出滿足安全性能要求。輸入電壓660V或127V，額定輸出電壓DC18V，額定輸出電流300mA，過壓保護輸出值小于等于19V，過流保護輸出值小于等于350mA，輸出繼電器4組，繼電器觸點的容量為AC36V，5A。具體的工作過程為煤礦交流660V或127V電壓經變壓器變壓17后轉換為交流127V電壓，通過交流濾波器進行低通濾波1，同時起到隔離內外電路的相互干擾，經全橋電路進行一次整流2，輸出的直流脈動電壓后進入功率因數校正環(huán)節(jié)3，提高功率因數后進入功率變換環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)由電子開關和高頻變壓器實現(開關調整4)，功能為將直流電壓轉換為受控的高頻方波脈沖電壓。高頻方波脈沖電壓經二次整流5與直流濾波6后變成直流電壓輸出，產生的直流電壓分為兩路，其中一路為直流24V，用以驅動繼電器線圈控制外部設備7。另一路為27V，該路電壓的主要作用有三個，一為提供電池的充電電壓及充電管理8 ;二為分出5路獨立DC-DC，并經5路獨立雙重過壓過流保護15，產生系統所需要的5路18V本安電源輸出；三為經分壓、采樣9后輸出到控制電路，與電路的基準12進行比較10，放大為控制信號去控制脈寬調制與驅動電路11，使輸出電壓保持穩(wěn)定。鋸齒波頻率振蕩發(fā)生器產生的高頻波段信號13與控制信號疊加進行脈寬調制。如圖2所示，主電路為兩路輸出單端反激式，開關器件和PWM控制采用集成的控制芯片KA5L0380R，KA5L0380R芯片由高壓800V功率MOSFET開關管和電流控制模式PWM集成芯片組成，PWM控制器集成了固定頻率的振蕩器、欠壓鎖定、開通和關斷的優(yōu)化驅動、熱關斷保護、過壓保護、溫度補償以及故障保護電路等。集成芯片KA5L0380R和分離的MOSFET和PWM控制器相比，能減小總的器件數量、體積和重量，同時增加了效率和系統可靠性。圖2中芯片KA5L0380R的D管腳為MOSFET的漏極，G管腳為MOSFET的源極，同時也是該芯片的地，VCC為芯片的工作電壓，由直流母線電壓經R12、R13和電容C9得到，該電壓最大為30V。FB管腳接反饋電壓，光電耦合器LTV817、可調精密電壓基準源TL431和C13組成一個負反饋閉環(huán)系統。通過電阻R7和R8構成的輸出電壓采樣電路，將電壓信號與TL431內部2. 5V的電壓基準進行比較而形成的誤差電壓來改變光電耦合器中LED流過的電流，即控制光接受三極管的開度，從而使KA5L0380R發(fā)出PWM控制信號，調節(jié)KA5L0380R的輸出占空比范圍使用輸出電壓保持不變，最終達到穩(wěn)壓的作用。功率因數校正電路主要由集成功率因數校正芯片SA7527、MOSFET開關管FQPT4N90、電感TX2 —次繞組、電容C15組成的升壓斬波電路。功率因數校正器采用集成芯片SA7527是一個簡單但是高效的功率因數校正電路，除了具有通用的PWM控制芯片的功能外，還提供了精確的過電壓保護、調整零電流檢測器、一個乘法器、內置啟動定時器、R/C濾波器、可校正的I. 5%內部帶隙基準、欠電壓鎖定、輸出驅動器鉗位電路，啟動電流和工作電流低。此外還有特殊的防擊穿電路。此電路所需體積小，功耗低，外圍器件少的高密度電源。集成功率因數校正器SA7527的INV管腳為誤差放大器的倒相輸入，R9、R11、R12、RV2構成輸出電壓檢測電路，檢測電壓輸入到管腳INV。管腳EA即EA_0UT，為誤差放大器的輸出管腳，此管腳通過電容C7和INV管腳之間連接，成為一個反饋補償網絡。MULT為乘法器輸入管腳，電阻Rl、R2和R3構成整流輸出采樣信號接入SA7527乘積運算的一輸入端 MULT腳。CS為PWM比較器的輸入管腳。MOSFET管電流經過電阻R9后，轉變?yōu)殡妷禾峁┙oCS管腳。Idet為零電流檢測輸入管腳。GND為接地管腳。OUT為閾值驅動器輸出管腳，這個推挽輸出級的峰值電流500mA可以驅動功率MOSFET管。電路中OUT端通過電阻R8接到MOSFET的柵極。管腳VCC為芯片的工作電壓輸入管腳，通過直流母線電壓經R4、R5和電容C6獲得。工作時，升壓斬波輸出電壓檢測值通過管腳INV與內部參考電壓經誤差放大器調節(jié)輸出，輸出信號與整流輸出電壓信號(正弦電壓的絕對值，一個周期內脈動兩次)經管腳MULT進入乘法器進行相乘，相乘的結果作為電流參考值。而回路實際電流由電阻RlO接入管腳CS，并與參考值比較進行電流控制，輸出占空比按正弦規(guī)律變化的PWM信號，且與輸入電壓同相。該信號由OUT管腳經電阻R8接到MOSFET的柵極，控制MOSFET按正弦規(guī)律開通和關斷，從而控制流過電感的電流波形為正弦波的絕對值，從而使輸入電流的波形為正弦波，且輸入電壓同相，輸入功率因數接近I。盡管已示出和描述了本實用新型的優(yōu)選實施例，可以設想，本領域的技術人員可在本實用新型的精神和范圍內設計對本實用新型進行各種修改。
權利要求1.一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源，包括電源箱、輸入模塊、功率變換模塊、控制模塊、頻率振蕩發(fā)生模塊、雙重過壓過流保護輸出模塊，其特征在于還包括由輸出電壓檢測電路、反饋補償和乘法器組成的功率因數校正模塊，電源箱接輸入模塊經功率因數校正模塊連接功率變換模塊，功率變換模塊分別連接控制模塊和輸出模塊，控制模塊連接頻率振蕩發(fā)生模塊，輸出模塊上連接雙重過壓過流保護輸出模塊。
2.如權利要求I所述的一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源，其特征在于所述的功率因數校正模塊應用于礦用127V電壓等級。
3.如權利要求I和2所述的一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源，其特征在于功率因數校正模塊使用集成功率因數校正器SA7527。
專利摘要本實用新型涉及礦用隔爆兼本安開關電源，尤其涉及煤礦井下帶功率因數校正環(huán)節(jié)的隔爆兼本安開關電源，具體為一種具有功率因數校正的隔爆兼本安開關電源。解決了現有礦用隔爆兼本安開關電源存在電網功率因數較低、不易滿足煤礦本質安全電路要求以及可靠性較低的問題，包括電源箱、輸入模塊、功率變換模塊、控制模塊、頻率振蕩發(fā)生模塊、雙重過壓過流保護輸出模塊，還包括功率因數校正模塊，輸入模塊經功率因數校正模塊連接功率變換模塊，功率變換模塊分別連接控制模塊和輸出模塊，控制模塊連接頻率振蕩發(fā)生模塊，輸出模塊上連接雙重過壓過流保護輸出模塊。本實用新型具有提高功率因數、可靠性高、節(jié)能安全省電等優(yōu)點。
文檔編號H02H7/10GK202565158SQ20122020878
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權日2012年5月10日
發(fā)明者田振東, 張光峰, 馮偉政, 范斌, 程志, 姜騎 申請人:山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司