矿用127V交流电源的制作方法

本发明涉及矿井电源设备，特别涉及一种矿用127v交流电源。

背景技术：

在煤炭行业中，矿用127v交流电源一直是我国煤矿井下广泛使用的一种电源，而且在今后相当长的时期内，井下的照明、安全监控和信息采集都要依赖于127v交流电源。服务于照明、安全监控和信息采集的供电系统是煤炭安全生产生活的重要保证，传统矿用127v交流电源系统主要由转换电源、馈电线、分区开关、回流线等部分组成，转换电源多是由工频变压器串接保护和检测装置构成，其功能单一，非单位功率因数运行，体积庞大，防爆成本高，且电网电压的升高，跌落以及谐波均会在127v交流电源的输出侧电压中反映，同时由于变压器内阻的存在，使得传统127v交流电源的输出电压又随着负载的变化而变化，所有上述问题使得传统127v交流电源的输出电压质量较差。另外，传统127v交流电源系统由于没有配套相应储能系统，因此一旦供电网络故障断电，传统127v交流电源系统也不具备继续供电的能力。

煤矿127v交流电源网络上除了照明设备之外，还包括各种分区开关，瓦斯信号报警器，对讲装置和一系列传控装置等。由于传统变压器无法抑制电网的波动，一旦过压或者欠压，这些设备无法工作在额定状态之下。当主电网电压波动大，出现高压尖峰，尽管持续时间很短，但还是有足够能量损坏这些设备。同时，在向非线性负载供电时，大量的无功和谐波将被注入电网，严重污染电网。因此，一种既能消除电网波动影响又能够实现单位功率因数运行，且当电网故障断电后仍能维持一段时间稳定供电的127v交流电源，对提高煤矿安全和有效信息采集有着重要意义，而目前还没有这种电源产品出现。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述缺陷，设计一种具有高电能质量、输出稳定、单位功率因数运行且在电网断电时仍能进行一段时间稳定供电的矿用127v交流电源。

为达到上述目的，本发明提供的矿用127v交流电源，包括交流接触器、电压互感器、电流互感器、整流电路、高频隔离dc/dc变换器、逆变电路和数字微处理器。外接交流电源经交流接触器接至整流电路，整流电路向高频隔离dc/dc变换器电路原边输入稳定直流电压。直流电压经过高频隔离dc/dc变换器后产生稳定隔离直流电压向储能模块和逆变电路供电，最后由逆变电路输出稳定交流127v电源。电压互感器接于高频隔离dc/dc变换器的副边及逆变电路的输出端，电流互感器接于逆变电路输出回路和交流接触器与整流电路之间，交流接触器、电压互感器、电流互感器分别与微处理器相连，高频隔离dc/dc变换器输出直流电压(ud)和逆变电路交流输出电压(uout)反馈接至数字微处理器，数字微处理器的控制信号分别接至交流接触器、整流电路和逆变电路。

本发明矿用127v交流电源，所述微处理器设有用于与上位机进行数据传输的rs232接口或can总线接口。

本发明矿用127v交流电源，所述整流电路由vienna整流器构成：

三开关vienna整流器：由可控电力电子开关器件(sa、sb、sc)和续流二极管(vd)构成。

六开关vienna整流器：由六个电力电子开关器件(s±a、s±b、s±c)和续流二极管(vd)构成。

本发明矿用127v交流电源，所述整流电路由三相pwm整流器构成：由六个电力电子开关器件(s1-s6)和续流二极管(vd)构成。

本发明矿用127v交流电源，所述数字微处理器设有cpu和与其相连的：

ad转换模块，用于将电压互感器和电流互感器的模拟信号转换为数字信号；

pwm驱动模块：用于向vienna整流器(三开关/六开关)或三相pwm整流器及逆变电路电力电子开关器件输出pwm触发信号；

保护模块，用于判断交流127v电源输出是否存过流、过压或欠压等异常状态，并输出控制信号关断pwm模块和交流接触器；

通信模块：用于将电压、电流和功率等信息上传至上位机，进行信息监测并读取上位机指令。

本发明矿用127v交流电源，所述高频隔离dc/dc变换器由m(m＝1，2，3…)个全控h桥和m(m＝1，2，3…)个二极管整流桥和高频变压器m级输入串联输出并联构成，能量单向流动。

本发明矿用127v交流电源，所述高频隔离dc/dc变换器由2n(n＝1，2，3…)个全控h桥和n(n＝1，2，3…)个高频变压器m级输入串联输出并联构成，能量双向流动。

本发明矿用127v交流电源，所述频隔离dc/dc变换器驱动信号，由高频脉冲发生器产生，形成开环控制。

本发明矿用127v交流电源，所述整流电路，由高频隔离dc/dc变换器输出直流电压(ud)作为直流反馈电压，形成两级电路一级控制，该控制可以达到：

交流侧单位功率因数运行；

高频隔离dc/dc变换器(5)输出稳定直流电压(ud)。

本发明矿用127v交流电源，所述储能模块，由超级电容器、蓄电池或超级电容器和蓄电池混合构成。

本发明矿用127v交流电源，所述逆变电路，由z(z＝1，2，3…)个单相全控h桥或z(z＝1，2，3…)个三相全控桥构成。

本发明矿用127v交流电源的优点和积极效果在于：由于设置了交流接触器、电压互感器、电流互感器、整流电路、高频隔离dc/dc变换器、储能模块、逆变电路和数字微处理器，因而不需网侧电压检测即可单位功率因数运行；功率密度高且电源高频隔离；抑制网侧电压波动能力强，当现场主电网电压波动时，通过调整输出脉冲的占空比，实现交流电压的稳定输出，给企业生产和用户提供稳定127v交流电压。

同时，采用数字微处理器和上位机，实现智能化处理，可以对输出电流和交流输入电压进行采样，当超过设定保护值时系统迅速切断主电路的交流接触器，从而提高煤矿井下127v交流电源的安全性。同时，储能模块的增加又可以在电网掉电时仍能正常的进行一段时间的工作，这对矿井安全及异常数据采集都具有重大意义。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明矿用127v交流电源的方框图；

图2是三相pwm整流器的电路原理图；

图3是实施例中三开关vienna电路的电路原理图；

图4是六开关vienna电路的电路原理图；

图5是能量单向流动的高频隔离dc/dc变换器m级输入串联输出并联示意图；

图6是能量双向流动的高频隔离dc/dc变换器n级输入串联输出并联示意图；

图7是实施例中能量单向流动且m＝1的高频隔离dc/dc变换器电路原理图；

图8是单相pwm逆变电路z级输入并联输出串联示意图

图9是三相pwm逆变电路z级输入并联输出串联示意图

图10是实施例中单相pwm逆变器电路原理图；

图11是实施例中vienna电路的等效电路原理图；

图12是实施例中vienna电路的单周期控制示意图；

图13是实施例中新型矿用127v交流电源的a相输入电压及电流波形图；

图14是实施例中新型矿用127v交流电源的三相电流输入波形图；

图15是实施例中新型矿用127v交流电源的高频隔离dc/dc变换器输出电压波形图；

图16是实施例中新型矿用127v交流电源的输出波形图。

具体实施方式

这里提供本发明矿用127v交流电源的一种实现方案，下面结合附图详细说明本发明矿用127v交流电源的实施例。

实施例：

参照图1，本发明矿用127v交流电源，包括交流接触器(1)、电压互感器(2)、电流互感器(3)、vienna整流电路(4)、高频隔离dc/dc变换器(5)、储能模块(6)、逆变电路(7)、数字微处理器(8)和上位机(9)。外接交流电源经交流接触器(1)接至vienna整流电路(4)，vienna整流电路(4)向高频隔离dc/dc变换器电路(5)原边输入稳定直流电压。此后，高频隔离dc/dc变换器(5)副边产生稳定且与原边隔离的直流电压，该直流电压向储能模块(6)和逆变电路(7)供电，最后由逆变电路(7)输出稳定的交流127v电压。电压互感器(2)接于高频隔离dc/dc变换器(5)的副边及逆变电路(7)的输出端，电流互感器(3)接于逆变电路(7)输出回路和交流接触器(1)与vienna整流电路(4)之间，交流接触器(1)、电压互感器(2)、电流互感器(3)分别与微处理器(8)相连，高频隔离dc/dc变换器(5)输出直流电压(ud)和逆变电路(6)交流输出电压(uout)反馈接至数字微处理器(8)，数字微处理器(8)的控制信号分别接至交流接触器(1)、vienna整流电路(4)和逆变电路(7)。

整流电路(4)可以由pwm整流器或vienna整流器构成，其中pwm整流器如图2所示，由六个电力电子开关器件(s1-s6)和续流二极管(vd)构成。本例采用vienna整流器形式如图3，vienna整流器可以采用两种电路形式：参阅图3，在第一种vienna整流电路(4)中，电路由可控电力电子开关器件(sa、sb、sc)和续流二极管(vd)构成；参阅图4，在第二种vienna整流电路(4)中，电路由可控电力电子开关器件(s±a、s±b、s±c)和续流二极管(vd)构成，以上电力电子开关器件的触发电路仍受控于数字微处理器(8)，整流和调压功能在此电路中实现。

高频隔离dc/dc变换器(5)可以采用两种电路形式：参阅图5，在第一种高频隔离dc/dc变换器(5)中，电路由可控电力电子开关器件(k1-k8)、续流二极管(vd)、整流二极管(vdz)和高频变压器构成基本模块，以输入串联输出并联的方式进行m(m＝1，2，3…)级连接；参阅图6，在第二种高频隔离dc/dc变换器(5)中，电路由可控电力电子开关器件(k1-k8)、续流二极管(vd)和高频变压器构成基本模块，以输入串联输出并联的方式进行n(n＝1，2，3…)级连接。本例使用的高频隔离dc/dc变换器(5)如图7，为图5中m＝1时的电路示意图。以上电力电子开关器件的触发电路由高频脉冲发生器构成，开环控制，高频隔离功能在此电路中实现。

逆变电路(7)可以采用两种电路形式：参阅图8，第一种为单相pwm逆变电路，电路由可控电力电子开关器件(s1-s4)和续流二极管(vd)构成基本模块，形成z级输入并联输出串联；参阅图9，在第二种三相pwm逆变电路中，电路由可控电力电子开关器件(s1-s6)和续流二极管(vd)构成基本模块，形成z级输入并联输出串联。本例使用的逆变电路(7)如图10，为图8中z＝1时的电路示意图。以上电力电子开关器件的触发电路仍受控于数字微处理器(8)，逆变功能在此电路中实现。

数字微处理器(8)设有cpu和与其相连的下述模块：

ad转换模块，用于将电压互感器(2)和电流互感器(3)的模拟信号转换为数字信号；

pwm驱动模块：用于向可控电力电子开关器件(sa、sb、sc)和逆变电路电力电子开关器件输出pwm触发信号；

保护模块，用于在过压或过流时关断pwm模块和交流接触器(1)；

比较模块：用于判断交流127v输出是否存过流、过压或欠压等异常状态，并输出控制信号至定时模块和保护模块。

在本发明矿用127v交流电源的实施例中，数字微处理器(8)还设有用于与上位机(9)进行数据传输的rs232接口。

下面结合附图详细说明发明矿用127v交流电源的工作过程：

首先分析两级模块一级控制的工作过程：

三相三线制的维也纳的两种拓扑在原理和运行状态上完全一致，只是用一个受控器件代替了两个续流二极管，故以第一种为例进行分析，三相三线制的维也纳拓扑如图3所示，图中ea、eb、ec为整流器三相输入电源电压；ila、ilb、ilc为三相输入电流；la、lb和lc分别为三相输入滤波电感且大小相等，即la＝lb＝lc＝l；cf1、cf2为直流侧滤波电容，且电容大小相等均为cf；u0为直流侧输出电压；rl为直流输出侧负载；qa、qb、qc为a、b、c三相对应的三个功率开关管，相应的占空比为da、db、dc。忽略开关器件的开关损耗、导通压降和分布参数的影响，其等效模型如图11所示。图中uan、ubn和ucn为整流桥臂中点到输出电容的中点的周期平均电压。

当变换器的工作频率远远大于三相电源的基波频率时，变换器在准稳态模式下，即在多个相邻的开关周期内，三相工频输入电压可以等效为直流输入电压。考虑到交流侧的滤波电感在变换器的一个周期内满足伏秒平衡原理，基于以上条件可得：

其中uao、uao和uao分别为整流桥臂中点到三相输入电源中点的周期平均电压。

由于变换器的工作频率很高，且滤波电感本身感值很小，此时可以忽略电感得：

在三相平衡无中线系统中：

ea+eb+ec＝0(3)

由图11易知：

其中uno为三相输入电源中点到输出电容的中点的周期平均电压。

由式(2)、(3)和式(4)可得：

由式(3)和式(5)可得：

整流桥臂中点到输出电容的中点的周期平均电压uan、ubn和ucn可以表示为：

其中sign()为符号函数，以a相为例，则有：

联立式(6)和式(7)得：

单位功率因数的核心是使得变换器交流侧的电压与电流保持同相位，即可以从交流侧将变换器看成一个等效电阻re，则有：

由于式(9)中的系数矩阵为奇异矩阵，故方程没有唯一解，其中的一组解为：

其中rs为电流传感器的采样电阻；um＝u0rs/(2re)为电压控制器的稳态输出量。

根据式(11)得单周期控制的核心控制方程为：

单周期控制系统采用电压电流双闭环控制，其中外环采样输出电压并进行闭环控制，电压调节器输出信号作为载波幅值并由载波生成电路产生载波信号。其中载波生成电路可由带复位的积分器、脉冲发生器等模拟器件构成实现。等比例采样整流器三相输入相电流，并对输入相电流信号取绝对值，将该信号直接作为调制信号与载波信号相交割得到各个开关管的占空比控制信号。

为了提高控制效率且降低高压侧电容，本文提出了一种基于整流级-高频隔离dc-dc协调控制策略，该策略以固定占空比开环控制高频隔离dc-dc电路，此时高频隔离dc-dc变换器可等效为一个与占空比和变压器变比有关的具有比例系数k的比例环节，高频隔离dc-dc变换器的原边电压与副边电压关系为：

ud＝kuo(13)

因此，通过控制高频隔离dc-dc输出侧电压就可以控制维也纳电路直流侧电压，这种控制方式不仅大大简化了控制结构，而且还可以大大的降低维也纳变换器直流输出侧电容。图12为基于该控制方式的系统控制框图。

另外对于逆变电路，包括本例使用的单相全桥逆变电路，其控制技术和原理已经相当成熟，因此在这里不在赘述。

为了证实该电路的有效性，参考工业实际对电路进行了仿真，其主要参数如表1所示。

表1仿真主要参数

tab.1simulationofthemainparameters

其仿真输出波形如图13、图14、图14、图15和图16所示，且负载在0.2秒处由半载加至满载。图13为a相电流和a相仿真波形，可以看出系统为单位功率因数运行；图14为三相电流仿真波形，为三相正弦互差120度，可知系统整体都运行于单位功率因数；图15为高频隔离dc/dc变换器输出端电压。可以看到对于负载扰动具有很好的抑制，对电网没有污染，图16是逆变电压，可以看到在全仿真周期都具有良好的稳定性。

本发明矿用127v交流电源，不需要检测输入的三相交流电压，仅检测三相交流输入电流来调整输出脉冲的占空比，从而实现单位功率因数下的交直流变换，并且输出一种与电网隔离的127v稳定交流电源。采用数字微处理器和上位机，可方便地对系统的输出电压和掉电保护时间进行设定，实现智能化控制，系统的可靠性和实用性大大提高。

采用微处理器对逆变电路输出电压、输出电流和电压进行采样，当任意一项检测值越过设定保护值，系统能够迅速切断主电路的交流接触器，从而实现过流和过压保护，大大提高煤矿照明和检测系统的安全性。

另外，微处理器可将检测到的数据参数传到上位机，上位机能够将数据通过液晶显示器显示或上传到总控中心，出现保护故障时还可以声光报警，并记录故障发生的时间和当时的故障类型及故障值。由于这些为已知技术，这里不再赘述。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。