王超峰

(潞安集團(tuán) 潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000)

煤礦井下使用的本安電源具有電壓輸出質(zhì)量高和紋波小的特點(diǎn)，被許多煤礦采用，但隨著井下生產(chǎn)能力提高，需求不斷提升，本安電源電路中的功率管功耗大、發(fā)熱高，輸出電容易引發(fā)短路爆炸，電源電壓變壓器體積龐大，不僅需要額外增加電源防爆外殼，而且造價(jià)高昂，井下電網(wǎng)電壓波動(dòng)明顯，引起變換器適應(yīng)性極差[1]。為了優(yōu)化煤礦井下本安電源電路，設(shè)計(jì)了整流濾波和控制電路，并優(yōu)化了電源電路散熱結(jié)構(gòu)，基于NCP1207控制的電源電路適合高低壓功率以及危險(xiǎn)場所[2]，結(jié)構(gòu)簡單，控制準(zhǔn)確，確保了井下電源電路安全，不僅可為礦井降低成本，還為煤礦安全生產(chǎn)奠定了安全基礎(chǔ)。

1 本安電源電路總體優(yōu)化方案

為了解決礦井電源電路功率耗損、發(fā)熱嚴(yán)重、輸出電流容易發(fā)生短路爆炸、變壓器體積大、電壓波動(dòng)明顯等問題，本文提出基于NCP1207控制本安電源電路。圖1為礦井本安電源電路總體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，被輸入到濾波整流電路的電壓范圍在85～265 V，進(jìn)入整流電路為交流電壓，經(jīng)過濾波器整流后，交流電壓在高頻逆變器作用下降壓為三個(gè)電路輸出電壓，輸出的電壓必須要經(jīng)過本安雙重過壓過流保護(hù)[3]才能達(dá)到優(yōu)化要求。采集電壓信息設(shè)置在DC/DC1(DC2、DC3)的輸入端，反饋電路將輸入端的電壓值傳輸至NCP1207控制芯片，控制芯片根據(jù)電壓值判斷，進(jìn)而調(diào)節(jié)占空比，改變適合電壓的開關(guān)導(dǎo)通頻率，迫使高頻變壓器輸出較為適宜的電壓，滿足本安電源電路電壓允許范圍。NCP1207控制芯片本身是不具有供電的內(nèi)部電源，需要依靠外部給其供電才能工作，整個(gè)本安電源電路是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，輸入與輸出之間相互約束，才能達(dá)到安全、可靠的井下供電。

圖1 本安電源電路總體優(yōu)化方案

2 整流濾波電路和控制電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 整流濾波電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

礦井電源電路中的功率管功耗大，輸出電流容易引發(fā)短路爆炸，電源電壓變壓器體積龐大，井下電網(wǎng)電壓波動(dòng)明顯，引起變換器適應(yīng)性極差。圖2為基于NCP1207控制芯片的本安電源電路整流濾波電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保護(hù)電路由熱敏電阻、熔斷器、壓敏電阻共同構(gòu)成，出線端E接地，共同作用確保本安電源電路安全。安規(guī)電容C1、C4、C5屬于X型系列，作用是消除電路中電流差值干擾；安規(guī)電容C2、C3屬于Y型系列，與中性線接地極E相連，防止電路中電流過高對電感造成影響。在電容C5后面的電源電路中不再添加整流，電容C5兩端的交流電已經(jīng)整流為紋波直流電[4]，可以直接輸入到高頻逆變器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本安電路整流濾波作用。

圖2 整流濾波電路優(yōu)化方案

2.2 基于NCP1207控制電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

NCP1207屬于PWM電源控制芯片，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，開關(guān)狀態(tài)可以在零電壓和零電流下進(jìn)行，是一種高效低耗的電子控制芯片。NCP1207電源電子控制芯片內(nèi)部集成了退磁檢測功能的電路，NCP1207電源電子控制芯片中的“跳過周期”能夠降低本安電源電路中的空載損耗，顯著提升電源電路工作成效。若發(fā)生電壓突變或者波動(dòng)等突發(fā)情況，NCP1207電源電子控制芯片可以有效控制本安電源電路中突變的峰值電流，抑制電流在較小范圍內(nèi)變化或者波動(dòng)，且不會(huì)對整個(gè)電源電路產(chǎn)生額外的噪聲[5]，本安電源電路中的NCP1207電源電子控制芯片如圖3所示。

圖3 NCP1207電子芯片

基于NCP1207芯片控制優(yōu)化后的電源電路如圖4所示。整流濾波電路將輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，直流電可以為功率開關(guān)提供動(dòng)力[6]。脈寬調(diào)制器生成的脈沖驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O或者基極，柵極是用來驅(qū)動(dòng)電源電路中場效應(yīng)的，而基極是用來驅(qū)動(dòng)電源電路開關(guān)管的?；鶞?zhǔn)電壓、比較器、誤差分析器、信號放大器、鋸齒發(fā)生器等構(gòu)成了脈寬調(diào)制器，脈寬調(diào)制器屬于NCP1207控制芯片的一部分。脈寬調(diào)制器將本安電源電路中電壓信號調(diào)質(zhì)，并與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行對比、分析、放大，差值結(jié)果傳輸至NCP1207芯片。脈寬調(diào)制器頻率保持不變，表示其處于正常的工作狀況，一旦本安電源電路輸出電壓V0變小，NCP1207控制芯片將會(huì)促使脈寬調(diào)制器新建與基準(zhǔn)電壓比較差值。比較的電壓差值經(jīng)過放大器放大后傳輸至比較器中，在NCP1207芯片控制下將電壓信號脈沖寬度增寬。增寬的電壓脈沖通過開關(guān)管繼續(xù)傳輸給變壓器，經(jīng)過變壓器作用升高電壓，磁芯進(jìn)一步耦合升高的電壓，此時(shí)的電壓經(jīng)過高頻變壓器轉(zhuǎn)換到變壓器次級側(cè)，次級側(cè)有二極管，經(jīng)過二極管整流和電容C2濾波后，最終得到井下機(jī)械設(shè)備需要的穩(wěn)定、平穩(wěn)、安全的電壓。需要較低輸出電壓時(shí)，其調(diào)節(jié)與控制過程正好相反。這就是整個(gè)基于NCP1207技術(shù)調(diào)節(jié)控制電源電路的基本原理，也確保了井下安全供電，實(shí)現(xiàn)了井下本質(zhì)安全型的電源電路。

圖4 基于NCP1207芯片控制的電路

3 本安電源電路中散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 梳理發(fā)熱源

煤礦井下本安電源電路中的二極管、整流器、電容、濾波器、變壓器、電感和開關(guān)管在工作時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大熱量，如果熱量過大不僅會(huì)損壞電路中的電器，而且還會(huì)對供電安全造成威脅，為了減小或者降低電源電路中熱量，確保井下電路安全，應(yīng)合理布置電路中的器件，每個(gè)器件之間要有合適的距離，保障器件散發(fā)熱量相互不影響。

NCP1207芯片控制的脈寬調(diào)制器、基準(zhǔn)電壓源、電源電壓與電流信號轉(zhuǎn)換的光耦器均會(huì)在本安電源電路發(fā)熱，這些器件內(nèi)部腔體發(fā)熱變形，嚴(yán)重影響芯片信號的接收、分析、處理，為了降低器件熱穩(wěn)定性，采用DIP材料封裝器件，并促使光耦轉(zhuǎn)換器懸空，減小受PCB板熱量影響。

3.2 散熱優(yōu)化

隨著井下機(jī)械設(shè)備使用量增加或者長期工作，本安電源電路以及電路中的器件產(chǎn)生的熱量就會(huì)增加，對于電能或者電源電路本身來說損耗就相當(dāng)高。為了確保本安電源電路使用安全，降低電源和電路中器件溫度，進(jìn)一步提高井下供電安全，散熱優(yōu)化措施為：一是在本安電源處增設(shè)防爆風(fēng)扇，采用自動(dòng)監(jiān)測裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)扇運(yùn)行參數(shù)，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸給控制中心，控制中心根據(jù)風(fēng)扇工作狀態(tài)將信息反饋給NCP1207芯片調(diào)控電路；二是給控制板添加裸銅，及時(shí)將器件和NCP1207芯片的熱量散發(fā)；三是本安電源電路的電線、器件盡可能選擇耐高溫和性能可靠的器材；四是在電氣設(shè)備密集區(qū)增設(shè)風(fēng)門，及時(shí)將電氣設(shè)備產(chǎn)生熱量散發(fā)開，確保電氣設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

基于NCP1207技術(shù)調(diào)控的本安電源電路通過在井下試驗(yàn)，良好地解決了本安電源電路功率耗損、發(fā)熱嚴(yán)重、變壓器占用空間大等問題，穩(wěn)定了電網(wǎng)中電壓波動(dòng)，減小了礦井供電成本，為礦井安全供電提供了保障。

4 結(jié) 語

1) 針對目前電源電路功率耗損、變壓器占用空間大、電壓波動(dòng)明顯等問題，分別提出了整流濾波電路優(yōu)化和基于NCP1207技術(shù)控制的電路優(yōu)化，良好地解決本安電路存在的缺陷。

2) 對于本安電路發(fā)熱嚴(yán)重的問題，梳理了發(fā)熱源頭，并提出了相應(yīng)的散熱優(yōu)化措施，確保了礦井本安電源電路穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行。