矿用高压开关永磁控制器电源分析与设计.pdf

第 4 l 卷 第 1 2期 2 0 1 5年 1 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y an d M i ne Au t oma t i o n Vo 【 ． 41 NO ． 1 2 De c ． 2 O l 5 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 1 2 0 0 1 2 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ．i s s n ．1 6 71 25 1 x． 2 01 5 ．1 2． 0 0 4 杨生元． 矿用高压开关永磁控制器电源分析与设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 2 1 2 1 5 ． 矿用高压开关永磁控制器电源分析-q设计 杨 生 元 1 ． 中煤科工集团常州研究 院有限公司 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天地 常州 自动化 股份 有 限公 司 ，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘要 分析 了现有矿用高压开关永磁控制 器电源现状， 指 出现有产品可靠性差、 电磁干扰 大、 动作时间 长； 提 出了一种将有源功率因数校正技术应用于矿用高压开关永磁控制器电源的设计思路 ， 并给 出了一种基 于 ML 4 8 2 4的 电源设计 方案 。该设 计 方案 实测 电路 功 率 因数 为 0 ． 9 8 ， 输 出纹 波 电压为 2 ． 4 V， 对 交流侧 的谐 波干扰 可忽略 ； 用 于矿 用高压 开关 永磁 控 制 器时缩 短 了 电容 充 电时 间 ， 且 永磁 控 制 器分 闸时 间达到 了地 面 同 等 水平 。 关键 词 矿 用 高压 开 关 ； 永磁 控 制 器 ；电源 ； 有 源功 率 因数 校 正 中图分类 号 T D 6 0 2 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 1 2 0 4 1 5 3 5 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 1 2 0 4 ． 1 5 3 5 ． 0 0 4 ． h t ml Ana l y s i s o f p o we r s o ur c e o f p e r ma ne n t ma g n e t i c c o n t r o l l e r f o r mi n e u s e d h i gh v o l t a g e s wi t c h a nd i t s de s i g n YAN G 1． CCTEG Cha ng z h ou Re s e a r c h 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n S he n gy ua n ， 。 I ns t i t ut e，Ch a ng z ho u 21 3 01 5，Chi na； Co． ，Lt d． ，Ch a ng z h ou 2 1 3 01 5，Chi na Ab s t r a c t Exi s t i ng s t a t u s of p o we r s o ur c e o f pe r ma ne nt ma gn e t i c c o n t r ol l e r f o r m i ne us e d hi gh v o l t a ge s wi t c h wa s a n a l yz e d wi t h a c o nc l u s i on t h a t e x i s t i ng p r od uc t s we r e po o r i n r e l i a b i l i t y ， l a r ge i n e l e c t r o ma gn e t i c i n t e r f e r e nc e a n d l on g i n a c t i o n t i me． A d e s i gn s c h e me of p o we r s ou r c e o f pe r m a n e n t ma gn e t i c c on t r ol l e r f o r mi ne u s e d h i gh v o l t a g e s wi t c h wa s p r o p os e d b y us e o f a c t i ve p owe r f a c t o r c or r e c t i o n t e c hn ol o g y a s we l l a s a de s i g n e x a mpl e ba s e d o n M I 4 8 2 4．Th e de s i gn e x a mpl e h as a c t ua l p owe r f a c t or o f 0． 9 8，o ut p ut r i p pl e wa ve v o l t a g e o f 2． 4 V a nd a l i t t l e o f ha r mon i c wa v e i n t e r f e r e nc e ．The d e s i gn e xa mp l e s ho r t e ns c ha r gi n g t i me o f e l e c t r i c c a p a c i t y whe n i t i s us e d i n pe r ma n e nt ma g ne t i c c ont r ol l e r f or m i n e u s e d h i gh v o l t a ge s wi t c h， a nd ma ke s br e a ki n g t i m e of p e r ma ne nt ma g ne t i c c o nt r o l l e r a c h i e v e t h e s a me l e v e l of o ne s on t h e gr o un d． Ke y wo r ds mi ne u s e d h i gh v o l t a g e s wi t c h； pe r ma ne nt m a gne t i c c o nt r o l l e r ； po we r s ou r c e； a c t i v e po we r f a c t o r c or r e c t i o n 0 引言 真 空断 路器 永磁 机构 因成本 低 、 寿命 长 、 免 维护 等 优点 而广 泛 应 用Ⅲ 。 中 国稀 土资 源 丰 富 ， 研 发 和 生产 永磁 机构 的厂 家 众 多 ， 目前 绝 大 部 分在 生 产 的 矿用高压开关均采用真空断路器永磁机构。实际应 用证 明 ， 现 有矿 用高 压 开 关 永 磁 机 构普 遍 存 在 质 量 问题 ， 如 因电磁 干扰 严重 导致 可靠性 差 ； 因充 电不 足 收稿 日期 2 O l 5 一 O 9 2 0 ； 修回 日期 2 0 1 5 - 1 卜0 1 ； 责任编辑 李 明。 基 金项目 天地 常州自动化股份有限公司科研项 目 1 4 S Y 0 0 4 0 8 。 作 者简介 杨生元 1 9 7 5 ～ ， 男 ， 湖北荆州人 ， 电子设计1 程 师 ， 现 主要 从事煤 矿井下 电力监控 系统 以及 煤矿 电气 自动控 制方面 的研究 1 作 E ma i l y a n g s h e n g y u a n O O 1 2 6 ． C O I n。 2 0 1 5 年 第 1 2期 杨 生元 矿 用高压 开 关永磁 控制 器 电源分 析与 设计 1 3 导致 拒动 、 动作 时 间 超 长 ， 最 终 导致 矿 井越 级 跳 闸 ， 引起大面积停 电事故 ； 因 自身对 电压互感器输 出产 生强烈干扰 ， 导致矿用综合保护装置无法可靠工作 ， 严 重 影 响矿井 电网的安 全性 与可 靠性 。通 过反 复测 试 得 知 ， 造 成 上述 问题 的关 键 在 于 永 磁 控 制 器 核 心 组件 电源 的技 术 指 标 差 ， 分 析 得 出 主要 原 因 ① 大多 数矿 用 高压 开关 生产 厂家 采 用 通用 永 磁 控 制器 ， 未形 成 最 佳 匹 配 ； ② 永 磁 控 制 器 生产 厂 家 的 技术 大 多源 于地 面 中低 压 开 关 永 磁控 制器 ， 地 面永 磁控 制器 采用 专用 操 作 电源 ， 而矿 用 高 压 开 关永 磁 控制 器 的 电源 从 电压 互 感 器 上 取 电 ， 至 少 在 输入 电 源上 存在 较大 差别 ； ③ 矿 用高 压 开关 生 产 厂家 为追 求低成本 ， 无法保证产 品质量。有必要对矿用高压 开关 永磁 控制 器 电源 进 行 深 入 分 析 与研 究 ， 以 提 高 矿用 高压 开关 永磁 控制 器 的质量 。 1 矿用 高压 开关 永磁 控 制器 电源现 状分 析 矿用与地 面永磁控制 器 电源 的重要 区别 地 面永 磁控制器 的输入 电源 采 用独 立 、 稳 定 的 A C 2 2 0 V， 且 与继 电保 护单 元不 共 用 电源 ， 不 从 电压 互 感器 上 取 电 ； 矿用永 磁 控制 器 的输 入 电源 来 自电压 互感 器 二 次侧 输 出的 AC I O O V， 且 与矿 用 综合 保 护 装 置共 用 同一 电源 。因此 ， 二 者 在 设 计 上应 有 所 不 同 。然 而 大多 数矿 用永 磁控 制器 沿用 了地 面永 磁控 制器 的设 计 方 法 ， 采 用带 标 准输 入 范 围 AC 8 5 ～ 2 6 5 V 的反 激 式 AC ／ DC开关 电源 ， 会 引发 以下 问题 1 通 常 户 内永 磁 机 构 的 电容充 电 电压 为 DC 1 0 0 V， 而反 激式 AC ／ D C属 于 降压 型 开关 电源 ， 在矿井 电网过压时 电源能够正常工作 ， 但在欠压状 态 下无 法 保 证 稳 定输 出 DC 1 0 0 V。有 的 厂 家 为 保 证输出电压稳定 ， 甚至将充 电电压降低至 D C 8 0 V， 导致永磁机构有时不能可靠动作 。 2 地面永磁控制器选用的电容电压等级多为 2 5 0 V， 而矿用永磁控制器普遍选 用的电容电压等 级 为 1 0 0 V。另外 由于开关 电源 的纹波 与 噪声 均 较 大 ， 为保 护 电容 安全 ， 电 容一 直 处 于 未 充 满状 态 ， 因 此在分合闸时 ， 电容提供的脉冲电流产生 的加速度 远 不如 地面 永磁 控制 器 。地面 永磁 机构 短路 分 闸时 间规范要求为 1 0 ～2 0 ms ， 而矿用永磁机构的动作 时间没有规范要求 ， 通常测得空载分 闸时间为 3 O ～ 4 0 ms ， 短路 分 闸时 间则更 长 。实 际上矿 用永磁 机 构 的总体动作时间比弹簧机构长 2 0 ms 左右。矿用永 磁机 构不 如 地面永 磁 机 构 动 作 快 ， 这 是 造 成越 级 跳 闸故 障 的根本 原 因之 一 。经 过 一 轮 分 合 闸放 电后 ， 电容 电压下降幅度很大， 导致再充电时间长， 且电容 储能裕量普遍不足， 经过长期高温状态运行后 ， 储能 电容 的电解液有损失 ， 导致容量下降， 从而产生拒动 现象 。 3 由理论 计算 可 知 ， 当 电容 充 电 至 6 3 以上 时 ， 充 电时 间约 为 TRC C为充 电电容 容 量 ， R 为 电容 充 电 限流 电阻 ； 当 电容 充 电至 9 9 以上 时 ， 充 电时间约为 T一5 RC。以最 大充 电电流为 3 A计 算 ， 则 R一3 3 Q， 假设 C一2 2 0 0 0 F一0 ． 2 2 F， 机 构 动作后电压下 降至 7 O ， 则充电时间可估算为 T 2 9 S 。但 是反 激 式 开 关 电源 的输 出 电流 并 不 连 续 ， 只能在 开关 管关 断 期 间为 负载 提 供 能 量 ， 则充 电时 间会 比估 算 时 间 2 9 s 更 长 ， 无 法 满 足实 际充 电时 间要 求 不应 超过 1 0 s 。 4 绝大部分小功率 2 0 0 W 以下 AC ／ D C开 关 电源 的输入 电路均 为 桥 式 整 流 电 容滤 波 方 式 。 为 了在 系统 断 电后 能够 顺 利 完 成 分 闸操 作 ， 滤 波 电 容远 大 于普通 AC ／ D C开关 电源 的输 出滤 波 电容 容 量_ 5 ] ， 实测 电路功率因数只有 0 ． 5 ～0 ． 7 ， 且只有在 交流 侧 电压 高于 滤波 电容 电压 的极短 时 间 内才会 有 强脉 冲电流流过整流二极管 ， 电流波形是不连续的 脉冲波 ， 因此会在 电压互感器二次侧产生大量 电流 谐波 ， 引起 电压 波形 畸 变 。 当 电压 互 感器 输 出容 量 远远 超过 A C ／ DC的 输 入 功 率 或 有 无 功 补 偿 时 ， 这 种影响可以忽略。但矿用高压开关的电压互感器输 入容量通常只有 6 0 0 VA左右 ， 而反激式 AC ／ D C开 关 电源的电流峰值 系数 最大值／ 真有效值 一般为 2 ． 5 ～3 ． 0 ， 电压 互感 器输 出容 量根 本不 能满 足要求 ， 因此 在 电容充 电期 间 ， 电压 互 感 器 的输 出波 形会 产 生严重畸变， 导致保护测量不准确 ， 保护器出现动作 异常 、 误动 、 拒动等现象 。 5 反激 式 AC ／ D C开 关 电 源属 于 电压 控 制 型 电源 ， 电压 脉动 系数 为 2 ， 电流脉 动系 数为 4 ， 缺 点是 效 率低 ， 瞬 态 响应差 ， 对线 路干 扰大 。这 对永磁 控制 器 本身 的 电路设 计 ， 以及 与 之共 用 电源 的矿 用综 合 保护单元的电路设计提出了更高要求 ， 权衡利弊后 认 为对 永磁 控制 器 的电源 进行 改进更 方便 。 2 有 源功 率 因数 校正 技 术原理 有 源 功 率 因 数 校 正 Ac t i v e P o we r F a c t o r C o r r e c t i o n ，AP F C 是 指通 过 有 源 电路 提 高 功 率 因 数 ， 控制 开关 器件 使输 入 电流波形 跟 随 电压 波形 ， 使 电路 呈 阻性 。AP F C电路按 电流控 制模 式 可分 为 连 1 4 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 续 电流 控制模 式 与 非连 续 电流 控制 模 式 _ 4 ] 。AP F C 可显著 降低输 入 电 流峰 值 ， 降 低 输 入 电 网 的容 量要 求 ， 使输 入 电流连 续 ， 大 幅 降 低谐 波 含 量 ， 有 效 减 少 对 输入 电源 的“ 污 染 ” ， 减 小 输 入 滤 波 电路 的体 积 与 容 量 ， 有 效 防止 电网 电压 波形 畸变 、 过压 I 2 ] 。该 技术 已非 常成 熟 ， 应 用 十分 广 泛 。本 文 以应 用 较 多 的 连 续 电流 控制模 式 的升 压 电路 为 例 ， 简 要 说 明 AP F C 电路 的 工作过 程 。 图 1为 升 压 型 AP F C 主 电路 。其 实 际为 一 个 升 压A C ／ DC 开 关 电 源 主 电 路 ，其 中 P WM C O NTRO L模 块 为 A P F C 控 制 电路 ， D 一D 为 整 流二 极 管 ， R ， R 。为 电 压反 馈 取 样 电阻 ， D 为续 流 二极 管 ， C 为 输 出滤 波 电容 。 当开关 管 Q 导 通 时 ， 整流 电 流流过 电感 L 。 。在 电感 未饱 和 时 ， 电流 线性 增加 ， 电能以磁能的形式存储在 L 口 中， 此 时电容 c 放电， 为 V 输出端负载供电。当 Q 截止时， L 两 端产 生 自感 电动势 ， 以保 持 续 流 状态 继 续 为 输 出 端 负载供 电 。输 出 电压反 馈 量 V 经 AP F C控 制 电路 内部的误差放大器放大后 ， 与整流输出电压 V。 共同 作 为 AP F C控 制 电 路 内 部 乘 法 器 的 输 入 信 号 ， 内 部乘 法 器 的输 出作 为 电流反 馈基 准与 电流反 馈信 号 Vi 电流 取 样 电 阻 R 两 端 的 电 压 进 行 比 较 、 经 AP F C控 制 电路 内部误 差 放 大后 控 制 Q 的栅 极 电 压 ， 使输 入 电流波形 跟 随 电压 波形 ， 实现 功率 因数 校 正 。该 电路无 整 流滤波 电容 ， 输入 电流 完全 连续 ， 且 在整 个 电压波 形周 期 内均 可 调制 ， 因此 可获 得 很 高 接 近 1 的功率 因数 。 图 1 升压 型有源 功率 因数校正 主电路 3 矿用 高压 开关 永磁控 制器 电源 设计 目 前 具 备AP F C 功 能 的 集 成 芯 片 包 括 U C38 5 4， L6 5 6 2 A ， M C3 3 2 62， I CE2 PCS01， M L48 2 4 等 。本 文 以 ML 4 8 2 4为 核 心 控 制器 ， 设 计 了一 种 矿 用 高压 开关永 磁控 制器 电源 电路 ， 如 图 2所 示 。 图 2矿用高压开关永磁控制器 电源 电路 ML 4 8 2 4是 一个 AP F C ／ P WM 复 合 芯 片 ， 既 能 功能 ， 能有 效 简化 设 计 过 程 。交 流 电源 经 D 2 1 一 --D 2 4 实现 AP F C， 又 能实 现 P W M 控 制 ， 还 具 备 软 启 动 、 过压保 护 、 峰值 电 流 限制 、 欠 压 锁 定 、 占空 比限 制等 整流获得频率为 1 0 0 Hz的单边交 流电压波形 ， 经 R 。 。 ， R ， C ， C 二 阶滤 波 后作 为 输 入 电压 前馈 2 0 1 5年 第 1 2期 杨 生元 矿 用 高压开 关永磁 控制 器 电源分 析 与设计 1 5 信 号送 至 ML 4 8 2 4的 4管脚 ， 同 时 整流 后 的波 形 经 R6 ， R 降压后作为输入电压采样信号。AP F C控制 电路 的输 出 电压 经 R R R ， C 分 压 滤 波 后送 至 ML 4 8 2 4内部 的误 差 放 大器 ， 与 内部 基 准 比较 后 作 为 电压误 差 信 号从 1 6管脚 输 出 。ML 4 8 2 4的 4 ， 2 ， 1 6管脚构成 内部 AP F C乘法器 的 3个输入 端。 C 。 为软启动电容， 取为 1 F； R 为 电流采样 电阻 ， 采 样 电流信 号 进入 ML 4 8 2 4的 3管脚 ； R 。 ， C 。 ， C 。 构 成 电流误 差放 大 电路 ； R C C 构 成 电 流误 差 补 偿 网络。c ， R 。 控制 内部振荡信号的频率， 振荡频 率 与 C ， R 。 关 系为 R 。 一1 ／ 0 ． 5 1 C 。取 R 。 一 4 3 k Q， C 4 7 0 p F， f 一1 0 0 k Hz ， 设计 最低 输入 电 压为 AC 7 5 V， 输 出电压为 D C 3 0 0 V， 输 出功 率为 1 5 0 W ， 转 换效 率 为 0 ． 9 ， 则 电感 L 为 1厂 LI一 V T I H F I一 ％ ] d ／ - “ OU T P F C 2 T 式 中 ，r为 AP F C部 分 的输 出 电 压 电容 C 的 端 电压 ； f为变换器工作频率 ； 为 电感纹波 电流 ； PO U T P F 为输出功率； 刁 为转换效率。 将设计值代人式 1 、 式 2 可得 一 0 ． 7 8 A， L1 0 ．9 6 1T I H L 的峰值电流为 x一 2 P 。 开 关 电源 电路 ， 其设 计 过 程 不 再 赘 述 。需 要注 意 的 是 ， ML 4 8 2 4有 2种规 格 ， 区别 是后 级 P WM 的振 荡 频率为前级 AP F C的倍数 1倍或 2倍 。本文选用 2倍规格的 ML 4 8 2 4 。开关管 Q ， Q。 选用耐压值较 高 的 MOS管 ， 电压 调 整 器 TL 4 3 1控 制 反 馈 量 ， L 。 为输 出滤波 电感 ， 调 整 R ， R 。 可在 一定 范 围调整输 出电压 。经测试 ， 该 电路各项性 能指标 均非 常 好 ， 输 入 电压 范 围为 AC 7 5 V～ 1 5 0 V， 输 出 电 压 为 DC 8 0 V～1 2 O V 可 调 ， 实 测 电 路功 率 因数 为 0 ． 9 8 ， 输 出纹 波 电压 为 2 ． 4 V， 对 交 流 侧 的 谐 波 干扰 几 乎 可忽略， 满足矿用高压开关永磁控制器要求， 解决了 干 扰 以及充 电电压不 稳定 问题 。 4 结 语 提 出的永磁 控制 器 电源 电路在 实际 应用 中还需 增 加一 些必 要 的保 护 与 滤 波措 施 ， 电路 参 数需 要 仔 细调 整 ， 成 本 比普 通 AC ／ D C 电源 高 4 O 左 右 。理 论上该 电路 的功率因数可达 0 ． 9 9以上。实践证 明， 该 电路用于矿用高压开关永磁控制器时性能优异 ， 配合 1 6 0 V 电容 ， 可显著缩短电容充 电时间 ； 用于双 稳态矿用高压开关永 磁控制器时 ， 永磁机构分 闸时 间达到了地面同等水平。 参 考 文 献 式 中 V M w 为最 小输 入 直 流 电压 ， M 。 一9 7 ． 5 V； 一一 DM A 为最 大 占空 比 ， DM A 一0 ． 6 5 。 则 一4 ． 7 6 A。由此可进 一 步确定 电感 L 。 的其他 参数 。 开 关 管 Q 可选用 S P B O 7 N6 0 S 5 ， 其 最小 击穿 电 r 4 1 压为 6 0 0 V， 最大导通电阻为 0 ． 6 Q， 最大导通电流 为 7 ． 3 A， 满 足设 计 要 求 。AP F C控 制 电路 的输 出 [ 5 ] 电容 C 为 2 2 0 u F ／ 4 5 0 V。P W M 级 电路 为 正 激 式 周立． 交 流 高压 真 空 断 路器 永 磁 机构 控 制 器 的设 计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 8 1 l 5 - 1 1 7 ． 卢佳慧． 单稳态 永磁操 动机构 的控制 电路 [ J ] ． 机 电技 术 ， 2 0 1 3 4 1 7 1 9 ． 薛玉善． 永 磁操 动机 构控制 器研 制 [ D] ． 沈 阳 沈 阳工 业大学 ， 2 0 0 4 ． 卢川 治朗．实用 电源 电路设计 [ M] ． 高玉萍 ， 译． 北京 科学技术 出版社 ， 2 0 0 6 ． 林莘 ． 单稳态永 磁机构控 制器 硬件 的研制 [ j ] ． 高压 电 器 ， 2 0 0 6 1 0 3 4 0 3 4 2 ．