矿井机电设备远程控制开关电源的设计研究

贾振兴

(阳泉煤业(集团)平定东升兴裕煤业有限公司，山西 阳泉 045200)

1 开关电源工作原理的分析

开关电源的设计原理为基于电子技术通过半导体等元器件控制开关的打开和关闭，从而确保电压能够稳定输出；此外，基于开关电源能够控制内部晶体管的开关。当晶体管导通时，电压低、电流较大；当晶体管闭合时，电压高、电流较小。在各类半导体元件的作用下可确保开关电源能够在损耗较低的情况下为机电设备提供多种规格的稳定电源。

交流电压在整流、滤波作用下转化为直流电压。此时所得的直流电压中含有一定的脉动成分。将具有一定脉动成分的电压经高频交换器再次整流滤波操作后得出可供给机电设备的稳定直流电压。

基于对开关电源工作原理分析的基础上，得出开关电源的设计总体思路如下：选用合适的高频交换器及滤波器等元器件对交流电压进行整流、滤波等操作。此外，还可通过上位机对电源实时输出的电压及电流波形进行显示，用户可实时操作开关电源实现对机电设备的远程控制。

2 开关电源的设计

开关电源的设计主要包括有硬件设计和软件设计两部分。其中，硬件设计主要指的是开关电源中的输入电路、功率变换电路等电路及其中关键元器件的选型；软件设计指用户可通过上位机操作系统实现对机电设备的远程控制功能。

2.1 开关电源的硬件设计

2.1.1 输入电路的设计

输入电路即为交流电压输入系统中的路径。基于对开关电源工作原理分析研究的基础上，输入电路中需配置相应的滤波器和整流滤波电路。其中，滤波器的主要功能是消除输入交流电压内的电磁干扰。

2.1.2 功率变换电路的设计

根据功率变换电路的功能要求，需为该电路配置相应规格的功率管、变压器以及控制芯片等。

2.1.2.1 功率管的选型

功率管为半桥式逆变电路的核心元器件。因此，根据开关管所能承受的最高电压为输入电压的一半。为安全起见，一般取开关管所能承受的最高电压即为输入电压。设定开关管的最高电压为350V，经换算可得其对应的电流值为14A。结合上述计算结果，所选功率管的型号为GT60。该功率管的具体参数如表1所示。

表1 GT60功率管参数

2.1.2.2 变压器选型

根据生产需求，设定开关电源的可输出的最大功率值为1600W。结合经验及各类变压器的性能对比，最终选定变压器的型号EE55铁氧体磁芯比变压器。该变压器的关键参数如表2所示。

表2 EE55铁氧体变压器关键参数

2.1.2.3 芯片的选型

控制芯片作为功率变换电路的核心处理器，基于控制芯片能够实现对半桥变换电路中功率开关管占空比的调节，并在相应功率管驱动电路的作用下，确保开关电源所输出的直流电压为稳定电压。本开关电源所选芯片的型号为KA3525。

2.1.3 保护电路的设计

为提升开关电源为机电设备供电的稳定性，降低对机电设备的冲击，还需为开关电源配置欠压保护电路、过温保护电路以及过压保护电路等保护电路。开关电源中的各类保护电路均是基于LM324比较器对相应参数对比分析后，将对比结果传输至PWM控制器中达到对开关电源欠电压、过电压以及过温保护功能。

2.1.4 单片机的选型

为了实现用户对矿井机电设备的远程控制，将开关电源与上位机之间基于相应通信功能实现数据传输。在数据传输过程中，单片机为数据的中转站不仅可以采集电源实时输出的电压值和电流值，并通过波形的形式显示于上位机上；还可将用户在上位机所设定电压值和电流值经单片机控制器传递至开关电源的控制端。

鉴于工作面相对恶劣的生产环境以及可靠性的要求下，本开关电源所选择的单片机型号为STM32F107。

2.2 开关电源的软件设计

开关电源的程序软件是实现其对电源实时输出电压监测、过压、欠压以及过温保护、控制开关电源输出电压值等功能的基础。根据实际生产需求及可靠性分析，设计网络中断程序流程图。以实现对开关电源的过压、欠压以及过温保护，从而确保开关电源在供电过程中的安全性和可靠性。

3 开关电源应用效果验证

1)所设计的开关电源能够实现与上位机的数据传输。不仅可实时显示开关电源的实时输出电压值和电流值；还可根据用户需求控制开关电源的输出。

2)所设计的开关电源为工作面机电设备所提升的电压值非常稳定，满足实际生产的需求。

4 结论

1)鉴于煤矿综采工作面生产环境恶劣、工作面距离长的特点，导致为工作面机电设备提供稳定、安全的电压为如今急需解决的问题。为此，基于电子电力技术及半导体技术所设计的开关电源可为矿井机电设备提供稳定电压。

2)所设计的矿井机电设备远程开关电源系统不仅可以实时监测并显示其输出的电压值和电流值，还可根据工作面生产需求设定特定、稳定的电压值和电流值，大大提升了用户对机电设备电压的远程控制能力，对提升综采工作面产煤效率及安全具有实际意义。