大功率高频开关电源在矿井提升机上的应用研究

・１０２・　工业仪表与自动化装置　２０１１年第１期　大功率高频开关电源　在矿井提升机上的应用研究　焦文良　（黑龙江科技学院电气与信息工程学院，哈尔滨１５００２７）　摘要：介绍一种利用大规模ＳＰＷＭ芯片ＳＡ８６６ＡＥ和智能功率模块ＩＰＭ研制的大功率开关电　源，并把它应用于矿井交流提升机的制动阶段，可获得很好的制动性能和经济效益。阐述了这种电　源的主电路结构。控制策略及实验波形。　关键词：提升机；ＳＡ８６６ＡＥ；ＳＰＷＭ　中图分类号：ＴＭ４４　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００－０６８２（２０１１）０１－０１０２－０３　Ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ　ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｉｎｅ　ｈｏｉｓｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ＪＩＡ０　Ｗｅｎｌｉａｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｉｉａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００２７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　ＳＰＷＭ　ｕｓｉｎｇ　ｃｈｉｐｓ　ＳＡ８６６ＡＥ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｐｏｗｅｒ　ｍｏｄ—　ｕｌｅ　ＩＰＭ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ，ａｎｄ　ｔｏ　ａｐｐｌｙ　ｉｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｍｉｎｅ　ｈｏｉｓｔ　ｂｒａ—　ｋｉｎｇ　ｓｔａｇｅ．ｔｈｅ　ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｇｏｏｄ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｏｉｓｔ；ＳＡ８６６ＡＥ；ＳＰＷＭ　Ｏ　引言　９５％，无噪音。　矿井提升机是煤矿生产的关键设备，关系到整个　１　电源的构成　煤矿的生产和安全。因此，要求提升机电控系统必须　安全可靠。我国有１　０００多台矿井交流提升机在运　行，其中绝大多数采用转　该电源由主电路、控制电路、检测电路和保护电　路构成。电源系统框图如图１所示。　子串电阻方式进行调速。　传统的可控硅动力制动电　源具有体积大，效率低、谐　波大的缺点。针对此，笔　者利用大规模ＳＰＷＭ芯片　ＳＡ８６６ＡＥ和智能功率模块　ＩＰＭ研制了一种新型高频　动力制动开关电源，它的　体积只有同功率可控硅动　力制动电源的１／１２，省去　了降压变压器，效率可达　１）主电路　收稿日期：２０１０～０７—１５　图１电源系统框图　作者简介：焦文良（１９７１），男，黑龙江嫩江人，高级工程师，研究　方向为电力电子与电力传动。　主电路采用交ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ—ＤＣ方案，将输入　３８０　Ｖ交流电经过三相不可控整流变为直流电经滤　２０１１年第１期　工业仪表与自动化装置　・１０３・　波后加到ＩＰＭ进行逆变，变为幅度可任意调节的三　￣ｓｗＰＭ控制主芯片选取　控制电路主芯片采用大规模ＳＰＷＭ专用集成　电路ＳＡ８６６ＡＥ。ＳＡ８６６ＡＥ是ＭＩＴＥＬ公司生产的三　相ＰＷＭ交流电机脉宽调制芯片。仅用少量的外围　相交流电，然后再将三相不可控整流变为直流加到　电机实现动力制动。逆变部分采用ＩＰＭ（智能功率　模块），它内部封装了ＩＧＢＴ、驱动电路和保护电路，　因此，使功率驱动电路得到简化，使保护功能更完　善，动作更快速。ＩＰＭ同时可提供过流保护、欠压保　护、短路保护和过热保护４种保护。不论上述４种　硬件和进行适当的软件编程，就可产生很好的三相　ＳＰＷＭ输出信号。　ＳＡ８６６ＡＥ芯片具有以下主要特点：　・保护发生哪种，都通过故障输出引脚输出一个故障　信号以做故障处理及报警。　各级输出电压关系如下：　Ｕ，ｌ１＝１．３５ＵＬｌ，Ｕ位＝　二　外接微处理器或外接ＥＥＰＲＯＭ编程，可控制　通过ｌ０位Ｄ／Ａ转换器和外接正反向方向脚　外接ＲＣ振荡电路，由一个加法器控制，实现　运行的参数；　・Ｕ　＝１．３５Ｕ位。　（ＤＩＲ）可实现连续调速；　・综合以上各式得：　Ｕｄ＝Ｍｘ１．３５×１．３５×　二　平滑加速和减速，防止损坏功率管和负载；　・１＝１．５８ＭＵＬ１　可同时控制电压和频率的变化，保证在允许　的工作频率范围内精确地控制电机磁通的变化，有　线性和风扇规律２种Ｖ／Ｆ特性可选择，以满足不同　负载要求，恒频调压方式可通用于静止逆变器；　・式中：　为调制度；Ｕ　。为输入线电压；Ｕ位为逆变输　出线电压；Ｕｄ　为第一级整流输出电压；Ｕｄ为动力制　动电源输出电压。　通过调节ＳＰＷＭ逆变的调制度可以方便地调　载频可达２４　ｋＨｚ，工作频率范围在０～４　ｋＨｚ；　节输出直流电压。整个电路没有变压器，采用高频　开关器件使电源体积大大地减小，开关频率为１６　ｋＨｚ，无噪音。　所有的ＰＷＭ发生器都可以输出大电流，并　且提供各种保护信号。　・（￣）ＳＡ８６６ＡＥ工作原理　图２是ＳＡ８６６ＡＥ标准工作方式的方框图。　６　—　。　…………………一　２）控制电路　ＲＰ．ＩＴ　ＲＰ—ＩＢ　ＹＰ—ＩＴ　ＹＰ—ＩＲ　ＢＰ．ＩＴ　ＢＰ—ＩＢ　ＰＡＧＥ０　ＰＡＧＥ１　ＳＣＬ　ＣＳ　ＳＤＡ　ＸＴＡＬ１　ＸＴＡ　Ｌ２　ＲＥＳＥＴ　图２　ＳＡ８６６ＡＥ结构方框图　ＰＷＭ发生器是实现脉冲串的核心。脉冲调制信　号是通过比较输入参考波形和高频载波得到的。　ＳＡ８６６ＡＥ采用异步不对称规则采样的调制方法。三　较器和输人参考波形进行比较。ＳＡ８６６ＡＥ为用户提　供的参考波形以数字形式存在内部的ＲＯＭ中，有３　种形式：纯正弦波、三次谐波、带死区三次谐波。ＰＷＭ　角波（载波）由１个上／下计数器合成，并通过数字比　波形最终输出３对互补信号分别驱动三相逆变桥的　・１０４－　工业仪表与自动化装置　２０１１年第１期　上下开关器件。脚ＳＥＴＰＩＯＮＴ给定的电压决定了电　此次减速是否投动力制动电源，具有自动检测，自动　投入的功能。来自ＩＰＭ的故障信号经过处理加到　ＳＡ８６６的ＳＥＴｒＲＩＰ端，有故障时封锁ＳＡ８６６的ＳＰ－　ＷＭ输出，实现过流、欠压、过热和短路保护。正常　开车时，电源应正常工作，有一定的输出电压，如没　有输出电压时，失压保护单元动作，使不能开车，起　到失压保护的作用。　源工作频率或电压的幅值，经过Ａ／Ｄ转换后的数字　量作为加速／减速单元电路的目标频率或电压值。加　减速时间分别由外围ＲＣ决定。内部电源频率是１　个１６位数字量，因此，它比１０位的给定频率更能平　滑地加速和减速。输入端Ｖ　。　和ＩＭＯＮ也可控制加速／　减速，这２个脚可用来实现开关管的过流和过压保　护。外部中断输入脚ＴＲＩＰ允许１个有效高电平迅速　关断ＰＷＭ输出，当输入高电平时，ＰＷＭ输出被封锁。　３实际测试结果　只有通过复位输入才能恢复工作。方向控制ＤＩＲ端　可以使输出的对称三相ＰＷＭ波某两相转换相序，实　现反转。ＳＡ８６６ＡＥ三线串行接口可与２５６或１　０２４　位的串口总线型ＥＥＰＲＯＭ兼容，所有的可编程参数　存在ＥＥＰＲＯＭ中，复位后可通过串行接口自动下载　参数；同时也可通过三线串行接口与微处理器相接，　由微处理器向ＳＡ８６６ＡＥ内的专用寄存器写入参数。　根据电源需要这里ＳＡ８６６ＡＥ采用恒频调压方式工　作，输出选用纯正弦波，外接ＥＥＰＲＯＭ选用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　公司生产的ＥＥＰＲ０Ｍ　９３ＬＣＡ６，ＳＡ８６６ＡＥ的工作方式　为Ｎ３方式，ＲＡＣＣ、ＲＤＥＣ引脚接高电平，ＳＥＲＩＡＬ端　悬空。晶振选用１６　ＭＨｚ的卧式晶振。载波频率采用　１６　ｋＨｚ。　３）检测电路　检测电路利用检测电机全速运行时电压与电流　的相位差的大小来测量电机的出力状态，从而决定　此次减速是否投入动力制动电源。提高了电源的自　动化程度并且优化了提升机的减速性能，减小了提　升机的减速冲击，延长了提升机的使用寿命。　４）保护电路　该电源采用了失压、过压、过流、短路和过热保　护。后４种是ＩＰＭ模块带的保护，失压保护是在电　机运行时检测电源是否有输出电压，如无输出电压　则断开提升机开车安全回路，使提升机不能开车，只　有电源有正常的输出电压时，提升机才能正常运行。　确保提升机每次运行过程能正常安全减速和爬行。　２电源的控制　控制采用速度闭环，由测速机来的速度反馈信　号，经过处理加到ＧＪ（给定积分器），给出减速速度　图，再与实际的速度反馈信号一同加到ＳＴ（速度调　节器），经过ＰＩＤ运算后加到ＳＡ８６６的控制端，控制　ＳＡ８６６的ＳＰＷＭ的调制度，进而控制电源的输出电　压，使提升机按照给定的速度图进行减速。力矩检　测部分主要检测电机等段时的运行状态，从而决定　为证明上述方案的可行性，制作了一台输出　１００　Ｖ，１００　Ａ的动力电源。制作时第一级整流选用　７５　Ａ，１　２００　Ｖ的整流模块，逆变桥选用２００　Ａ，１　２００　Ｖ的ＩＰＭ模块，第二级整流桥选用５Ｏ　Ａ，１　７００　Ｖ的　快速二极管搭成三相整流电路。　经实际测试输出电压波形如图３所示，　ＳＡ８６６ＡＥ输出ＳＰＷＭ波形如图４所示。　图３动力制动电源输出电压波形　图４　ＳＡ８６６ＡＥ输出ＳＰＷＭ波形　（下转第８Ｏ页）　・８０・　工业仪表与自动化装置　２０１１年第１期　图７加入扰动稳定后得到的趋势曲线　４结束语　炉温度控制精度、提高生产效率及降低能耗具有实　际意义。　该文在分析了分解炉出口温度控制过程中的影　参考文献：　响因素的基础上，针对分解炉的特性及控制要求制　［１］　姚维．水泥回转窑分解炉温度的模糊控制［Ｊ］．电子技　定了前馈一负反馈的模糊控制方案。把生料量、三　术应用，２０００（Ｉ　Ｉ）：２７－２８．　次风温度和三次风负压的波动看作干扰，以前馈的　［２］王立新，王迎军．模糊系统与模糊控制［Ｍ］．北京：清　方式提前对进入分解炉的给煤量进行控制，这样就　华大学出版社，２００３．　使得执行机构提前动作，对干扰反应迅速。　［３］　李士勇．模糊控制、神经控制和智能控制论［Ｍ］．哈尔　滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９８．　水泥分解炉温度控制是一个复杂过程，还具有　［４］　易继锴，侯嫒彬．智能控制技术［Ｍ］．北京：北京工业　时变、非线性和时滞等特性，其数学模型很难精确描　大学出版社，２００３．　述。该文采用了不依赖于控制过程的数学模型的模　［５］　董乃飞．基于模糊控制的分解炉出口温度仿真研究　糊控制算法，其结构简单、易于实现，并且在ＶＢ平　［Ｄ］．昆明：昆明理工大学，２００９．　台上实现仿真实验，证明控制效果较好，对提高分解　（上接第１０４页）　成本和电能的损耗。　经实际测试电源效率达到９４．７％，通过实测波　４）由于采用了１６　ｋＨｚ的ＳＰＷＭ波进行控制，所　形可以看出控制ＳＰＷＭ波形十分整齐干净，输出电　以没有噪音。　源波形对称性好，谐波含量小。　不过由于器件耐压、电流及高频抗干扰的问题　４结束语　使电源的输入电压及输出功率很难再提高上去，这　也是今后高频电气设备需要解决的问题。　传统的可控硅动力制动电源体积大，效率低，０【　参考文献：　角较大时谐波含量大。采用该整流一逆变一整流的　［１］　张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制［Ｍ］．北京：机械　动力制动电源有效地克服了这些缺点。　工业出版社，２００３：２３３—２３６．　该ＳＰＷＭ动力制动电源具有以下特点：　［２］陈伯时，陈敏逊．交流调速系统［Ｍ］．北京：机械工业　１）提高功率因数，减小谐波，经实测效率可达　出版社，１９９８：１１２—１１４．　［３］　文生平，瞿金平．智能型三相ＰＷＭ控制器ＳＡ８６６及其　９４．７％。　２）验证了电气设备高频化可以提高工作效率，　在变频调速中的应用［Ｊ］．电气传动，２００１（０１）：２４—　２５．　同时减小了体积，所设计的开关电源体积仅为同功　［４］　杨庆江，焦文良．三相ＰＷＭ波形发生器ＳＡ８６６ＡＥ在　率可控硅电源的１／１２。　交一交变频器中的应用［Ｊ］．工矿自动化，２００３（Ｏ１）：１８　３）与可控硅电源相比省了整流变压器，降低了　－２０．