山东华泰矿业有限公司
摘要：逆变电源的工作是否正常将直接影响机车的运行安全。针对原逆变电源存在的问题进行了改造，使开关管交替地工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，避免了开关管因内部损耗过大造成击穿而损坏。适应煤矿井下湿润、多尘、频繁强烈的冲击震动及电网电压大幅度波动等恶劣环境，解决了长期以来架线电机车照明装置性能与井下生产条件不相适应的弊端，对提高井下电机车的运输效率、减少电机车运输事故、保障人身安全等具有十分重要的积极作用。
关键词：架线电机车逆变电源电路
华泰矿业目前井下的原煤、材料和人员的运输主要以架线电机车为主。电机车的灯、铃、闸、撒砂、联接装置是电机车的五大后备保护，而灯和铃（喇叭）后备能源是电机车的逆变电源。逆变电源的工作是否正常将直接影响机车的运行安全，如看不见机车前方路况及巷道情况、不能给后方运行车辆提供警示信号、无法用音响提供洪亮的警示音来提醒施工人员有车辆来往等。现在我们使用的逆变电源的稳压原理是靠控制开关管的R、C参数、导通周期而达到稳压的目的。因此，这种电路在工作时频率是不断变化的，正常时为20kHz，空载时达1600kHz以上，易导致开关管内部损耗过大造成击穿而损坏。由于受煤矿井下环境条件差、运输巷道长、轨道连接不好、网络泄漏电流严重等不利因素影响，导致不同区域的供电电压随机车运行负荷的轻重，以及距牵引交流所间隔的远近不同而波动，其波动范围为-20%~+30%，加上运行时集电弓与架线的接触又始终处于接触不稳定状态，而引起电流冲击频繁杂散电流增大，使电路部分损坏，输出功率小标注仅150W与负载几乎没有余量，电压范围窄，低于200伏不能正常工作，电流输出小，仅4安，损坏率大（最少30分钟、最多24-36小时）且价格昂贵。我矿机车目前照明音响负载功率达130W以上，所以，原逆变电源损坏量大，维修费用高。
当前，面对煤炭市场持续下行的严峻形势，新的生产力和创造力只能从新技术、新装备、新材料、新管理的推广应用上来。新型逆变电源可极大地提高电源利用效率、节省材料、降低成本,更可体现技术含量的价值。逆变电源目前的发展趋势可以概括为以下几个方面：高频化、模块化、数字化、PFC、同步整流技术、非隔离DC/DC技术、初级PWM控制IC的优化以及绿色化。它的研制与应用为行业首创，所以对企业产品结构优化升级和提高核心竞争力具有非常大的推动作用。
针对原逆变电源存在的问题进行了改造，首先我们选择S-350-24型开关电源，使电源功率大到350W、宽电压160-300V、电流达到16A再加上防接反装置，使开关管交替地工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，避免了开关管因内部损耗过大造成击穿而损坏。把控制电路改造后，一方面改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面提供控制电路对电源进行各种保护措施。我们又采用高质量的金属化纸介无极性电容器，替代整个电解电容器；选用更小的熔丝，提高整机工作的安全性；加入一个功率桥式整流电路，消除了防接反事故的发生；采取后置式稳压电路，即将架线网络的输进电压，经DC-DC变换电路变为相应的低压电路，然后在低压电路部分再另设稳压电路。这样做就能将DC-DC变换电路的工作频率设计在最佳状态上，可以长期空载而不损坏电路。
新型逆变电源制作工艺简单，成本低，使用故障率低，节约材料和电能，适应煤炭生产形势的发展，达到了节支降耗的目的；它从根本上解决电机车运行的安全隐患，同时解决因维修费用高、维修人员少而导致维修不及时的问题，为煤矿提高了运输的安全可靠性，最终达到本质安全型运输，具有非常现实的实际意义，社会效益明显，因此在同类矿井中具有很好的推广前景。
一、新型逆变电源主要技术参数
1、主电路：
冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。
输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。
整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。
逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。
输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
2、控制电路:一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。
3、检测电路:提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。
4、辅助电源:实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。
二、新型逆变电源主要技术指标
1、采用高质量的金属化纸介无极性电容器，替代整个电解电容器。开关的冲击状态明显降低，可选用更小的熔丝，从而进步整机工作的安全性。另外，这种电容器容量稳定，热稳定也好，无电感特征，使用寿命长，并有安装固定脚，其耐震性明显优于电解电容器。
2、加入一个功率桥式整流电路，从而消除了防接反事故的发生。
3、采用1只开关变压器，由两个开关管轮流导通，在原边分别流过不同的励磁电流，这样副边感应出不同极性的电压，然后整流输出。这样就充分进步了磁芯的利用率，减小了体积，使电路更为公道、紧凑。
4、选用新型高频开关变压器的磁性材料。在给定的工作频率下，选择具有较小的铁芯损耗及较高的饱和磁感应强度和电阻率的磁性材料。体积小，本钱低，是选择的关键。故我们选用铁氧体作为逆变电源的开关变压器磁芯，其性价比较为理想。
5、自激式直流逆变电源经过一定的技术处理，其本身是能达到自动稳压的，但这种工作方式的稳压特点使变换器开关工作频率随输进电压和输出电流的变化而变化。即在输出电压或输出电流减小时其工作频率会增高，尤其在直流变换器空载情况下（如车灯损坏、断线、前后车灯转换瞬间等），其工作频率是正常工作电压和满载情况下的8倍以上，极易造成晶体管击穿而损坏。为此，我们要采取后置式稳压电路，即将架线网络的输进电压，经DC-DC变换电路变为相应的低压电路，然后在低压电路部分再另设稳压电路。这样做就能将DC-DC变换电路的工作频率设计在最佳状态上，可以长期空载而不损坏电路。
6、在结构方面进行优化设计，其特点是：增加印制板的机械强度，并增大了焊盘面积；对体积较大的元器件采用胶垫、胶封固定以增加耐震强度；整机壳体置于带有防震装置的固定架中，即使在剧烈的颠簸中，电源装置也能工作稳定，状态良好；尽可能使设备小型化，保证了其具有较坚固的结构和较高的固有频率，减小了惯性力，进一步提高了抗震动和冲击能力；元器件密封进行了防潮处理。
三、新型逆变电源主要性能指标
1、功耗小，效率高。开关电源电路在激励信号的激励下，开关管交替地工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，工作频率一般为50kHz左右。这使得开关管的功耗小，电源的效率大幅提高，效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高。
2、体积小，重量轻。开关电源没有采用笨重的工频变压器，由于开关管上的功耗大幅降低，又省去了较大的散热片。以上两个原因使得开关电源实现了体积小，重量轻。
3、稳压范围宽。改变输出电流、电源比较容易，而且稳定、可控。开关电源的输出电压是由激励信号来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或者调宽来进行补偿。这样，即使工频电网电压变化较大时，仍能保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果好。
4、安全性能高，原逆变电源击穿烧坏时会产生含有大量一氧化碳等有