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關(guān)鍵詞:開關(guān)電源;過壓保護;過流保護;M51995A電源芯片
中圖分類號:TM13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-1302(2016)11-0-02
0 引 言
隨著時代的前進(jìn)與社會的發(fā)展,開關(guān)電源已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鐵心變壓器電源。開關(guān)電源的集成化與小型化正逐步成為發(fā)展趨勢[1-3],開關(guān)電源更是在計算機、通信、電器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。但開關(guān)電源系統(tǒng)若無性能良好的保護電路便很容易導(dǎo)致儀器壽命的縮短甚至使儀器受到損壞。由此可見,為了能夠讓開關(guān)電源在惡劣環(huán)境以及突發(fā)故障的情況下安全穩(wěn)定的工作,保護電路的設(shè)計就顯得尤為重要。開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1 M51935AFP開關(guān)穩(wěn)壓芯片簡介
M51995A是一款開關(guān)電源初級PWM 控制芯片,專為AC/DC變換設(shè)計,芯片功能如表1所列。它主要包括振蕩器、PWM比較、反饋電壓檢測變換、PWM鎖存、過壓鎖存、欠壓鎖存、斷續(xù)工作電路、斷續(xù)方式和振蕩控制電路、驅(qū)動輸出及內(nèi)部基準(zhǔn)電壓等。
M51995A既具有快速輸出和高頻振蕩能力,又具有快速響應(yīng)的電流限制功能[5]。此外,過流時采用斷續(xù)方式工作可以有效保護二次電路。該芯片的主要特征如下:
(1)工作頻率低于500 kHz;
(2)輸出電流能夠達(dá)到±2 A;
(3)輸出上升時間為60 s,下降時間為40 s;
(4)起動電流比較小,典型值為90 A;
(5)起動電壓為16 V,關(guān)閉電壓為10 V;
(6)起動電壓和關(guān)閉電壓的壓差大;
(7)過流保護采用斷續(xù)方式工作;
(7)用脈沖方法快速限制電流;
(8)欠壓、過壓鎖存電路。
3 實驗仿真分析
為進(jìn)一步驗證所設(shè)計的開關(guān)電源保護電路的工作性能,我們采用計算機仿真軟件MultiSIM對所設(shè)計的保護電路做了軟件仿真測試。當(dāng)電源輸出電壓為60 Hz正弦波、有效值為24 V時,電源保護電路的光耦控制OVP端的信號輸出狀態(tài)如圖4所示。
圖4中的仿真結(jié)果表明,輸出電壓信號變化控制光耦的導(dǎo)通,從而控制了光耦OVP端的電壓輸出,當(dāng)電源輸出電壓在0 V-24 V期間時,光耦輸入端沒有電壓信號不導(dǎo)通,OVP端電壓為0,電路處于保護工作狀態(tài);電壓在0+24 V期間時,光耦輸入端有電壓信號作用而導(dǎo)通,OVP端電壓為+5 V,電路處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)輸出電壓過高時,OVP端電壓為0,電路處于保護工作狀態(tài)。40 V電壓信號的狀態(tài)圖如圖5所示。
實驗仿真結(jié)果表明,當(dāng)電源輸出電壓范圍為0+24 V時,開關(guān)電源電路正常工作;當(dāng)電壓為負(fù)電壓時,光耦中的二極管反向截止,OVP端電壓為0,開關(guān)電源的保護電路工作,電源輸出為0;當(dāng)輸出電壓高于+24 V時,OVP端電壓為0,開關(guān)電源進(jìn)入保護電路工作狀態(tài),電源輸出0。
4 結(jié) 語
本文基于M51995A電源芯片設(shè)計了開關(guān)電源的過壓和過流保護電路,通過計算機仿真結(jié)果表明,該電路設(shè)計合理,工作穩(wěn)定,電路設(shè)計可以有效降低電路的復(fù)雜程度和成本,能對開關(guān)電源電路進(jìn)行有效保護,從而使電源運行安全可靠,設(shè)計完全能滿足系統(tǒng)性能的指標(biāo)要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 歐浩源,丁志勇.電流控制型脈寬調(diào)制器UC3842在開關(guān)電源中的應(yīng)用[J]. 今日電子,2008(C00):88-89.
[2] 王朕,潘孟春,單慶曉.UC3842應(yīng)用于電壓反饋電路中的探討[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2004(8):480-483.
[3] 關(guān)振源,張敏.基于電流型PWM控制器的隔離單端反激式開關(guān)電源[J].電子元器件應(yīng)用,2005(2):21-23.
關(guān)鍵詞:待機控制 故障 檢修
1.開關(guān)電源待機控制的基本原理
彩電待機控制功能的實現(xiàn)是待機控制電路在微處理電路的指令下對開關(guān)電源自激振蕩電路和開關(guān)電源輸出電路實施控制的。
所謂待機控制也就是通過按下待機控制按鍵或在程序控制下,由微處理電路讓整機工作于正常開機和待機兩種狀態(tài)。待機時電路一般表現(xiàn)為兩個方面:一是切斷行掃描電路的工作電源,使行輸出級不工作;二是使開關(guān)電源工作于間歇振蕩狀態(tài),降低主電源的輸出電壓和電路功耗,同時仍保證電源有一定的電壓輸出,確保微處理電路正常工作,以便在接收到開機指令的時候能重新輸出開機控制電壓啟動開關(guān)電源并接通行掃描電路的電源。
2.4T36機芯彩電開關(guān)電源待機控制電路分析
4T36機芯彩電開關(guān)電源待機控制電路主要由微處理器IC101、三極管Q607、Q609、Q604、Q605、Q610等元件構(gòu)成。在微處理電路IC101 腳輸出的電壓控制下,控制過程分三個環(huán)節(jié)同時完成。
微處理電路輸出的待機控制電壓若為低電平時則代表開機指令,若為高電平時則代表待機指令。
24V電源為Q609的工作電源,R617為Q609的集電極負(fù)載電阻,微處理的待機控制電壓經(jīng)R634送到Q609的基極控制其導(dǎo)通與截止。Q607的導(dǎo)通與截止取決于Q609的集電極電位高低,若Q609導(dǎo)通則Q607截止,若Q609截止則Q607導(dǎo)通。Q604和Q605的基極電流通路由Q607控制。若Q607導(dǎo)通,則Q604導(dǎo)通輸出24V電源供給行激勵電路和場輸出級電路,同時Q605導(dǎo)通輸出12V電源經(jīng)Q613組成的穩(wěn)壓電路產(chǎn)生9V電源供給行振蕩、解碼電路和公共通道電路;若Q607截止,則Q604和Q605都截止,24V和9V電源輸出同時關(guān)斷,電視機處于待機狀態(tài)。
微處理輸出開機指令(IC101 腳0V),Q610截止,對Q608所接的穩(wěn)壓電路不產(chǎn)生影響;微處理輸出待機指令(IC101 腳2V),Q610導(dǎo)通使Q608的集電極電流增大,IC601內(nèi)發(fā)光二極管的發(fā)光強度增強,光敏三極管的流通電流增大,從而導(dǎo)致開關(guān)管的導(dǎo)通時間減少,降低了輸出電壓。
3.4T36機芯彩電開關(guān)電源待機控制電路故障檢修
待機控制電路出現(xiàn)故障表現(xiàn)可以分為不能待機和不能開機兩種形式。
3.1不能待機的故障分析與檢修
對于不能待機的故障檢修的關(guān)鍵是在待機狀態(tài)時Q604和Q605兩個管子同時導(dǎo)通,其條件是Q604和Q605兩個管子的基極電流通路在待機狀態(tài)時仍然存在,即Q607的CE有電流通路。因此不能待機的檢修要點實際上是Q607的CE電流是如何形成的,檢修時可以根據(jù)Q607、Q609的工作點分析判別出具體的故障元件。在待機狀態(tài)下測量:
若Q607的Vb=0V、Vc=0,則說明Q607的CE擊穿短路損壞;若Q607的Vb=0.7V、Vc=0.7V,Q609的Vb=0.7V、Vc=0V,則說明Q607的BC擊穿短路損壞;若Q607的Vb=0.7V、Vc=0V,Q609的Vb=0.7V、Vc≥0.7V,則說明Q609的BC開路損壞;若Q607的Vb=0.7V、Vc=0V,Q609的Vb=0V、Vc≥0.7V,IC101的 腳電壓為高電平,則說明Q609的BE擊穿短路或R634開路損壞;若Q607的Vb=0.7V、Vc=0V,Q609的Vb>0.7V、Vc≥0.7V,則說明Q609的BE開路損壞;若Q607的Vb=0.7V、Vc=0V,Q609的Vb=0V、Vc≥0.7V,IC101的 腳電壓為低電平,則說明微處理電路異常。
3.2不能開機的故障分析與檢修
對于不能開機的故障檢修的關(guān)鍵是在開機狀態(tài)時Q604和Q605兩個管子有一個截止或兩個同時都截止,而造成兩個管子同時截止和只有一個管子截止的原因完全不同。下面分三種情況進(jìn)行分析。
(1)Q604和Q605兩個管子同時截止
如果出現(xiàn)在開機時主電源正常但24V和12V電壓輸出全部丟失的情況即為Q604和Q605兩個管子同時都截止的故障。要造成兩個管子同時截止,必須是兩個三極管的共用電路出現(xiàn)問題。因此檢修的對象可以確定在Q607、Q609、24V整流濾波電路和微處理電路上,檢修時可以普測24V電源電壓、Q607、Q609、IC101的64腳電源,進(jìn)行分析判斷找出故障元件。在開機狀態(tài)下測量:
若24V電壓為0V,則說明D611和開關(guān)變壓器損壞;若24V電壓正常,Q607的Vb=0V、Vc=24V,Q609的Vb=0V、Vc≥0.7V,則說明Q607的BE擊穿短路或R637開路損壞;若24V電壓正常,Q607的Vb>0.7V、Vc=24V,則說明Q607的BE開路損壞;若24V電壓正常,Q607的Vb=0.6V、Vc=24V,則說明Q607的BC開路損壞;若24V電壓正常,Q607的Vb=0V、Vc=24V、Q609的Vb=0V、Vc=0V,則說明Q609的CE擊穿短路或R617開路損壞;若24V電壓正常,Q607的Vb
腳為低電平,則說明Q609的BC擊穿短路損壞;若IC101的 腳為高電平,則說明微處理電路異常。
(2)只有Q604截止
如果出現(xiàn)在開機時主電源正常,12V輸出電壓正常,只有24V電壓輸出丟失的情況即為Q604截止的故障。檢修的思路是分析在Q607導(dǎo)通的情況下Q604為什么截止。檢修時可以通過測量Q604的各腳電壓判別出故障原因。 在開機狀態(tài)下測量:
若Q604的Veb=0V、Vc=0V,則說明Q604的BE擊穿短路或R619開路損壞;若Q604的Veb>0V、Vc=0V,則說明Q604的BE開路損壞;若Q604的Veb=0.7V、Vc=0V,則說明Q604的BC開路損壞;若Q604的Veb=0.7V、Vc=24V,行激勵沒有電源,則說明R629開路損壞。
(3)只有Q605截止
如果出現(xiàn)在開機時主電源正常、24V輸出電壓正常,只有12V電壓輸出丟失的情況即為Q605截止的故障。檢修時可以通過測量Q605的各腳電壓判別出故障原因。 在開機狀態(tài)下測量:
若Q605的Veb=0V、Vc=0V,則說明Q605的BE擊穿短路或R621開路損壞或D614開路損壞;若Q605的Veb>0V、Vc=0V,則說明Q605的BE開路損壞;若Q605的Veb=0.7V、Vc=0V,則說明Q605的BC開路損壞。
4.結(jié)束語
本論文從彩電待機控制的基本原理入手,對4T36機芯彩電開關(guān)電源待機控制電路的組成結(jié)構(gòu)、控制過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和分析。針對待機控制電路的不同故障表現(xiàn),根據(jù)電路的工作原理分析,提出了該部分電路故障范圍的判別和檢修的思路和方法。
參考文獻(xiàn)
[1] 林春芳. 彩電電視機原理與維修. 機械工業(yè)出版社.2008.01
關(guān)鍵詞:波紋;開關(guān)電源;晶體管
引言
在用電控制的儀器設(shè)備中,都需要穩(wěn)壓電源,由于價格、功率等的要求,因此設(shè)計人員更傾向于使用開關(guān)電源,而很少使用線性電源。開關(guān)電源的優(yōu)勢在于轉(zhuǎn)換效率高,最高可以達(dá)到將近97%,另外開關(guān)電源重量輕、體積小。開關(guān)電源最大的缺點是輸出的紋波和噪聲電壓較大,而這一性能影響到儀器設(shè)備的運行,特別是對于需要處理小信號的儀器中,電源產(chǎn)生的噪聲可能會干擾輸入的信號,使得儀器無法正確運行。如何處理好電源的噪聲,有很多方法[1][2],本文通過一個典型電源電路分析開關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因及減小紋波和噪聲的措施,并詳細(xì)探討了電源各部分電路的原理功能和實現(xiàn)的方法。
1干擾產(chǎn)生分析
電信號干擾分為:噪聲(nois)和紋波(ripple)兩種,其表現(xiàn)形式為圖1形式。噪聲的定義是指在直流電壓或電流中,疊加了振幅和頻率上完全無規(guī)律的交流分量。該分量會干擾電路的分析、邏輯關(guān)系,影響其設(shè)備正常工作。紋波是指疊加在直流電壓或電流上的交流信號,會降低電源的效率,嚴(yán)重的波紋更有可能會損壞用電設(shè)備,另外波紋還會干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系,影響設(shè)備工作狀態(tài)。通常的開關(guān)電源輸出的直流電壓中疊加了由噪聲和波紋引起的交流信號。波紋主要是由于開關(guān)電源的開關(guān)動作造成的,而波動的頻率跟開關(guān)的頻率是一致的,大小取決于輸入、輸出電容的參數(shù)。作為開關(guān)的元件都有寄生的電感與電容,當(dāng)元件在電流流動變化工作時,會產(chǎn)生電壓與電流的浪涌,這些浪涌信號都會在電源產(chǎn)生干擾信號。浪涌電流指電源接通瞬間,流入電源設(shè)備的峰值電流。該峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)輸入電流,這種瞬時過電流稱為浪涌電流,是一種瞬變干擾。噪聲電壓主要跟電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電路中的寄生參數(shù)、工作的電磁環(huán)境以及印制電路板的布線有關(guān)。當(dāng)信號較小的時候,會產(chǎn)生干擾的信號。圖2(a)是實驗信號波形,(b)是小信號上疊加了干擾的波形。干擾可以表現(xiàn)為尖峰、階躍、正弦波或隨機噪聲,干擾的產(chǎn)生來自多方面,電路設(shè)計不合理、器件使用不當(dāng)、工作環(huán)境干擾、電源噪聲等,其中電源產(chǎn)生的噪聲是常見主要的原因,而這些干擾信號會造成后續(xù)電路一系列的處理誤差,所以在要求較高的場合,這樣的噪聲是必須要解決的。
2解決措施
開關(guān)電源電路一般由整流平滑電路、集成開關(guān)電路、浪涌電壓吸收電路、電壓檢測電路、次級側(cè)整流平滑電路等構(gòu)成。其工作原理:開關(guān)電路供應(yīng)穩(wěn)定電壓和平滑的電流,是本電路的主要部分,開關(guān)晶體管的集電極電流決定電源的輸出電流。紋波的解決措施[3][4]主要有:調(diào)整電感和電容參數(shù)、增加電容電阻緩沖網(wǎng)絡(luò)。
2.1調(diào)整電感和電容參數(shù)
電流波動與電感參數(shù)、以及輸出電容大小有關(guān),通常電感值越小,波動越大,輸出電容值越小,波紋越大。因此可以通過增大電感值和輸出電容值來降低波紋。在這里以BUCK型開關(guān)電源為例,當(dāng)開關(guān)電源工作時,提供的電壓不變,但是電流會變化,為了穩(wěn)定電源的輸出電流,在如圖4(a)的指示位置并聯(lián)一個電容C+。通過增加電感值的方法來減小波紋的做法是受限的。因為電感越大,體積就越大。電感的取值可以這樣計算:假定輸入電壓為Vin,輸出電壓為Vo,工作頻率為f,輸出電流為I,電感中電流的波動值為駐I的話,有:在電路調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn),隨著C+不斷增加,減小波紋的效果會越來越差,同時增加f,會增加開關(guān)損失。因此可以通過再加一級LC濾波器的方法來改善,如圖4(b)所示。LC濾波器抑制波紋的效果較好,只要根據(jù)需要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容即可。
2.2增加電容電阻緩沖網(wǎng)絡(luò)
在二極管高速導(dǎo)通截止時,要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間,等效電感和等效電容成為一個RC振蕩器,產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩,需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻與電容取值要經(jīng)過反復(fù)試驗才能確定,一般選擇電阻為10Ω-100Ω,電容取4.7pF-2.2nF。如果選用不當(dāng),反而會造成更嚴(yán)重的振蕩。
3電路設(shè)計及實測
根據(jù)以上分析,設(shè)計出了一種開關(guān)穩(wěn)壓電源如圖5所示,采用可控硅觸發(fā)方式。通過整流放大后的波紋去觸發(fā)可控硅的導(dǎo)通,當(dāng)整流電壓值為零時,可控硅自動關(guān)斷。只要用輸出電壓的變化來控制觸發(fā)信號的前沿,即可實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓電路主要由可控硅、4個晶體管和1個變壓器等組成,如圖5所示。我們在multisim環(huán)境下對該電路進(jìn)行仿真,效果非常好。再用實際電路搭試,并加上30歐姆純電阻阻抗后,選取了7個測試點,測試波形見圖6所示。圖中變壓器T、二極管D1~D4和電容器C1-4組成整流濾波電路,測試點1電壓紋波波形見圖6中1的圖像,顯然是在全波整流后的紋波出現(xiàn);電阻R2、R3和隔直電容C5組成取樣電路,測試點2電壓紋波波形見圖6中2的圖像;控制可控硅的紋波信號測試點3、4電壓紋波波形見圖6中的3、4的圖像;隔直后的測試點5電壓紋波波形見圖6中的5的圖像;線圈T2控制信號的初級波形見圖6中7的圖像;線圈T2次級控制可控硅信號見圖6中6的圖像。當(dāng)電壓沒有紋波時,線圈T2不發(fā)揮作用,但當(dāng)電壓有波動時(紋波),則自動控制可控硅工作,抑制電壓的波動。在電路中的電感對抑制電壓的波動也起到了良好的作用,其電感值可以根據(jù)電壓的大小和對紋波的要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。該電路在最后的輸出功率可以達(dá)到110W,當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化10-104歐姆時,電壓變化的范圍大約是1毫伏。
4結(jié)束語
本文對開關(guān)電源噪聲與紋波的產(chǎn)生原因和抑制方法進(jìn)行了分析和討論,并設(shè)計出了一種晶體管開關(guān)穩(wěn)壓電源電路,觀察仿真實驗,可以得出該設(shè)計能夠抑制一定的電源噪聲與波紋。在實際中,需要依據(jù)產(chǎn)品的參數(shù),如體積、成本等問題綜合考慮,選擇合適的設(shè)計方法。
參考文獻(xiàn):
關(guān)鍵詞: 開關(guān)電源; 單端反激; 高頻變壓器; 雙反饋
中圖分類號: TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2013)14?0162?04
Design of multi?channel switching power supply with single?ended flyback
HU Zhi?qiang 1, WANG Gai?yun1, WANG Yuan 2
(1. Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;2. Shandong Huayu Vocational College, Dezhou 253034, China)
Abstract: A TOP223Y?based switching power supply with multi?channel output single?end flyback AC/DC module was designed. Peripheral circuits are analyzed by TOP Switch series single?chip switching power supply chip and the feedback system composed of TL431 and PC817A. The AC/DC switching power supply whose voltage stabilization adjusting weight is 0.6 and 0.4 with the outputs of +5V/3A and +12V/1A was designed. The experimental results show that the switching power supply has high efficiency, small ripple, high output accuracy and high stability.
Keywords: switching power supply; single?ended flyback; high?frequency transformer; double feedback
單片開關(guān)電源自問世以來,以其效率高,體積小,集成度高,功能穩(wěn)定等特點迅速在中小功率精密穩(wěn)壓電源領(lǐng)域占據(jù)重要地位。美國PI公司的TOPSwitch系列器件即是一種新型三端離線式單片高頻開關(guān)電源芯片,開關(guān)頻率fs高達(dá)100 kHz,此芯片將PWM控制器、高耐壓功率MOSFET、保護電路等高度集成,連接少許器件即可使用[1?2]。本文介紹了一種基于TOP223Y輸出為+5 V/3 A,+12 V/1 A的單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計原理和方法。
1 設(shè)計原理
開關(guān)電源是涉及眾多學(xué)科的一門應(yīng)用領(lǐng)域,通過控制功率開關(guān)器件的開通與關(guān)閉調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制占空比達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的,能夠?qū)崿F(xiàn)AC/DC或者DC/DC轉(zhuǎn)換。
TOP223Y共三個端:控制極C、源極S、漏極D。因只有漏極D用作脈寬調(diào)制功率控制輸出,故稱單端;高頻變壓器在功率開關(guān)導(dǎo)通時只是將能量存儲在初級繞組中,起到電感的作用,在功率開關(guān)關(guān)閉時才將能量傳遞給次級繞組,起變壓作用,故稱反激式[1]。
圖1 開關(guān)電源控制原理框圖
電路功能部分主要由輸入/輸出整流濾波、功率變換、反饋電路組成。工作原理簡述為:220 V市電交流經(jīng)過整流濾波得到直流電壓,再經(jīng)TOP223Y脈寬調(diào)制和高頻變壓器DC?AC變換得到高頻矩形波電壓,最后經(jīng)輸出整流濾波得到品質(zhì)優(yōu)良的直流電壓,同時反饋回路通過對輸出電壓的采樣、比較和放大處理,將得到的電流信號輸入到TOP223Y的控制端C,控制占空比調(diào)節(jié)輸出,使輸出電壓穩(wěn)定。
2 設(shè)計要求
設(shè)計作為某智能儀器的供電電源,具體的參數(shù)要求如下:交流輸入電壓最小值:VACMIN=85 V;交流輸入電壓最大值:VACMAX=265 V;輸出:U1:+5 V/3 A;U2:+12 V/1 A;輸出功率:Po=27 W;偏置電壓:VB=12 V;電網(wǎng)頻率fL=50 Hz;開關(guān)頻率fs=100 kHz;紋波電壓:小于100 mV;電源效率:η大于80%;損耗分配因數(shù)Z為0.5;功率因數(shù)為0.5。
3 設(shè)計實例
本設(shè)計是基于TOP223Y的多路單端反激式開關(guān)電源,性能優(yōu)越,便于集成。電路原理如圖2所示,可分為輸入保護電路、輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、反饋回路、控制電路7個部分。
圖2 開關(guān)電源電路原理圖
3.1 輸入保護電路
由保險絲F1、熱敏電阻RT和壓敏電阻RV組成,對輸入端進(jìn)行過電壓、過電流保護。
保險絲F1用于當(dāng)線路出現(xiàn)故障產(chǎn)生過電流時切斷電路,保護電路元器件不被損壞,其額定電流IF1按照IF1>2IACRMS選擇3 A/250 VAC保險絲,其中IACRMS為原邊有效電流值。熱敏電阻RT用以吸收開機浪涌電流,避免瞬間電流過大,對整流二極管和保險絲帶來沖擊,造成損壞,加入熱敏電阻可以有效提高電源設(shè)計的安全系數(shù),其阻值按照RRT1>0.014VACMAX/IACRMS選擇10D?11(10 Ω/2.4 A)。壓敏電阻RV能在斷開交流輸入時提供放電通路,以防止大電流沖擊,同時對沖擊電壓也有較好鉗位作用。RV選取MY31?270/3,標(biāo)稱值為220 V。
3.2 輸入整流濾波電路
由EMI濾波電路、整流電路、穩(wěn)壓電路組成。
EMI濾波電路針對來自電網(wǎng)噪聲干擾。采用由L1,CX1,CX2,CY1,CY2構(gòu)成典型的Π型濾波器。
CX1和CX2用來濾除來自電網(wǎng)的差模干擾,稱為X電容,通常取值100~220 nF,這里取100 μF;CY1和CY2用來濾除來自電網(wǎng)的共模干擾,稱為Y電容,通常取值為1~4.7 nF,這里取2.2 nF;同樣用來消除共模干擾的共模電感L1的取值8~33 mH,這里取8 mH,采取雙線并繞。
輸入整流電路選擇不可控全波整流橋。整流橋的反向耐壓值應(yīng)大于1.25倍的最大直流輸入電壓,整流橋的額定電流應(yīng)大于兩倍的交流輸入的有效值,計算后選擇反向擊穿電壓為560 V,額定電流為3 A的KBP306整流橋。
在當(dāng)前的供電條件下,輸入儲能電容器CIN的值根據(jù)輸出功率按照2~3 μF/W來取值,考慮余量,取CIN=100 μF/400 V的電解電容。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時間為tc=3 ms,可由:
(1)
(2)
得到輸入直流電壓的最小值和最大值。
3.3 鉗位保護電路
當(dāng)功率開關(guān)關(guān)斷時,由于漏感的影響,高頻變壓器的初級繞組上會產(chǎn)生反射電壓和尖峰電壓,這些電壓會直接施加在TOPSwitch芯片的漏極上,不加保護極容易使功率開關(guān)MOSFET燒壞。加入由R1、C2和VD1組成經(jīng)典的RCD鉗位保護電路,則可以有效地吸收尖峰沖擊將漏極電壓鉗位在200 V左右,保護芯片不受損壞。推薦鉗位電阻R1取27 kΩ/2 W,VD1鉗位阻斷二極管快恢復(fù)二極管耐壓800 V的FR106,鉗位電容選取22 nF/600 V的CBB電容。
3.4 高頻變壓器
3.4.1 磁芯的選擇
磁芯是制造高頻變壓器的重要組成,設(shè)計時合理、正確地選擇磁芯材料、參數(shù)、結(jié)構(gòu),對變壓器的使用性能和可靠性,將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的第一象限。在開關(guān)管導(dǎo)通時只儲存能量,而在截止時向負(fù)載傳遞能量。因為開關(guān)頻率為100 kHz,屬于比較高的類型,所以選擇材料時選擇在此頻率下效率較高的鐵氧體,由:
(3)
估算磁芯有效截面積為0.71 cm2,根據(jù)計算出的考慮到閾量,查閱磁芯手冊,選取EE2825,其磁芯長度A=28 mm,有效截面積SJ=0.869 cm2,有效磁路長度L=5.77 cm,磁芯的等效電感AL=3.3 μH/匝2,骨架寬度Bw=9.60 mm。
3.4.2 初級線圈的參數(shù)[3]
(1)最大占空比。根據(jù)式(1),代入數(shù)據(jù):寬范圍輸入時,次級反射到初級的反射電壓VoR取135 V,查閱TOP223Y數(shù)據(jù)手冊知MOSFET導(dǎo)通時的漏極至源極的電壓VDS=10 V,則:
(4)
(2)設(shè)置。KRP=,其中IR為初級紋波電流;IP為初級峰值電流;KRP用以表征開關(guān)電源的工作模式(連續(xù)、非連續(xù))。連續(xù)模式時KRP小于1,非連續(xù)模式KRP大于1。對于KRP的選取,一般由最小值選起,即當(dāng)電網(wǎng)入電壓為100 VAC/115 VAC或者通用輸入時,KRP=0.4;當(dāng)電網(wǎng)輸入電壓為230 VAC時,取KRP=0.6。當(dāng)選取的KRP較小時,可以選用小功率的功率開關(guān),但高頻變壓器體積相對要大,反之,當(dāng)選取的KRP較大時,高頻變壓器體積相對較小,但需要較大功率的功率開關(guān)。對于KRP的選取需要根據(jù)實際不斷調(diào)整取最佳。
(3)初級線圈的電流
初級平均輸入電流值(單位:A):
(5)
初級峰值電流值(單位:A):
(6)
初級脈動(紋波)電流值(單位:A):
初級有效電流值(均方根值RMS(單位:A)):
(7)
查閱手冊,由:
(8)
可知,選取合適。TOPSwitch器件的選擇遵循的原則是選擇功率容量足夠的最小的型號。
(4)變壓器初級電感
(9)
(5)氣隙長度
(10)
Lg>0.051 mm,參數(shù)合適,μy為常數(shù)4π×10?7 H/m。
3.4.3 初級次級繞組匝數(shù)[4]
當(dāng)電網(wǎng)電壓為230 V和通用輸入220 V時:每伏特取0.6匝,即KNS=0.6。由于輸出側(cè)采用較大功率的肖特基二極管用作輸出整流二極管,因此VD取0.7 V,磁芯的最大工作磁通密度在BM在2 000~3 000 GS范圍內(nèi)。偏置二極管VDB的壓降取0.7 V,偏置電壓VB取12 V。
初級繞組匝數(shù):
(10)
次級繞組匝數(shù):
(11)
(12)
偏置繞組匝數(shù):
(13)
3.5 輸出整流濾波電路
由整流二極管、濾波電容和平波電感組成。將次級繞組的高頻方波電壓轉(zhuǎn)變成脈動的直流電壓,再通過輸出濾波電路濾除高頻紋波,使輸出端獲得穩(wěn)定的直流電壓。肖特基二極管正向?qū)〒p耗小、反向恢復(fù)時問短,在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢,所以選用肖特基二極管作為整流二極管,參數(shù)根據(jù)最大反向峰值電壓VR選擇,同時二極管的額定電流應(yīng)該至少為最大輸出電流的3~5倍。次級繞組的反向峰值電壓VSM為:
(14)
(15)
式中:VS為次級繞組的輸出電壓;VACMAX為輸入交流電壓最大值,則:
(16)
(17)
則VR1=22 V,VR2=57.1 V,VD2,VD3,VD4均選擇MBR1060CT,最大反向電壓60 V,最大整流電流10 A。RC串聯(lián)諧振可以消除尖峰脈沖,防止二極管擊穿。
第一級濾波電容的選擇由式(18)確定:
(18)
式中:Iout是輸出端的額定電流,單位為A;Dmin是在高輸入電壓和輕載下所估計的最小占空比(估計值為0.3);V(PK?PK)是最大的輸出電壓紋波峰峰值,單位為mV。計算得出后考慮閾值C6取100 μF/10 V,C8取220 μF/35 V。
第二級經(jīng)LC濾波使不滿足紋波要求的電壓再次濾波。輸出濾波電容器不僅要考慮輸出紋波電壓是否可以滿足要求,還要考慮抑制負(fù)載電流的變化,在這里可以選擇C7取22 μF/10 V,C9取10 μF/35 V。C5取經(jīng)驗值0.1 μF/25 V。輸出濾波電感根據(jù)經(jīng)驗取2.2~4.7 μH,采用3.3 μH的穿心電感,能主動抑制開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。為減少共模干擾,在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容C15。
3.6 反饋回路設(shè)計
開關(guān)電源的反饋電路有四種類型:基本反饋電路、改進(jìn)型基本反饋電路、配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路、配TL431的光耦反饋電路。本設(shè)計采用電壓調(diào)整率精度高的可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431加線形光耦PC817A構(gòu)成反饋回路。
TL431通過電路取樣電阻來檢測輸出電壓的變化量ΔU,然后將采樣電壓送入TL431的輸入控制端,與TL431的2.5 V參考電壓進(jìn)行比較,輸出電壓UK也發(fā)生相應(yīng)變化,從而使線性光電耦合器中的發(fā)光二極管工作電流發(fā)生線性變化,光電耦合器輸出電流。
經(jīng)過光電耦合器和TL431組成的外部誤差放大器,調(diào)節(jié)TOP223Y控制端C的電流IC,調(diào)整占空比D(IC與D成反比),從而使輸出電壓變化,達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。
對于電路中的反饋部分,開關(guān)電源反饋電路僅從一路輸出回路引出反饋信號,其余未加反饋電路。這樣,當(dāng)5 V輸出的負(fù)載電流發(fā)生變化時,定會影響12 V輸出的穩(wěn)定性。
解決方法是給12 V輸出也增加反饋電路。另外,電路中C10為TL431的頻率補償電容,可以提高TL431的瞬態(tài)頻率響應(yīng)。R5為光電耦合器的限流電阻,R5的大小決定控制環(huán)路的增益。電容器C13為軟啟動電容器,可以消除剛啟動電源時芯片產(chǎn)生的電壓過沖。
下面主要是確定R4~R8的值:
按照應(yīng)用要求,對5 V電源要求較高,但也要兼顧12 V電源,權(quán)衡反饋量,將R7,R8的反饋權(quán)值均設(shè)置為0.6,0.4,各個輸出的穩(wěn)定性均得到保障和提高。
只有5 V輸出有反饋時,如R4,R7取值均為10 kΩ,此時電流=250 μA,分權(quán)后,R7分得150 μA、R8分得150 μA。根據(jù)TL431的特性知,Vo,VREF,R7,R8,R4之間存在以下關(guān)系:
(19)
(20)
式中:VREF為TL431參考端電壓,為2.5 V;Vo為TL431輸出電壓。根據(jù)電流分配關(guān)系得(單位:kΩ):
(21)
(22)
又由電路可知 :
(23)
式中:VF 為光耦二極管的正向壓降,由PC817技術(shù)手冊知,典型值為1.2 V。先取R5=390 Ω,可得R6=139 Ω,取標(biāo)稱值150 Ω。
3.7 控制回路
由電容C7和電阻R12串聯(lián)組成。C9用來濾除控制端的尖峰電壓并決定自動重啟動時序,并和R12一起設(shè)定控制環(huán)路的主極點為反饋控制回路進(jìn)行環(huán)路補償。由數(shù)據(jù)手冊知,C9選擇47 μF/25 V的電解電容,當(dāng)C9 =47 μF時,自動重啟頻率為1.2 Hz,即每隔0.83 s檢測一次調(diào)節(jié)失控故障是否已經(jīng)被排除,若確認(rèn)已被排除,就自動重啟開關(guān)電源恢復(fù)正常工作[1]。R12取6.2 Ω。
4 實驗結(jié)果及分析
根據(jù)以上的設(shè)計方法和規(guī)范,設(shè)計出的一種基于TOP223Y雙路+5 V/3 A,+12 V/1 A輸出的反激式開關(guān)電源。在寬范圍85~265 VAC的輸入范圍下對其性能進(jìn)行了測試,如表1所示。
表1 開關(guān)電源輸入性能測試數(shù)據(jù)(部分)
由以上選取的實驗數(shù)據(jù)得出,+5 V/3 A(反饋權(quán)重0.6,負(fù)載500 Ω)輸出的電壓調(diào)整率為SV = ±0.18%,輸出的紋波電壓為39 mV,輸出的最大電流為3.2 A;
+12 V/1 A(反饋權(quán)重0.4,負(fù)載750 Ω)輸出的電壓調(diào)整率為SV = ±0. 3%,輸出的紋波電壓為68 mV,輸出的最大電流為1.10 A。
該電源在滿載狀態(tài)時,功率可達(dá)27.6 W,最大占空比為0.60, 電源效率為83.1%,開關(guān)電源具有良好的性能,滿足應(yīng)用要求。
6 結(jié) 語
本開關(guān)電源的設(shè)計,芯片的高度集成化,電路設(shè)計簡單。電源的性能通過參數(shù)的調(diào)節(jié)仍有提升的空間。雙輸出雙反饋異權(quán)重的設(shè)計使開關(guān)電源的更加實用靈活,不同的保護電路的設(shè)計,使電源的實用更加安全可靠,該電源在實際應(yīng)用中表現(xiàn)良好。
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【關(guān)鍵詞】低壓開關(guān)柜;雙路電源;進(jìn)線設(shè)計
中圖分類號:S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:
低壓開關(guān)柜會經(jīng)常需要兩路電源進(jìn)線。這兩路電源一路為市電,另一路為自發(fā)電源,要求在某一路電源停電時切換到另一路電源上。但一路電源合閘后另一路就不準(zhǔn)合閘,以避免一路有電電源向另一路無電電源倒送電,造成事故。
一、低壓開關(guān)柜
1、概述
低壓開關(guān)柜中進(jìn)線柜、母聯(lián)柜、電容柜采用固定分隔式結(jié)構(gòu),出線柜采用抽屜式結(jié)構(gòu)。本技術(shù)要求適用于本合同的成套低壓固定分隔式開關(guān)柜或抽屜式開關(guān)柜,它對戶內(nèi)低壓開關(guān)包括母線的設(shè)計、材料、結(jié)構(gòu)、試驗、技術(shù)文件等提出了最低要求。
2、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
除相關(guān)文件提出的要求外,所有設(shè)備還應(yīng)符合中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)(GB)或有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的最新版本,應(yīng)提供經(jīng)LOVAG認(rèn)可的國際權(quán)威試驗室的型式試驗報告、國內(nèi)型式試驗報告和3C認(rèn)證證書。
3、使用條件
(1)海拔高度:2000米以內(nèi);
(2)環(huán)境溫度:-20~+50℃;
(3)相對濕度:95%(20℃時)。
4、系統(tǒng)數(shù)據(jù)
(1)400V,3相4線,50Hz,中性點接地。
(2)電壓變化范圍:正?!?0%,瞬時-20%,頻率變化范圍±4%。
5、系統(tǒng)說明
(1)本設(shè)備用于本項目變電所的低壓配電系統(tǒng)。
(2)本低壓開關(guān)柜應(yīng)包括主電路、輔助電路、母線,是一臺或多臺低壓開關(guān)電器及其保護和控制裝置的組合,同時包括控制、測量、信號指示和各種附件以及所有內(nèi)部電氣和機械的連接。
(3)低壓控制裝置包括低壓一次設(shè)備(如熔斷器、斷路器、接觸器、熱繼電器等)和二次系統(tǒng)。按照本技術(shù)標(biāo)書所附系統(tǒng)圖的要求,將有關(guān)的一、二次設(shè)備組裝在封閉的金屬柜內(nèi),成為低壓開關(guān)柜。
(4)元器件選用
要求智能型框架斷路器具有完善的三段式保護:過載長延時、短路瞬動、短路延時、接地保護(根據(jù)施工圖要求進(jìn)行配置)及上下級配合功能。
所有受電主開關(guān)和饋電開關(guān),應(yīng)使用同一公司同一品牌的產(chǎn)品。
(5)斷路器安裝方式
整定電流500A以上的斷路器采用框架式(ACB)抽出安裝。整定電流500A及以下的斷路器采用塑殼式,采用插拔式安裝。
(6)其它
風(fēng)機正、反轉(zhuǎn)可在低壓開關(guān)柜內(nèi)和現(xiàn)場完成。
二、低壓開關(guān)柜中雙路電源進(jìn)線的設(shè)計
雙路電源進(jìn)線的常用設(shè)計方法是采用雙投開關(guān),如HS13。這種雙投開關(guān)的結(jié)構(gòu)決定了只能做在柜深較深的固定式面板的柜中,如PGL柜中,局限性就比較大。
現(xiàn)在主隔離開關(guān)都選用全封閉式免維護引進(jìn)產(chǎn)品QSA刀熔開關(guān)或QA無熔斷器隔離開關(guān)。如果兩路電源每路進(jìn)一只QSA(或QA),出線端并聯(lián)引出,只要專門設(shè)計機械聯(lián)鎖機構(gòu)以保證兩只開關(guān)不能同時合閘,那么無論是在選用元件的先進(jìn)性,安裝的靈活適應(yīng)性上都將比舊式的雙投開關(guān)好。機械聯(lián)鎖裝置有多種設(shè)計方案,原理都是利用合閘開關(guān)旋轉(zhuǎn)90,后反映到距離的變化,阻止另一開關(guān)的旋轉(zhuǎn)(合閘)。但這些設(shè)計有的要破壞開關(guān)的完整性—焊接轉(zhuǎn)軸等,有的要妨礙柜中元件的維護、檢修。
現(xiàn)在設(shè)計一種適用于任何柜體,且只與操作手柄的安裝孔(在門上)及鎖頭(可卸件)發(fā)生關(guān)系的機械聯(lián)鎖機構(gòu)(見下圖)。在GLG-0.4分隔式低壓開關(guān)柜和XLL-0.4組合分隔式開關(guān)柜上安裝使用了幾十套,效果很好。
1.聯(lián)鎖擋板2.定位板3.偏心輪4.防伸擋板
5.自攻螺釘ST4.8x196.緊定螺釘7.螺釘8.導(dǎo)向銷
機構(gòu)是用套在鎖頭方軸上特制凸輪塊隨鎖頭旋轉(zhuǎn)時最高點頂住聯(lián)鎖擋板,壓住另一把QSA鎖頭方軸上凸輪的最低邊,因而阻止了兩只開關(guān)同時合附的可能性。在實際制作中,因手柄長度較長(140mm),當(dāng)一只開關(guān)合上后,強行扳動另一只開關(guān)時,凸輪對聯(lián)鎖擋板所施的力矩約是手柄所施力的5倍,無疑會對另一開關(guān)軸產(chǎn)生很強的推力,迫使兩根軸向上下兩端延伸,兩軸間距增大。一旦間距增大到超過偏心凸輪的最高點與最低點的差值時,凸輪便會強行轉(zhuǎn)過聯(lián)鎖擋板的阻止產(chǎn)生誤動作,這是絕對不允許的,為此在兩凸輪的最外兩邊裝設(shè)兩塊“防伸擋板”,防止兩軸的延伸。這樣,除非將固定“防伸擋板”的兩只ST4.8mmx19mm。自攻螺釘切斷,否則便不可能誤動作。
這種機械聯(lián)鎖機構(gòu)巧妙地利用操作手柄四只安裝孔,結(jié)構(gòu)緊湊,大面積的聯(lián)鎖擋板裝在門背后隨門一起轉(zhuǎn)動,不占倉位面積,不遮視線,不影響接線和倉位元件維修。安裝開關(guān)柜時可以在所有元件安裝完畢后再加裝本聯(lián)鎖裝置,安裝維修極為方便。,
聯(lián)鎖機構(gòu)總計五種零件,九件。其中兩種,四件為機加工件;三種,五件為飯金件。因精度要求不高,制作較為方便,而且適用范圍廣,可適用于QSA-16oA-QSA-63oA;QA-400A~QA-630A等用H系列旋轉(zhuǎn)操作手柄的任一種開關(guān)。
最近我發(fā)現(xiàn)用兩只QSA豎直合并后,中間加聯(lián)鎖機構(gòu)及出軸,并將兩只開關(guān)固定在一勢板上,做成QSA(或QA)式的雙投開關(guān)的資料。與這種產(chǎn)品相比,上述的雙電源進(jìn)線設(shè)計仍有其優(yōu)越性,這是由于:(1)新雙投開關(guān)占用倉位較多。以QSA-630A為例,豎裝兩開關(guān)總長為6900m加板后整體不會小于750mm,只能裝在800~880mm高的倉位中;而機械聯(lián)鎖式用兩只橫裝的QSA-630A總高540mm,可裝在600-660mm的倉中,縮小了一個檔次的倉位高度;(2)雙電源進(jìn)線中較常用一路開關(guān)(如常用市電)較易損壞,而另一路開關(guān)使用時間相對小得多。當(dāng)常用的一路開關(guān)需更換時,新雙投開關(guān)因連在一起只能一起換掉;而分立式雙路開關(guān)只需換掉一只常用開關(guān)即可,維護費用相對較為節(jié)??;(3)新雙投開關(guān)完全由兩只QSA(或QA)拼裝加附加機構(gòu)而成,而分立式雙路開關(guān)僅增加一套成本不高、易于自制的機械聯(lián)鎖機構(gòu),總計價格估計不會高于新雙投開關(guān)。
三、低壓開關(guān)柜雙電源供電的實現(xiàn)
對于單母線分段雙電源供電系統(tǒng),可有多種運行方式,本設(shè)計僅為二路電源同時供電,以母聯(lián)作備自投的一種常用方案,其特點是當(dāng)工作電源失電后,母聯(lián)在滿足自投條件下自動投入運行;當(dāng)失電線路恢復(fù)來電時,又能自動切斷母聯(lián)斷路器,自動恢復(fù)原線路供電。
1、ATS裝置動作的基本條件
(1)母線工作電源由人工手動切除,或保護裝置動作跳閘造成母線失電,ATS裝置不應(yīng)動作
(2)I(II)段母線工作電源斷開后,II(I)段工作母線應(yīng)具有60%~70%的額定電壓(228V~266V)方具備自投條件。
(3)工作母線失壓保護按母線額定電壓的25%(95V)整定,電壓繼電器1KV~4KV全部按串聯(lián)連接,線圈長期允許工作電壓為440V。若運行中發(fā)生B相熔絲熔斷,1KV(3KV)和2KV(4KV)的電壓降相同,同為190V,此時因1KV(3KV)繼電器實際工作電壓高于整定值,因而1KV(3KV)不會誤動作,僅發(fā)生缺相報警信號,因而避免了ATS的誤動作。
(4)ATS是否投入運行,由運行值班人員根據(jù)所需的運行方式?jīng)Q定,并由工作轉(zhuǎn)換開關(guān)1SA(2SA)切換至所需工位。
2、母線初次送電
I,II段母線分別由二路電源供電,轉(zhuǎn)換開關(guān)1SA~3SA均在手動位置,由工人手動操作,先后合上進(jìn)線斷路器1QF,2QF。
3、自投過程
(1)將母聯(lián)斷路器3QF置于熱備用狀態(tài)。
(2)在二路電源同時供電的情況下,操作轉(zhuǎn)換開關(guān)1SA~3SA,置于自動工作位置。
(3)假設(shè)I段工作母線失壓并斷流,時間繼電器1KT動作,1KC釋放,I段進(jìn)線斷路器經(jīng)延時后跳閘,延時時間的整定應(yīng)避免母線晃電造成瞬間斷電而誤動作。
(4)1QF跳閘后,母聯(lián)3QF合閘回路全部通路,并完成自投合閘過程。
4、自復(fù)過程
(1)當(dāng)I段進(jìn)線電源側(cè)三相全部恢復(fù)供電后,3KT即失電延時返回,并接通3QF跳閘回路,使母聯(lián)跳閘。
(2)3QF跳閘后,1HQ即得電,并將I段進(jìn)線電源合上恢復(fù)供電。
(3)如運行要求不需要來電自復(fù),只須將3QF分閘回路切換片1XB切換至信號位置,指示進(jìn)線電源已恢復(fù)供電。
5、故障失電
I(II)段母線在運行時如發(fā)生故障,過流繼電器2KC(4KC)動作,I(II)段進(jìn)線斷路器1QF(2QF)立即分閘,并啟動5KA(6KA) ,使3QF合閘回路斷開,禁止ATS誤動,并發(fā)出過流報警信號。報警信號由人工手動復(fù)位。
結(jié)束語
以上所設(shè)計的雙路進(jìn)線QSA(QA)聯(lián)鎖機構(gòu)無論在通用性、可靠性、經(jīng)濟性和新穎性方面都占優(yōu)勢,可供成套廠、設(shè)計院及新型雙投開關(guān)試制廠設(shè)計部門參考。
參考文獻(xiàn)
[1] 王士勇,宋彬. GFW開關(guān)柜改型研究及應(yīng)用[J]. 煤炭技術(shù). 2008(06)