本质安全型电源

本质安全型电源（精选九篇）

本质安全型电源篇1

CDW系列输出本质安全型电源由天地 (常州) 自动化股份有限公司研制推出。该系列电源包括CDW-I型和CDW-II型2种输出本质安全型电源, 用于向I类本质安全型设备提供电源, 安装于安全场合或隔爆腔内, 具有双重化的过流、过压保护及双重化的稳压输出功能。CDW-I型输出本质安全性电源的输入电压为AC127~220V, 允许电压波动范围为AC85~265V;CDW-II型输出本质安全性电源的输入电压为DC18~36V, 允许电压波动范围为DC12~40V。

使用该系列电源, 用户可方便构建各种隔爆兼本质安全电源、浇封兼本质安全电源或本质安全供电系统。该系列电源通过了第三方检验机构的火花安全试验, 取得了防爆认证, 证书各种检验机构均认可, 用户认证时无需重复试验, 缩短了用户的研发周期, 减少了研发和认证成本。该系列电源本质安全输出通过了浪涌冲击试验, 降低了本质安全设备上电的冲击, 提高了本质安全设备的可靠性。

对建设本质安全型矿井的认识篇2

关键词：本质安全型矿井内涵

0引言

煤矿行业是我国最危险的行业之一，近几年来，我国煤矿企业发生事故起数和伤亡人数有所下降，但与发达国家和国内先进企业相比，仍然是触且惊心，所以构建本质安全型矿井迫在眉睫。神华宁煤集团提出用3-5年的时间创建“五型企业”(本质安全型、质量效益型、科技创新型、资源节约型、和谐发展型)，其中创建“本质安全型”企业是”五型”之首，本质安全从根本上抓住了安全生产工作的有效机制，创新了安全生产工作的理念，是抑制各类事故发生的根本途径。本质安全型矿井建设是实现煤矿安全生产的必然选择，建设本质安全型矿井，是企业自身持续稳定发展的客观要求，也是新形势下建设和谐社会的客观要求，是实现煤矿安全状况根本好转的重要手段和途径。煤矿安全生产不单纯只是人员、装备、环境、管理、技术等某一方面的问题，而是各种因素相互牵连的组合体。这就需要我们积极推进本质安全型矿井建设，建立健全一套动态的人、机、环境、制度、管理和谐统一的安全管理体系，实现人的本质安全、物的本质安全、系统的本质安全和制度规范、管理科学，以减少和消除伤亡事故。

1本质安全型企业的内涵

本质安全这一概念最初用于区别煤矿电气、仪器设备的隔爆构造设计。若将其内涵扩大，将人、装备、作业环境上升到本质安全范畴内，就形成了全新的本质安全理念。其主要内容包括四个方面：一是人的安全可靠性，它是创建本质安全型矿井的核心。二是物装备、设旌、原材料等的本质安全。三是系统工作环境的本质安全，煤矿有提升、运输、通风、压风、排水、供电等主要系统及分枝的单元系统，这些系统本身应该没有隐患或缺陷，且有良好的配合。四是管理体系的本质安全。建立健全完善的规章制度和规范、科学的管理制度。

狭义上的本质安全是指实现了人的本质安全、物(设备系统)的本质安全等。对于煤矿企业而言，本质安全型矿井是通过追求人、机和环境的安全和谐统一，最终实现管理无漏洞、设备无故障、系统无缺陷、人员无“三违”、安全无事故的恒久性安全目标。

广义上的本质安全，则是将上述人、物、环境、管理等诸多要素的本质安全有机地融合起来组成的集合体，是企业安全生产管理工作的综合反映，是生产过程中诸多要素的最佳集合。

2创建本质安全型矿井的途径

2.1推行质量标准化作业，创造良好的作业环境质量标准化建设，是煤炭企业的基础工程、生命工程和形象工程，也是建立长效安全机制的重要内容和根本途径。其实质在于规范质量标准，强化质量管理，完善安全保护，有效遏止重特大事故，使安全生产建立在可靠的工程质量、设备运行质量和工作质量基础之上。搞好安全生产工作，必须加强安全质量标准化建设，打造一个安全文明的生产环境。质量标准化，是企业顺应形势发展变化的要求，适应市场竞争的必然之举。我们应结合矿井实际，对安全质量标准化建设的方式、方法进行创新。

首先，从人的行为标准化入手，制定各工种、各岗位操作标准，在班组中开展了作业规程标准化、生产工艺标准化，生产装备现代化、安全设施标准化、作业环境人性化为主要内容的”安全明星班组”创建活动，在全矿营造一个良好的氛围，使质量标准化成为职工潜意识的自觉行为。

其次，对装备、设施进行标准化管理。建立严格的矿井设备检测制度，加大对设备安全运行实时监测，消灭电气设备和器材失爆，确保安全运转。

最后，对生产环境进行标准化整治，使职工的工作环境保持安全状况。即在各工作面推行文明化、标准化、洁净化和有序化生产，实行人性化管理，陶冶职工的情操，凝聚职工的力量。

2.2提高员工安全素质，推进员工行为本质安全化当前矿业专业技术人才严重缺乏，从业人员素质偏低。职工的本质安全化应从以下2方面入手：①加强员工的教育培训：针对现今煤炭企业的一线生产职工，大多是农民工、合同工、临时工，文化水平低，缺乏专业技术知识的现状，应该采用集中培训、班前会学习、现场提问和到其他单位参观学习等形式对员工进行安全、技术、岗位及职业教育等方面的培训，更新员工知识，培养员工学习能力，提高员工素质。注重提高安全培训的针对性和有效性，让每位员工熟练掌握岗位操作基本知识，具有安全技能，具有专业岗位知识，能遵守制度，能正确操作设备，明确辨识危险源、预防化解危险源、科学处置危险源，创造安全环境。②严把领导干部选拔关：领导担负着安全管理的组织、指挥、执行、监督责任，干部违章指挥是造成煤矿事故的主要原因。可以说领导干部因素决定着企业安全管理水平的高低，决定着企业能否真正建成本质安全型矿井。对此，我矿在科、队、班干部任用上严格把关，严格执行对煤矿负责人、安全管理人员、专业技术人员、特种作业人员的文化程度、工作经历、接受培訓等准八条件的规定，从德、能、勤、安、绩、廉6个方面进行综合考评，实行安全一票否决制，使全矿各级干部都重视安全，始终将安全工作放在首位。

2.3先进的装备是构建本质安全型矿井的重要前提一个煤矿技术装备水平的高低，很大程度上决定着该矿井安全系数的高低。设备、设施、安全系统应具有自我保护的能力，当其发生故障时能自动消除故障部件而同时启用备用部件或实现安全制动并发出警示，以便及时发现和处理，从而保障煤矿现场的安全生产。所以实现矿井生产系统完善与最优是本质安全的根本保证，新设备和先进技术的推广应用是本质安全的最佳手段。

2.4建立合理、高效运作的安全生产管理体制和机制安全生产法明确规定，企业负责制定和完善安全生产责任制度，完善企业规章制度，治理安全生产重大隐患，保障发展规划和新项目的安全“三同时”。在安全生产工作制度上要建立健全安全管理责任制。坚持”管生产必须管安全”、”谁主管谁负责”的原则，对各级领导干部、职能部门和基层生产岗位的安全生产责任制不断进行完善，做到“～职一责”、“一岗一责”、责权明确具体。

3结束语

一种新型的本质安全型电源篇3

本质安全型电源是指电源的各项参数符合国家标准“GB3836.4—2000爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型i”中的相关规定, 可以在爆炸性气体环境中使用。目前市面上有些本质安全型电源采用串联调整管稳压, 成本虽然降低了, 但是稳定性也随之下降了。本文介绍一种采用MC34603开关稳压芯片稳压并设计了完善的保护电路的电源。其工作原理:交流电压由变压器降压后经整流、滤波等环节输出直流电压, 再经稳压环节得到稳定的电压输出, 为满足本质安全型要求, 采用了双重过流过压保护。

1 电源各单元电路介绍

该本质安全型电源由整流滤波电路、直流稳压电路、保护电路等部分组成, 如图1所示。

1.1 整流滤波电路

该电源整流滤波电路采用正极性桥式整流电路, 如图2所示。

当输入电压为正半周时, VD2和VD3承受正向电压而导通, VD1和VD4承受反向电压而截止, 此时变压器次级线圈上1端的电流通过VD2流经RL, 再经过VD3返回至次级线圈。在这个过程中, 流过RL的电流方向为从上到下, 所以RL上的电压为正极性。当输入电压为负半周时, VD1和VD4导通, VD2和VD3截止, 此时次级线圈上3端的电流经VD4流过RL, 再通过VD1返回至次级线圈, 流过负载电阻RL的电流方向也是从上到下, 所以RL上的电压也为正极性。通过桥式整流电路, 可以将交流电压转换成单向脉动性的直流电压。

1.2 直流稳压电路

经整流滤波电路输出的直流电压会随着交流市电的波动而变化, 同时还受电源负载的影响。为了减小输入电压和电源负载对直流输出电压的影响, 有必要在整流滤波电路后加入直流稳压部分, 以稳定其输出的直流电压。该本安电源采用集成芯片稳压, 如图3所示。

图3中, MC34063为开关集成稳压芯片, 其主要参数:输入电压范围为2.5～40 V, 低维持电流, 具有限流功能, 输出电流最大可达1.5 A, 输出电压可调范围为1.25～40 V, 工作频率可达100 kHz。MC34063主要由内部温度补偿的基准电压器、比较器、带有有效电流限制电路的占空比控制振荡器、驱动器和大电流输出开关管等组成。其中, 7脚是电路峰值电流Ipk检测端, 可以控制振荡器输出脉冲的占空比, 限制输出电流, 起保护作用。3脚外接定时电容, 用于决定内部振荡器的工作频率。图3是一个由MC34063组成的升压式DC/DC变换电路, 电路的输入电压为+16～+18 V, 输出电压稳定在+21 V, 输出电流为280 mA。电路中的电阻Rs为电流检测电阻, 由它产生的信号控制芯片内部的振荡器, 可达到限值电流的目的。输出电压经R1、R2组成的分压器输入比较器的反相端, 以保证输出电压的稳定性。

1.3 保护电路

保护电路的种类很多, 电源的保护电路对电源电路和整机电路的安全运行非常重要, 下列几种情况都需要保护电路动作, 使电源电路停止工作, 以达到保护电路的目的。

(1) 由于输入的交流市电电压异常升高或电源电路本身发生故障而使输出的直流工作电压异常升高, 这时电源电路的负载将出现被烧坏的危险;

(2) 由于电源电路的负载出现短路现象, 这时等于将输出端短路, 将导致输出很大的电流, 存在烧坏电源电路的危险;

(3) 电源电路的负载开路会导致电源电路输出的直流工作电压异常升高, 这时也需要保护电路动作, 使电源电路停止工作。

基于上述3个方面的考虑, 该本质安全型电源采用如图4所示的保护电路。当前级稳压电路输出的电压升高到一定值 (比如23 V) 时, 将使稳压管Dz1下端的电位升高, 使得三极管VT3基极电位升高从而VT3导通, 这样, MC34063的输出端就将经VT1、VT2、VT3接地, 而不会继续传到后级, 起到过压保护的作用;如果电源负载端由于某种意外的原因电压偏高, 将使Dz4 (Dz5) 下端电位升高, 二极管D3 (D2) 导通, 进而使得晶闸管BG2 (BG1) 导通, 这样, MC34063的输出端就将经D6、BG2 (D5、BG1) 接地, 同样起到过压保护的作用;另外, 如果电源负载短路, D8 (D7) 负极接地, D8 (D7) 导通, 使VT4 (VT5) 基极电压下降, VT4 (VT5) 导通, VT4 (VT5) 集电极电压升高, 即VT6基极电压升高, VT6截止, 切断电源与负载之间的通路, 从而起到短路保护作用。保护电路采用了双路保护的设计原则, 故其可靠性很高。

1.4 本安性能验算

在过压保护电路的设计中, 选取的晶闸管的型号为MCR100-6, 并联在晶闸管旁边的C3、R8 (C2、R4) 的作用是使晶闸管的触发信号更加平稳, 起到保护晶闸管的作用。该晶闸管的触发电压为0.8 V, 也就是说在输出电压升高至21.8 V时晶闸管开始动作, 实际测试中动作电压为21.2 V, 这是由于二极管D3 (D2) 存在正向压降造成的。这时电源的功率为21.2 V×0.28 A=5.936 W, 小于GB3836.4—2000中规定的功率下限6.5 W。

短路保护设计方面, 正常工作时, R13、R14、R15三个串联电阻两端的电压即为输出电压21 V, 调试电源时, 调节R15使三极管VT4处于截止状态, 这时R9两端的电压为1.8 Ω×0.28 A=0.504 V, 小于三极管VT4 射基级的导通电压0.6 V (实际上此时VT4射基级两端的电压值由于R13的电压影响应该在0.504～0.6 V之间) , 即正常工作时, VT4是截止的。当出现过流或者短路情况时, 流过R9的电流增大, 其电压也随之增大, 当电流超过330 mA时 (GB3836.4—2000对于本质安全的电流值下限规定为350 mA) , VT4 射基级两端的电压将超过0.6 V, 从而使VT4导通, 起到保护的作用 (同样由于R13的影响, 在实际值小于330 mA时, VT4就会导通) 。

2 结语

该电源主要技术指标:输入电压为AC 220 V、50 Hz, 电压允许变化范围为80%～110%;输出电压为21 V, 输出电流为0.28 A;保护方式为双重过压、过流保护。

该电源具有体积小、成本低、本质安全输出、带负载能力强等特点, 可以作为井下设备的配套电源参考选用。

参考文献

[1]侯振义.直流开关电源技术及应用[M].北京:电子工业出版社, 2006.

[2]王增福, 李昶, 魏永明.新编常用稳压电源电路[M].北京:电子工业出版社, 2005.

[3]曲学基, 王增福, 曲敬铠.稳定电源实用电路选编[M].北京:电子工业出版社, 2003.

百年老矿本质安全型矿井建设篇4

关键词：本质安全型；本质安全化；管理安全型；矿井建设

中图分类号：TD79 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0079-02

近年来，我国煤矿重大事故屡禁不止，给国家财产、煤矿企业的生存与发展和职工的生命安全造成了巨大的损失，在国际和国内均产生了较大的不良影响。随着科学技术的进步、以人为本思想的树立以及构建和谐社会形势的需要，在全国范围内产生了构建本质安全型矿井的热潮，出现了本质安全型矿井是煤矿企业永恒的奋斗目标、建立本质安全型矿井安全文化、使矿井由管理安全型向本质安全型转变过渡等思想，有些煤矿企业在此方面也正在进行探索和尝试。

1 本质安全与本质安全化

关于本质安全这一概念，最开始源自于20世纪中旬国际航天技术的崛起，本质安全之所以被大众普遍地意识到是由于科技的快速进步和人们安全防护意识的增强，是社会文明的进步，是人们在不断的历史进程中对待潜在的危险性因素态度的转变，从之前的被动承受一直到之后的通过自己的主观行为去控制事故的发生，从而在事故还未发生之前就将危险隐患遏制住，有效地确保了人们的生命安全，这是人们在安全意识上一次重大的突破。从小的范围来说，本质安全通常情况下代指为机械设施自身所拥有的特殊性能可以从事故最源头避免危险的出现。具体包括两方面的内容：第一是失误-安全性能。第二就是故障-安全性能。说的是当机械设备在生产的过程中出现故障问题，依然可以在短时间保证正常运作或者是通过自身系统的调节转换成安全模式。以上提到的这两种安全性能是机械设备自身原本就拥有的，也就是说这一性能在它们当初设计生产环节就被考虑在内了，并不是之后才弥补的。本质安全这一概念的提出，是生产过程中注重事前预防理念的展现，同时还是安全生产的最佳状态。

而本质安全化其实就是在本质安全的基础上继续将内容深化，它说的是处在某一特定的经济环境中，生产系统由于十分强大的安全性能，不仅系统自身拥有极为过硬的质量，其在投入生产运作的时候也一样拥有极为过硬的质量。想要在生产过程中确保本质安全化的完成，就对安全技术提出了更高的要求标准，要求其发展水平一定要位于生产技术水平之上，并且对于防护设备、安全报警等设备也应该不断地完善更新其性能。

2 本质安全化矿井的概念及标准

本质安全化矿井是指从矿井设计、建设施工、安装、生产以及日常管理过程中，在现有技术条件下，具备能够最大限度地防止发生各类事故的功能和条件的矿井。

矿井要想实现本质安全化，必须做到以下六点：

一是系统本质安全。即矿井必须严格按照《煤炭工业矿井设计规范》进行设计和施工，矿井生产、运输、排水、通风、供电等各大系统满足《煤矿安全规程》和相关《规范》、《标准》规定的要求，做到合理、可靠，具备较高的安全性。

二是作业者本质安全。这里说的是在生产过程中操作整个系统的人员所具备的的生理条件、心理健康状况以及作业操作水平必须符合安全生产的要求标准，能够具备在整个生产过程中把握所有部分安全运作的技能水平，可以在生产过程中当出现系统故障的时候进行精确的排除

应对。

三是生产设备本质安全。在矿井的生产过程中，所选用的机器在最初的设计以及生产制造时都要符合《煤矿安全规程》和《煤矿设备使用管理规范》的相关规定，从而确保在生产过程中可以安全稳定的运作。

四是生产原材料器械本质安全。煤矿工程中选择的各种材料和安全器材的生产厂家必须具有国家规定的生产条件和安全资质，其各项性能指标等满足行业相关规定，达到安全应用的标准。

五是管理工作本质安全。这里所说的安全管理指的是实施管理工作者针对被管理者所采取的管理措施，确保其达到安全生产标准，实现安全生产的最终效果。

六是生产环境本质安全。这里提到的环境有空间环境、时间环境以及自然环境等部分组成。首先在生产空间环境上要确保整个生产空间以及所配备的安全器具都满足国家相关的要求；在时间环境上，一定要严格遵循设备使用规则进行维修工作。其次生产工作要按照劳动法规定来开展，让生产者可以在生产过程中有足够的精力与体力；在自然环境上，要增强每个系统、装置在对抗安全事故时的性能水平，同时事先做好安全事故的应对措施

方案。

3 本质安全化矿井建设途径

人的不安全行为和物的不安全状态是发生事故的两大因素，因此，要想建设本质安全化矿井，就必须实现人的本质安全和物的本质安全，消除事故发生的条件和诱导

因素。

首先，必须实现人的本质安全。据大量事故统计表明：80%以上的人身伤害事故是由于操作人员不按规定或标准进行规范作业造成的。要想真正实现人的本质安全，建设本质安全型矿井文化是必由之路。安全文化的灵魂是和谐，而提高人的安全意识是塑造和谐安全文化的关键。只有实现有机管理，保持和谐状态，才能顺其自然、运转有序。提高人的安全意识是系统实现有机管理的

关键。

其次，必须实现物的本质安全。物的本质安全是本质安全化矿井最基本的物质基础和前提条件，即本质安全化矿井的硬件部分，它包括各大系统、材料设备及生产环境等都必须具备本质安全化功能要求。这就要求矿井的设计施工、材料设备的购置安装和井下生产环境都应按照本质安全化矿井标准和相关规定进行组织落实。

最后，必须实现管理的本质安全。对于一个矿井而言，仅具备人的本质安全和物的本质全是远远不够的，还要实现管理本质安全。管理本质安全即是通过成立完善的管理机构，建立健全完善的管理制度和检查、监督考核机制，来实现人的本质安全和物的本质安全的有机结合。系统的人并不是孤立的、机械的、静止的，而是能动的、相互关联的、相互作用的系统人，其相互影响往往牵一发而动全身。因此，只有实现管理的有机化和人性化，才能实现本质安全，即通过追求人、机、环境的和谐统一，实现在任何情况下系统缺陷、管理漏洞、设备障碍和人的不安全行为等均处于标准许可的范围内和可控、受控的状态，并通过适时监控和持续改进，以确保人、机、环境始终处于最佳的安全匹配。

综上所述，本质安全型矿井是煤矿安全生产管理所追求的目标和最高境界，本质安全化矿井是通向本质安全型矿井的必经之路。本质安全化矿井是本质安全型矿井的初级阶段，就好比社会主义是共产主义的初级阶段一样。因此，在本质安全型矿井建设上，我们既不能急于求成，也不要悲观失望。就我国现阶段的科学技术水平和人员素质而言，当务之急是首先实现本质安全化，利用现有的技术、人力、物力和财力，力争杜绝和避免煤矿重特大事故，最大限度地控制和减少零星事故，在迈向本质安全型矿井的道路上，通过几代广大煤矿科技工作者和管理人员的不懈努力，从技术、设备和管理方面不断改进、提高和完善，我们距本质安全型矿井的奋斗目标就会越来越近。

本质安全型电源篇5

煤矿安全监控系统在煤矿正常生产中的重要性毋庸置疑。在安全监控系统正常运行时,电源起着至关重要的作用,直接影响系统运行的稳定及可靠性,甚至影响着断电可靠性。井下为监控分站及交换机等主要监控设备供电的交流电压有很多等级,以AC127 V,AC220 V,AC380 V,AC660 V等应用为主,并且随着煤矿开采力度的不断加大,各种大型设备频繁使用,大型设备的启、停易导致电网电压波动大(《煤矿安全规程》要求波动范围为(-25~+10)%标称电压[1],部分矿井甚至超过±25%标称电压),要求矿井设备电源具有很强的适应能力。目前,大多数通过变换工频隔离变压器抽头的方式来解决设备电压等级的匹配问题,在电源箱内有电池时还需要在安全场所才能更改抽头,维护不便。变压器设计多组抽头可选,然而抽头增多使得变压器体积增大,发热量变大,而且设计成本变高,导致使用费用也增加。由于电压等级一定,当电压波动时,经常出现设备工作不正常。按照《煤矿安全规程》要求,安全监控系统设备故障时必须断相关电源[2],直接影响了生产。因此,笔者设计了一种矿用宽电压自适应防爆本质安全型电源(以下简称本安电源),该电源兼容矿井AC127 V,AC220 V,AC380 V,AC660 V等交流电压等级,采用智能移相调压技术和宽电压开关电源技术,通过单片机实现了自动高低压段识别、自动切换、智能移相调压处理。自适应输入电压为AC85~825 V,输出功率为100 W,输入输出绝缘耐压为3 000 V。

1 电源组成

矿用宽电压自适应防爆本安电源采用隔爆兼本质安全型结构,主要由宽电压自适应稳压电路、本安电源输出电路及备用电源智能充放电管理电路组成,如图1所示。对AC85~825 V输入,采取自动识别、分段处理,低压段直接通过开关电源稳压;高压段采用移相调压处理后再通过开关电源稳压;通过单片机实现了自动高、低压段识别、自动切换、智能移相调压处理。

2 主要技术指标

2.1 宽电压自适应稳压电路技术指标

(1) 交流输入电压:

AC85~825 V;

(2) 直流输出:

DC24 V/150 W;

(3) 直流输出纹波峰-峰值(额定负载)≤200 mV;

(4) 交流输入端与直流输出端加强了隔离措施,绝缘耐压>3 000 V。

2.2 本安电源安全栅技术指标

(1) 本安输出电压标称值:

DC24 V;

(2) 本安输出额定工作电流:

240 mA;

(3) 本安输出过流保护值(双级):

500 mA;

(4) 本安输出过压保护值(双级):

26.5 V;

(5) 最大外部电感LO: 0.4 mH;

(6) 最大外部电容CO: 3.3 μF;

(7) 本安直流输出纹波峰-峰值(额定负载):

<200 mV。

2.3 备用电源技术指标

(1) 工作时间(额定负载):>4 h;

(2) 交直流可靠切换响应时间:≤10 ms;

(3) 具有过充、过放、故障保护功能。

3 宽电压自适应稳压电路设计

宽电压自适应稳压电路由宽电压自适应调压电路和开关稳压电源电路组成,工作原理如图2所示。宽电压自适应调压电路利用移相控制技术,通过移相控制实现初级调压,再通过大电容滤波实现输出电压的平滑,将输入电压AC85~825 V变换成110~370 V的直流电压,主要包括主桥整流电路和控制电路2 个部分。移相整流原理如图3所示。

(1) 主桥整流电路。

主桥整流电路是一个全控整流桥电路,如图4所示。

由于是高压输入,要求晶闸管的耐压值高,考虑到成本原因,选择了耐压值相对比较高、价格比较便宜的螺栓式晶闸管[3]。用4个晶闸管组成全控整流电路,能够有效地提高高压抗冲击能力。

通过高压大电容滤波,能够减少输出纹波。整个电路通过过零检测电路、输入采样电路和输出反馈电路采集的信号和微控制器的控制,控制输入电压在低压范围内(85~264 V),移相控制角为0,输出电压跟随输入电压变化。在高压范围内(264~825 V),输出电压通过移相控制稳定在某一个很小的范围内。

(2) 控制电路。

控制电路如图5所示,输入电压通过2路降压信号变压器作为过零检测电路和输入采样电路,通过过零检测电路产生过零信号,送入单片机,决定触发脉冲的起始时刻;输入采样电路通过检测输入电压送入单片机,决定触发脉冲的控制角;单片机通过这2个信号,产生2路触发脉冲,分别触发全控桥的2组(4个)晶闸管,控制主电路的开通与关断,决定输出电压的初步稳定值;通过检测输出电压,实时调整移相控制角,实现输出电压稳压。

单片机采用DSP TMS320C28F10芯片,该芯片数字处理能力和逻辑功能强大,易于编程,能够有效产生晶闸管的2路触发脉冲。

(3) 电路测试。

根据上面的设计思想,制作了宽电压自适应稳压电路的实验装置,进行了实际电路的测试。实验测试时,开关电源输出时带200 W负载,输入电压在AC85~825 V变化,测试结果表明,该装置基本上能满足所提出的技术指标要求。

图6、图7为实验中在某些指定的电压上拍摄到的波形,其中,CH1为正半周的晶闸管触发脉冲的波形;CH2为输入过零检测电路输入波形,也就是输入电压的波形;CH3为过零检测信号的波形;CH4为输出电压的波形。

通过对实验结果的分析,系统能够实现当输入电压从85 V到264 V变化时,输出跟随输入电压变化,当输出电压从264 V到825 V变化时,输出电压稳定在某一个很小的范围内(DC310~350 V),开关电源输出稳压在DC24 V,从而实现了输出电压的稳定。

经实验室测试,电源在AC85~825 V范围内快速波动,并在127 V,220 V,380 V,660 V等电压等级的高端、低端、标称值等反复快速冲击启动时,其输出特性均满足设计指标。

4 本安电源输出电路设计

本质安全技术通过限制电火花和热效应2个可能的引爆源来实现防爆,它是最安全、最可靠的防爆技术[4]。本安电源技术的研究正向着大容量方向发展,大容量本安电源主要解决了矿井本质安全设备供电的本安性能、负载特性、启动和自恢复性能及功耗等技术问题。该电源采用开关型过流保护安全栅技术,实现了逐周期过流保护,既具有限流型过流保护的启动和自恢复特性,又具有截流型过流保护的低功耗损耗和快速反应特点,达到大容量本安功率输出。本安电源输出电路原理如图8所示。

5 智能充放电管理电路设计

智能充放电管理电路采用恒压限流充电方式,根据镍氢蓄电池充放电曲线,实现了电池充、放电自动控制,同时对电池过充、过放进行保护。即采用20节 1.2 V/10 A·h镍氢蓄电池串联方式作为后备电源的电池组,采取单片开关电源恒流方式实现电池组充电,通过单片机对充电电压、充电时间、电池表面温度进行采样,以电池电压、充电时间、电池温度3个参数进行充电判别,实现过充保护;通过单片机对交流输入取样,以交流输入有无作为充放切换依据;通过放电过程测定放电电压,实现过放保护。智能充放电管理电路原理如图9所示。充放电管理流程如图10所示。

6 结语

矿用宽电压自适应防爆本安电源使用自适应宽电源技术,可以有效避免由于矿井大型设备启、停引起的电压波动,导致监控设备运行不可靠的问题,具有使用简单、方便、性价比高的特点。

该电源已通过防爆测试,性能符合设计要求,在松藻煤矿进行现场工业性试验应用表明,宽电压技

术很好解决了矿井电源多电压等级、大范围波动问题。

摘要：针对煤矿井下供电电源输入电压等级多、用电设备易受到大型设备启停影响的特点,提出了宽电压自适应防爆本质安全型电源设计方案。该电源采用智能移相调压技术和宽电压开关电源技术,通过单片机实现了85～825V宽输入电压的自动高低压段识别、自动切换、智能移相调压处理;通过脉宽调制方式将波动的电压转换为稳定的直流电压。实验结果表明,该方案很好地解决了矿井电源多电压等级、输入电压波动范围大的问题。

关键词：矿用电源,隔爆型,本质安全型,宽电压开关电源,移相调压,自适应

参考文献

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[2]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社,2011.

[3]苏玉刚,陈渝光.电力电子技术[M].重庆:重庆大学出版社,2003.

本质安全Boost开关电源的设计篇6

应用在煤矿、石化等易燃、易爆环境中的直流电源必须具有本质安全的特性,即在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定爆炸混合物[1]。目前广泛应用的本质安全电源多数属于线性电源,其缺点是体积大、效率低,且受本质安全要求的限制,导致输出电容不能太大,从而限制了输出功率的提高。由于开关电源具有转换效率高,动态响应速度快,输入电压范围广,体积小,重量轻等优点,逐渐被本质安全电源采用,有关开关电源本质安全设计与验证的理论和方法也在不断完善和发展[2,3]。随着电力电子的飞速发展,煤矿井下大量的测量设备开始智能化,其内部包含大量的芯片,这些芯片需要的供电电压等级不同,Boost开关电源可以为其提供可靠的电压,满足危险环境下的设计要求。

2 工作原理

本质安全Boost开关电源主要由Boost变换器、UC3845控制芯片、第1级稳压限流和第2级限流环节组成。UC3845产生PWM脉冲控制开关管的通断,同时具有稳压作用,双重保护电路连接在Boost变换器的输出端,第1级稳压限流电路和第2级限流电路并联。

Boost变换器的组成原理电路如图1所示。当Boost变换器的开关S闭合时,电源给电感充电,电感储存能量,同时电容放电给负载提供能量;当Boost变换器的开关S断开时,电源、电感和电容同时向负载提供能量。S断开时,电路的分析比较复杂,分为连续导电模式(CCM)和不连续导电模式(DCM),由于工作在CCM模式下的电路功率较大,本文仅分析CCM模式下的情况。

UC3845是美国Unitrode公司生产的电流控制型集成芯片,其外围电路连接简单,所用元器件

较少,性能优越,成本低廉,适于驱动MOS场效应管,最大占空比50%,启动电压阈值为8.5 V,关闭电压阈值为7.9 V。其内部结构如图2所示。

由UC3845控制的Boost开关电源的主电路如图3所示。

电路的工作过程:输入直流电压Vi经过滤波电容C1给稳压管DZ1和电感L供电,DZ1为U1提供稳定的工作电压,使U1输出PWM脉冲控制开关管Q1的通断,R2和C4为芯片提供工作频率为

$f = \frac{1.8}{R_{2} C_{4}} (1)$

R3和C5为U1提供补偿,R4抑制开关管的震荡,R5为开关管提供放电回路,R8和R9为输出取样电阻,当输出电压过大时,反馈给U1使其控制开关管的关断,C7为输出滤波电容。

双重保护电路如图4所示。其中集成芯片U2、开关管Q2与电阻R10,R11,R12构成第1级稳压限流保护电路,集成芯片U3、开关管Q3、运算放大器U3与电阻R20,R18,R19等构成第2级限流保护电路,两级电路相互独立,组成电源输出的双重保护[4]。

电路的工作过程:R10为确定限流值的大小,其串联在输入电压Vo1与开关管Q2漏极之间,当R10两端电压达到35 mV时,U2芯片内部限流比较器就会减小误差放大器的输出电压,一直减小到R10上的电压低于35 mV为止,从而构成恒定的限流器。电阻R11,R12为确定输出电压值,R11上的电压反馈到U2与内部的基准电压1.235 V比较,控制内部误差放大器输出使电源输出电压保持恒定。R20为电流检测电阻,R18,R19为设定过流保护后短路电流值,R20的电压降由运算放大器决定,一般不大于100 mV,由于开关管Q3的漏源极存在导通电阻,发生输出短路或输出过流时,则通过开关管Q3的电压降增大,漏源极电压加到电阻R20的电压上,使运算放大器LM301的输入增大,通过三极管Q4调节R14上的电压,反馈到U3调节开关管Q3的导通,构成电源的限流保护,并且电路在故障排除后能迅速自动恢复供电。

3 电感与电容的选择

应用在危险性环境的开关电源,如果对体积、重量等没有特殊要求,不需要内部满足本质安全要求,只需其输出满足本质安全要求即可,因此,本文将开关变换器设计成输出本质安全型。理论上它的电感和电容值可以取值比较大。

3.1 最小电感的设计

在整个动态工作范围内,使得开关变换器的最大输出电压纹波和最大电感电流极小的最小电感分别是L $_{\min}^{V_{[} J X - * 2] p p [J X * 2]}$ 和L $_{\min}^{Ι_{[} J X - * 4] L [J X * 4]}$ [4,5,6],

$L_{\min}^{V_{[J X - * 2] p p} [J X * 2]} = \frac{R_{L ‚ \min} V_{i ‚ \min}^{2}}{2 f V_{o}^{2}} (2)$

$L_{\min}^{Ι_{[} J X - * 4] L [J X * 4]} = \frac{2 R_{L ‚ \min}}{27 f} (3)$

取两者比较后的最大者作为输出本质安全开关变换器的最小电感设计限值Lmin,即有

Lmin=max{L $_{\min}^{V_{[} J X - * 3] Ρ Ρ [J X * 3]}$ ,L $_{\min}^{Ι_{[} J X - * 4] L [J X * 4]}$ } (4)

在得到最小电感值后,还需要根据开关变换器的其他性能要求确定电感的具体值,通常电感值越大,电感电流及开关管的电流应力就越小,为了获得较好的动态调节性能,将变换器设计为CCM模式,在允许的条件下,电感可以选择大一些。

3.2 最小电容的设计

根据输出电压纹波指标要求,可得最小输出滤波电容为[6]

$C^{'}_{\min} = \frac{1 - V_{o} / V_{i ‚ \min}}{8 m L f^{2}} (5)$

式中:m为输出电压纹波VPP的指标,一般用百分比表示,m=Vpp/Vo。

但在实际电路中,由于电路中的元器件存在寄生参数使得最小电容设计必须考虑一定的裕度系数λ才能达到纹波要求,即最小电容的实际设计限值为

$C_{\min} = λ C^{'}_{\min} = \frac{λ (1 - V_{o} / V_{i ‚ \min})}{8 m L f^{2}} (6)$

式中:λ的取值为2～4。

从式(6)中可知,输出滤波电容的最小值是关于电感的函数,随着电感的增大而减小。

3.3 满足输出本质安全要求的最大电容的设计

满足输出本质安全要求作为电容设计值的上限可得输出滤波电容的最大值为[7]

$C_{\max}^{(Ο Ι S)} = C_{B} - \frac{2 V_{i ‚ \max}^{2} Δ t^{2}}{L V_{o}^{2}} - \frac{V_{i ‚ \max}^{2} (V_{o} - V_{i ‚ \max}) Δ t^{2}}{f L Τ_{C} V_{Η}^{2} V_{o}} (7)$

式中:TC为火花放电时间;Δt为变换器的输出短路保护电路响应时间;VH为电容电路的短路火花放电电压平均值。

因此在[Cmin,C $_{\max}^{(Ο Ι S)}$ ]内,选择的电容值同时满足变换器的电气指标和输出本质安全的要求。根据上面的设计可得输出本质安全要求的电感、电容的参数设计区域如图5所示。

4 设计及仿真实验验证

设计1台预期在Ⅰ类环境下应用的输出本质安全Boost开关电源,其主要参数为:输出电压Vo=18 V,输入电压Vi的范围10～14 V,负载电阻RL的范围18～180 Ω,输出电压纹波允许峰-峰值Vpp=2%Vo,变换器的工作频率f=200 kHz。

根据上面的分析后计算可得:最小电感Lmin=30 μH;最小电容Cmin=2/(0.019 2L),单位为μF;最大电容Cmax=23 μF。

稳压管选IN5238电压8.7 V,最大电流IDZmax为50 mA,UC3842的启动电流为15 mA,则

$R_{1} = \frac{U_{i} - V_{c c}}{Ι_{D Ζ \max} + Ι_{c c}} = \frac{12 - 8.7}{0.05 + 0.015} Ω = 50.7 Ω$

R1取为51 Ω。

取C4=1 nF则

$R_{2} = \frac{1.8}{f C_{4}} = \frac{1.8}{200 \times 10^{3} \times 10^{- 6}} k Ω = 9 k Ω$

R2取为9.1 kΩ。

开关管的作用是在开通时使电感存储能量,关断时使电感存储的能量叠加输入电源向输出电容及负载释放能量。二极管的作用是在开关管开通时,二极管承受负压关断,防止输出滤波电容通过开关管短路,在开关管关断时,二极管正向导通,使电感存储的能量叠加输入电源向输出电容及负载释放能量。当开关管关断时,开关管上面的压降为输出电压加上二极管压降,约为19 V,由于在Boost电路的启动瞬间,开关管上面的电压和电流均会产生过冲,考虑一定的安全裕量,选用型号为IRF640的MOSFET。二极管选用FR504。

$R_{10} = \frac{0.035}{Ι_{o u t (\max)}} = \frac{0.035}{0.6} Ω = 58.3 m Ω$

R12取10 kΩ,则

$\begin{array}{l} R_{11} = R_{12} \times (\frac{V_{o u t}}{1.235} - 1) \\ = 10^{4} \times (\frac{18}{1.235} - 1) Ω \\ = 136 k Ω \end{array}$

$R_{20} = \frac{0.1}{Ι_{\max}} = \frac{0.1}{0.6} Ω = 167 m Ω$

式中:Imax为电路中电流最大值。

$V_{R 18} = \frac{0.1}{\frac{Ι_{\max}}{Ι_{s h o r t}}} = \frac{0.1}{2} V = 50$ mV

式中:Ishort为输出短路电流值。

R18取100 Ω,

$R_{19} = \frac{V_{o u t}}{V_{R 18}} \times R_{18} = \frac{18}{0.05} \times 100 Ω = 36 k Ω$

开关管Q2,Q3选用IRLZ44,三极管Q4选用8550。

用saber软件对Boost开关电源电路进行仿真研究,得出电感电流如图6所示,输出纹波电压如图7所示。

由仿真图6可得,电路中电感工作在电流连续的模式下;由仿真图7可得电路最大输出纹波电压为250 mV小于设计要求360 mV,满足输出本质安全的要求。

对所设计的电路进行了实验验证,图8为实验波形。

5 结论

本文从本质安全Boost开关电源的实际情况考虑,应用在危险情况下必须采用双重保护电路,着重分析了开关电源中的主电路、限流限压电路和输出本质安全电路的主要器件电感和电容的设计,最后进行仿真和试验验证了设计的正确性,对以后开关型本质安全电源的设计具有重要意义。

参考文献

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[4]刘辉.防爆兼本安直流稳压开关电源的研究[D].西安:西安科技大学,2005.

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[6]刘树林.本质安全开关变换器基础理论及关键技术研究[D].西安:西安科技大学,2007.

本质安全型电源篇7

本质安全电源(以下称本安电源)是煤矿井下应用十分普遍的防爆电气设备之一,它能够为其它的本质安全设备提供电源,保证这些设备正常工作,是实现煤矿自动化的基础性防爆电气设备[1]。本文主要介绍本安电源的基本要求和设计方法,希望对本安电源的设计者和使用者有一定的帮助。

1 本安电源概念

本安电源的主要功能是将非本质安全输入通过一定的措施转换成本质安全输出,是关联电气设备的一种。关联电气设备在《GB3836.1—2010爆炸性环境第1部分:设备通用要求》中的定义:内装能量限制电路和非能量限制电路,且在结构上使非能量限制电路不能对能量限制电路产生不利影响的电气设备[2]。由此可见,本安电源的关键核心是能量限制电路。能量限制电路即是能够实现本质安全输出的电路。本质安全是从限制电路中的能量入手,通过可靠的控制电路参数将潜在的火花能量降低到可点燃规定的气体混合物能量以下,导线及元件表面发热温度限制在规定的气体混合物的点燃温度之下。本质安全电路在《GB3836.4—2010爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》中的定义:本质安全电路是指在正常工作和规定的故障条件下,产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路[3]。

2 本安电源技术性能

由于本安电源工作在煤矿井下爆炸性危险环境中,与普通电源相比,它有许多特殊要求,其中最主要的就是将故障条件下释放出的能量限制在很小的范围内,即限制电路发生故障时的放电电压、电流和时间。在具体的电路实现上有限压电路、限流电路、过流保护电路、过压保护电路。

2.1 电气隔离

本安电源内部实现的是非本质安全向本质安全过渡的过程,为防止非本质安全的输入传递到本质安全的输出,输入与输出之间必须采取电气隔离,而且必须具备相应的耐压等级。

结合目前实际的电路实现模式(隔离变压器+开关电源)和相关标准的要求,本安电源电气隔离一般采用隔离电源模块或隔离变压器来实现电气隔离。

《GB3836.4—2010爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》中的6.3.12条规定:本质安全电路和非本质安全电路之间的绝缘应能承受2U+1 000 V交流有效值试验电压,但应不小于1 500 V。其中U指本质安全电路和非本质安全电路的电压有效值之和。在煤矿井下用电源行业标准《MT/T1078—2008矿用本质安全直流输出电源》中亦有同样的要求[4]。同时,如果采用变压器进行电气隔离时,应满足《GB3836.4—2010爆炸性环境第4部分:由本质安全“i”保护的设备》中的8.1条的要求。

安标国家矿用产品安全标志中心于2010年7月组织召开了防爆电气产品技术研讨会,形成了49号文件“2010年度防爆电气产品技术研讨会纪要”,文件中规定:隔爆兼本质安全产品中利用电源模块作为隔离部件时,其耐压值不低于2 500 V。同时,向本质安全电路供电的变压器原边电压等级在660 V及以上时,该变压器应满足《GB3836.4—2010爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》中的规定。

2.2 限能保护电路

对于输出功率小、稳压要求不高的本安电源,可以采用限流电阻或增加电源内阻、齐纳二极管的限能保护电路;对于输出功率大、稳压要求高的本安电源,则要采用具有稳压、过压保护、过流保护的电子元器件组成限能保护电路。随着科学技术的发展,电子元器件的制造工艺和集成水平也越来越高,许多芯片只需要极少的外围电路就可实现高效能的限能效果。限能保护电路分为过流保护电路和过压保护电路2个部分,过流保护电路又分为限流型保护电路、截流型保护电路、减流型保护电路和开关型保护电路。

2.2.1 限流型保护电路

限流型保护电路工作原理:当负载电流达到限流值,保护电路进入恒流状态,使负载电流在限流值以下。该保护电路的优点:相对容易实现并且可实现全载启动;最大缺点:在过电流保护状态下,调整管将承受限流值电流与输入电压所产生的损耗,即P=UI。很明显,为确保调整管在过流保护时不被损坏,调整管需要很大的散热器,从而降低了可靠性。

2.2.2 截流型保护电路

当本安电源输出出现过流故障时,截流型保护电路迅速动作。该保护电路的优点:动作速度快、效果好、调整管的损耗小;缺点:抗干扰和抗负载冲击的能力差,过流故障解除后,不能自动恢复,需增加另外的恢复电路或手动恢复。

2.2.3 减流型保护电路

当本安电源输出出现短路或过载故障时,减流型保护电路迅速动作,输出电流随输出电压的减小而减小到一个固定值,从而使调整管的损耗即使在过流保护时也不至于过大,避免了限流型保护电路的缺点[5]。该保护电路的保护性能、动作速度和带载能力介于限流型保护电路和截流型保护电路之间,但容易产生“锁定”效应,即输出电压被锁定在低于正常稳压值的低电压上而无法正常启动,不能达到预期效果。

2.2.4 开关型保护电路

开关型保护电路既具有限流型保护电路的自动复位特性,又具有截流型保护电路在过流保护后调整管的低功率损耗特性[6]。

负载电流过大时,开关型保护电路进入保护状态,一定时间后(该时间可通过芯片外部所接的电阻或电容来调整)重新恢复限流保护状态;如果此时负载电流恢复正常,则输出正常,如果过电流现象依然存在,保护电路再一次进入截止状态,周而复始。这样既能满足本质安全性能要求,又能满足抗浪涌冲击的要求。

2.2.5 过压保护电路

为了达到本质安全的目的,对所有的本安电源都要求有过压保护的功能,一旦电压超过规定的数值,将可能存在引燃爆炸性混合物的危险[7,8]。因此,出现过压故障时,本安电源应能迅速切断输出,使调整管处于截止状态。

2.3 多重化保护电路

根据不同的应用场所的危险等级,本质安全电气设备分为“ia”、“ib”、“ic”三种保护等级。“ia”保护等级的设备需要三重化保护电路;“ib”保护等级的设备需要双重化保护电路;两者采用的多重化保护电路可采用相同的保护电路,也可采用不同的保护电路。目前,煤矿一般不允许使用“ic”保护等级的设备。

“ib”保护等级的保护电路需要考虑一个计数故障,因此,应假设双重化保护电路中的任何一个保护电路损坏,其输出的能量均不能使爆炸性危险环境中的可燃性气体爆炸。

3 本安电源技术指标

本安电源除具有普通电源的技术指标外,还有一些需要满足本质安全的技术指标。

3.1 输入参数

最大输入电压Ui:可施加到电气设备连接装置上而不会使防爆型式失效的最大电压(交流峰值或直流)。

最大输入电流Ii:可施加到电气设备连接装置上而不会使防爆型式失效的最大电流(交流峰值或直流)。

3.2 内部参数

最大内部电容Ci:呈现在电气设备连接装置上的电气设备最大等效内部电容。

最大内部电感Li:呈现在电气设备连接装置上的电气设备最大等效内部电感。

3.3 输出参数

最大输出电压Uo:施加电压到最高电压时,可能出现在设备连接装置上的最大输出电压(交流峰值或直流)。

最大输出电流Io:可从电气设备连接装置上获得的电气设备的最大电流(交流峰值或直流)。

最大外部电容Co:可连接到电气设备连接装置上而不会使防爆型式失效的最大电容。

最大外部电感Lo:可连接到电气设备连接装置上而不会使防爆型式失效的最大电感。

最大输出功率Po:可从电气设备连接装置上获得的最大功率。

4 本安电源的分析与设计

4.1 本质安全电路放电形式的分析

针对本安电源的特性,最关心的是它的输出参数。由于本质安全性能的限制,通常本安电源的输出功率较小,一般为几瓦到几十瓦,输出电压一般在25 V以下。本安电源在电路切换时有3种基本的放电形式:火花放电、电弧放电和辉光放电。火花放电是在接通和断开带电容的本质安全电路时,由于击穿放电间隙而产生的;在切换小电流且低电压的本质安全电路时,由于液态金属桥的断开形成电弧放电;在电压很高而电流较小时,可形成辉光放电。

由于火花放电和电弧放电引燃爆炸性混合气体的能量远小于辉光放电,因此,主要考虑前2种放电形式[9]。试验表明,各种爆炸性危险气体都有其最小的点燃能量(如氢气为19μJ,乙烯为60μJ,丙烯为200μJ,甲烷为280μJ),在正常工作和故障状态下,当仪表可能产生的电火花或热效应的能量小于该能量时,本质安全电路不可能点燃相应的爆炸性危险气体。

4.2 本质安全电路设计要点

在本安电源输出短路的过程中,存在的放电形式在电源两极接触的瞬间将产生火花,可能引燃爆炸性气体,该过程主要受Uo和Li的影响,同时直接关系到本安电源带Co的能力;在电源两极一直接触的时间里,对于开关型保护电路,本安电源输出端的Co和Lo在间歇性的充电;在电源两极释放的瞬间,最容易产生电弧放电,该过程主要受Io和Li的影响,同时直接关系到本安电源带Lo的能力;电源两极完全释放开后,在正常的工作过程中,则Co和Lo都将充满电。

因此,在设计本安电源时,需考虑4个本质安全输出参数(Uo、Io、Lo、Co)之间的关系:Uo与Io(Po)成反比,当需要增大Uo时,则Io(Po)减小。Uo与Io及Po的关系如表1所示。从表1可看出,Uo为20 V时的电流约是Uo为24 V时的2倍。因此,设计本安电源时,为了达到最大输出功率,可以尽量选择较低的Uo而不是较高的Uo。

5 结语

分析了本安电源的电气隔离方法和限能电路的保护方式,介绍了本安电源的主要放电形式和设计要点,指出在设计本安电源时,需考虑最大输出电压、最大输出电流、最大外部电容、最大外部电感4个本质安全输出参数之间的关系,为了达到最大输出功率,可以尽量选择较低的最大输出电压。另外,根据本安电源的输出功率与输出电压和输出电流的关系,可以更合理地设计本安电源的输出电压和输出电流。

参考文献

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本质安全型电源篇8

本质安全型开关电源在正常工作以及发生故障的情况下, 所产生的电火花和热效应均不足以引燃矿井环境中存在的可燃性气体;电源中本质安全电路和非本质安全电路之间要有可靠的电气隔离;本质安全型开关电源要包含多重的限能保护电路。为此本文设计一种基于DSP的本质安全型数字电源 (下文简称本安电源) 。

1 本安电源放电特性分析

电路主要包括电阻性、电容性、电感性三种形式, 三种电路的放电特性各不相同。在研究本安电源设计时, 必须了解电容性电路放电的全过程, 弄清电路放电规律[2,3], 图1为电容性电路实验原理图。

电路包括放电回路电阻R, 火花放电间隙G, 由图1得到回路电压方程为uc=uR+ug, 即:uc-igR=ug (1)

式中:ug为火花放电电压, uc为电容电压, uR为回路电阻电压。放电电流为:

对式 (1) 做微分处理, 然后将式 (2) 带入得到微分方程:

假设电压的指数模型为:

式中:A1、A2为未知系数。

将式 (4) 带入式 (3) 中得:

根据电容性电路火花放电电压临界条件:ug (0) =E、ug (T) =uT, 式中T是每次火花放电时间, uT为每次放电结束时刻的放电电压。将电容性电路火花放电电压临界条件带入式 (4) 中得:

将式 (6) 带入式 (5) 中得:

根据电流初始条件:t=0时, ig=0, 可将放电电流解出, 解得放电电流为:

将式 (6) 带入式 (4) 中可得放电电压为:

放电能量是决定是否引燃的因素之一, 只有电路放电总能量小于爆炸性气体环境下的最小点燃能量, 才不会引燃气体。根据式 (10) 当单次放电时, uT=0, 则有:

因为n>0, 由式 (12) 可得:, 从以上递推可以看出, 电容单次放电的最小放电能量为电容储存的总能量的一半, 因此, 电容最终放电的能量总小于电容所储存总能量。

2 本安电源总体结构设计及工作原理

根据井下一般的用电标准, 本文所设计的是输入为交流127V, 输出为直流24V的本安型数字电源, 其总体结构设计如图2所示。

本安电源电路主要由输入整流滤波电路、DC/DC变换器、二级过流保护电路以及二级过压保护电路组成。当127V交流电通过整流滤波电路转化为直流电后, 由DC/DC变换器将整流后的直流电压变换为24V直流电压, 所输出的直流电压经过第二级过流过压保护电路[4]进行限能保护, 最终实现本质安全直流输出。其中控制DC/DC变换器的PWM信号由DSP数字控制芯片发出, 同时DSP芯片本身具有过压过流保护功能。

3 本安电源电路硬件设计

3.1 本安电源主回路的设计

本安电源主回路采用反激式拓扑结构, 选用DSP芯片TMS320F2812作为控制芯片, 由芯片发出PWM信号, 经驱动电路光耦TLP250放大控制变换电路中开关管Q1的通断, 并通过对电流、电压信号的采集反馈来调节PWM信号, 该电源主回路的原理如图3所示。

整流滤波后电流直接送给变压器T1原边, 图3中C1和R5构成吸收回路, 可在Q1关断时吸收由高频变压器初级漏感产生的尖峰电压, 保护Q1不受损坏, 平滑直流信号, 旁路可能存在的高频信号;R4、R6为过流检测电阻, 检测电压输入到TMS320F2812中来控制输出矩形波;次级绕组输出经过二极管D3整流以及电容器C2的滤波后, 通过采样电阻R10, R11分压, 与TL431内部基准2.5V比较, 将误差电压送入光耦, 再通过光耦的导通能力来控制PWM芯片TMS320F2812进而来控制开关管导通和关断的时间从而实现恒流。此外, 采样电阻R12, R13分压与TL431内部基准2.5V比较, 将误差电压送入光耦, 再通过光耦的导通能力将信号反馈到PWM芯片TMS320F2812进而来控制开关管导通和关断的时间, 从而实现恒压。

3.2 二级过流过压保护电路的设计

根据对本质安全电路的要求, 在电源主电路的输出端要设计第二级过流保护电路。并且在过流保护电路后接上三端稳压器, 这样可使过流保护电路的输出端能够输出稳定直流电。如果在电源电路工作时, 由于元器件损坏而使电路出现故障导致输出的电压超过规定值, 输出电压就会迅速升高, 这种情况可能会造成很大的损失, 因此在电路中要加入第二级过压保护电路, 常用的是晶闸管短路保护。图4为二级过流过压保护电路原理图。

图4 (a) 为二级过流保护电路, 当输入进来的电流小于所设限流I时, 电阻R17上的电压小于Q4的开启电压, 这时Q4工作在截止状态。电阻R16将输入电压分压, 使Q2的源极S和栅极G之间产生足够的电压差, 这样便可使Q2导通, 这时过流保护电路正常工作。当输入进来的电流比所设限流I大时, 电阻R17上的电压比Q4上的开启电压要大, 这时Q4是工作在导通状态的。此时输入电压直接加在Q2的栅极G上, Q2的源极S和栅极G的基本无电压差, 这样便可使Q2截止, 导致电路断开, 使电路工作在保护状态, Q2和Q3功能相同, 给电源电路提供双重保护。图4 (b) 为二级过压保护电路, 在电路工作正常的情况下, Dz2、晶闸管SCR都处在截止状态, 电路所输出的电压直接为负载供电;当直流稳压器以为一些不定因素导致输出过高电压时, 稳压管Dz2进入导通状态, 为电容C6充电, 此时有正向电压和电流流过晶闸管SCR, 使晶闸管SCR触发导通, 同时由于输出端对地短接, 从而使输出电压迅速下降, 起到保护作用。

4 结论

本文设计了一款基于DSP的反激式数字本安电源, 电源的各部分电路均符合国标GB3836.4-2000中对本质安全电路的规定。经过实验测试, 该电源工作正常, 保护及时, 实验结果与数据理论一致。

摘要：本文对本质安全开关电源的放电特性进行了分析, 以此为理论依据针对矿井易燃易爆的特殊环境设计了一种基于DSP的本质安全型数字开关电源。

关键词：本质安全,开关电源,DSP,数字控制

参考文献

[1]刘树林.本质安全开关变换器基础理论及关键技术研究[D].西安科技大学, 2007.

[2]刘建华.爆炸性气体环境下本质安全电路放电理论及非爆炸评价方法的研究[D].中国矿业大学, 2008.

本质安全型电源篇9

数字矿山是物联网在煤炭行业的一种新的理念,可实现采矿自动化、智能化以至无人矿井,保障了矿山安全、高效、绿色、集约开采和生产[1]。随着数字矿山的建设,井下智能型控制系统的本质安全型电气设备应用广泛。作为本质安全系统不可缺少的组成部分——本质安全型电源,它的技术可靠性及产品质量决定了本质安全系统的可靠性,关系到整个矿井安全生产、抗灾能力和矿工安危[2]。

本文介绍一种矿用隔爆兼本质安全型不间断直流稳压电源(以下简称本安电源)的设计,该电源已通过煤安认证。

1 总体要求及设计

本质安全型电路是指在规定的试验条件下正常工作或在规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物的电路[3]。本文设计的是复合式本质安全型电源,非本质安全部分采用加防爆外壳、浇封等防爆措施,但其电源的输出侧为本质安全电路。为达到这种要求,本安电源设计采用降压、整流、稳压、过流过压保护、充电及快速切断的模块。最主要的是多重保护模块的可靠性,要通过采取限制电流输出、电压输出和放电时间的措施来实现。

本文设计的本安电源原理框图如图1所示。127 V的交流电输入隔离变压器T,经整流、滤波、稳压输出直流电,一路给蓄电池充电,一路给负载供电,经过切换电路,所选择的一路输出电压经过稳压、多重过流和过压保护电路输出可靠的本安输出[4]。

2 主要电路介绍

该本安电源由交流变换降压整流滤波电路、直流稳压电路、多重保护电路、充电及切换电路组成[5]。

2.1 交流变换降压整流滤波电路

交流降压过程中其核心部分是变压器。由于是煤矿井下电网供电的本安型电气设备,则降压所用的变压器采用符合GB3836.4—83第6.1条关于可靠元器件和组件规定的变压器[6]。采用R型隔离变压器[7], 其输入侧采用变压器抽头方式。R型隔离变压器与E型变压器、环形变压器相比,具有漏磁小、温升低、体积小、重量轻、无噪音等显著特点。工作性能更强,可靠性更高, 绝缘性能强。

变压器副边输出18 V和19 V两组交流电压,整流滤波后输出直流电,分别作为本安输出和电池充电的电源(见图1)。其中采用单一电容器滤波,滤波电容值不大,不会影响电源输出电路的本安特性。如图1所示,此部分电路为切换电路左边的电路,分为2路:上面一路从变压器18 V输出侧引出,经BD1整流后再经电容滤波,通过稳压电路,为本安输出提供电源;下面一路从变压器19 V输出侧引出,经BD2整流后再经电容滤波,通过稳压充电电路,为蓄电池充电提供电源,

2.2 直流稳压电路

由于外部交流电的不稳定性及负载的影响,该本安电源中间电路经降压整流稳压后所输出的电压有一定波动,因此,设计了稳压电路。稳压电路核心器件为可以调试三端集成直流稳压器LM317,解决了利用固定式稳压器和电位器进行调压而引起的精度下降问题。LM317的输出电压范围为1.2~37 V;负载电流最大为1.5 A。在每级电路中要求稳定的电压也不同,根据需求,可以选择不同的稳压值。LM317内置有过载保护、安全区保护等多重保护[8],大大减少了一些元器件的使用。图2为该本安电源中稳压电路部分,其中可调电阻使用一个固定电阻R1和一个电位器W1,提高了调节输出电压的精度。中间经过切换电路及多重保护电路后再次连接稳压电路以确保输出电压的稳定性,其后加了2个稳压二极管D1、D2(TN4007),如果输出电压值过大,R3上有电压,采集信号返回到三极管Q1的基极,Q1导通,拉低LM317的输出,起到过压保护的作用。

2.3 过压、过流保护电路

为防止电源电路异常引起输出过高电压、或因负载短路引起的过流等现象烧坏负载和电源或引起火花等危害,因此,本安电源中要有双重的过流、过压保护电路。该本安电源电路有三重过压保护和两重过流保护,以保证保护电路响应的快速性和准确性。过压保护电路如图3所示。

(1) 在整流滤波稳压后的输出电源中,当输出电压≥18 V时,过压保护动作,D5导通,触发Q2导通,V2是DS31,输出截止,Q3截止,切断主路输出。

(2) Q3作为主路的通断元件,对输出的电压值很重要,起到一定的隔离作用,如果Q3输入后的电压比输入前的高,过压保护动作,Q4截止,采集R7的电压为0,Q5导通,拉低本安输出电压,当故障消除后自动恢复正常。

(3) 在输出本安电源前电压≥13 V时,过压保护动作,R14端由电压,反馈到图2中的Q1,Q1导通,LM317的电压拉低,故障消除后自动恢复正常。

双重过流保护电路如图4所示。

调节电位器W3或W4,可以改变过流保护的上限值,保证本安电路的多用性。一般上限值范围在1 A之内。当电路出现过流现象,三极管Q6或Q7导通,切断主通路,迅速降低电压输出。使用双重过流保护的原则,提高其可靠性。

2.4 充电及切换电路

备用电源是在市电停止供电时,蓄电池开始工作,减少不必要的危害。该部分电路主要使用2个继电器来控制充电、切换电路,设计巧妙,结构简单,并且使用LED灯直观显示工作状态。充电及切换电路如图5所示。

在交流输入正常时,Q9导通,继电器K1吸合,为充电状态;采集R22端电压,市电供电,三极管Q10截止,继电器K2断开,蓄电池不供电;三极管Q8导通,绿灯亮。

当交流输入中断时,瞬间蓄电池供电,Q9还是导通状态,继电器K1吸合,三极管Q10导通,继电器K2吸合,蓄电池供电;若蓄电池电压<9 V时,Q9截止,继电器K1断开,蓄电池不能供电,防止蓄电池电压低于这个值时产生大电流快速放电,从而会烧坏电路;三极管Q8截止,红灯亮。

3 结语

本安电源使用LM317元件实现稳压功能,使用方便,应用广泛;巧妙地设计了多重保护电路和充电及切换电路,具有电路简单、变换效率高、不间断供电、成本低等优点。该本安电源供电电压为AC127 V,允许波动范围为75%~110%;输出电压为12 V,工作电流≤800 mA(其值可以根据相应的负载需求来调节)。经过火花等相关试验的测试,该电源达到本安标准,并获得了安标证书。

摘要：基于本质安全型电源的原理及特点,提出了一种矿用隔爆兼本质安全型不间断直流稳压电源的设计方案,详细介绍了该电源主要电路的设计。该电源采用LM317可调稳压芯片实现稳压功能,具有使用方便、电路简单、变换效率高、成本低等优点。测试结果表明,该电源达到了本安标准,满足了安全型电气设备的需求。

关键词：矿用电源,备用电源,直流稳压电源,本质安全电路,保护电路

参考文献

[1]孙明.数字矿山建设的研究及应用[J].湖南安全与防灾,2010(5):46-47.

[2]王清文.提高矿用本安电源带载能力的研究与实践[J].煤炭工程,2008(11):104-106.

[3]GB3836.4—2000爆炸性环境用电气设备第4部分本质安全型“i”[S].北京:国家标准出版社,2000.

[4]王文清,田柏林.矿用本安直流稳压电源的设计与研究[J].煤炭科学技术,2008(10):61-64.

[5]王磊,李振壁.一种新型的本质安全型电源[J].工矿自动化,2008(2):82-84.

[6]陈向东.矿用本质安全电源[J].煤炭科学技术,1997(6):36-39.

[7]孟进,马伟明,张磊,等.带整流桥输入级的开关电源差模干扰特性[J].电工技术学报,2006,21(8):14-18,24.

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电源方案01-06