淺析礦用本質(zhì)安全型開關(guān)電源的設(shè)計

田小光

【摘? 要】由于煤礦井下安全開關(guān)電源電路中含有很多電容、電感等儲能元器件，這些元器件會對電源電流的輸出產(chǎn)生直接影響。

【關(guān)鍵詞】礦用;本質(zhì)安全型開關(guān)電源;設(shè)計

與傳統(tǒng)線性電源相比，開關(guān)電源具有效率高、體 積小、抗輸入電壓波動能力強等優(yōu)點，現(xiàn)已大量應(yīng)用 于礦用電源設(shè)計中。但現(xiàn)有礦用 開 關(guān) 電 源 大 多 采用傳統(tǒng)的電容濾波型橋式整流和反激電路相結(jié)合 的方式，輸入電流為脈沖狀，導(dǎo)致電源電路產(chǎn)生較大 諧波電流，且電源功率因數(shù)相對較低。電源電路產(chǎn) 生的諧波電流會對線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，影響相關(guān)電子設(shè)備的可靠性;較低的功率因數(shù)導(dǎo)致 電源輸入端工頻變壓器的電能損耗大、轉(zhuǎn)換效率低，降低電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且增加電源成本。為了減 小諧波電流引起的干擾噪聲及其對電網(wǎng)的污染，目 前最有效的方法是在開關(guān)電源中增加有源功率因數(shù) 校正環(huán)節(jié)。

1煤礦井下安全開關(guān)電源電路放電特性分析

1.1煤礦井下電路產(chǎn)生電火花的規(guī)律

在易燃、易爆的環(huán)境下，電氣設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生出大量的電火花，在達到爆炸性氣體臨界值的狀態(tài)下，會引燃周圍爆炸性物質(zhì)，造成嚴(yán)重的后果。因此，必須要重視研究煤礦井下電路電火花的規(guī)律，努力從源頭消除其危害。一般來說，電弧放電是在電壓以及電流都不高的情況下出現(xiàn)的，由于某種不穩(wěn)定的放電經(jīng)過轉(zhuǎn)化產(chǎn)生。在電流很小而且處于低電壓的狀態(tài)下，因為開關(guān)器件所具有的特殊性質(zhì)，電路發(fā)生切換時會產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象。而輝光放電則是在高電壓、小電流的情況下產(chǎn)生的。由于煤礦井下電源電路在一般情況下帶有電容和電感的，電路在導(dǎo)通以及斷開的過程中，由于擊穿了放電間隙，會發(fā)生電火花放電現(xiàn)象，這就是火花放電產(chǎn)生的主要原因。

1.2電容性電路放電特性

煤礦井下安全開關(guān)電源應(yīng)當(dāng)充分滿足電氣設(shè)備性能指標(biāo)的要求，確保電氣設(shè)備的安全運行。其中，電容、電感的影響較大。如果取值太大，那么相應(yīng)的輸出短路釋放出的能量就會顯著增加，而如果取值太小，就會增加開關(guān)管中的電流應(yīng)力，導(dǎo)致輸出紋波電壓變大，嚴(yán)重影響到輸出電壓的穩(wěn)定性。所以，在取值過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到電氣設(shè)備性能指標(biāo)的要求，合理的取值是影響煤礦井下安全開關(guān)電源設(shè)計的關(guān)鍵性因素。

2礦用本質(zhì)安全型開關(guān)電源的設(shè)計

2.1 基本原理

傳統(tǒng)的數(shù)碼分段開關(guān)均采用 CMOS 組成電路，無法檢測開關(guān)時引起的脈沖寬度的變化，因此也就 容易導(dǎo)致開關(guān)的誤動作，另外現(xiàn)有數(shù)碼分段開關(guān)也 不具有開關(guān)狀態(tài)的記憶功能，因此采用單片機技術(shù) 實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的存儲記憶與分段控制，所選用的單 片機自帶 EPROM，不管開關(guān)了幾次，它具有能記憶 最后一次開關(guān)狀態(tài)的功能。使用起來非常方便，電 路結(jié)構(gòu)簡單，與常規(guī)的數(shù)碼分段開關(guān)采用的元器件 數(shù)量相當(dāng)，相同的使用條件與方法，幾乎相近的成 本，功能和穩(wěn)定性更好。本技術(shù)方案實現(xiàn)的基本功能和要求：

（1）由單片機控制，要求能根 據(jù)開關(guān)最后 一次 工 作 狀 態(tài)，且 延 時 3～5 s（可調(diào)），并 存 儲 記 憶 該 狀 態(tài)，下一次開關(guān)時的初始狀態(tài)，就是開關(guān)延時記憶 的狀態(tài);

（2）具有開關(guān)脈沖檢測電路，能檢測開關(guān) 時引 起的脈沖寬度，避免開關(guān)的錯誤動作;

（3）要求電路簡單，與傳統(tǒng)數(shù)碼分段開關(guān) 采用 的元器件數(shù)量相當(dāng)，成本低廉，且具有良好的功能 拓展性和性能穩(wěn)定性。

2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)在市面上電氣設(shè)備大多采用線性電源來實現(xiàn)電源的本質(zhì)安全。其主要通過變壓器變壓，變壓后通過整流濾波電路整流濾波后得到接近直流的電壓;再經(jīng)過穩(wěn)壓電路，使得直流電路在波動、負(fù)載變化等因素影響下保證輸出電壓穩(wěn)定;最后經(jīng)過限能保護電路輸出本安直流電壓。此設(shè)計不用先經(jīng)過變壓器降壓處理，直接通過整流濾波電路得到接近直流的電壓;再通過變換器控制輸出電壓，可控制輸出電壓是由變換器電路中的分壓電阻與基準(zhǔn)電壓形成反饋來實現(xiàn)的;PWM控制器主要實現(xiàn)電壓、電流的雙閉環(huán)控制，提高電壓的調(diào)整率、瞬態(tài)響應(yīng)特性以及負(fù)載的調(diào)整率;然后再通過整流濾波電路、第二級過流過壓保護電路，最后輸出本質(zhì)安全直流電壓。

2.3輸入整流濾波電路設(shè)計

（1）在原有電路基礎(chǔ)上加上電容和二極管的串并聯(lián)形式。

（2）分別在電容C2、C3濾波電路中串接電阻R2、R3。改進后的電路相比一般整流濾波電路，主要有導(dǎo)通角增大，電流波形得到改善，電路功率因數(shù)得到提高的優(yōu)點。同時由于在電路中串接了電阻R2、R3，限制了電容放電能量，使得該電路更能保證開關(guān)電源的本質(zhì)安全性。

2.4主電路控制系統(tǒng)的選擇

電壓型PWM和電流型PWM控制技術(shù)是開關(guān)電源常用的兩種控制方式。電壓型PWM控制技術(shù)的主電路電流不參與對輸出的控制，是典型的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于電路中電感的影響，電壓的變化提前于電流的變化，導(dǎo)致響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性差。電流型PWM控制技術(shù)彌補了電壓型PWM控制技術(shù)的不足。它采用雙環(huán)控制，在單閉環(huán)控制系統(tǒng)上增加了電流反饋電路，從而使峰值電流受電流給定信號控制，限制瞬時峰值電流。

2.5反饋與過流電路的設(shè)計

（1）反饋電路的設(shè)計：開關(guān)電源大多采用光耦構(gòu)成反饋通道。光耦即實現(xiàn)電―光―電轉(zhuǎn)換的器件，光耦分為線性和非線性兩種。因為使用非線性光耦會使振蕩波形變壞，所以本文選用線性光耦來實現(xiàn)反饋通道。在該設(shè)計中，線性光耦合器和穩(wěn)壓管實現(xiàn)了開關(guān)電源的輸出和輸入端的電氣隔離，此反饋電路具有容易改變占空比以及高穩(wěn)壓性的優(yōu)點。使得設(shè)計跟有利于開關(guān)電源的本質(zhì)安全性。過流保護電路設(shè)計

（2）過流電路的設(shè)計：為了防止開關(guān)電源因電路短路或電流增大導(dǎo)致電路燒毀的情況發(fā)生，本文設(shè)計了過流保護電路。當(dāng)電路中由于短路或不正常工作產(chǎn)生過流時，三極管Qa截止，電流通過Ral、Dal、Da2整流電路整流，再通過后續(xù)的穩(wěn)壓器得到穩(wěn)定的直流電。從而保證后續(xù)電路保持正常工作。

2.6過壓保護電路設(shè)計

本質(zhì)安全型開關(guān)電源不僅要設(shè)計過流保護電路，還需要設(shè)計過壓保護電路。因此本文在過流保護電路后續(xù)電路加上過壓保護。過壓保護電路在電路正常工作時，Dz、SCR都是截止的，電路輸出的直流電壓直接提供給負(fù)載。如果輸出的電壓在18V到18.7V的范圍時，Dz處于導(dǎo)通狀態(tài)，電容將處于充電狀態(tài);因為沒有達到門極觸發(fā)電流的條件，所以SLR仍處于截止?fàn)顟B(tài)。若輸出電壓大于18.7V時，Dz處于導(dǎo)通狀態(tài);達到門極觸發(fā)電流的條件，SLR導(dǎo)通，電路將停止輸出電壓，達到保護整個開關(guān)電源電路的作用。

3結(jié)語

安全開關(guān)電源是煤礦井下生產(chǎn)的關(guān)鍵性設(shè)備，其安全、高效以及穩(wěn)定等特點，成為煤礦井下供電的重要供電電源。因此，在設(shè)計煤礦井下安全開關(guān)電源時，應(yīng)當(dāng)充分考慮到電路放電特性，研究安全開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)，分析電路參數(shù)，合理選擇電容和電感，確保電路安全運行和煤礦的安全生產(chǎn)。

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