礦用本安開關(guān)電源的設(shè)計與性能研究

王 笑，余智勇，代創(chuàng)偉

（神木職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，陜西 神木 719300）

0 引 言

電源屬于電氣設(shè)備的心臟，其本安性設(shè)計是整個本安系統(tǒng)的基礎(chǔ)。一旦電容出現(xiàn)火花或電感短路時產(chǎn)生電火花，就會導致能量集中釋放。因此，必須要選擇安全等級較高的開關(guān)電源，確保運行質(zhì)量與效率。輸入式整流濾波電路是整個供電系統(tǒng)中存儲能量較大的組成部分，通過注重本安電源電路管理，提高供電系統(tǒng)運行質(zhì)量[1-3]。

1 本安開關(guān)電源的特點

由于煤礦井本安開關(guān)是在比較特殊的情況下作業(yè)，因此其與家用開關(guān)存在較大的區(qū)別。首先，本安電源開關(guān)需要借助合理的方式，限制放電分路火花產(chǎn)生的放射能源，并限制放電電流，控制放電的電壓。其次，保護輸入開關(guān)端，進行適當?shù)碾姎飧綦x，本安電路輸入端要與非本安進行安全交流，一同開展高壓電路保護，避免出現(xiàn)輸入相串的情況，展現(xiàn)隔離電路保護的多元化。因此除了要求本安開關(guān)電源具備很寬的輸入和電壓區(qū)間，還應該要求保護電源在正常工作時具備較高的可靠度，并不斷縮減體積，確保在故障下可自行恢復。

2 本安型開關(guān)電源技術(shù)性能要求

開關(guān)工作在易燃易爆的高危險環(huán)境中，與一般的地暖開關(guān)相比具有更高的特殊要求，其技術(shù)性能要求如下。

2.1 輸入和外部輸出端之間必須注意做到內(nèi)部電氣完全隔絕

一般情況下，本安型直流開關(guān)電源的交流輸入端屬于交流輸入高壓端，安全性能較好，而其直流輸出輸入側(cè)能量對應于非本安型直流高壓輸出能量。為了有效防止其直流輸入輸出側(cè)內(nèi)的能量通過轉(zhuǎn)移推進至非本安端，影響本安型開關(guān)電源的安全性直流輸出性能，要求其電源輸入和輸出之間必須進行電氣電阻隔離。電氣電阻隔離組成包括電氣變壓器電阻、電壓隔離、繼電器、安全柵電阻隔離及各種光電耦合器[4]。

2.2 輸出必須正確設(shè)置好作為具有限流功能電流保護輸出電路

本安安全型直流高壓開關(guān)電源和普通直流高壓開關(guān)電源的主要區(qū)別之處在于，在開關(guān)電路可能發(fā)生開關(guān)故障時，本安安全型直流高壓開關(guān)電源將出現(xiàn)火花，所需要釋放出來的最大能量電流控制在一定安全能量范圍內(nèi)。對于那些輸出電路功率小，并且需要無恒流電壓穩(wěn)定的電路，要求所需的直流穩(wěn)壓開關(guān)電源具備高輸出特點，可直接在一個輸出輸入端內(nèi)部連接限流穩(wěn)壓電阻，或者通過增大任一開關(guān)電源內(nèi)部的限流外阻容量，降低輸出控制電路最低限能，保證電源高輸出。而對于那些輸出電路功率較小，為保證所需的各種本安型直流穩(wěn)壓開關(guān)電源滿足恒流電壓穩(wěn)定的高輸出要求，不僅需要具備恒流穩(wěn)壓或者恒流限壓及約束和控制恒流短路功能，還要保證電流過載或者存在限壓短路，且可快速控制切斷超負荷過流電壓等。依據(jù)安全保護措施，減少控制電路輸出能量，保證開關(guān)電源能夠滿足各種本安上安全和穩(wěn)定的高性能輸出要求。過載整流減壓保護控制電路的過載整流減壓保護方式包括3類，分別為三級限流型、截流型以及三級減壓過載電流型。這3類可以廣泛應用于不同的過流保護控制電路，但均需嚴格要求其過流保護電路動作快且穩(wěn)定，并必須具有良好的保護性能[5]。

3 本安電源的整體設(shè)計

3.1 建筑工程框架總體設(shè)計結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

現(xiàn)在的直流電氣設(shè)備大多數(shù)直接采用非線性的直流電源變壓方式，保障直流電源基本安全。對直流變壓器電源進行直流變壓，經(jīng)過變壓之后，濾波整流回路的波形與電路輸出電壓數(shù)值波形相近，經(jīng)過直流穩(wěn)壓回路，確保電壓輸入與輸出的穩(wěn)定性。采用超高電壓限流電能比保護直流電路，安全輸入本安直流輸出電壓[6]。

該框架結(jié)構(gòu)設(shè)計不需要先進行變壓器電容量降低處理，基于整流式濾波電路獲得一個更加接近直流的電壓，這一方式主要是由變換器電路內(nèi)的分壓電阻和基準電壓形成反饋實現(xiàn)。通過達到一個接近直流的電壓，基于DC/DC變換器控制輸出電壓。PWM控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓與電流的雙閉環(huán)控制，可提升電壓的自動調(diào)整速度及負載自動調(diào)整速度，此外借助整流濾波電路可開展對第二級過濾電壓的協(xié)同保護。

3.2 輸入整流濾波器的電路

該電路的設(shè)計需要大容量的電容支持，與整流器并聯(lián)，存在于輸入端與負載端之間。通過檢測電路的狀態(tài)，檢測電容的直流電壓等，依據(jù)產(chǎn)生不同的特性獲得最佳的直流電壓。該電路損失因數(shù)相對較低，設(shè)計的優(yōu)越性較強。所設(shè)計的輸入整流濾波電路在普通電路的基礎(chǔ)上進行改良，改良內(nèi)容主要包括在原本電路基礎(chǔ)上添加電容器和二極管，可供選擇的連接方式為串聯(lián)或并聯(lián)。輸入整流濾波器的電路如圖1所示。

圖1 輸入整流濾波器的電路

在電容C2和濾波電容C3內(nèi)串聯(lián)電阻R2與R3，對比改進之后的電路與普通電路，增加了導通多角度，改善電流的波形，提升功率因數(shù)。開關(guān)電阻的串聯(lián)形式限制了開關(guān)電容器所放電的能量，使得此類電路更好地保護了開關(guān)電源的實際安全[7]。

3.3 主要電路和控制系統(tǒng)選擇

電流式PWM控制技術(shù)選擇的是典型的閉環(huán)式控制系統(tǒng)，可彌補電壓控制缺陷，穩(wěn)定性與輸入電壓調(diào)節(jié)效果較好，限流功能比較明顯，可瞬態(tài)響應特性，同時能夠?qū)崿F(xiàn)效率的線性調(diào)節(jié)，且不會受到任何電感的影響，信號輸出較好。本文選擇的是電流型PWM控制技術(shù)，以此實現(xiàn)對電路的系統(tǒng)性控制，控制系統(tǒng)內(nèi)只需要借助一個芯片與電器元件連接，就能夠?qū)崿F(xiàn)雙閉環(huán)的控制，共同控制電流與電壓，以此精準地簡化電源設(shè)計，提供最佳解決方案，減少運行成本。

3.4 設(shè)計自動反饋控制電路

這種開關(guān)電源多數(shù)器件采用了由光耦器件組成的電壓反饋控制通道。光耦元件表示一種實現(xiàn)線性電子和其他電子之間快速轉(zhuǎn)換的電子元件，可以分為非線性和線性兩種，具體如圖2所示。

圖2 非線性以及線性光耦元件

圖2中，線性光耦將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，增加用于反饋的光接收電路，電流傳輸特性曲線接近直線，具備高性能小信號特點，能以線性特性進行隔離控制。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關(guān)信號的傳輸，不適合傳輸模擬量。電流傳輸特性曲線如圖3所示。

圖3 電流傳輸特性曲線

線性光耦電流傳輸特性曲線直線部分比較長，電流傳輸比較為穩(wěn)定，非線性光耦則很短。由于在電源振蕩器的波形上直接使用非線性的電光耦合器，會直接導致電源振蕩器的波形性能發(fā)生較大變化，因此建議選用非線性的電光耦合器來直接控制電源反饋控制通道。非線性電光耦合器和非線性電源穩(wěn)壓管能夠隔離直流開關(guān)電源的信號輸出、電源輸入以及兩者之間的電氣信號。在此基礎(chǔ)上建設(shè)起來的電源反饋控制通道能夠避免發(fā)生電源占空現(xiàn)象，可有效提升功率的穩(wěn)定性，應用優(yōu)勢顯著[8]。選擇這類安全設(shè)計能夠順應時代潮流，提升無線開關(guān)電源在線安全性能，凸顯其本安開關(guān)價值。為避免三級連接管上的開關(guān)電源受到連接電路、電源短路、開關(guān)電流加速以及電壓增加等因素影響，產(chǎn)生開關(guān)電路被堵和開關(guān)電路燒毀等異常現(xiàn)象，需要截止電路異常工作和電源短路線路中異常的三極管QA，電路經(jīng)過整流器后繼續(xù)整流，經(jīng)過后續(xù)的三相穩(wěn)壓器整流，直接構(gòu)建穩(wěn)定的三相交流電。如此，便可確保其后續(xù)驅(qū)動電路控制系統(tǒng)發(fā)揮價值，實現(xiàn)長期且有效的控制。

該裝置本身就是一種安全的線路內(nèi)交流開關(guān)電源，設(shè)計過程中增加了過電交流電壓保護和過電流保護電路。當過流電壓得到保護后，電路能夠在一個后續(xù)的中斷電路中正常工作運行，DZ和SCR是完全被動截止的。電路中中斷輸出的一個直流輸出電壓，可能會被動或間接地中斷提供。如果一個DZ容器輸出的直流充電截止電壓出現(xiàn)下降，那么DZ就可能會一直處于導線接通截止狀態(tài)，電容器也可能會一直處于充電截止狀態(tài)。因為沒有完全遵守規(guī)定工作截止條件，所以DR和SCR的狀態(tài)一直保持實施電流的截止狀態(tài)。若是控制的輸出電壓與輸入電壓超過18.7 V的設(shè)定數(shù)值，那么DZ會自動轉(zhuǎn)變?yōu)閷Ь€的接通狀態(tài)，若達到了電路門極的自動出發(fā)輸出電流的額定工作保護條件，SCR則會自動導通，電路自動停止控制輸入、輸出的電壓，以此實現(xiàn)電源啟動器的保護，促使電源開關(guān)的狀態(tài)正常，激發(fā)線路的保護功能。開關(guān)電源的基本硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 開關(guān)電源的基本硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

按照該控制電路的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖，重新設(shè)計了一個用于輸入電源整流器和濾波器的控制電路。通過對比兩種電壓型及PWM和兩種電流型及PWM電源控制系統(tǒng)技術(shù)的不同優(yōu)缺點后，選用了兩種電流型及PWM電源控制系統(tǒng)技術(shù)方案來設(shè)計一種以電源主控制電路設(shè)計為技術(shù)基礎(chǔ)的電源控制管理系統(tǒng)。分別設(shè)計了過載反饋控制電路、過載整流及過載穩(wěn)壓電路保護控制電路，簡化了開關(guān)電源的基本設(shè)計方案、減少了電源生產(chǎn)成本，并在基礎(chǔ)應用條件下，使開關(guān)電源性能可以直接達到一種技術(shù)本安上更加安全的電源性能控制要求[9]。

3.5 穩(wěn)定性概念及判據(jù)

在自控原理的基礎(chǔ)上可知，就控制系統(tǒng)而言，其最為主要的就是要將系統(tǒng)穩(wěn)定性問題解決，確保工作的順利開展。穩(wěn)定性指的是將系統(tǒng)外作用去除之后，可執(zhí)行恢復，系統(tǒng)自身擁有固定的特性，其與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)聯(lián)，與初始條件和外作用力無任何的關(guān)系[10]。

系統(tǒng)特征方程各項系數(shù)構(gòu)成的主要列式為△n，其獲得的數(shù)值均為正。由此可得，對于n≤3的線性系統(tǒng)，其穩(wěn)定的充要條件還可以表示為：n=2時，特征方程的各項系數(shù)為正；n=3時，特征方程的各項系數(shù)為正且a1a2-a0a3＞0。Buck變換器穩(wěn)定性模型詳如圖5所示，其最開始設(shè)置的是變換器工作連續(xù)導電模式（CCM）下，電感是線性未飽和，開關(guān)周期為TS。

圖5 buck變換器穩(wěn)定性模型

4 結(jié) 論

通過詳細分析一個開關(guān)電源的基本硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖，按照該控制電路的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖分別重新設(shè)計了一個用于輸入電源整流器和濾波器的控制電路。選用了兩種電流型及PWM電源控制系統(tǒng)技術(shù)方案來設(shè)計一種以電源主控制電路設(shè)計為技術(shù)基礎(chǔ)的電源控制管理系統(tǒng)。分別設(shè)計了過載反饋控制電路、過載整流及過載穩(wěn)壓電路保護控制電路，簡化了開關(guān)電源的基本設(shè)計方案、減少了電源生產(chǎn)成本，并在基礎(chǔ)應用條件下，使開關(guān)電源性能可以直接達到一種技術(shù)本安上更加安全型的電源性能控制要求。