煤礦井下隔爆兼本安型不間斷電源的設計

陳 捷

(山西西山晉興能源公司 斜溝煤礦 ，山西 興縣 033000)

0 引言

作為我國工業(yè)生產(chǎn)的主要能源之一，煤炭的生產(chǎn)效率與安全至關重要。目前大部分礦井的生產(chǎn)條件較差，封閉環(huán)境下易燃氣體得不到通風稀釋，極易引發(fā)著火或爆炸等事故。隨著自動化技術及機械制造工藝的不斷進步，先進的電氣設備已在煤礦井下得到廣泛使用，作為電氣設備工作的能量來源，本安型電源的性能和穩(wěn)定性對礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

本文設計了一個井下隔爆兼本安型不間斷電源(UPS, Uninterruptible Power Supply)，可有效提高電源質(zhì)量，滿足煤礦安全規(guī)程所規(guī)定的使用標準。

1 電源技術要求與結(jié)構(gòu)

1.1 技術要求

與普通的直流電源相比，煤礦井下電源在較為危險的環(huán)境中需滿足以下要求：

(1) 電源的輸入側(cè)與輸出側(cè)需具備電氣隔離。因電源的輸入側(cè)為電壓等級較高的交流電，不符合本質(zhì)安全的要求，因此需在兩側(cè)設置電氣隔離，避免輸出側(cè)對輸入側(cè)形成干擾，提高電源的安全性。

(2) 需設計限流功能保護電路。與普通電源相比，煤礦井下電源故障產(chǎn)生的火花對井下設備與工人的安全會造成巨大安全隱患。對于輸出電壓精度要求較低的電源，可在電源中串入限流電阻以減少故障時釋放的能量；而對于輸出電壓較高且電壓精度要求高的電源，需對其進行保護電路設計，實現(xiàn)過流、過壓保護及穩(wěn)定電壓等功能。

(3) 需滿足停電后維持設備供電的要求。煤礦生產(chǎn)中需實時對甲烷等易爆氣體進行監(jiān)控，以防濃度超標發(fā)生爆炸，在停電后應維持供電以保證相關氣體及風速傳感器繼續(xù)運行。因此礦井下需配備后備電源，在停電后可切換至備用電池繼續(xù)對設備進行供電，保證生產(chǎn)安全。

(4) 需設置多個保護電路。電氣設備在工作時，要保證電路故障不會導致氣體爆炸，因此電源需具備至少三個保護電路以加強設備運行的安全性。當一個保護電路出現(xiàn)故障不能工作時，其他保護電路可起到避免爆炸事故發(fā)生的作用。

(5) 需對多路輸出設置隔離。煤礦井下電氣設備種類較多，包括甲烷、煙霧、風速等多個傳感器及監(jiān)控站點等。由于采用的本安型電源輸出功率不大，需采用多路直流電為這些設備供電，為滿足安全性要求，需對多路輸出進行隔離。

(6) 電源可在較大的電壓范圍內(nèi)工作。由于礦井復雜的工作環(huán)境，供電電壓波動范圍較大，因此電源需在電壓波動范圍較大的情況下還能維持穩(wěn)定運行。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

本文所設計的電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，電網(wǎng)輸入的交流電經(jīng)隔離變壓器后，經(jīng)整流與濾波及穩(wěn)壓電路，得到電壓穩(wěn)定的直流電，再經(jīng)多種保護電路后實現(xiàn)本安型輸出。同時蓄電池處于充電狀態(tài)，以保證停電時可給設備不間斷供電。

圖1 本安電源總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 電路介紹

2.1 變壓器與整流濾波電路

電網(wǎng)輸入的交流電電壓等級較高，首先應通過降壓變壓器將電壓降至合理范圍，本文設計電路采用R型變壓器，這種變壓器具有占地小、噪聲低、溫度低等優(yōu)點，可滿足井下安全性的要求。

經(jīng)變壓器降壓輸出兩路電壓后，需對其進行整流與濾波，輸出的直流電一路給設備供電，另一路則給備用蓄電池充電。

2.2 穩(wěn)壓電路

輸入的交流電存在一定范圍的波動，且電氣設備也會影響電壓的穩(wěn)定。因此，本文所設計電源中設置了穩(wěn)壓電路，該電路采用芯片LM317實現(xiàn)穩(wěn)壓功能。該芯片可輸出1.2 V～37 V的電壓，從而滿足多種電氣設備的供電需求。芯片內(nèi)部也具備過流保護等功能，可減少電路的元件數(shù)量，如圖2所示為穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)圖，電路中可調(diào)電阻實現(xiàn)了對輸出電壓的調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓電路經(jīng)切換電路與過壓過流等電路后，向設備輸出直流電。其中電阻R3可用于測量輸出電壓大小，若輸出電壓過高，則開關管Q1得到過壓信號后開通，降低輸出電壓，實現(xiàn)過壓保護功能。

圖2 穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 保護電路

當電路或電氣設備因故障輸出高電壓及大電流時，會引發(fā)電路或設備損壞，甚至導致礦井發(fā)生爆炸事故。因此，所設計電源需具備多個過壓與過流保護電路，從而保證電路工作的可靠性，并在故障時可及時啟動保護動作。

圖3為過壓保護電路。當穩(wěn)壓電路輸出的電壓超過設定值時，二極管D5導通，開關管Q2隨之開通，Q3關斷，從而切斷輸出電壓；當輸出到設備前的電壓大于設定值時，電阻R14上的電壓信號可傳遞到圖2中的Q1，該開關管開通，芯片LM317的輸出電壓降低，直到過壓故障消失后Q1關斷。

圖3 過壓保護電路

圖4為過流保護電路，對可變電阻W3與W4進行調(diào)節(jié)，可設置允許通過電流的最大值，從而適應不同設備的實際使用情況。該過流保護電路的主要原理是：當電流過大時，開關管Q6、Q7開通，主回路斷開，輸出電壓值快速降低，從而實現(xiàn)對電流的限制，兩個開關管的設置也進一步提高了過流保護功能的穩(wěn)定性。

圖4 過流保護電路

2.4 蓄電池充電與切換電路

當電網(wǎng)進行停電檢修或發(fā)生線路故障時，電網(wǎng)暫時停止向井下電源供電，而井下多個電氣設備需維持不間斷供電，若停止工作可能會造成嚴重的事故，對財產(chǎn)與工人生命安全造成巨大危害。因此，所設計電源中配備了可充電蓄電池并設計了相應的充電電路。蓄電池充電與切換電路如圖5所示，該電路采用LED信號燈來觀測電路狀態(tài)，并通過繼電器對電流狀態(tài)進行控制。

圖5 蓄電池充電與切換電路

當輸入電壓在設定范圍內(nèi)時，開關管Q9開通，繼電器K1閉合，此時蓄電池處于充電狀態(tài)；當電網(wǎng)供電時，Q10處于關斷狀態(tài)，K2未閉合，則蓄電池不給設備供電；此時Q8開通，信號燈為綠色。

電網(wǎng)停止供電后，需蓄電池切換至供電狀態(tài)。此時Q9與K1仍處于開通和閉合狀態(tài)，Q10開通，K2閉合，蓄電池向設備進行供電；當蓄電池電壓低于最小值時，Q9關斷，K1斷開，使電池停止供電，以避免電池出現(xiàn)快速發(fā)電現(xiàn)象，導致電路發(fā)生過流故障；當蓄電池處于充電狀態(tài)時，開關管Q8關斷，信號燈為紅色。

蓄電池充電與切換電路可保證對電氣設備的不間斷供電，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)礦井復雜的生產(chǎn)環(huán)境與現(xiàn)場電氣設備工作的供電需求，設計了適用于礦井的本安型電源。首先對井下電源的技術要求進行了介紹，隨后對電源結(jié)構(gòu)及具體的各部分電路進行了詳細的設計與原理分析。所設計電源具備防爆、隔離及不間斷供電等特點，穩(wěn)定工作范圍大，輸出直流電壓精度較高，符合現(xiàn)場電氣設備穩(wěn)定工作的需求，對煤礦的高效生產(chǎn)與工人生命安全具有積極意義。