礦用本安電源電路研究和Matlab仿真

呂 峰

(山東科技大學(xué) 信電學(xué)院，山東 青島266510)

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的提高，電子電路設(shè)計(jì)仿真軟件被應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。Matlab作為電子CAD仿真軟件中的一種，依靠其簡(jiǎn)潔、直觀的特性被廣泛應(yīng)用于電子電路虛擬仿真中。本次電路建模仿真分析是通過(guò)Simulink下的各個(gè)模塊庫(kù)構(gòu)建相應(yīng)的電路模型，并結(jié)合仿真結(jié)果為電力電子系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)分析提供了解決方法［1］。

礦用本安電源，應(yīng)用于煤礦井下特殊環(huán)境中，需要設(shè)計(jì)合適的電器參數(shù)，使各電路達(dá)到防爆要求。本安電源作為供電設(shè)備，包括主電路、保護(hù)電路、備用電源和防爆外殼，各部分均對(duì)礦井安全起著重要作用。該電源可用于含爆炸氣體和粉塵的煤礦井下，擁有ACDC轉(zhuǎn)換電路、過(guò)電流保護(hù)電路、抗干擾電路、DC電源轉(zhuǎn)換電路等多部分組成。一般接在井下配電所的127 V照明電路上，故需要考慮照明電路停電檢修時(shí)防爆電源的工作情況，加設(shè)鋰電池作備用輸出直流電源供監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)急使用［2］。

1 本安電源的電路結(jié)構(gòu)

鑒于煤礦井下特殊環(huán)境，防爆電路設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。礦用防爆本安電源的組成如圖1所示，分別是變壓器降壓電路、整流濾波電路、充電電路、電壓調(diào)節(jié)電路、多重限能電路、電源轉(zhuǎn)換電路。來(lái)自安全環(huán)境的電網(wǎng)(交流)電壓，先經(jīng)電源變壓器降壓將127 V的交流電變成24 V，通過(guò)在變壓器原邊或副邊繞組并聯(lián)阻容吸收過(guò)電壓保護(hù)電路，也可采用并聯(lián)雙向穩(wěn)壓管作為過(guò)電壓保護(hù)電路。然后，經(jīng)整流濾波通過(guò)相應(yīng)的整流濾波電路將交流電轉(zhuǎn)化成較平滑的直流電，由于本安設(shè)備對(duì)容性要求越低越好，故在選用電容時(shí)，選擇滿足要求的容性較小的電容。再經(jīng)過(guò)先行電壓調(diào)節(jié)電路，改善煤礦井下電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)供電系統(tǒng)帶來(lái)的不穩(wěn)定電壓。最后經(jīng)過(guò)多重限壓限流電路后輸出本質(zhì)安全電壓到井下現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中［3］。

圖1 本安電源電路結(jié)構(gòu)圖

礦用防爆本安電源的本質(zhì)安全性能主要依靠多重化輸出限能保護(hù)電路來(lái)保證，多重化輸出限能電路在負(fù)載電路或電網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)對(duì)自身電路的電壓、電流保護(hù)，杜絕電路中產(chǎn)生超出安全范圍的電火花，以避免在井下特殊環(huán)境所造成的爆炸，從而實(shí)現(xiàn)自身輸出的本質(zhì)安全性［2］。由于礦用防爆本安電源的整個(gè)電路被放置在一個(gè)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的防爆外殼內(nèi)，只要確保輸出滿足本質(zhì)安全要求即可，而其他部分的防爆性能則由防爆外殼保證。因此，礦用防爆本安電源的關(guān)鍵是選擇一個(gè)滿足本質(zhì)安全要求的輸出限能保護(hù)電路，而其他部分的電路設(shè)計(jì)相對(duì)較為靈活。

本文通過(guò)Matlab，對(duì)輸出端濾波電路前后兩側(cè)電壓、電流波形進(jìn)行分析比較，進(jìn)一步了解電容、電感對(duì)去除干擾信號(hào)、降低電壓沖擊的作用。

2 礦用防爆本安電源電路分析

2.1 備用電源電路分析

圖2所示為礦用本安電源內(nèi)部備用電源的接線結(jié)構(gòu)圖。為保證煤礦井下在交流電網(wǎng)停電后或井下設(shè)備因故障需檢修時(shí)，如水文監(jiān)測(cè)、通信轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵性設(shè)備供電的可靠，在本安電源內(nèi)部必須配置備用電源，以確保電源能維持正常工作時(shí)間不小于2 h［4］。且礦用本安電源輸入端127 V交流電通常采用井下照明電輸入，而在井下照明電路檢修時(shí)，斷電是不可避免的。因此，備用電源的可靠是依靠備用電池通過(guò)充電電路向自身充電來(lái)完成的。當(dāng)井下電網(wǎng)檢修或故障停電時(shí)，備用電源側(cè)接入，完成對(duì)井下監(jiān)測(cè)設(shè)備的持續(xù)供電，兩個(gè)電壓通過(guò)二極管D1、D2進(jìn)行分時(shí)疊加，從而大幅提高了供電的可靠性，并可有效抑制外電路對(duì)備用電池電路的沖擊［5］。

圖2 備用電源電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 變壓器電路

礦用變壓器的選擇需要兼顧安全保護(hù)、濾波作用，通過(guò)變壓器將礦用交流127 V降低至交流24 V，實(shí)現(xiàn)電壓的初步調(diào)節(jié)。出于安全設(shè)想，變壓器需承受輸入電網(wǎng)的波動(dòng)，并確保對(duì)低電壓電路的沖擊在安全范圍內(nèi)，不會(huì)造成設(shè)備的損壞。實(shí)際應(yīng)用中大多選擇R型變壓器，該種變壓器效率高，鐵芯無(wú)磁隙且繞組均衡。同時(shí)其具有體積小、重量輕、無(wú)噪音、發(fā)熱少、漏磁小及安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)［3］。

2.3 整流調(diào)壓濾波電路

圖3所采用的是二極管電流限制型保護(hù)電路，在穩(wěn)壓電路中通過(guò)接入一個(gè)二極管D，實(shí)現(xiàn)對(duì)三極管的調(diào)節(jié)。二極管D上的電壓是三極管的發(fā)射極e、基極b間電壓Ube與負(fù)載電流I0在檢測(cè)電阻R上的電壓降之和(UD=Ube+UR)。正常工作的情況下，電阻R兩端的電壓小于二極管D的最小導(dǎo)通電壓，所以電流不能通過(guò)二極管D，二極管D對(duì)穩(wěn)壓電源的正常工作并無(wú)影響。當(dāng)負(fù)載電流I0增加到臨界值I0m時(shí)，電阻R上的電壓降增大，恰好達(dá)到二極管導(dǎo)通電壓，使得電流開(kāi)始流經(jīng)二極管，從而限制三極管電壓Ube繼續(xù)增加，達(dá)到限制三極管發(fā)射極電流的目的。當(dāng)I0＜I0m時(shí)，電阻R上的電壓UR減小，當(dāng)UD小于自身導(dǎo)通電壓0.2 V或0.5 V時(shí)，二極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，電路恢復(fù)正常工作，從而達(dá)到對(duì)電流限制的作用，以及起到保護(hù)電路的目的。

圖3 整流調(diào)壓電路圖

交流電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，將引起整流電路輸出電壓的變化。交流電壓變化可從－20%～+10%，而煤礦井下變化更大［6］。調(diào)壓電路，提高礦用本安電源對(duì)電網(wǎng)電壓抑制作用，減小電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)輸出端的影響，在設(shè)計(jì)調(diào)壓電路時(shí)考慮煤礦井下溫度變化，選取的元器件溫度系數(shù)要小或通過(guò)加設(shè)差分電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。隨著集成電路的發(fā)展，穩(wěn)壓電路中多采用專用的集成穩(wěn)壓器，如LM339、79XX系列。集成穩(wěn)壓器將差分電路、輔助電源電路、取樣比較電路、調(diào)節(jié)電路、保護(hù)電路等集成在自身內(nèi)部，將原有的復(fù)雜電路簡(jiǎn)單化，并大幅提升了自身的穩(wěn)壓精度和工作穩(wěn)定性，內(nèi)部集成的電路解決了電網(wǎng)電壓波動(dòng)和煤礦井下溫度變化等實(shí)際問(wèn)題，使得其在礦用本安電源電路中得到了普遍應(yīng)用。圖4所示是79XX的簡(jiǎn)單保護(hù)電路。通過(guò)整流濾波電路出的電壓可能含有交流部分，電容有效抑制了電路中的紋波電壓。當(dāng)輸出電路發(fā)生短路時(shí)，二極管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電路的保護(hù)［7－9］。

圖4 集成穩(wěn)壓器電路圖

在經(jīng)過(guò)濾波電路后，電感、電容通過(guò)自身“阻礙”特性，使得通過(guò)負(fù)載的電壓和電流波動(dòng)減小，波形曲線變得平滑。Matlab濾波電路仿真電路如圖5所示，輸入側(cè)為經(jīng)過(guò)變壓器二次側(cè)變壓的AC24V交流電，并通過(guò)橋式整流電路和LC－π型濾波電路到達(dá)負(fù)載側(cè)。交流電電壓波形如圖6(a)所示;圖6(b)為未經(jīng)濾波電路前負(fù)載側(cè)兩端電壓波形;圖6(c)為經(jīng)過(guò)濾波電路后負(fù)載側(cè)兩端電壓波形的比較圖?？梢钥闯鰹V波后電壓波動(dòng)明顯降低，沒(méi)有出現(xiàn)反向電壓情況，減少了電壓波動(dòng)對(duì)電路所帶來(lái)的沖擊，且對(duì)整流電路中整流管的沖擊電流也有較好的抑制作用。

圖5 濾波電路Matlab仿真電路圖

圖6 濾波電路仿真波形

3 結(jié)束語(yǔ)

各種監(jiān)測(cè)設(shè)備在煤礦井下的使用，為煤礦工人的安全建立了保障，而文中分析的礦用本安電源便是為其提供可靠的用電保障。通過(guò)對(duì)礦用防爆本安電源電路進(jìn)行分析，提出了針對(duì)各個(gè)電路提高安全、穩(wěn)定、可靠性的建議，為日后更好地提升電源設(shè)備打下了基礎(chǔ)。

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