Multisim輔助的乳化液泵站智能控制系統(tǒng)本安電源雙重保護(hù)電路設(shè)計(jì)

張霜玉

（天地科技股份有限公司，中煤科工集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100013）

0 引言

乳化液泵站是井工煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采工作面支護(hù)設(shè)備必不可少的動(dòng)力源，隨著綜采工作面自動(dòng)化程度的提高，乳化液泵站采用智能系統(tǒng)控制也逐漸應(yīng)用推廣[1]。在研發(fā)乳化液泵站智能控制系統(tǒng)的過(guò)程中，電源設(shè)計(jì)是其中重要的一環(huán)。該電源不僅要能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)部各功能單元的供電需求，還要滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.4-2010 的規(guī)定。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.4-2010 規(guī)定了煤礦井下環(huán)境使用的設(shè)備必須符合本質(zhì)安全型I類設(shè)備的要求[2]，即通過(guò)采用穩(wěn)壓、過(guò)壓、過(guò)流等保護(hù)電路，保證電源不因熱效應(yīng)、短路或者過(guò)大的電火花而引起煤礦井下氣體環(huán)境爆炸（本安電源）。

Multisim 是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行的電路板級(jí)模擬/數(shù)字電路仿真軟件，具有豐富的仿真分析能力。因此，使用Multisim軟件輔助本次本安電源電路的設(shè)計(jì)。

1 本安電源電路設(shè)計(jì)的思路及要求

總體思路：首先，獲取乳化液泵站智能控制系統(tǒng)中控制器、傳感器及其他相關(guān)外圍設(shè)備[3]的工作電壓及工作電流信息，據(jù)此提出設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，即確定本安電源額定輸入輸出電壓和電流；其次，合理布局電路功能結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論計(jì)算確定電路各組成部分使用的具體電器元件；再用軟件對(duì)電路的輸出參數(shù)和特性進(jìn)行仿真，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整電路設(shè)計(jì)，并根據(jù)具體需要決定是否采用多重過(guò)壓過(guò)流保護(hù)；最終，直到再次仿真得到滿意的性能結(jié)果，初步完成本安電源電路設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)目標(biāo)及要求：為與礦井供電電壓對(duì)接并方便地面檢修或?qū)嶒?yàn)室測(cè)試，設(shè)計(jì)電源輸入電壓為660 VAC與220 VAC。結(jié)合乳化液泵站智能控制系統(tǒng)工作電壓參數(shù)，設(shè)計(jì)輸出電壓為12 VDC，最大輸出電流為800 mA。對(duì)于Ⅰ類設(shè)備，按1.5倍安全系數(shù)設(shè)計(jì)，即最小點(diǎn)燃電流應(yīng)為電路限定最大輸出電流的1.5 倍[2]。GB3836.4-2010提供了電阻性電路在電源電壓為12 V時(shí)對(duì)應(yīng)的最小點(diǎn)燃電流，大于3 000 mA[2]。因此，限流電路理論上限定最大輸出電流為2 000 mA。為獲得優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求性能的電源，設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)目標(biāo)動(dòng)作電流小于1 000 mA，過(guò)壓保護(hù)目標(biāo)動(dòng)作電壓小于13 V。

2 本安電源電路設(shè)計(jì)

為達(dá)到前節(jié)所述目標(biāo)參數(shù)，本安電源應(yīng)設(shè)計(jì)由以下幾個(gè)部分連接組成：第一，將220 V 和660 V 交流電轉(zhuǎn)換為24 V 的變壓器；第二，將交流電變?yōu)橹绷麟姷恼鳂?；第三，保證電壓穩(wěn)定的兩級(jí)穩(wěn)壓電路；第四，為保證電路安全運(yùn)行、達(dá)到井下防爆要求的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路。另外，還應(yīng)避免過(guò)壓或過(guò)流保護(hù)電路出現(xiàn)故障后，整個(gè)電源出現(xiàn)打電火花、自燃等不可控故障。為此，設(shè)計(jì)了雙重過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)電路，并且要求每一路保護(hù)電路均能獨(dú)自產(chǎn)生保護(hù)作用，即當(dāng)其中一路過(guò)壓或過(guò)流保護(hù)電路失效后，令一路依然能夠起到保護(hù)作用，且要求其保護(hù)效果基本等同于兩組保護(hù)電路同時(shí)工作時(shí)的保護(hù)效果。

該乳化液泵站智能控制系統(tǒng)電源電路輸入的220 V或660 V交流電壓，經(jīng)變壓器變壓后再經(jīng)整流橋得到24 V 直流電壓，作為穩(wěn)壓電路輸入電壓，即UIN=24 V。電路輸出電壓12 V由穩(wěn)壓電路設(shè)定，在滿足系統(tǒng)功率要求的前提下，設(shè)計(jì)過(guò)壓過(guò)流動(dòng)作保護(hù)值盡量接近電源額定輸出值，以此提高電路的安全性。即當(dāng)電壓超過(guò)13 V或電流超過(guò)1 000 mA時(shí)，過(guò)壓或過(guò)流保護(hù)電路起作用，保證輸出電壓或電流不超過(guò)該值。

下面著重介紹一下兩級(jí)穩(wěn)壓電路和過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。

2.1 穩(wěn)壓電路

第一、二級(jí)穩(wěn)壓電路均采用芯片LM317。LM317是NI 公司生產(chǎn)的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。其電氣特性為：輸入電壓范圍寬，最高輸入電壓為40 V，輸出可調(diào)電壓范圍1.3 V～37 V，輸入輸出壓差大于3 V。

為保證第一、二級(jí)穩(wěn)壓電路LM317輸入輸出壓差均大于3 V，可得第一級(jí)穩(wěn)壓電路輸出電壓須不小于15 V且不大于21 V，即

圖1 LM317 典型應(yīng)用電路

LM317 典型應(yīng)用電路如圖2，其中過(guò)流保護(hù)檢測(cè)電路部分采用電阻分壓，根據(jù)LM317輸出電壓計(jì)算公式[4]

選擇R1=240 Ω，計(jì)算得2 640 Ω≤R2≤3 792 Ω，選用R2=5 kΩ 精度為5%的電位器，調(diào)節(jié)獲得R2阻值為3 250 Ω，因此實(shí)際可獲得的輸出電壓為UO1=18.2 V，符合要求。

第二級(jí)穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程與第一級(jí)同理。該部分輸入電壓為17.1 V，輸出電壓為12 V。

2.2 過(guò)壓保護(hù)電路

圖2 第一級(jí)過(guò)壓保護(hù)電路

過(guò)壓保護(hù)電路如圖2。電壓檢測(cè)部分由PNP型晶體管2N3906、18V穩(wěn)壓二極管IN4746 及分壓限流電阻構(gòu)成，由穩(wěn)壓二極管特性可知，當(dāng)輸出電壓達(dá)到設(shè)計(jì)上限時(shí)，穩(wěn)壓二極管兩端存在18 V分壓，電阻R16將產(chǎn)生1 V 分壓，即U分1=UO1-U穩(wěn)=1 V，此時(shí)要求晶體管2N3906導(dǎo)通，即晶體管達(dá)到飽和狀態(tài)。

集電極電流：

為便于計(jì)算，取R17=19 kΩ，得IC2=1 mA；

集電極飽和時(shí)的基極電流：

式（3）中取2N3906、2N2904的放大系數(shù)[4]βˉ=100;

又

對(duì)于鍺管（PNP），UBE=-0.3 V，代入式（4）后得：R15+R16=70 kΩ，取R15=10 kΩ，R16=60.4 kΩ；當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，電阻R17 分壓接近UO1，即U分2≈19 V，當(dāng)Q4 飽和時(shí)，R14≈=24 kΩ；Q4 飽和后阻抗近似為0，由公式（1）得：，此時(shí)輸出電壓也接近0 V，從而起到過(guò)壓保護(hù)作用。

第二級(jí)過(guò)壓保護(hù)電路采用與第一級(jí)相同的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。

2.3 過(guò)流保護(hù)電路

圖3 第一級(jí)過(guò)流保護(hù)

過(guò)流保護(hù)電路采用電阻分壓方式檢測(cè)回路電流，其工作原理如下：

如果主回路因負(fù)載短路或者負(fù)載阻抗小于一定值而出現(xiàn)電流增大的情況，會(huì)使串接在回路中的檢測(cè)電阻分壓增大，從而使晶體管基極-發(fā)射極之間的壓降增大。由于晶體三極管具有電流放大特性，IC=βˉIB，IC隨之顯著增大，電阻R2的分壓Ui1也因此增大。由比較運(yùn)算放大器的特性可知，當(dāng)Ui1大于穩(wěn)壓二極管的分壓Ui2時(shí)，比較運(yùn)算放大器輸出高電平，P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止，電源不再對(duì)負(fù)載輸出電壓；當(dāng)R2的分壓Ui1小于穩(wěn)壓二極管的分壓Ui2時(shí)，比較運(yùn)算放大器輸出低電平，P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q1 導(dǎo)通，電源正常供電。根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路如圖3。

由于過(guò)流保護(hù)電路采用三極管放大電路對(duì)主回路電流變化進(jìn)行檢測(cè)，因此對(duì)各元器件參數(shù)要求比較嚴(yán)格。但由于制造工藝的分散性，即使同一型號(hào)的晶體管，放大系數(shù)βˉ值也會(huì)有很大差別，對(duì)于2N3906的放大系數(shù)，若先求得基極電流IB，再由IC=βˉIB求得IC，則選擇不同的βˉ會(huì)最大會(huì)導(dǎo)致10 倍的計(jì)算結(jié)果的偏差，嚴(yán)重影響計(jì)算結(jié)果。因此，可先通過(guò)圖4所示三極管放大電路測(cè)出主回路電流I=800 mA 和I=1 000 mA時(shí)，R2兩端的壓降，即比較運(yùn)算放大器同向輸入電壓Ui1，并據(jù)此設(shè)計(jì)比較運(yùn)算放大器反向輸入端的參考電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)R5值來(lái)改變R5的分壓大小，以適應(yīng)三極管2N3906的不同βˉ值。

圖4 過(guò)流檢測(cè)電路輸出電壓測(cè)定電路

從圖4（a）、（b）的測(cè)試結(jié)果可以得出，當(dāng)主回路電流為795 mA 時(shí)，Ui1=354 mV；當(dāng)主回路電流為1 014 mA 時(shí)，Ui1=9.35 V；因此理論上可以選擇穩(wěn)壓值在354 mV～9.35 V之間的任意穩(wěn)壓二極管。

第二級(jí)過(guò)流保護(hù)電路采用與第一級(jí)相同的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。

3 電路仿真及改進(jìn)

3.1 過(guò)壓保護(hù)電路的仿真

使用Multisim 軟件對(duì)過(guò)壓保護(hù)電路仿真，在軟件中按第2節(jié)計(jì)算結(jié)果設(shè)定各電路元件參數(shù)。測(cè)得過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作發(fā)生后，輸出電壓被穩(wěn)定在18.5V，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 過(guò)流保護(hù)電路的仿真

在過(guò)流保護(hù)電路的仿真過(guò)程中，電路供電時(shí)會(huì)出現(xiàn)Ui1瞬間增大，如圖5（a）所示，瞬時(shí)電壓已超過(guò)穩(wěn)定輸出電壓的10 倍。若瞬時(shí)電壓超過(guò)過(guò)流保護(hù)目標(biāo)動(dòng)作值，則會(huì)錯(cuò)誤地引起過(guò)流保護(hù)電路產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作。

圖5 濾波電容對(duì)電路啟動(dòng)電壓的影響

為減小此干擾，采用了與R2并聯(lián)一個(gè)22 nF 的濾波電容的方法。圖5（b）為接入濾波電容后的供電電壓變化曲線?？梢?jiàn)供電電壓最大值已基本與穩(wěn)定輸出電壓一致了。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了乳化液泵站智能控制系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程，在Multisim軟件的輔助下，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本質(zhì)安全電路的要求完成了其穩(wěn)壓電路和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。其中為使保護(hù)電路不因自身故障而出現(xiàn)整個(gè)電源的不可控故障，特別設(shè)計(jì)了雙重過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路。最后使用Multisim 軟件對(duì)電源電路輸出電壓、電流效果進(jìn)行仿真后發(fā)現(xiàn)供電電壓會(huì)出現(xiàn)瞬間增大現(xiàn)象，根據(jù)該現(xiàn)象對(duì)電路進(jìn)行了局部修改，修改后供電電壓得到了明顯改善，輸出了符合乳化液泵站智能控制系統(tǒng)中控制器和各傳感器工作要求的直流電壓。