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)當充分滿足電氣設(shè)備性能指標的要求，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，導致輸出紋波電壓變大，嚴重影響到輸出電壓的穩(wěn)定性。所以，在取值過程中，應(yīng)當充分考慮到電氣設(shè)備性能指標的要求，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，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，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致電路燒毀的情況發(fā)生，本文設(shè)計了過流保護電路。當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載。如果輸出的電壓在18V到18.7V的范圍時，Dz處于導通狀態(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仍處于截止狀態(tài)。若輸出電壓大于18.7V時，Dz處于導通狀態(tài);達到門極觸發(fā)電流的條件，SLR導通，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，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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