電容串電阻對本安電源火花放電能量的影響

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 陳思靖

為了提高本安電源的品質(zhì)和輸出功率，本文研究在火花放電電路的輸出濾波電容側(cè)串接電阻對花火放電能量的影響，通過串接電阻獲得火花放電能量的數(shù)學(xué)模型。再通過對串接不同阻值的電阻的數(shù)學(xué)模型進行仿真得到串接電阻對火花放電能量的影響，結(jié)果表明串接電阻可以有效減小火花放電能量，可以提高本安電源的輸出功率。

針對煤礦井下、石油化工生以及其衍生領(lǐng)域生產(chǎn)一線人員定位檢測設(shè)備、預(yù)警設(shè)備等實際生產(chǎn)現(xiàn)場特定的安全生產(chǎn)需求，安全防爆電器的研究、應(yīng)用變得愈發(fā)重要。電源作為安全防爆電器的能量供給元件，它的安全防爆、穩(wěn)定輸出在整個安全防爆電路中有著舉足輕重的地位?，F(xiàn)在以隔爆型和本質(zhì)安全型的應(yīng)用最為廣泛，其中由于本質(zhì)安全型電器為內(nèi)部安全設(shè)計、考量的優(yōu)勢使得本質(zhì)安全型已成為最佳的防爆形式。

1 本安電源

根據(jù)要求，與本安電源相關(guān)的儀器儀表的設(shè)計遵循國家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.1-2000，本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的標(biāo)志為“i”，根據(jù)安全程度的不同可分為ia和ib兩個等級。考慮到本安電源的使用場合多為煤礦井下，故在設(shè)計時安全等級考慮為ib級。

本安電源的工作原理如圖1所示，先從電網(wǎng)處取得交流電，再經(jīng)輸入整流濾波電路后得到脈動的直流電，后經(jīng)過直流變換器對得到的直流進行再次處理，最后經(jīng)多重化的限流限壓保護電路得到需要的直流電，控制器多采用直流型的PWM控制器。

圖1 本安電源工作原理圖

2 電容串接電阻電路火花實驗等效電路的分析

2.1 等效電路模型

根據(jù)以往研究，將本質(zhì)安全開關(guān)電源的輸出濾波電路等效為簡單電容電路，并對其進行本質(zhì)安全特性的分析，以便于對其串聯(lián)電阻時進行火花放電時相關(guān)指標(biāo)的分析，電容串接電阻火花試驗電路如圖2所示。

圖2 電容串接電阻電路火花試驗電路

其中，E為充電電源，R0為充電電阻，R1為線路及火花裝置G的電阻和，R為所串入的電阻。通常情況下，R0>>R1。因此，為了研究的方便，在考慮電容短路的火花放電能量時，對上述模型做出簡化，即不考慮來自電源側(cè)E的能量來源。簡化后的模型如圖3所示。

圖3 電容串接電阻電路簡化火花試驗電路

圖3中Uc是在電容發(fā)生短路火花放電期間時的電容電壓；UR是串聯(lián)可調(diào)電阻上的電壓降；UR1是整個回路的內(nèi)阻和火花試驗裝置內(nèi)阻之和R1上的電壓，Ug是火花試驗裝置兩端的電壓，同時也為火花放電的電壓；Ig是火花放電電流；Rg是火花放電的等效電阻。

2.2 等效電路分析

對上述得到的電容串接電阻電路簡化火花試驗電路進行分析?；诨倦娐范ɡ韺ι鲜鲭娐妨袑戨娐贩匠?，得到火花放電能量和串接電阻的關(guān)系如下：

3 電路數(shù)學(xué)模型的仿真

對上述的火花放電能量模型進行仿真，取充電電壓E=100v，放電維持電壓V0=15V，C=100uf時，火花放電能量和串接電阻的關(guān)系如圖4（a）、（b）和（c）所示。

圖4

從得到的仿真結(jié)果（a）、（b）和（c）中可以看出，隨著串入電阻的增大，火花放電能量的大小以近似指數(shù)函數(shù)下降，在一定范圍內(nèi)增大放電電阻即在輸出側(cè)串聯(lián)小電阻可有效減小火花放電能量，但隨著串接電阻數(shù)值的增大，火花放電能量減小的速率將變慢。

結(jié)論：本安電路發(fā)生短路時，在其他參數(shù)不改變的情況下，僅僅增大回路的放電電阻，可以在一定程度上減小本安電源輸出端的火花放電能量，這給本安電源的輸出參數(shù)的提高帶來積極影響，有利于進一步提升本安電源的安全品質(zhì)，這對本安電源應(yīng)用場所的推廣帶來積極的現(xiàn)實意義。