礦用本安電源的設計探討

龍芃君

摘要：隨著人們對安全的重視，本質安全型電路在礦井中的使用越來越廣泛。本質安全型電路是指在正常工作和規(guī)定的故障條件下，產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。在礦井等存在易燃、易爆氣體的工作環(huán)境中，需要電氣設備考慮到電路中的電壓、電流等情況，防止由于過流或過壓產生的火花點燃井下氣體引發(fā)事故。作為電氣化裝置的供電核心，電源成為本安電氣設備的最關鍵環(huán)節(jié)，因此礦用本質安全型電源的技術水平和質量要求越來越受到人們的重視。本安電源是指在正常工作和故障狀態(tài)下，其輸出的最高電壓、最大電流均具有本安性能的電源。本文主要就礦用本安電源的設計展開了探討。

關鍵詞：礦用；本安電源；設計

1、本安電源整體組成

本安電源整體組成原理框圖如圖1所示，變壓器一次設有多個輸入抽頭，接線時只需根據現場的實際電壓等級選用對應等級的抽頭和公共零線接入即可。不同電壓等級的交流輸入經熔斷器進隔離變壓器相應的輸入端，不管隔離變壓器的一次選用那種電壓等級，其二次輸出都為33V。將變壓器的輸出連接到AC/DC轉換器。AC/DC輸出的直流電壓，一路經充電電路對備用蓄電池充電，貯存電能；另一路經DC/DC穩(wěn)壓環(huán)節(jié)得到穩(wěn)定的電源輸出。為滿足本質安全性能要求，采用截止式雙重過流過壓保護。當交流電停電時，蓄電池中貯存的電能通過穩(wěn)壓環(huán)節(jié)放電，保持穩(wěn)定的電源輸出，實現不間斷供電功能。電池開關的作用是本設備在儲存期間手動斷開電池，防止放置太舊電池電量過放。

2、礦用本安電源的設計

2.1隔離穩(wěn)壓電路

隔離穩(wěn)壓電路的主要功能是實現電源輸出的穩(wěn)壓和非本安電源輸入端和本安電源輸出端的隔離。穩(wěn)壓能夠使寬范圍的電壓輸入轉化為恒定的電壓輸出。隔離使電源的輸入與后續(xù)電路不共地，使電路避免由電涌和接地回路的過壓、過流造成損害。隔離穩(wěn)壓電路的核心是URA2412ZP-6WR3模塊，其電壓輸入范圍在9～36V，輸出功率為6W，采用模塊化的電路可大大精簡電路，增加電路的可操作性。模塊的其他特點如下：①隔離電壓1500VDC；②工作溫度：-40～+85℃；③輸入欠壓，輸出過壓、短路保護、過流保護；裸機滿足CISPR22/EN55022CLASSA；；⑤國際標準引腳方式；⑥通過UL60950、EN60950和IEC60950認證。

2.2 DC/DC電路

DC/DC穩(wěn)壓電路采用LM2676-ADJ，它是一種開關型集成穩(wěn)壓器，可提供一個驅動能力達3A，可逐級下降的開關穩(wěn)壓器的所有功能，具有良好的線性和負載調節(jié)特性，輸入電壓8～40V，輸出電壓1.2～37V可調。Vin為其輸入端，接前級AC/DC提供的直流27V電壓，Vout為其輸出端，向后級本安電路提供穩(wěn)定的直流電壓。由LM2676-ADJ技術手冊可知，Vout=VREF[1+（R2+RP1）/R1）]，VREF=1.23V。這里R1選1kΩ電阻，R2選擇13kΩ電阻，RP1選用2kΩ的電位器，可以通過調整RP1來保證后級本安電路輸出18V的本安電壓（由于器件的管壓降、檢測電阻壓降等因素的影響，Vout點的電壓一般高于18V）。

2.3過流保護電路

本過流保護電路主要由電阻RS、高端電流檢測芯片V1（ZXCT1009）和電阻ROUT組成。其工作原理：通過V1檢測RS上的電流，一般ROUT上的電流正比于0.01倍RS上的電壓，然后通過電阻ROUT轉換為電壓VOUT輸出到反饋誤差放大器TL431上，D1保證在沒有過流的情況下使過流保護電路和反饋電路隔離。設定當RS上的電流超過1.25A時，即VOUT超過3V時，D1導通，將變化的電壓通過TL431和PC817A送往UC3842進行控制，使輸出電流穩(wěn)定在1.25A左右。本電源設計的額定輸出電流值為1A，設定電路啟動過電流保護時的電流值為大于1.25A，RS=0.1Ω，電流I流過電阻RS時，則在V1的兩端將產生一個VSE=IRS的電壓，同時V1的另一個管腳會輸出正比于電壓VSE的電流信號，該電流通過ROUT轉換成電壓信號VOUT，根據VOUT=ROUT（VSE×0.01），即VOUT=ROUT（0.01IRS）。當VOUT=3V時，可得出ROUT=2.4kΩ。

2.4過壓保護電路

過壓保護電路由R8、R9、R10、R11及D3、D4、D5、M2構成，因為TL431的存在，M2的同向輸入端電壓U8為2.5V。設置R8和R9，使得輸入電壓為12V時，U9小于2.5V。當U1≤12V時，對于M2，U8≥U9，M2輸出高電平，U6>U3，D4、D5不導通，電路正常工作。當U1>12V時，U9>2.5V，即U9>U8，M2輸出低電平，此時D4、D5處于導通狀態(tài)。由于二極管的導通時有壓降，使得U3

2.5重要參數的計算和設計

本電路中為了符合本安電源的要求，基本使用小電容和小電感。所以變壓器中儲存的能量成為本電源設計能否符合本安要求的主要因素。設計由變壓器輸出的電壓設為12.8V。電源的工作頻率設為500kHz，最小直流輸入電壓Vin（min）=133V。由此可知最大原邊電感量Lpri、輸入的峰值電流Ipk和磁芯中存儲的能量Estored的計算公式分別為：Ipk=5.5Pout/Vin（min）；Lpri=Vin（min）αmax/Ipkf。式中αmax代表最大占空比（通常αmax=0.5）。Estored=LpriIpk2/2。綜合可得Ipk≈0.53A，Lpri≈0.251mH，考慮安全系數后的值為1.5×0.251=0.376mH<<1mH，還可算出磁芯存儲的能量Estored≈35.25μJ<<260μJ，因此本設計符合本安要求。

3、結束語

綜上所述，本文設計了一種本安型交直流穩(wěn)壓電源，采用了穩(wěn)壓隔離電路和過壓、過流電路。經測試，本設計具有可靠性和穩(wěn)定；設計簡單易實現、方便可攜，并且可以通過對隔離穩(wěn)壓模塊的選擇和過壓、過流電路的參數的調整，應用于其他本安電源設計。

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（作者單位：中煤科工集團重慶研究院有限公司）