基于CL復(fù)合電路模型的截止型電源的研究

中煤科工集團(tuán)常州自動(dòng)化研究院有限公司 張璽銳

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基于CL復(fù)合電路模型的截止型電源的研究

中煤科工集團(tuán)常州自動(dòng)化研究院有限公司 張璽銳

【摘要】本文通過(guò)分析CL復(fù)合電路模型的短路火花放電特點(diǎn)，分析了電容和電感分別對(duì)火花放電的影響，得出了電路截止時(shí)間對(duì)火花實(shí)驗(yàn)的影響，從而對(duì)本安電源研發(fā)和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的本安評(píng)定起到提高作用。

【關(guān)鍵詞】搜索；CL復(fù)合電路，截止型電源，火花放電

0　引言

防爆型設(shè)備為了保障爆炸性氣體環(huán)境和爆炸性氣體環(huán)境設(shè)計(jì)而成［1］，而本安電源則是其重要組成部分，不僅為本安設(shè)備提供合適的電能，同時(shí)也決定了本安設(shè)備的防爆性能和使用性能。本安電源是常規(guī)的對(duì)該類電源的簡(jiǎn)稱，防爆型式則為復(fù)合型，通常為隔爆兼本安型、澆封兼本安型、一般兼本安型等，電源的供電電壓一般為127V、220V、380V、660V等，工作方式是通過(guò)多重保護(hù)將輸入的非安電轉(zhuǎn)化為能夠在爆炸性環(huán)境使用的本安電［2］，輸出的電壓等級(jí)通常為5V、9V、12V、15V、18V等低電壓。非安電之所以能夠能夠轉(zhuǎn)化成本安電，就是因?yàn)楸景搽娫赐ㄟ^(guò)多重化限壓限流處理從而輸出安全、低電壓等級(jí)的電流。

從目前本安電源的電路結(jié)構(gòu)上來(lái)講，可以分為兩種：截止型［3］和恒流型，恒流型即電源在短路狀態(tài)下只以恒定電流狀態(tài)輸出，而火花點(diǎn)燃能量雖然不同的爆炸性環(huán)境不同但均能量不大，從而限制恒流型電源通常輸出功率不大；截止型電源是通過(guò)檢測(cè)在短路及故障狀態(tài)下輸出的電流大小，從而控制電路中的開關(guān)管切斷電路，最終實(shí)現(xiàn)抑制能量釋放導(dǎo)致火花點(diǎn)燃的出現(xiàn)，則該類型電源比恒流型輸出功率有了較大的提高。然而本安設(shè)備通常具備一定的電感和電容，因此決定本安電源的性能的因素還包括了電源能夠承擔(dān)多大的電容和電感，本安將根據(jù)截止型本安電源的CL復(fù)合電路模型［4］，分析電容和電感對(duì)電源火花放電的影響，提出了增加本安電源的本安特性相應(yīng)措施。

1　CL復(fù)合電路模型

本安電源在使用過(guò)程中通常情況下，多數(shù)火花是在電路開路情況下產(chǎn)生，即本安設(shè)備啟動(dòng)電源開關(guān)時(shí)，或者電源誤短路等情況下觸發(fā)，因此本文主要分析本安電源CL復(fù)合電路模型開路火花釋放的情況。

1.1模型建立

本安電源在進(jìn)行火花試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，通常使用電容器和電感器代替負(fù)載可能出現(xiàn)的最大等效電感和等效電容即Co、Lo，實(shí)際進(jìn)行火花時(shí)截止型電源火花實(shí)驗(yàn)短路放電實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示：

圖1　截止放電模式下CL復(fù)合電路火花放電實(shí)驗(yàn)原理圖

當(dāng)E為電源電壓，R1為本安電源放電時(shí)等效內(nèi)阻，R2為回路中火花實(shí)驗(yàn)臺(tái)阻值，G為火花試驗(yàn)臺(tái)，C和L分別為實(shí)驗(yàn)電容箱和電感箱。由于R1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R2，因此可以忽略電源對(duì)放電回路的影響，電壓方程為：

火花放電電壓等于建弧電壓，則：

將以上各式帶入式1-1并解微分方程，可得到火花放電電流為：

其中：

火花放電功率為：

火花放電能量為：

1.2CL模型分析

1.2.1電源截止時(shí)間對(duì)放電的影響

將上式對(duì)ts進(jìn)行求導(dǎo)，可得：

由式2-1可知，火花實(shí)驗(yàn)中釋放的火花能量是隨著截止時(shí)間的減小而單調(diào)減小，因此在電路設(shè)計(jì)中可以通過(guò)減小截止時(shí)間來(lái)減小火花能量的釋放。

1.2.2電容對(duì)火花放電的影響

首先假設(shè)電路截止時(shí)間ts遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然狀態(tài)下放電的時(shí)間，即處在自然放電模式下時(shí)，其火花放電釋放能量最大值為：

截止放電模式下，將式 對(duì)L進(jìn)行求導(dǎo)，可得：

由上式可以得到，火花放電能量Wg隨著電感L的增加而單調(diào)減小，即增加電感值能夠減小火花實(shí)驗(yàn)中短路狀態(tài)下釋放的能量。

在ts＜tm的情況下，式中將電感值作為變量，可得火花放電功率最大值Pg（ts）與電感值L的曲線圖如圖2所示：

圖2　截止時(shí)間和火花功率的關(guān)系曲線

由圖2所示可以看到，在本安電源截止模式下，增加電感量使得火花放電功率最大值會(huì)按接近指數(shù)級(jí)減小，當(dāng)電感量較小時(shí)，火花放電功率最大值隨著電感量的變化率較大，當(dāng)電感超過(guò)一定值之后，火花功率最大值幾乎不變。

2　本安電源的本安特性分析

對(duì)于截止型本安電源在短路放電情況下，影響其本安性能因素可以總結(jié)為3點(diǎn)，分別為電源截止時(shí)間ts、負(fù)載電容、負(fù)載電感，然而這三因素對(duì)電源本安性能的影響各不相同，下面將逐項(xiàng)進(jìn)行分析。

（1）電源截止時(shí)間ts決定了電源在整個(gè)火花放電過(guò)程中，能量釋

放時(shí)間長(zhǎng)短，從以上分析也可以得出，在不對(duì)電源本安參數(shù)進(jìn)行減小時(shí)，最好的方法即減小放電時(shí)間，盡可能縮短電源放電的周期。當(dāng)然減小ts則對(duì)電路設(shè)計(jì)及元器件成本提出了更高的要求，同時(shí)也增加了電路對(duì)外部故障的靈敏度提高，可能提高電路誤保護(hù)的幾率。

（2）根據(jù)式2-2，電容大小是本安電源火花放電過(guò)程中能量增加重要因素，單純的減小電容值會(huì)很有效的減小能量的釋放，但是減小電容值增加了對(duì)使用本安電源供電的本安設(shè)備的限制。

（3）由以上分析可以看出，當(dāng)電感放在電容后端時(shí)火花放電能量隨著電感值的增加而減小，這是因?yàn)殡姼心軌蜃璧K電感的瞬間放電電流的劇烈增加，從在一定程度能夠減小火花能量的釋放，當(dāng)電感放在電容前端時(shí)，在火花實(shí)驗(yàn)中短路間隙電感會(huì)起到阻礙電源對(duì)電容的沖電的作用。然而火花實(shí)驗(yàn)會(huì)對(duì)電容電感的各種組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，單獨(dú)使用電容為負(fù)載時(shí)電感則無(wú)法起到作用。因?yàn)樵陔娐吩O(shè)計(jì)中可以在本安電源電路中增加一定量的電感起到抑制火花能量釋放的作用。

3　結(jié)論

根據(jù)本文以上對(duì)本安電源截止模型下CL放電電路的分析，可以看出本安電源的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合以上三個(gè)要點(diǎn)的分析，在保證電源輸出電壓和電流的情況，應(yīng)盡可能減小截止時(shí)間，減小電源電容負(fù)載，從而能夠設(shè)計(jì)出輸出功率較大的本安電源。

參考文獻(xiàn)

［1］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)起草小組.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.1-2010爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求［S］［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［2］徐磊，周孟然，等.煤礦實(shí)用本安電源設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2012，33（3）：145-146.

［3］張玉良.一種帶備用電池多路輸出的隔爆兼本安型開關(guān)直流穩(wěn)壓電源［J］.煤礦自動(dòng)化，1996（04）：57-59.

［4］于月森.本質(zhì)安全型開關(guān)電源基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2012.

張璽銳（1987—），江蘇常州人，碩士，現(xiàn)工作于中煤科工集團(tuán)常州自動(dòng)化研究院有限公司。

作者簡(jiǎn)介：