基于CL復合電路模型的截止型電源的研究

中煤科工集團常州自動化研究院有限公司 張璽銳

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基于CL復合電路模型的截止型電源的研究

中煤科工集團常州自動化研究院有限公司 張璽銳

【摘要】本文通過分析CL復合電路模型的短路火花放電特點，分析了電容和電感分別對火花放電的影響，得出了電路截止時間對火花實驗的影響，從而對本安電源研發和檢驗機構的本安評定起到提高作用。

【關鍵詞】搜索；CL復合電路，截止型電源，火花放電

0　引言

防爆型設備為了保障爆炸性氣體環境和爆炸性氣體環境設計而成［1］，而本安電源則是其重要組成部分，不僅為本安設備提供合適的電能，同時也決定了本安設備的防爆性能和使用性能。本安電源是常規的對該類電源的簡稱，防爆型式則為復合型，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，工作方式是通過多重保護將輸入的非安電轉化為能夠在爆炸性環境使用的本安電［2］，輸出的電壓等級通常為5V、9V、12V、15V、18V等低電壓。非安電之所以能夠能夠轉化成本安電，就是因為本安電源通過多重化限壓限流處理從而輸出安全、低電壓等級的電流。

從目前本安電源的電路結構上來講，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下只以恒定電流狀態輸出，而火花點燃能量雖然不同的爆炸性環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；截止型電源是通過檢測在短路及故障狀態下輸出的電流大小，從而控制電路中的開關管切斷電路，最終實現抑制能量釋放導致火花點燃的出現，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多大的電容和電感，本安將根據截止型本安電源的CL復合電路模型［4］，分析電容和電感對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措施。

1　CL復合電路模型

本安電源在使用過程中通常情況下，多數火花是在電路開路情況下產生，即本安設備啟動電源開關時，或者電源誤短路等情況下觸發，因此本文主要分析本安電源CL復合電路模型開路火花釋放的情況。

1.1模型建立

本安電源在進行火花試驗檢測時，通常使用電容器和電感器代替負載可能出現的最大等效電感和等效電容即Co、Lo，實際進行火花時截止型電源火花實驗短路放電實驗電路如圖1所示：

圖1　截止放電模式下CL復合電路火花放電實驗原理圖

當E為電源電壓，R1為本安電源放電時等效內阻，R2為回路中火花實驗臺阻值，G為火花試驗臺，C和L分別為實驗電容箱和電感箱。由于R1遠遠大于R2，因此可以忽略電源對放電回路的影響，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電源截止時間對放電的影響

將上式對ts進行求導，可得：

由式2-1可知，火花實驗中釋放的火花能量是隨著截止時間的減小而單調減小，因此在電路設計中可以通過減小截止時間來減小火花能量的釋放。

1.2.2電容對火花放電的影響

首先假設電路截止時間ts遠遠大于自然狀態下放電的時間，即處在自然放電模式下時，其火花放電釋放能量最大值為：

截止放電模式下，將式 對L進行求導，可得：

由上式可以得到，火花放電能量Wg隨著電感L的增加而單調減小，即增加電感值能夠減小火花實驗中短路狀態下釋放的能量。

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　截止時間和火花功率的關系曲線

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按接近指數級減小，當電感量較小時，火花放電功率最大值隨著電感量的變化率較大，當電感超過一定值之后，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為3點，分別為電源截止時間ts、負載電容、負載電感，然而這三因素對電源本安性能的影響各不相同，下面將逐項進行分析。

（1）電源截止時間ts決定了電源在整個火花放電過程中，能量釋

放時間長短，從以上分析也可以得出，在不對電源本安參數進行減小時，最好的方法即減小放電時間，盡可能縮短電源放電的周期。當然減小ts則對電路設計及元器件成本提出了更高的要求，同時也增加了電路對外部故障的靈敏度提高，可能提高電路誤保護的幾率。

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

（3）由以上分析可以看出，當電感放在電容后端時火花放電能量隨著電感值的增加而減小，這是因為電感能夠阻礙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，當電感放在電容前端時，在火花實驗中短路間隙電感會起到阻礙電源對電容的沖電的作用。然而火花實驗會對電容電感的各種組合進行實驗，單獨使用電容為負載時電感則無法起到作用。因為在電路設計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　結論

根據本文以上對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計應綜合以上三個要點的分析，在保證電源輸出電壓和電流的情況，應盡可能減小截止時間，減小電源電容負載，從而能夠設計出輸出功率較大的本安電源。

參考文獻

［1］國家標準起草小組.中華人民共和國國家標準GB 3836.1-2010爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求［S］［M］.北京：中國標準出版社，2011.

［2］徐磊，周孟然，等.煤礦實用本安電源設計［J］.煤礦機械，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直流穩壓電源［J］.煤礦自動化，1996（04）：57-59.

［4］于月森.本質安全型開關電源基礎理論與應用研究［D］.徐州：中國礦業大學，2012.

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

作者簡介：