淺析礦用本質安全型開關電源的設計

田小光

【摘? 要】由于煤礦井下安全開關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生直接影響。

【關鍵詞】礦用;本質安全型開關電源;設計

與傳統線性電源相比，開關電源具有效率高、體 積小、抗輸入電壓波動能力強等優點，現已大量應用 于礦用電源設計中。但現有礦用 開 關 電 源 大 多 采用傳統的電容濾波型橋式整流和反激電路相結合 的方式，輸入電流為脈沖狀，導致電源電路產生較大 諧波電流，且電源功率因數相對較低。電源電路產 生的諧波電流會對線路產生傳導干擾和輻射干擾，影響相關電子設備的可靠性;較低的功率因數導致 電源輸入端工頻變壓器的電能損耗大、轉換效率低，降低電源系統的穩定性，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的污染，目 前最有效的方法是在開關電源中增加有源功率因數 校正環節。

1煤礦井下安全開關電源電路放電特性分析

1.1煤礦井下電路產生電火花的規律

在易燃、易爆的環境下，電氣設備在運行過程中產生出大量的電火花，在達到爆炸性氣體臨界值的狀態下，會引燃周圍爆炸性物質，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的，由于某種不穩定的放電經過轉化產生。在電流很小而且處于低電壓的狀態下，因為開關器件所具有的特殊性質，電路發生切換時會產生電弧放電現象。而輝光放電則是在高電壓、小電流的情況下產生的。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，會發生電火花放電現象，這就是火花放電產生的主要原因。

1.2電容性電路放電特性

煤礦井下安全開關電源應當充分滿足電氣設備性能指標的要求，確保電氣設備的安全運行。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，就會增加開關管中的電流應力，導致輸出紋波電壓變大，嚴重影響到輸出電壓的穩定性。所以，在取值過程中，應當充分考慮到電氣設備性能指標的要求，合理的取值是影響煤礦井下安全開關電源設計的關鍵性因素。

2礦用本質安全型開關電源的設計

2.1 基本原理

傳統的數碼分段開關均采用 CMOS 組成電路，無法檢測開關時引起的脈沖寬度的變化，因此也就 容易導致開關的誤動作，另外現有數碼分段開關也 不具有開關狀態的記憶功能，因此采用單片機技術 實現開關狀態的存儲記憶與分段控制，所選用的單 片機自帶 EPROM，不管開關了幾次，它具有能記憶 最后一次開關狀態的功能。使用起來非常方便，電 路結構簡單，與常規的數碼分段開關采用的元器件 數量相當，相同的使用條件與方法，幾乎相近的成 本，功能和穩定性更好。本技術方案實現的基本功能和要求：

（1）由單片機控制，要求能根 據開關最后 一次 工 作 狀 態，且 延 時 3～5 s（可調），并 存 儲 記 憶 該 狀 態，下一次開關時的初始狀態，就是開關延時記憶 的狀態;

（2）具有開關脈沖檢測電路，能檢測開關 時引 起的脈沖寬度，避免開關的錯誤動作;

（3）要求電路簡單，與傳統數碼分段開關 采用 的元器件數量相當，成本低廉，且具有良好的功能 拓展性和性能穩定性。

2.2總體結構設計

現在市面上電氣設備大多采用線性電源來實現電源的本質安全。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;再經過穩壓電路，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定;最后經過限能保護電路輸出本安直流電壓。此設計不用先經過變壓器降壓處理，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的;PWM控制器主要實現電壓、電流的雙閉環控制，提高電壓的調整率、瞬態響應特性以及負載的調整率;然后再通過整流濾波電路、第二級過流過壓保護電路，最后輸出本質安全直流電壓。

2.3輸入整流濾波電路設計

（1）在原有電路基礎上加上電容和二極管的串并聯形式。

（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，電路功率因數得到提高的優點。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電源的本質安全性。

2.4主電路控制系統的選擇

電壓型PWM和電流型PWM控制技術是開關電源常用的兩種控制方式。電壓型PWM控制技術的主電路電流不參與對輸出的控制，是典型的單閉環控制系統。由于電路中電感的影響，電壓的變化提前于電流的變化，導致響應速度慢，穩定性差。電流型PWM控制技術彌補了電壓型PWM控制技術的不足。它采用雙環控制，在單閉環控制系統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計

（1）反饋電路的設計：開關電源大多采用光耦構成反饋通道。光耦即實現電―光―電轉換的器件，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反饋通道。在該設計中，線性光耦合器和穩壓管實現了開關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壓性的優點。使得設計跟有利于開關電源的本質安全性。過流保護電路設計

（2）過流電路的設計：為了防止開關電源因電路短路或電流增大導致電路燒毀的情況發生，本文設計了過流保護電路。當電路中由于短路或不正常工作產生過流時，三極管Qa截止，電流通過Ral、Dal、Da2整流電路整流，再通過后續的穩壓器得到穩定的直流電。從而保證后續電路保持正常工作。

2.6過壓保護電路設計

本質安全型開關電源不僅要設計過流保護電路，還需要設計過壓保護電路。因此本文在過流保護電路后續電路加上過壓保護。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，電容將處于充電狀態;因為沒有達到門極觸發電流的條件，所以SLR仍處于截止狀態。若輸出電壓大于18.7V時，Dz處于導通狀態;達到門極觸發電流的條件，SLR導通，電路將停止輸出電壓，達到保護整個開關電源電路的作用。

3結語

安全開關電源是煤礦井下生產的關鍵性設備，其安全、高效以及穩定等特點，成為煤礦井下供電的重要供電電源。因此，在設計煤礦井下安全開關電源時，應當充分考慮到電路放電特性，研究安全開關電源技術指標，分析電路參數，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。

參考文獻：

[1]黃宇航.新型船用電子應急車令設計方案介紹[J].微計算機信 息，2007（8）：296-297.

[2]倪云峰，程望盛，李啟瑞.基于 ARM 的礦井提升機后備保護系統 的設計[J].煤礦機械，2011，32（12）：234-236.

[3]任章，史秀珍，段剛，等.分段線性多開關時間次優控制系統的設 計[J].西北工業大學學報，1996（3）：439-443.

[4]王文杰，許文斌.單片機應用技術[M].北京：冶金工 業 出 版 社，2008.

[5]譚壘.礦用組合開關的多回路溫升試驗系統設計[J].煤礦機械，2015（7）：26-28.

[6]于鵬杰，齊輝，俞雙懋.礦用隔爆不間斷直流電源系統設計[J].煤礦機械，2015（4）：64-67.