一种新型矿用本质安全型电源的设计.pdf

第 1 O期 2 0 1 0年 l O月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o mat i o n NO ．1 0 0c t ． 2 O1 0 ’ ’ 。 ．。 i实验研 究 Ⅲ ． 1Ⅲ m◆ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 1 0 0 0 2 1 0 4 一 种新型矿用本质安全型电源的设计 朱前 伟 煤 炭 科学 研究 总 院常州 自动化研 究 院 ， 江 苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘要 针对 目前煤矿 井下多输入电压等级本质安全型 电源的笨重和单输入 电压等级本质安全型电源的 局 限性 问题 ， 提 出了一种 新 型本质 安 全 型 电源 的设 计 方 案 。该 新 型本 质 安 全 型 电 源采 用 R 型 隔 离 变压 器 ， 体积 小 ； 采 用 高性 能的 DC ／ D C 开关转 换 电源 ， 提 高 了本质 安 全型 电源 的转 换 效 率 ， 且 减 小 了输 出纹 波噪 声 ； 同时采 用 由过 流检 测芯 片 、 单稳 态触发 芯 片 、 大功 率三极 管等 组成 的 双 重化 过 流 和过 压 保 护 电路 ， 提 高 了本 质安全 型 电源 的可 靠性 。 关 键词 矿 井 ；电源 ；本质 安全 ；交 直流转 换 ；过 电流保 护 ； 过 电压保 护 ；双 重化 保护 电路 中图分 类号 T D 6 1 1 ． 3 文献标 识 码 B De s i g n o f a Ne w Ty p e o f Mi n e us e d I n t r i n s i c Sa f e t y Powe r Su p p l y ZHU Qi a n we i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Re s e a r c h I n s t i t u t e o f CCRI ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s ol v e p r ob l e m s o f b ul ki n e s s o f i n t r i ns i c s a f e t y po we r s up pl y wi t h m u l t i l e v e l i np ut v o l t a g e a nd l i mi t a t i o n o f t he on e wi t h s i ng l e l e ve l i npu t v o l t a g e i n c o a l mi ne u nd e r gr o un d a t pr e s e nt ， t he p a pe r p r o p os e d a d e s i gn s c he m e of a ne w t y pe of i n t r i ns i c s a f e t y po we r s u ppl y．The i nt r i ns i c s a f e t y po we r s u p p l y u s e s R i s o l a t i o n t r a n s f o r me r wi t h s ma l l v o l u me a n d DC／ DC s wi t c h i n g c o n v e r t e r wh i c h i mp r o v e s t h e i n t r i n s i c s a f e t y p o we r s u p p l y S c o n v e r t i n g e f f i c i e n c y a n d d e c r e a s e s t h e p o we r s u p p l y S o u t p u t r i p p l e ． M e a n whi l e，t he i nt r i ns i c s a f e t y p o we r s up pl y us e s d ua l pr o t e c t i o n c i r c u i t o f ov e r c ur r e n t a n d ov e r v ol t a ge c o m p o s e d o f o v e r c ur r e nt d e t e c t i on c hi p， o ne s ho t t r i g ge r c h i p， h i gh po we r t r a ns i s t o r s ， e t c ， a nd t he p r o t e c t i o n c i r c u i t i mpr o ve s t he r e l i a b i l i t y o f t he i n t r i ns i c s a f e t y po we r s up pl y． Ke y w o r d s mi n e ，p o we r s u p p l y，i n t r i n s i c s a f e t y，AC／ DC c o n v e r s i o n ，o v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n ，o v e r - v o l t a ge pr o t e c t i o n，du a l p r o t e c t i on c i r c ui t 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 8 作者简介 朱前伟 1 9 7 9 一 ， 男 ， 江 苏徐州人 ， 工程师 ， 现主要从 事煤矿 监 测 系 统 、 矿 用 传 感 器 、 电 源 的 开 发 应 用 工 作。 E ma i l z hu c o n g we i 1 2 6 ． c o rn 0 引言 在煤矿井下各种监测和控制系统中使用的电气 设备都要依靠本质安全型 简称本安 电源来供 电， [ 1 6 ] E MR E U， HAVA A M． A Hi g h P e r f o r ma n c e P WM Al go r i t hm f o r Co mmon M o de Vol t a ge Re duc t i o n i n T h r e e - p h a s e V o l t a g e S o u r c e I n v e r t e r s E C ] ／ ／ I E E E Powe r El e c t r oni c s Spe c i a l i s t s Co nf e r e nc e， 2 00 8， Rh o d e s l 5 2 8 1 5 3 4 ． [- 1 7 ] 郑宗校 ， 伦 利． 多 电 平 逆 变 器 的 简 化 S VP WM 方 法 [ J ] ． 电力 系 统 及 其 自动 化 学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 0 6 1 2 4 1 2 8． [ 1 8 ] 钟 玉林 ， 赵争 鸣 ， 袁立强． 逆变器驱动 电机 的共模 电压 和轴电压 的 抑 制 [ J ] ． 清华 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 0 9 ， 4 9 1 2 5 - 2 8 ． [ 1 9 ] GUP TA A K，KHAMB AD K ONE A M．A S p a c e Ve c t o r Mo d u l a t i o n S c h e me t o Re d u c e Co mmo n Mo d e Vo l t a g e f o r C a s c a d e d Mu l t i l e v e l I n v e r t e r s[ J ] ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n Po we r El e c t r o n i c s ，2 0 0 7 ，2 25 16 7 2 1 6 8】 ． 2 2 工矿 自动 化 2 0 1 0年 1 O月 因此 ， 本安电源的使用方便性和高可靠性显得尤为 重要[ 1 ] 。目前 煤矿使 用的本安 电源基本上 可分为 两类 一类是可以输入多种电压等级的本安电源 ， 但 其体积笨重 ， 有时还需要经常更换安装位置 ， 导致安 装 和维 护较 繁琐 ； 另 一类 是 可 以输 入 单 一 电压 等 级 的本安电源 ， 其使用范围受限。针对上述问题 ， 笔者 设 计 了一种新 型本 安 电源 ， 既解决 了上 述矛盾 ， 又 提 高了本安电源的可靠性。 1 新 型本 安 电源 的总体 设计 新 型本 安 电源 的原理 框 图如 图 1所示 。不 同电 压 等级 的交 流 电输 入 隔离 变 压 器 T1 ， T1的 输 出 首 先 经过 整流桥 B D 1 ， B D 1输 出 的直 流 电再 输入 D C ／ DC开关 电源 N1 ， N1输 出稳 定 的 1 2 V D C， 该 电压 经过两级 过 流和过 压保 护 电路 输 出可 靠 的本 安 1 2 v／ 8 o o mA。 Tl P R1 过压保护 过流保护 0V 图 I 新型本安电源的原理框 图 2交直流转 换 电路的设 计 该新型本安 电源交直流转换电路的设计原理 输入的各种电压等级的交流电首先经过隔离变压器 转 换成 低压交 流 电 ， 然 后 通 过整 流桥 将 低压 交 流 电 转 换成 脉动 的直流 电 ， 最 后 通过 电容 滤 波 电路 将 脉 动 的直流 电转换成 稳 定 的 直流 电 ， 来 供 给下 一 级 的 DC ／ D C开 关转换 器 。 2 ． 1 隔离变压 器转换 电路 煤矿井下常用的基本 电压等级是 AC 1 2 7 V、 AC 2 2 0 V、 AC 3 8 0 V 和 AC 6 6 0 V。该新 型本安 电 源采用 R型 隔离变 压 器 ] ， 其输 入侧 采 用变 压 器抽 头方式 ， 输出额定电压为 A C 2 2 V。R型隔离变压 器与 E型变压器、 环形变压器相 比， 其漏磁小 ， 体积 小， 产生的热量最少， 不会产生噪声 ， 工作性能更强 ， 可靠性更高， 绝缘性能强 ， 安装简便 ] 。依据 MT／ T 4 0 8 --1 9 9 5 煤矿用直流稳压电源 中第 4 ． 3 ． 1条 的规定 ， 考 虑其最 恶劣 的使用条 件 ， 输 入 电压 的波 动 范 围按 标 称 值 的 7 5 ～ l l O 来 考 虑 ， 所 以 隔 离 变压 器输 出 电压 的最小 值 为 2 2 V7 5 一1 6 ． 5 V， 最大值为 2 2 V1 1 O 一2 4 ． 2 V。由于新型本安电 源的输出功率为 1 2 V0 ． 8 A一9 ． 6 w ， 隔离变压 器、 整流桥和 D C ／ D C开关转换器 的效率都按 7 5 ％ 来计算 ， 同时考虑 现场使用时 留有 2 O 的余量 ， 所 以隔离变压器的最大功率为 9 ． 6 w／ 7 5 ％7 5 7 5 1 ． 2 2 7 ． 3 W 。因此 ， 采用 铁芯 为 R 2 6的变 压器 ， 其最大功率为 3 5 w ， 完全可 以满足设计要求。 2 ． 2整 流桥 转 换 电路 隔离变压器输出的交流 电压为 AC 2 2 V， 其波 动范 围 为 AC 1 6 ． 5 ～ 2 4 ． 2 V。该 电 压 经 过 整 流桥 G B P C 2 5 0 8进 行全波 桥式 整流后 转 换为 脉 动 的直流 电压 ， 如 图 2所 示 。上海 旭 特 电子科 技 有 限公 司生 产 的 GB P C 2 5 0 8配有 4个 玻 璃钝 化 的硅 芯 片 、 铜 引 线结构、 密封四管脚封装 ， 比传统整流芯片具备更佳 的高温反向偏压特性和低导通内阻特性等。经过全 波桥式整流后的电压仍然是脉动的电压 ， 不能直接 输入 D C ／ DC开 关转 换 器 ， 因此 ， 必 须经 过 滤波 以后 才能 输 入 DC ／ DC开 关 转 换 器 ， 常 用 的 滤 波 电路 有 电容滤波电路和电感滤波电路等， 这里采用 电容滤 波电路 。试验证明， 采用 2只 1 0 0 0 u F ／ 6 3 V 电解 电容的滤波效果优于采用 1只 2 2 0 0 F电解电容 的滤波效果 ， 因此 ， 采用并联 2只 1 0 0 0 F ／ 6 3 V电 解电容 的滤波电路 。电容滤波的原理是利用电容的 充 电和放 电来 使 脉 动 的 直 流 电 转 换 成 平 稳 的直 流 电， 理论上经过电容滤波以后 的电压应该是整流桥 输入电压的√ 2 倍 。但经过实际测试 ， 其输 出电压大 约是输入电压的 1 ． 3倍 ， 这是 由于整流器本身二极 管的内阻和滤波电容消耗掉一部分能量造成的， 因 此 ， 其 输 出直 流 电压 的额 定值 为 D C 2 8 ． 6 V， 其波 动 范 围为 DC 2 1 ． 4 5 ～3 1 ． 4 6 V。 BP 25 08 图 2 整流桥转换电路 2 ． 3 DC ／ DC 开 关 转 换 器 整 流 桥 转 换 电 路 输 出 的 直 流 电 压 直 接 输 入 DC ／ D C开关转换器 ， 如 图 3所示 。D C ／ D C开关转 换器采 用 广 州金 升 阳科 技 有 限公 司 生 产 的型 号 为 VR B 2 4 1 2 L D一1 5 W 的电源模块 ， 其输 入 电压范 围 为 D C 1 8 ～3 6 V， 效率高达 8 7 9 ／ 6 ， 具 有 良好 的高低 温特性和短路保护 ， 可隔离 电压 1 5 0 0 V D C， 工作 温度范 围为一4 O ～8 5℃， 内部采用贴 片化设计 ， 2 0 1 0年 第 1 O期 朱前 伟 一种 新 型矿 用本 质安 全型 电 源的设 计 2 3 金属六面屏蔽封装 ， 具有 良好的抗干扰特性 ； 其输 出 电压 精度 为 1 ， 负 载调 整率 为 0 ． 5 ， 电压调 整 率 为 0 ． 2 ， 输 出 电压 噪声 纹 波 为 7 5 mV， 温 漂 系 数为 0 ． 0 1 ／ ℃， 同时具有过压保护 和过流保护 功能 ， 另外 ， 输 出电压可调范 围为 1 O ， 通过外部 连接的 R 1 0 k Q／ 0 ． 2 5 w 来 调节 ， 这样 为新型本 安电源调试过 压保护提供 了方便 。为进一 步提高 DC ／ D C开关 转换 器 的 性 能 减 小 输 入 浪 涌 电流 、 减 小输 出纹 波 电 压 等 ， 在 其 输 入 侧 采 用 L C滤 波 电 路 ， 输 出 侧 采 用 电 容 滤 波 电 路 ， 经 试 验 证 明 效 果 明 显 。 图 3 DC／ DC开 关 转 换 器 电路 3双 重过压 和 过流保 护 电路 依据 GB 3 8 3 6 ． 4 2 O 0 0 爆 炸性气 体环境 用 电 气设备 第 4部分 本质安全型“ i ” 中第 5 ． 3条的规 定 ， 新 型本安 电源 必 须 具 有 双 重 化保 护 功 能 ] 。 同 时， 考虑到其危险的使用环境 ， 为保证安全性 ， 必须 做到当其 中一级保护失效 时， 另外 一级保护仍然在 继续工作 ， 保证 电源的本安特性 。图 1中的 P R1和 P R2 是 两级 过压 和过 流保 护 电路 ， 其 中 P R1中既 有 过压 保护 又 有 过 流保 护 ； P R2是 P R 1电 路 的 重 复 。 具体的电路如图 4所示 。 图 4 过压和过流保护 电路 3 ． 1过 压 保 护 电路 过压保 护 电路 主 要 由 L M5 5 5集成 电路 N3 、 三 极 管 V。和 稳 压 管 V 组 成 。 L M5 5 5 集 成 电 路 ] 、 电阻 R 和 电容 C 等组 成单 稳态 电路 ， 暂 稳 态 时间 r， d的 长 短 与 R 和 C 的 数 值 成 正 比 ， 即 I 一1 ． 1 R6 C 6 1 ． 1 。 1 稳态。当正常工作时， 由于 V。 处于截止状 态 ， 所 以 N3的 2脚 接 高 电平 ， 在 该 情 况 下 ， N3的 3 脚一定是输 出低电平的 ， 从而使 V 导通 ， 电路得 以正 常工 作 。 2 暂稳态 。新 型本安 电源的额定 电压值 为 DC 1 2 V， 过压保护动作值设置为 D C 1 3 V， 可通过 调 节 R。 来 实现 。 当输 出电压 大 于 1 3 V 时 ， V 的正 端 电压大 于 4 V， 因而 V。的基极 电压 大于 0 ． 7 V 0 ． 7 V一4 V一3 ． 3 V ， 导致 V。 导通 ， N3的 2脚跳 变 为低 电平 ， 电路 翻转 ， N3输 出端 3脚 由低 电平 变 为 高 电平 ， V 截 止 ， 电源 对 外 没 有 输 出 ， 同 时 电容 C 进入 充 电状 态 。随 着 时 间 的推 移 ， 电容 C 。上 的 电压 逐 渐 上 升 ， 当 电压 上 升 到 2 ／ 3 V 时 ， 电路 翻 转 ， N3的输 出端 3脚 由高电平变为低 电平 ， 电路恢 复 到稳 态 。 暂稳态过后 ， 如果电路仍处于过压状态 ， 则上述 过 程将 周而 复始 地进 行 下去 ， 直 到解 除过压 故 障 。 3 ． 2过 流 保 护 电路 过流保护 电路 与过压保护 电路 有许多相似之 处 ， 区别在于两者的采样点有所不 同。在过流保护 电路 中， 采用高端电流检测芯片 V Z X C T1 0 0 9 和 采样 电 阻 R。 。新 型 本 安 电源 的 额 定 电 流值 为 8 0 0 mA， 设 定 的过流 保 护动作 值 为不 大于 8 5 4 mA， 取 R3 0 ． 1 Q， R 一8 2 0 Q。当有 电流 。 J A o 流 过 R。 时 ， 在 V。的两端 产 生 一个 电压 V 。 一／ L O A D R。 ， 同 时 V 另外一 只管脚输 出正 比于该 电压 的 电流信 号。该电流信 号 通过 R 转换 成 电压 。 ， 所 以 Vo u T R5 Vs E N s E 0 ．0 1 ，且 p Vo u T R5 ／ L O A D R 3 0 ． 0 1 。 当 V o u T一 0 ．7 V， 贝 4 I ， o A D一 8 5 4 I nA 。 1 稳 态 。正常 工作 时 ， 流过 电 阻 R 。的 电流小 于 8 5 4 mA， 从 而 通过 R 转 换成 的 电压小 于 0 ． 7 V， 此时 V。 不 导通 ， N3的 2脚 为高 电平 ， N3的输 出端 3脚为低 电平 ， V 正常导通 ， 电路正常工作 。 2 暂稳 态 。 当负载增 大 时 ， 流过 R。的 电流也 随之增 大 ， 当大 于 8 5 4 mA 时 ， V。的 基极 电压 大 于 0 ． 7 V， 因 而 V。导通 ， N3的 2脚 变 为 低 电平 ， 电路 翻转 ， N3的输 出端 3脚 变 为 高 电 平 ， V 截 止 ， 此 时 电源对 外没 有输 出 ， 同时 电容 C 进入 充 电状态 。随 着 时 间 的推移 ， 电容 C 。 上 的 电压 逐 渐 上 升 ， 当 电压 上升到 2 ／ 3 V 时 ， 电路翻转， N3的输出端 3脚 由 高 电平 变为 低 电平 ， 电路 恢复 到稳 态 。 暂稳态过后 ， 如果 电路仍处于过流状态， 则上述 过程将周而复始地进行下去 ， 直到过流故障解除 。 4 结语 介 绍 的新 型本安 电源在结 构设 计 时考 虑到 电源 第 1 0期 2 0 1 0年 1 O月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Au t o ma t i o n NO ． 1 O 0c t ．2 01 0 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 1 0 0 0 2 4 0 5 数字控制技术在本质安全型开关电源中的应用 尹相 卿 ， 白林 绪 ， 申利飞 ， 王聪 中国矿业 大学 北 京 机 电与信 息工 程学 院 ， 北京1 0 0 0 8 3 摘要 针对部分本质安全型开关电源产品在实际应用中存在输 出功率小、 工作频率低、 输出纹波较大、 故 障率高等问题 ， 提 出了一种基于数 字控制芯 片 D s P I c 3 0 F 1 O 1 0 ／ 2 0 2 O的本质安全型开关电源的设计方案 ， 给 出了该 开关 电源 的总体 结构 ， 重点介 绍 了该 开关 电源 的硬件 电路 及 其数 字控 制 器 的软 件 设计 。通 过 理 论分 析、 整体设计 、 仿真 、 实际电路的调试及安全 火花试验 ， 验证 了数字控制技术在本质安全型开关电源中应用的 可 行 性 。 关 键词 开关 电源；本质 安全 ； 数 字控制 ； D S P； D CDC变换 器 中图分 类号 T D 6 8 4 文献标 识码 B App l i c a t i o n o f Di g i t a l Co nt r o l Te c h no l o g y i n I n t r i ns i c S a f e t y Swi t c h i ng Po we r Su p p l y YI N Xi a ng qi n g， BAI Li n XU， SH EN Li f e i ， W ANG Con g S e h o o l o f Me c h a n i c a l El e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g o f CUMT． Be i j i n g ． Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o s ol v e pr o bl e m s o f s ma l l o u t pu t p o we r ， l o w wo r ki n g f r e q ue nc y，l a r ge o ut p ut r i p p l e a n d h i g h f a u l t r a t e ．t h e p a p e r p r o p o s e d a d e s i g n s c h e me o f a p p l y i n g DS P I C3 O F1 0 1 0 ／ 2 O 2 O d i g i t a l 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 7 作者简介 尹相卿 1 9 8 5 一 ， 男 ， 山东 日照 人， 中国矿业大 学 北 京 在读硕 士研 究 生 ， 研 究方 向为 电力 电予与 电力传 动。E ma i l 1 3 8 1 1 5 9 1 6 1 6 1 3 9 ． c o m 的散热问题 ， 将发热元件 如隔离变压器和整流桥 紧靠电源的外壳安装 ， 增 加散热面积 ， 散热效果 明 显 。该新 型本安 电源 的主 要创新 点如下 1 采用 了高效率 、 低 温升 、 低损耗、 无噪音的 R型 隔离变 压 器 ， 与 同等 功 率 的 E型 或 E I型变 压 器相比， 体积减小了很多， 有利于安装。 2 采用 新型整流桥 G B P C 2 5 0 8 ， 其配有 4个 玻璃 钝化 的硅 芯 片 、 铜 引 线 结 构 、 密封 四管 封装 ， 比 传统的整流芯片具备更佳的高温反向偏压特性和低 的导通 电阻等 特性 。 3 采用高效率 、 低纹波、 高可靠的 D C ／ D C开 关转换 器 ， 提 高 了整机 的效 率 ， 减少 了输 出纹波 噪声 。 4 新颖的、 双重化的过压和过流保护 电路 ， 增 加 了 电源的可靠 性 。 5 解决 了多输入 电压等 级 电源笨 重 和单 输入 电压 电源局 限性 的矛盾 。 综上所述 ， 该新型本安 电源非常适合为 目前煤 矿下的各种监测和监控系统的设备提供本安 电源 ， 具 有很 好 的应用前 景 。 参考文献 E 1 ] 王磊 ， 李振壁． 一种新型 的本质安全型 电源E J ] ． 工矿 自 动化 ， 2 0 0 8 2 8 2 8 4 ． [ 2 ] 孟进 ， 马伟 明， 张磊 ， 等． 带整流桥输入级的开关 电源差 模干扰 特 性 r J ] ． 电工 技术 学 报 ， 2 0 0 6 ， 2 1 8 1 4 1 8 ， 2 4． [ 3 ] 胡斌． 双色 图文详 解 电感 器及应 用 电路[ M] ． 北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 国家安全产监督管理总局． MT ／ T4 O 8 1 9 9 5 煤矿用直 流稳压电源[ S ] ． 北京 中国标准出版社， 1 9 9 5 ． [ 5 ] G B 3 8 3 6 ． 4 2 O O 0爆炸性 气体环境用 电气设备 I s ] ． 北 京 中 国标 准 出 版 社 ， 1 9 9 7 ． [ 6 ] 肖景和． 5 5 5集成 电路 应用精 粹 [ M] ． 北 京 人 民邮 电 出 版 社 ， 2 0 0 7 ．