一种“ia”级新型本质安全型电源设计.pdf
第 4 3卷 第 8期 2 0 1 7年 8月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 . 4 3 No .8 Au g . 2 0 1 7 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 8 0 0 8 3 0 4 DOI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 7 . 0 8 . 0 1 6 一 种“ i a “ 级新型本质安全型电源设计 于 志学 , 房 绪鹏 , 赵 扬 山东科技大学 电气与 自动化工程学院,山东 青岛 2 6 6 5 1 0 摘要 针 对煤矿 井 下矿 用 电源工作 环境 , 设 计 了一种“ i a ” 级新 型本 质 安 全 型 电源 。该 电源采 用全封 闭式 AC DC模块, 无需专门的隔爆外壳, 且具有两重过压保护 电路和三重过流保护 电路。实验结果表明, 该 电 源在 无故 障 、 1个 计数故 障及 2个计数 故 障情 况 下发 生 负载 短路 时, 均没 有 出现 火花 , 实现 了本 质安 全性 能 。 关 键词 矿 用 电源 ;本 质安全 型 ; “ i a ” 保 护 等级 ;两重过 压保 护 ;三 重过 流保 护 中图分 类号 T D6 0 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 0 7 2 7 1 0 2 4 网络 出版地址 h t t p / / k n s . c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 0 1 7 0 7 2 7 . 1 0 2 4 . 0 1 6 . h t ml De s i gn o f n o v e l i nt r i n s i c a l l y s a f e po we r s u pp l y wi t h ” i a”g r a d e YU Zhi x ue, FANG Xu pe ng, ZH AO Ya n g Co l l e g e o f El e c t r i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n , S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ,Qi n g d a o 2 6 6 5 1 0 ,Ch i n a Ab s t r a c t Ac c o r di ng t o wor ki ng c on di t i on o f mi ne us e d p owe r s u pp l y i n c o a l m i n e u nd e r gr o un d,n o ve l i nt r i n s i c a l l y s a f e po we r s u pp l y wi t h ” i a ”gr a d e wa s de s i g ne d.The po we r s up pl y u s e s a f ul l y e nc l o s e d AC DC mod ul e t o e l i mi n a t e s p e c i a l f l a m e p r o of e n c l o s u r e , a nd ha s o v e r v o l t a ge pr o t e c t i o n c i r c u i t o f du a l r e du nd a nc y a nd o ve r c u r r e nt p r o t e c t i o n c i r c u i t o f t h r e e r e d un da n c y.The e xp e r i me nt a l r e s u l t s s ho w t he r e i s n o s pa r k whe n t he po we r s u pp l y l o a d i s s h or t c i r c ui t e d u nd e r t he c on di t i on s o f no f a u l t ,o ne c o un t i ng f a ul t a nd t wo c o un t i n g f a ul t s,w h i c h r e a l i z e s i nt r i ns i c s a f e t y. Ke y wo r d sm i n e u s e d p o w e r s u p pl y; i nt r i ns i c s a f e t y t yp e; ’ ’i a” pr o t e c t i o n gr a de; o v e r v ol t a ge pr o t e c t i o n of d ua l r e d und a nc y;o ve r c u r r e nt pr o t e c t i on o f t hr e e r e du nd a nc y 0 引言 本 质 安 全 型 电源 广 泛 应 用 于煤 矿 各 种 电 子 设 备 、 控制仪表、 测量仪器 、 电气传动设备等 。煤矿井 下存在瓦斯 、 煤尘等爆炸性危险气体 , 其电气设备一 般要求具有“ i b ” 保护等级 , 但是置于管道内与瓦斯 输送监控系统等设备相关联的电源应满足“ i a ” 等级 要 求 。 目前专 门针对“ i a ” 级本质安全型矿用 电源设计 的文献较少。文献 [ 2 4 ] 通过 限制 电源内部 电气参 数 , 使其满足本质安全要求。事实上 , 电源需要较大 的整 流滤 波 电容 , 该 部分 很 难 达 到 完 全 本 质 安 全要 求 ] , 大部 分 矿 用 电源 的安 全 性 能 主要 依 靠 多 重 化 输 出限能来 实 现 ] 。文 献 [ 7 ] 设 计 了一 种 基 于 单端 反激式矿用 电源 ,采用隔离变压器实现 电气隔离 , 主 电路 设计 复杂 。 目前 大部 分矿 用 电源都 放置 在 隔 爆 外壳 中, 较 为 笨 重 。本 文 设 计 了一 种 “ i a ” 级 新 型 本质安全型电源。其采用全封闭式 AC D C模块 , 收稿 日期 2 0 1 7 0 2 2 2 ; 修回 日期 2 0 1 7 - 0 6 1 5 ; 责任编辑 李明。 基金项 目 中国博士后 科学基 金资助项 目 2 0 0 9 0 4 6 1 2 5 4 ; 山东科技大学研究生科技创新项 目 2 0 1 7 S DKD YC 1 7 0 3 5 。 作者简介 于志学 1 9 9 O 一 , 男 , 山东峡 山人 , 硕士研究生, 研究方向为本质安全型 电源 , E - ma i l 2 2 4 7 2 2 4 0 5 6 q q . t o m。通信作者 房 绪鹏 1 9 7 1 一 , 男, 山东 汶上人 , 副教授 , 博士 , 研究方 向为 电力电子与电气传动 , E ma i l x p f a n g 6 9 1 6 3 . c o rn。 引用格式 于志学 , 房绪鹏 , 赵扬 . 一种“ 级新型本质安全型电源设 计[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 7 , 4 3 8 8 3 8 6 . Yu Z h ix u e 。F ANG Xu p e n g , Z HAO Ya n g .D e s i g n o f n o v e l i n t r i n s i c a l l y s a f e p o we r s u p p l y wi t h” i a ”g r a d e [ J ] . I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n, 2 01 7, 4 3 8 8 3 8 6 . 8 4 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 在输 出端设 计 符合 本 质 安 全 要 求 的 两 重过 压 、 二 三 重 过 流 保 护 电 路 , 且 不 需 要 专 门 的 隔 爆 外 壳 , 满 足 G B 3 8 3 6 . 4 2 O l 0中“ i a ” 等 级 对本 质 安 全 型 电源 的 要求 。 1 “ i a ” 级 新 型本 质安 全型 电源 方案 设计 “ i a ” 级 新 型本 质 安全 型 电 源 组 成 如 图 1所 示 。 为便 于 实现 多重 化 冗 余 设 计 , “ i a ” 级 新 型 本 质 安 全 型电源 采用 后端 保 护模 式 [ 5 ] , 在 AC D C模 块 后 接 两 重过 压保 护 电路 和 三 重过 流 保 护 电路 , 通 过 控 制 输 出侧 开关 , 使 电源在 正 常工 作 和规 定 的故 障 2个 计 数故 障及 其在 最 不利 条 件 下 的非 计 数 故 障 状 态 下 可能 产生 的 电火 花能量 小 于最小 点燃 能 量 。 图 1 “ i a ” 级 新 型 本 质 安 全 型 电源 组 成 Fi g.1 Co ns t i t ut i on of n ov e l i nt r i n s i c a l l y s a f e po we r s upp l y wi t h ” i a”gr a d e 2 “ i a ” 级 新 型本 质安 全型 电源 A C D C模 块选 型 本质安全型电源输入端和输出端要有可靠的电 气 隔离 , 且采 用 电源模 块作 为 隔离 部件 时 , 其 耐 压值 应 不 低 于 2 5 0 0 V[ 。矿 用 电 源 的 输 入 一 般 为 A C1 2 7 V。井 下 电 网 电压 变 化 范 围较 大 , 本 质 安 全 型 电源 必 须 能 够 稳 定 工 作 在 输 人 电 压 的 7 5 ~ 1 1 5 范 围 内, 且 运行 的额 定 功率不 得 超过批 量 生产 时标称 额 定 值 的 2 / 3 l g 。经 查 阅资 料 并 比 较 , 选 用 Wi s p o we r WAW2 5 S 1 2 AC DC模 块 。该模 块具 有 AC 8 5 ~2 6 4 V 输入 、 D C1 2 V 输 出 , 短 路关 断 时 自动 恢 复 , 电 气 隔 离 耐 压 值 为 3 0 0 0 V, 输 出 功 率 为 2 5 w , 效 率 达 8 3 ; 采 用 全 封 闭式 小 型 化嵌 入 式 封 装 , 体积小 , 可靠性及效率高, 且能与井下爆炸性危 险气 体 全部 隔绝 。 3过压 、 过 流保 护 电路设 计 3 . 1过 压 保 护 电 路 “ i a ” 级 本 质 安 全 型 电 源 需 要 三 重 过 压 、 过 流 保 护 电路 。“ i a ” 级新 型 本 质 安全 型 电源 中 , AC D C 模块本身具有过压保护功能 , 因此设计 了两重过压 保护 电路 。该 电路 由一 种 过压快 速保 护 电路 级联 而 成 , 在保 护 电路发 生 异 常时提 供冗余 。 过压快速保护 电路如 图 2所示。其灵敏度高 , 能 实现 过压 速 断 , 输 出端 可 承 受 1 A 以 上 电 流 。 。 该 电路动作 电压 1 2 . 9 V。根 据 一2 . 5 1 十 fR / R , 设 定 R 一1 0 k Q, R 一2 . 4 k Q。 当 电压 正 常 时 , R , R 。组 成 的 分 压 器 分 压 小 于 检 测 芯 片 MC 3 4 2 5内部 基准 电压 2 . 5 V , MC 3 4 2 5端 口 1输 出低 电平 , 不 能触 发 S C R, 电路 正 常输 出 1 2 V; 当电 压超 过规 定值 时 , R 。电压 大 于 MC 3 4 2 5内部基 准 电 压 , MC 3 4 2 5 端 口 1输 出 高 电 平 , S C R导 通 , 因 其 导 通 电阻很 小 , 输 出端 电压 被 短路 , 造成 前 面的模 块输 出关 断 , 从 而 达到 过压保 护 效果 。 f R 图 2过 压 快 速 保 护 电 路 Fi g .2 Fa s t o v e r v ol t a ge pr o t e c t i on c i r c ui t 3 . 2过 流 保 护 电路 常用 的过 流保 护 有 限流 型 和截 流 型 2种 类 型 。 本文采用文献[ 1 1 ] 中的快速截流保护 电路 。该 电路 不禽 电感 元件 , 只 有 1个 1 F电容 , 具有 过流 关 断 、 自恢 复 功 能 , 且 截 止 电 流 大 、 截 流 速 度 快 0 . 1肚 s 级 、 投入 点可 调节 。由该 电路组 成 的三 重过 流保 护 电路 如 图 3所 示 。 开 关 管 VT , VT , VT 。选 用 I RF 3 7 1 0 S P o we r M S F E T。 三 重 过 流 保 护 电路 需 RT. ,f _ r 厂一 VT, 一 VT3 图 3 三重过流保 护电路 Fi g. 3 Ove r c ur r e nt pr ot e c t i o n c i r c u i t of t hr e e r e d und a nc y 2 O 1 7年 第 8期 于 志学等 一 种“ i a ” 级 新 型本质 安 全型 电源设 计 8 5 要 3套驱动检测控制电路, 如图 3中虚线框 内所示。 每套驱动检测控制 电路分别控制 1 个开关管 , 实现 电路启动 、 截流、 过流恢复等功能 。当其中一重过流 保护电路因故障不能正常工作时, 其余电路仍能保 持独立工作。电路具体参数可参考文献[ 1 1 ] , 本文 不再赘 述 。 4实验验 证 “ i a ” 等级 的本质 安 全型 电气 设 备 必 须满 足 在 正 常工作 和施 加 2个 计 数 故 障情 况 下 , 出现 最 不 利 条 件 下 的 非 计 数 故 障 时 都 无 法 引 起 电 路 点 燃 l 。 本 文按 照该 思路 对“ i a ” 级 新 型本 质 安 全 型 电源 进 行 实 验验证 。 首先 测试 了电源 各 电路 功 能 。在 过 压保护 电路 实验 中 , 采用 1 3 V 开 关 电源作 为 电路输 入 部 分 , 该 电源输 出 电压通过 自带 滑 动 变 阻 器 调节 , 短 路 时报 警灯 闪烁 。实验 中先 调 节 滑 动 变 阻 器 阻值 , 使 开关 电源 输 出 DC 1 2 . 9 V, 然 后 接 入过 压 保 护 电路 , 缓慢 调小过压保护 电路 中 R 阻值 , 直到开关 电源 的报 警灯闪烁为止 。在过流保护 电路实验中, 采用 1 2 V 电源模块作为过流保护 电路的输入部分 , 采用大功 率滑动变阻器作为负载 , 调节电位器 R T R T 使 过 流保护 电路 的 截 流 电 流 为 1 . 5 A, 过 流关 断后 的 重启 电流 为 1 . 2 A。当新 型本 质安 全 型 电源 负 载 电 流 达到过 流 值 1 . 5 A 此 时 负载为 7 . 5 Q 时 , 电源输 出电压波 形 如 图 4 a 所 示 , 可 看 出 电压 瞬 间 跌 落 。 当负载恢 复 正常 9 . 5 0 、 电流 刚 小 于 1 . 2 A 时 , 电 源输 出 电压波 形如 图 4 b 所示 , 可看 出 电压 迅速 恢 复 。电源 主要 技术 参数 见表 1 。 然后 对 新 型本 质 安 全 型 电 源 进 行 故 障 模 拟 实 验。设置 2种计数故障 使开关管一直导通的故障 ; 使开 关管 一直 关断 的故 障 。实 验 中拔 掉 比较 器 U U。 , U。 , 会使 开 关 管 VT。 VT , VT 。 一 直 处 于 关 断状态 ; 拔 掉 比较 器 U。 。 U。 , U。 , 会 使 开 关 管 VT VT , VT。 一 直 处 于 导 通 状 态 。分 别 观 察 电 源在无故障 、 存在 1 个计数故障 、 存在 2个计数故障 时 , 出现最不利条件非计数故障 即负载短路 情况 下负载 侧 火 花放 电情 况 。故 障 模 拟实 验 结 果 见 表 2 。 从表 2可 看 出 , 当负载 短 路 时 , “ i a ” 级 新 型 本质 安全型 电源在无故障、 1个计数故障及 2个计数故 障下 均没 有 出现 火花 , 实现 了本 质安 全性 能 。 a 负载过流时 b 负载恢复正常时 图 4 “ i a ” 级新 型本质安全型电源输 出波形 Fi g .4 Out pu t wa v e s o f n ov e l i n t r i ns i c a l l y s a f e p o we r s u p p l y wi t h” i a ”g r a d e 表 1 “ i a ” 级新 型本质安全型电源技术参数 Ta b l e l Te c h n i c a l p a r a me t e r s o f n o v e l i n t r i n s i c a l l y s a f e p o we r s u p p l y wi t h ” i a ”g r a d e 指标 参数 指标 参数 输入交流电压/ V 8 5 ~2 6 4 电流保护值/ A 1 . 5 额定输 出电压/ V l 2 关断后重启电流/ A 1 . 2 额定输 } “ 电流/ A 1 . 3 效率/ 8 0 . 3 电压保护值/V 1 2 . 9 表 2 Ta bl e 2 “ i a ” 级新型本 质安 全型电源故障模拟实验结果 Si mul a t e d f a ul t t e s t r e s u l t s o f no ve l i nt r i ns i c a l l y s a f e po we r s up pl y wi t h ‘ ’ i a ”gr a de 5 结语 针 对 煤 矿 井 下 矿 用 电 源 工 作 环 境 , 根 据 8 6 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 GB 3 8 3 6 . 4 2 O 1 0 要 求 , 设 计 了一 种 “ i a ” 级 新 型 本 质 安全 型 电源 。该 电源 在 负 载侧 过 流 时 能 快 速 、 准 确地切断电路 , 且短路时不产生火花 , 负载正常后可 迅 速恢 复 ; 所选 A C ~ D C模 块为 全封 闭式 , 适 应 宽范 围输 入 , 当 电网 电压 大范 围变化 时 , 电源能 输 出稳定 电压 , 效率 高 。鉴 于 电源 电路 可 能产 生瞬态 效 应 , 且 受 实 验条件 限制 , 没 有进 行专 业火 花 点燃试 验 , 该 电 源还需 经 相关 防爆 电气 产 品质 量监 督 检 验 部 门 验 证 。 参 考文献 R e f e r e n c e s [1 ] 安标国家矿 用产 品安 全标 志 中心. 2 0 1 2年度 防爆 电 气产品 安全 技 术研 讨 会 会议 纪 要 [- E B / O L ] . 2 O 1 2 0 2 0 1 [ 2 0 1 7 - 0 2 0 3 ] .h t t p w e n k u . b a i d u . c o m / l i n k u r l 一1 Mz wl y Xo Xz 5 k e n x j F 6 J Gh W L g a z EAx g 3 QJ E T1 5 Nv C3 k Eo Pi l e 8 8 1 B S Ql e b u Z 6 v Tn 2 h GEx 6 g b u d d 0 一 GYj 1 Ac s k p 8 n CNx E l wo V5 9 e Kb Lu . 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