矿用本质安全型开关电源的研究_王韶勋.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：为了提高矿井电气设备供电的安全性和可靠性，对矿用本质安全型开关电源的原理及其保护电路和性能改善措施进行分析研究。首先，本安电源具有电气隔离、限制火花能量等特点；其次，研究了开关电源的电能转换原理，比较了常见开关电源的拓扑、优缺点和适用场合；最后，分析了开关电源的基本保护电路和性能提升措施。关键词：开关电源；本质安全型；电源拓扑；电路保护中图分类号：TD6 8文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 1 9 1-0 3Study on Mine Intrinsically-Safe Switch Power SupplyWang Shaoxun（Xiegou Colliery,Xishan Coal&Electricity Group Co.,Ltd.,Shanxi Coking Coal Group.,Xingxian,Shanxi 033602）Abstract:In order to improve the safety and reliability of power supply for mine electrical equipment,the paper introduces thecharacteristics of electrical isolation and limiting spark energy by analysis of the principle of intrinsically-safe switch powersupply secondly,makes a study on the power conversion principle,the topology,the advantages and disadvantages and theapplicable occasions of switch power supply,and presents the basic protection circuit and performance improvement measures ofswitch power supply.Key words:switch power supply;intrinsically safe;circuit topology;circuit protection矿用本质安全型开关电源的研究王韶勋（山西焦煤西山煤电斜沟矿，山西兴县0 3 3 6 0 2）现代煤炭生产过程中离不开各种电气设备，这些电气设备的传感器、控制器、通信装置、指示灯等均采用直流电源供电。传统的直流电源采用稳压线性电源，这种电源以线性稳压器为核心元件，电源的可调范围较小，且电能消耗较大，安全性不能满足要求1。随着开关电源技术的发展，本质安全型开关电源逐渐替代了线性本安电源，成为矿用本安电源的主要设备。井下电气设备的正常运行离不开安全可靠的直流电源，因此，对矿用开关电源的本质安全设计进行研究是十分必要的2-3。1本安电源特点1）具有与非本质安全电源实现电气隔离的电路。本安电源的输入端一般接入电网，由电网这种非本质安全型电源转换为本质安全型开关电源，需要在电气上采取隔离措施，一般采用高频变压器、光电耦合器等元件进行电气隔离。2）具有限制放电火花能量的电路。本安电源在正常或故障情况下所能产生的放电火花能量应在可控范围内，对于小功率本安电源来说可在输出端串联限流电阻，对于大功率本安电源来说应采取多重保护电路以限制放电火花能量。3）具有双重以上的保护电路。对于煤矿使用的本安电源，国家标准规定其隔离原件、保护元件、可靠性组件应设计为两级，满足i b等级要求。4）具有抗电网波动的能力。由于煤矿电网中的大功率用电设备比较多，这些设备在启停时会对电网电压产生一定影响，国家相关标准规定本安电源的输入端应在供电电源很宽范围内的波动中正常工作。2开关电源原理由于开关电源性能优越，且其保护电路比较完善，符合煤矿或者石化等特殊应用场景对本质安全电源的设计初衷，因而矿用本质安全电源大部分都采用了开关电源技术4。开关电源技术是一种近几十年以来发展迅速的电源技术。这种电源由主电路和控制电路两部分构成。主电路由变压器、整流器、开关管以及电感电容等储能元件组成，交流电由变压器降压后被整流器转换为直流电，以一定拓扑组合而成的开关管在控制电路的控制下按一定规律高频开断，得到输出电压可调的直流电，经滤波电路滤除文波后得到输出稳定的电压5。控制电路由主控芯片、电压电流传感电路、驱动电路等部分构成，电压电流传感电路采集1 9 1江西煤炭科技2023年第1期到输出电压电流后，在主控芯片内与指定输出值进行比较，进行控制器调节后得到开关管的开断指令，开断指令以P WM波的形式经驱动电路功率放大，然后驱动开关管开断，以此改变输出电压，完成闭环控制6-7。3开关电源拓扑3.1正激变换器正激变换器的原理如图1所示，由一个起电气隔离作用的高频变压器和降压变换器组成，由于其在开关管开通时能量由输入端传递到输出端，所以称之为正激变换器。正激变换器具有电流峰值小、可并联的优点，广泛应用于5 0 2 0 0瓦的场合，但是由于其存在磁饱和现象，不适用于高压小电流场合。图1正激变换器原理3.2反激变换器反激变换器的原理如图2所示，这是一种最简单的开关电源拓扑结构，由于其在开关管关断时能量由输入端传递到输出端，所以称之为反激变换器。由于高频变压器不仅可以起到隔离输入和输出，还兼顾储能元件耦合电感的作用，因此反激变换器的元件少，结构简单，广泛应用于小功率场合。图2反激变换器原理3.3推挽变换器推挽变换器的原理如图3所示，推挽变换器由两个开关管和中间带抽头的高频变压器组成，由于这种变换器的磁性元件工作在磁滞回线两侧，因此推挽变换器的磁芯利用率更高，所以在相同功率情况下磁芯更小。推挽变换器适用于低压场合。图3推挽变换器原理3.4半桥变换器半桥变换器的原理如图4所示，与推挽变换器一样，半桥变换器也是一种双端输入结构，所不同的是由于在整个开关周期内原边线圈一直存在电流，所以磁芯的利用率更高。半桥变换器由于在输入端采用两个开关管共同承担输入电压，所以其单个开关管的耐压较小，可以有效提高输入电压。图4半桥变换器原理3.5全桥变换器全桥变换器的原理如图5所示，全桥变换器由4个开关管和一个中间带抽头的高频变压器组成，与半桥变换器相比，同样具有开关管承受电压低的优点，但是其高频变压器的耐压是半桥变换器的2倍，全桥变换器的功率也是半桥变换器的两倍，因此广泛应用于大功率场合。图5全桥变换器原理4基本保护电路4.1电容保护开关电源的输出端一般并联有电容，这些电容在电源输出端短路时也被短路，产生放电现象，限流电路无法避免这种输出端短路引起的电容放1 9 2江西煤炭科技2023年第1期表现制定相应的维修策略，才能做到有的放矢，有备无患，提高电机车的维修效率。参考文献：1 何莉.矿用电机车常见的电气故障分析研究J.北京：世界有色金属，2 0 2 1（4）：3 2-3 3.2 恩德平.关于矿用电机车常见故障及处理方法的分析J.太原：机械管理开发，2 0 2 0，3 5（1 1）：3 0 6-3 0 7.3 秦杰.矿用电机车常见电气故障的分析J.太原：机械管理开发，2 0 2 0，3 5（2）：2 4 2-2 4 3.4 史爱生.矿用电机车常见的电气故障分析研究J.江西化工，2 0 1 9（5）：1 3 0-1 3 2.5 韩龙，佟越波.斩波调速电机车斩波电气故障简易判断J.北京：设备管理与维修，2 0 1 9（1 6）：4 3-4 5.6 刘尚鹏，周振涛，王永鹏.矿用电机车直流电动机故障原因分析及对策J.北京：世界有色金属，2 0 1 6（1 3）：1 7 3-1 7 4.7 武宇鹏.矿用电机车常见的电气故障J.太原：机械管理开发，2 0 1 8，3 3（6）：2 3 1-2 3 2.8 王红旗，宋婷婷.矿用电机车电气控制系统故障分析J.石家庄：科技风，2 0 1 3（1 9）：1 1 0.9 夏文芳.IGBT模块在煤矿电机车调速装置中的应用J.山东煤炭科技，2 0 1 3（1）：2 4 4-2 4 5 1 0 尚现亮.浅谈斩波调速在电阻调速式电机车上的应用J.山东：科技致富向导，2 0 1 3（6）：3 7 8 作者简介：吴 强（1 9 8 2），男，甘肃陇南人，2 0 0 6年毕业于山西工程职业技术学院电子与信息技术专业，大专学历，机电助理工程师，现从事煤矿机电技术管理工作。收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 0编辑：许敦昂电，因此必须采取其他保护电路。若电容不是滤波电容，可以串联一个小电阻，限制放电电流，若电容起到滤波作用，串联电阻会影响输出电压特性，可采取的措施是适当调整滤波电感的取值，从而改变放电电路的时间常数，限制放电电流。4.2电感保护由于电感的电流不能突变，当电感回路出现开路时，会在开路的地方形成电弧，产生火花。电感元件的保护方式有很多，可以在电感元件两端并联电阻、电容、稳压二极管、压敏电阻，这些并联的元件均可以在电感开路时为电弧提供闭合回路。需要注意的是，选择并联电容时要避开与电感的谐振频率，否则会出现谐振过电压。5性能提升措施5.1增加稳压限流电路本安型开关电源最重要的设计是保护电路设计，由于开关电源的受控性很强，其保护电路的准确性、灵敏性和快速性很容易实现，所以在电源出现过流、过压情况时可以及时切断开关管的开通指令，在一个开关周期内实现故障隔离。5.2提高开关频率根据电路原理，电路的频率越高，电容元件的容抗越小，电感元件的感抗越大，因此在开关电源传递同样大小功率且滤波效果相同的情况下，电路中所需的滤波元件和高频变压器的尺寸越小，越有利于提高电源的能量密度，减轻电源的体积和重量。6结语煤矿电气设备的稳定运行离不开稳定可靠的供电电源，本质安全型开关电源关系到电气设备数据采集、信号传递、液晶显示、控制指令等功能的实现，是井下供电十分重要的一环。本质安全型开关电源实现了从非本质安全电源转化为本质安全电源，在隔离电路、多重化保护电路、稳压限流电路等方面具有特别的设计，在实际应用和维修中应重点考虑。参考文献：1 林引.一种矿用开关电源设计J.常州：工矿自动化，2 0 1 8，4 4（2）：9 5-9 9.2 周波，贾 文超.矿 用宽输入开关电 源设计研 究 J.太原：科技与创新，2 0 1 7（1）：1 8-1 9.3 赵瑞林.基于矿用开关电源设计与故障维护分析J.长沙：中国锰业，2 0 1 6，3 4（4）：1 3 2-1 3 4.4 孟鹤芝，张红娟，靳宝全.矿用本安开关电源的设计与性能研究J.哈尔滨：煤炭技术，2 0 1 5，3 4（9）：2 7 8-2 8 1.5 蒋静瑚.矿用本质安全型开关电源的设计J.思茅：普洱学院学报，2 0 1 5，3 1（3）：1 0 4-1 0 6.6 王 媛 彬.矿 用 本 安 型 开 关 电 源 的 稳 定 性 研 究 J.哈尔滨：煤矿机械，2 0 1 1，3 2（1 1）：5 8-6 0.7 崔保春，王聪，卢其威，等.矿用本质安全开关电源的研究J.北京：中国煤炭，2 0 0 6（3）：4 7-4 9.作者简介：王韶勋（1 9 8 8），男，山西稷山人，2 0 1 3年毕业于中国矿业大学机械电子工程专业，机电工程师。收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 3编辑：项元海（上接1 9 0页）1 9 3