矿用本安电源电路研究和Matlab仿真

2013-04-25吕峰

电子科技 2013年11期

吕峰

(山东科技大学信电学院，山东青岛266510)

随着计算机应用技术的提高，电子电路设计仿真软件被应用到了工业生产的各个领域。Matlab作为电子CAD仿真软件中的一种，依靠其简洁、直观的特性被广泛应用于电子电路虚拟仿真中。本次电路建模仿真分析是通过Simulink下的各个模块库构建相应的电路模型，并结合仿真结果为电力电子系统模型数据分析提供了解决方法［1］。

矿用本安电源，应用于煤矿井下特殊环境中，需要设计合适的电器参数，使各电路达到防爆要求。本安电源作为供电设备，包括主电路、保护电路、备用电源和防爆外壳，各部分均对矿井安全起着重要作用。该电源可用于含爆炸气体和粉尘的煤矿井下，拥有ACDC转换电路、过电流保护电路、抗干扰电路、DC电源转换电路等多部分组成。一般接在井下配电所的127 V照明电路上，故需要考虑照明电路停电检修时防爆电源的工作情况，加设锂电池作备用输出直流电源供监测设备应急使用［2］。

1 本安电源的电路结构

鉴于煤矿井下特殊环境，防爆电路设计是重点。矿用防爆本安电源的组成如图1所示，分别是变压器降压电路、整流滤波电路、充电电路、电压调节电路、多重限能电路、电源转换电路。来自安全环境的电网(交流)电压，先经电源变压器降压将127 V的交流电变成24 V，通过在变压器原边或副边绕组并联阻容吸收过电压保护电路，也可采用并联双向稳压管作为过电压保护电路。然后，经整流滤波通过相应的整流滤波电路将交流电转化成较平滑的直流电，由于本安设备对容性要求越低越好，故在选用电容时，选择满足要求的容性较小的电容。再经过先行电压调节电路，改善煤矿井下电压波动时对供电系统带来的不稳定电压。最后经过多重限压限流电路后输出本质安全电压到井下现场设备中［3］。

图1 本安电源电路结构图

矿用防爆本安电源的本质安全性能主要依靠多重化输出限能保护电路来保证，多重化输出限能电路在负载电路或电网供电网络出现故障时，通过对自身电路的电压、电流保护，杜绝电路中产生超出安全范围的电火花，以避免在井下特殊环境所造成的爆炸，从而实现自身输出的本质安全性［2］。由于矿用防爆本安电源的整个电路被放置在一个满足相关标准要求的防爆外壳内，只要确保输出满足本质安全要求即可，而其他部分的防爆性能则由防爆外壳保证。因此，矿用防爆本安电源的关键是选择一个满足本质安全要求的输出限能保护电路，而其他部分的电路设计相对较为灵活。

本文通过Matlab，对输出端滤波电路前后两侧电压、电流波形进行分析比较，进一步了解电容、电感对去除干扰信号、降低电压冲击的作用。

2 矿用防爆本安电源电路分析

2.1 备用电源电路分析

图2所示为矿用本安电源内部备用电源的接线结构图。为保证煤矿井下在交流电网停电后或井下设备因故障需检修时，如水文监测、通信转换器等关键性设备供电的可靠，在本安电源内部必须配置备用电源，以确保电源能维持正常工作时间不小于2 h［4］。且矿用本安电源输入端127 V交流电通常采用井下照明电输入，而在井下照明电路检修时，断电是不可避免的。因此，备用电源的可靠是依靠备用电池通过充电电路向自身充电来完成的。当井下电网检修或故障停电时，备用电源侧接入，完成对井下监测设备的持续供电，两个电压通过二极管D1、D2进行分时叠加，从而大幅提高了供电的可靠性，并可有效抑制外电路对备用电池电路的冲击［5］。

图2 备用电源电路结构图

2.2 变压器电路

矿用变压器的选择需要兼顾安全保护、滤波作用，通过变压器将矿用交流127 V降低至交流24 V，实现电压的初步调节。出于安全设想，变压器需承受输入电网的波动，并确保对低电压电路的冲击在安全范围内，不会造成设备的损坏。实际应用中大多选择R型变压器，该种变压器效率高，铁芯无磁隙且绕组均衡。同时其具有体积小、重量轻、无噪音、发热少、漏磁小及安全系数高等优点［3］。

2.3 整流调压滤波电路

图3所采用的是二极管电流限制型保护电路，在稳压电路中通过接入一个二极管D，实现对三极管的调节。二极管D上的电压是三极管的发射极e、基极b间电压Ube与负载电流I0在检测电阻R上的电压降之和(UD=Ube+UR)。正常工作的情况下，电阻R两端的电压小于二极管D的最小导通电压，所以电流不能通过二极管D，二极管D对稳压电源的正常工作并无影响。当负载电流I0增加到临界值I0m时，电阻R上的电压降增大，恰好达到二极管导通电压，使得电流开始流经二极管，从而限制三极管电压Ube继续增加，达到限制三极管发射极电流的目的。当I0＜I0m时，电阻R上的电压UR减小，当UD小于自身导通电压0.2 V或0.5 V时，二极管进入截止状态，电路恢复正常工作，从而达到对电流限制的作用，以及起到保护电路的目的。

图3 整流调压电路图

交流电网电压不稳定，将引起整流电路输出电压的变化。交流电压变化可从－20%～+10%，而煤矿井下变化更大［6］。调压电路，提高矿用本安电源对电网电压抑制作用，减小电网电压波动时对输出端的影响，在设计调压电路时考虑煤矿井下温度变化，选取的元器件温度系数要小或通过加设差分电路进行温度补偿。随着集成电路的发展，稳压电路中多采用专用的集成稳压器，如LM339、79XX系列。集成稳压器将差分电路、辅助电源电路、取样比较电路、调节电路、保护电路等集成在自身内部，将原有的复杂电路简单化，并大幅提升了自身的稳压精度和工作稳定性，内部集成的电路解决了电网电压波动和煤矿井下温度变化等实际问题，使得其在矿用本安电源电路中得到了普遍应用。图4所示是79XX的简单保护电路。通过整流滤波电路出的电压可能含有交流部分，电容有效抑制了电路中的纹波电压。当输出电路发生短路时，二极管导通，实现了对输出电路的保护［7－9］。

图4 集成稳压器电路图

在经过滤波电路后，电感、电容通过自身“阻碍”特性，使得通过负载的电压和电流波动减小，波形曲线变得平滑。Matlab滤波电路仿真电路如图5所示，输入侧为经过变压器二次侧变压的AC24V交流电，并通过桥式整流电路和LC－π型滤波电路到达负载侧。交流电电压波形如图6(a)所示;图6(b)为未经滤波电路前负载侧两端电压波形;图6(c)为经过滤波电路后负载侧两端电压波形的比较图。可以看出滤波后电压波动明显降低，没有出现反向电压情况，减少了电压波动对电路所带来的冲击，且对整流电路中整流管的冲击电流也有较好的抑制作用。