基于CL复合电路模型的截止型电源的研究

中煤科工集团常州自动化研究院有限公司 张玺锐



基于CL复合电路模型的截止型电源的研究

中煤科工集团常州自动化研究院有限公司 张玺锐

【摘要】本文通过分析CL复合电路模型的短路火花放电特点，分析了电容和电感分别对火花放电的影响，得出了电路截止时间对火花实验的影响，从而对本安电源研发和检验机构的本安评定起到提高作用。

【关键词】搜索；CL复合电路，截止型电源，火花放电

0　引言

防爆型设备为了保障爆炸性气体环境和爆炸性气体环境设计而成［1］，而本安电源则是其重要组成部分，不仅为本安设备提供合适的电能，同时也决定了本安设备的防爆性能和使用性能。本安电源是常规的对该类电源的简称，防爆型式则为复合型，通常为隔爆兼本安型、浇封兼本安型、一般兼本安型等，电源的供电电压一般为127V、220V、380V、660V等，工作方式是通过多重保护将输入的非安电转化为能够在爆炸性环境使用的本安电［2］，输出的电压等级通常为5V、9V、12V、15V、18V等低电压。非安电之所以能够能够转化成本安电，就是因为本安电源通过多重化限压限流处理从而输出安全、低电压等级的电流。

从目前本安电源的电路结构上来讲，可以分为两种：截止型［3］和恒流型，恒流型即电源在短路状态下只以恒定电流状态输出，而火花点燃能量虽然不同的爆炸性环境不同但均能量不大，从而限制恒流型电源通常输出功率不大；截止型电源是通过检测在短路及故障状态下输出的电流大小，从而控制电路中的开关管切断电路，最终实现抑制能量释放导致火花点燃的出现，则该类型电源比恒流型输出功率有了较大的提高。然而本安设备通常具备一定的电感和电容，因此决定本安电源的性能的因素还包括了电源能够承担多大的电容和电感，本安将根据截止型本安电源的CL复合电路模型［4］，分析电容和电感对电源火花放电的影响，提出了增加本安电源的本安特性相应措施。

1　CL复合电路模型

本安电源在使用过程中通常情况下，多数火花是在电路开路情况下产生，即本安设备启动电源开关时，或者电源误短路等情况下触发，因此本文主要分析本安电源CL复合电路模型开路火花释放的情况。

1.1模型建立

本安电源在进行火花试验检测时，通常使用电容器和电感器代替负载可能出现的最大等效电感和等效电容即Co、Lo，实际进行火花时截止型电源火花实验短路放电实验电路如图1所示：

图1　截止放电模式下CL复合电路火花放电实验原理图

当E为电源电压，R1为本安电源放电时等效内阻，R2为回路中火花实验台阻值，G为火花试验台，C和L分别为实验电容箱和电感箱。由于R1远远大于R2，因此可以忽略电源对放电回路的影响，电压方程为：

火花放电电压等于建弧电压，则：

将以上各式带入式1-1并解微分方程，可得到火花放电电流为：

其中：

火花放电功率为：

火花放电能量为：

1.2CL模型分析

1.2.1电源截止时间对放电的影响

将上式对ts进行求导，可得：

由式2-1可知，火花实验中释放的火花能量是随着截止时间的减小而单调减小，因此在电路设计中可以通过减小截止时间来减小火花能量的释放。

1.2.2电容对火花放电的影响

首先假设电路截止时间ts远远大于自然状态下放电的时间，即处在自然放电模式下时，其火花放电释放能量最大值为：

截止放电模式下，将式 对L进行求导，可得：

由上式可以得到，火花放电能量Wg随着电感L的增加而单调减小，即增加电感值能够减小火花实验中短路状态下释放的能量。

在ts＜tm的情况下，式中将电感值作为变量，可得火花放电功率最大值Pg（ts）与电感值L的曲线图如图2所示：

图2　截止时间和火花功率的关系曲线

由图2所示可以看到，在本安电源截止模式下，增加电感量使得火花放电功率最大值会按接近指数级减小，当电感量较小时，火花放电功率最大值随着电感量的变化率较大，当电感超过一定值之后，火花功率最大值几乎不变。

2　本安电源的本安特性分析

对于截止型本安电源在短路放电情况下，影响其本安性能因素可以总结为3点，分别为电源截止时间ts、负载电容、负载电感，然而这三因素对电源本安性能的影响各不相同，下面将逐项进行分析。

（1）电源截止时间ts决定了电源在整个火花放电过程中，能量释

放时间长短，从以上分析也可以得出，在不对电源本安参数进行减小时，最好的方法即减小放电时间，尽可能缩短电源放电的周期。当然减小ts则对电路设计及元器件成本提出了更高的要求，同时也增加了电路对外部故障的灵敏度提高，可能提高电路误保护的几率。

（2）根据式2-2，电容大小是本安电源火花放电过程中能量增加重要因素，单纯的减小电容值会很有效的减小能量的释放，但是减小电容值增加了对使用本安电源供电的本安设备的限制。

（3）由以上分析可以看出，当电感放在电容后端时火花放电能量随着电感值的增加而减小，这是因为电感能够阻碍电感的瞬间放电电流的剧烈增加，从在一定程度能够减小火花能量的释放，当电感放在电容前端时，在火花实验中短路间隙电感会起到阻碍电源对电容的冲电的作用。然而火花实验会对电容电感的各种组合进行实验，单独使用电容为负载时电感则无法起到作用。因为在电路设计中可以在本安电源电路中增加一定量的电感起到抑制火花能量释放的作用。

3　结论

根据本文以上对本安电源截止模型下CL放电电路的分析，可以看出本安电源的设计应综合以上三个要点的分析，在保证电源输出电压和电流的情况，应尽可能减小截止时间，减小电源电容负载，从而能够设计出输出功率较大的本安电源。

参考文献

［1］国家标准起草小组.中华人民共和国国家标准GB 3836.1-2010爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求［S］［M］.北京：中国标准出版社，2011.

［2］徐磊，周孟然，等.煤矿实用本安电源设计［J］.煤矿机械，2012，33（3）：145-146.

［3］张玉良.一种带备用电池多路输出的隔爆兼本安型开关直流稳压电源［J］.煤矿自动化，1996（04）：57-59.

［4］于月森.本质安全型开关电源基础理论与应用研究［D］.徐州：中国矿业大学，2012.

张玺锐（1987—），江苏常州人，硕士，现工作于中煤科工集团常州自动化研究院有限公司。

作者简介：