陳 捷

(山西西山晉興能源公司 斜溝煤礦 ，山西 興縣 033000)

0 引言

作為我國工業(yè)生產(chǎn)的主要能源之一，煤炭的生產(chǎn)效率與安全至關(guān)重要。目前大部分礦井的生產(chǎn)條件較差，封閉環(huán)境下易燃?xì)怏w得不到通風(fēng)稀釋，極易引發(fā)著火或爆炸等事故。隨著自動(dòng)化技術(shù)及機(jī)械制造工藝的不斷進(jìn)步，先進(jìn)的電氣設(shè)備已在煤礦井下得到廣泛使用，作為電氣設(shè)備工作的能量來源，本安型電源的性能和穩(wěn)定性對礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)井下隔爆兼本安型不間斷電源(UPS, Uninterruptible Power Supply)，可有效提高電源質(zhì)量，滿足煤礦安全規(guī)程所規(guī)定的使用標(biāo)準(zhǔn)。

1 電源技術(shù)要求與結(jié)構(gòu)

1.1 技術(shù)要求

與普通的直流電源相比，煤礦井下電源在較為危險(xiǎn)的環(huán)境中需滿足以下要求：

(1) 電源的輸入側(cè)與輸出側(cè)需具備電氣隔離。因電源的輸入側(cè)為電壓等級較高的交流電，不符合本質(zhì)安全的要求，因此需在兩側(cè)設(shè)置電氣隔離，避免輸出側(cè)對輸入側(cè)形成干擾，提高電源的安全性。

(2) 需設(shè)計(jì)限流功能保護(hù)電路。與普通電源相比，煤礦井下電源故障產(chǎn)生的火花對井下設(shè)備與工人的安全會(huì)造成巨大安全隱患。對于輸出電壓精度要求較低的電源，可在電源中串入限流電阻以減少故障時(shí)釋放的能量；而對于輸出電壓較高且電壓精度要求高的電源，需對其進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)過流、過壓保護(hù)及穩(wěn)定電壓等功能。

(3) 需滿足停電后維持設(shè)備供電的要求。煤礦生產(chǎn)中需實(shí)時(shí)對甲烷等易爆氣體進(jìn)行監(jiān)控，以防濃度超標(biāo)發(fā)生爆炸，在停電后應(yīng)維持供電以保證相關(guān)氣體及風(fēng)速傳感器繼續(xù)運(yùn)行。因此礦井下需配備后備電源，在停電后可切換至備用電池繼續(xù)對設(shè)備進(jìn)行供電，保證生產(chǎn)安全。

(4) 需設(shè)置多個(gè)保護(hù)電路。電氣設(shè)備在工作時(shí)，要保證電路故障不會(huì)導(dǎo)致氣體爆炸，因此電源需具備至少三個(gè)保護(hù)電路以加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行的安全性。當(dāng)一個(gè)保護(hù)電路出現(xiàn)故障不能工作時(shí)，其他保護(hù)電路可起到避免爆炸事故發(fā)生的作用。

(5) 需對多路輸出設(shè)置隔離。煤礦井下電氣設(shè)備種類較多，包括甲烷、煙霧、風(fēng)速等多個(gè)傳感器及監(jiān)控站點(diǎn)等。由于采用的本安型電源輸出功率不大，需采用多路直流電為這些設(shè)備供電，為滿足安全性要求，需對多路輸出進(jìn)行隔離。

(6) 電源可在較大的電壓范圍內(nèi)工作。由于礦井復(fù)雜的工作環(huán)境，供電電壓波動(dòng)范圍較大，因此電源需在電壓波動(dòng)范圍較大的情況下還能維持穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，電網(wǎng)輸入的交流電經(jīng)隔離變壓器后，經(jīng)整流與濾波及穩(wěn)壓電路，得到電壓穩(wěn)定的直流電，再經(jīng)多種保護(hù)電路后實(shí)現(xiàn)本安型輸出。同時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)，以保證停電時(shí)可給設(shè)備不間斷供電。

圖1 本安電源總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 電路介紹

2.1 變壓器與整流濾波電路

電網(wǎng)輸入的交流電電壓等級較高，首先應(yīng)通過降壓變壓器將電壓降至合理范圍，本文設(shè)計(jì)電路采用R型變壓器，這種變壓器具有占地小、噪聲低、溫度低等優(yōu)點(diǎn)，可滿足井下安全性的要求。

經(jīng)變壓器降壓輸出兩路電壓后，需對其進(jìn)行整流與濾波，輸出的直流電一路給設(shè)備供電，另一路則給備用蓄電池充電。

2.2 穩(wěn)壓電路

輸入的交流電存在一定范圍的波動(dòng)，且電氣設(shè)備也會(huì)影響電壓的穩(wěn)定。因此，本文所設(shè)計(jì)電源中設(shè)置了穩(wěn)壓電路，該電路采用芯片LM317實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。該芯片可輸出1.2 V～37 V的電壓，從而滿足多種電氣設(shè)備的供電需求。芯片內(nèi)部也具備過流保護(hù)等功能，可減少電路的元件數(shù)量，如圖2所示為穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)圖，電路中可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)了對輸出電壓的調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓電路經(jīng)切換電路與過壓過流等電路后，向設(shè)備輸出直流電。其中電阻R3可用于測量輸出電壓大小，若輸出電壓過高，則開關(guān)管Q1得到過壓信號(hào)后開通，降低輸出電壓，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能。

圖2 穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 保護(hù)電路

當(dāng)電路或電氣設(shè)備因故障輸出高電壓及大電流時(shí)，會(huì)引發(fā)電路或設(shè)備損壞，甚至導(dǎo)致礦井發(fā)生爆炸事故。因此，所設(shè)計(jì)電源需具備多個(gè)過壓與過流保護(hù)電路，從而保證電路工作的可靠性，并在故障時(shí)可及時(shí)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

圖3為過壓保護(hù)電路。當(dāng)穩(wěn)壓電路輸出的電壓超過設(shè)定值時(shí)，二極管D5導(dǎo)通，開關(guān)管Q2隨之開通，Q3關(guān)斷，從而切斷輸出電壓；當(dāng)輸出到設(shè)備前的電壓大于設(shè)定值時(shí)，電阻R14上的電壓信號(hào)可傳遞到圖2中的Q1，該開關(guān)管開通，芯片LM317的輸出電壓降低，直到過壓故障消失后Q1關(guān)斷。

圖3 過壓保護(hù)電路

圖4為過流保護(hù)電路，對可變電阻W3與W4進(jìn)行調(diào)節(jié)，可設(shè)置允許通過電流的最大值，從而適應(yīng)不同設(shè)備的實(shí)際使用情況。該過流保護(hù)電路的主要原理是：當(dāng)電流過大時(shí)，開關(guān)管Q6、Q7開通，主回路斷開，輸出電壓值快速降低，從而實(shí)現(xiàn)對電流的限制，兩個(gè)開關(guān)管的設(shè)置也進(jìn)一步提高了過流保護(hù)功能的穩(wěn)定性。

圖4 過流保護(hù)電路

2.4 蓄電池充電與切換電路

當(dāng)電網(wǎng)進(jìn)行停電檢修或發(fā)生線路故障時(shí)，電網(wǎng)暫時(shí)停止向井下電源供電，而井下多個(gè)電氣設(shè)備需維持不間斷供電，若停止工作可能會(huì)造成嚴(yán)重的事故，對財(cái)產(chǎn)與工人生命安全造成巨大危害。因此，所設(shè)計(jì)電源中配備了可充電蓄電池并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的充電電路。蓄電池充電與切換電路如圖5所示，該電路采用LED信號(hào)燈來觀測電路狀態(tài)，并通過繼電器對電流狀態(tài)進(jìn)行控制。

圖5 蓄電池充電與切換電路

當(dāng)輸入電壓在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，開關(guān)管Q9開通，繼電器K1閉合，此時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)；當(dāng)電網(wǎng)供電時(shí)，Q10處于關(guān)斷狀態(tài)，K2未閉合，則蓄電池不給設(shè)備供電；此時(shí)Q8開通，信號(hào)燈為綠色。

電網(wǎng)停止供電后，需蓄電池切換至供電狀態(tài)。此時(shí)Q9與K1仍處于開通和閉合狀態(tài)，Q10開通，K2閉合，蓄電池向設(shè)備進(jìn)行供電；當(dāng)蓄電池電壓低于最小值時(shí)，Q9關(guān)斷，K1斷開，使電池停止供電，以避免電池出現(xiàn)快速發(fā)電現(xiàn)象，導(dǎo)致電路發(fā)生過流故障；當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時(shí)，開關(guān)管Q8關(guān)斷，信號(hào)燈為紅色。

蓄電池充電與切換電路可保證對電氣設(shè)備的不間斷供電，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)礦井復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境與現(xiàn)場電氣設(shè)備工作的供電需求，設(shè)計(jì)了適用于礦井的本安型電源。首先對井下電源的技術(shù)要求進(jìn)行了介紹，隨后對電源結(jié)構(gòu)及具體的各部分電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與原理分析。所設(shè)計(jì)電源具備防爆、隔離及不間斷供電等特點(diǎn)，穩(wěn)定工作范圍大，輸出直流電壓精度較高，符合現(xiàn)場電氣設(shè)備穩(wěn)定工作的需求，對煤礦的高效生產(chǎn)與工人生命安全具有積極意義。