Искробезопасность цепей с источниками питания, не отключающимися при коммутации

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622:621.31

В.П. Диденко, канд. техн. наук, ведущий науч. сотр. МакНИИ, Макеевка

Искробезопасность цепей с источниками питания, не отключающимися при коммутации

Исследовано влияние параметров искробезопасного источника питания, не отключающегося при коммутации цепи, на его выходную вольт-амперную характеристику. Показана возможность расчетной оценки искробезопасности таких источников питания. Определены пути уменьшения потерь мощности и отношения между токами уставки и короткого замыкания. искробезопасный коммутация ток замыкание

Ключевые слова: искробезопасность, коммутация, электрические цепи, ток, взрывы.

Необходимость повышения мощности искробезопасных источников питания систем шахтной автоматики, управления и противопожарной защиты способствовала совершенствованию схем полупроводниковой искрозащиты и созданию искробезопасных источников питания повышенной мощности [1, 4]. Передаваемая в нагрузку мощность равна 10 Вт и более. Исследования [2], показавшие необходимость повышения быстродействия транзисторных ключей, также позволили повысить мощность и надежность искробезопасных источников питания. Однако они используют сетевое питание, что снижает требования к потере энергии в них. Необходимость создания аккумуляторных источников питания, в том числе и низковольтных, выставляет жесткие ограничения по этому показателю.

Цель настоящей работы - исследование искробезопасных цепей с источниками питания повышенной мощности, не отключающимися при коммутации, выявление факторов, сдерживающих развитие этого направления искрозащиты, и разработка предложения по устранению недостатков.

Основными способами обеспечения искробезопасности источников питания, не отключающихся при коммутации цепи, является ограничение максимальных значений напряжения и тока разряда. Стабилизированный искробезопасный источник питания постоянного тока (рис. 1) содержит силовой ограничитель, выполненный на транзисторах VT3_1 и VT3_2 с резисторами R7, R8 и цепочкой для обеспечения устойчивости C1 и R4, ограничитель базового тока на транзисторе VT1, стабилитроне VD1 и резисторах R1…R3, а также узел ограничения тока на транзисторе VT2, стабилитроне VD3, диоде VD2 и резисторах R5, R6 и R9. Питание осуществляется от источника напряжения V1. Резистор RH моделирует изменяющееся во времени t сопротивление нагрузки по закону (за 10 с расчета переходного процесса сопротивление нагрузки изменяется от 1000 до 0,45 Ом).

Рис. 1 Расчетная схема искробезопасного источника питания напряжением 12 В и с током уставки 1,45 А

искробезопаснтный коммутация ток замыкание

Максимальные значения выходного тока источника задаются подбором резисторов R9 и R6. При изменении сопротивления резистора R9 от 2,2 до 4,4 кОм ток уставки источника (максимальный ток нагрузки) изменяется от 1,85 до 1,29 А (рис. 2). Нагрузочная характеристика источника (вольт-амперная) показывает, что при изменении тока уставки в 1,43 раза ток короткого замыкания изменяется в 1,04 раза (от 780 до 813 мА при среднем значении около 800 мА). То есть при вариации сопротивления резистора R9 существенного изменения тока короткого замыкания не происходит. Отношение тока уставки к току короткого замыкания изменяется от 2,28 до 1,65. Несколько другой характер имеет изменение выходного тока источника питания при вариации резистора R6 от 0,5 до 2 Ом. Ток уставки уменьшается от 2,12 до 0,875 А, то есть в 2,42 раза. При этом ток короткого замыкания снижается от 1,25 до 0,45 А. Отношение между этими токами изменяется от 1,70 до 1,94 при сопротивлении R6 соответственно 0,5 и 2 Ом. Вариация сопротивления резистора R6 приводит к существенному изменению тока уставки и тока короткого замыкания, однако их отношение изменяется в меньшей мере.

Рис. 2 Зависимости выходного напряжения источника питания от тока нагрузки

Приведенные на рис. 2 характеристики источника питания могут служить для выбора необходимых его параметров по току уставки и току короткого замыкания.

Ясно, что изменение напряжения стабилизации стабилитрона VD3 должно приводить к изменению выходного напряжения источника. Однако, как показывают расчеты, оно также изменяет и ток уставки. Причем зависимость между ними близка к линейной (коэффициент корреляции равен 0,996). Изменение напряжения стабилизации стабилитрона VD3 от 9 до 14 В (в 1,56 раза) приводит к росту тока уставки от 1,24 до 1,50 А, то есть в 1,21 раза. Таким образом, следует сделать вывод, что анализируемая схема искробезопасного источника питания нестабильна к его выходному напряжению.

Следует обратить внимание, что данная схема для выполнения функции ограничения тока требует существенного падения напряжения на датчике тока, который состоит из диода VD2 и резистора R6. Это напряжение имеет существенную зависимость от сопротивления резисторов R9 и R6 (коэффициент корреляции равен соответственно минус 0,98 и 0,96). В рассматриваемом диапазоне изменения параметров источника питания оно всегда выше 2 В. При максимальном токе нагрузки на выходе 1,45 А выходная мощность 16,6 Вт, а её потери в источнике питания равны 9,7 Вт. При этом наибольший вклад в долю потерь мощности вносит компенсационный стабилизатор напряжения. Общий КПД схемы искрозащиты и стабилизации напряжения составляет 63 %. Большие потери энергии делают анализируемую схему искрозащиты источников питания приемлемой только для сетевых источников и непригодной для обеспечения искробезопасности аккумуляторных источников питания (головные светильники, радиостанции, пульты управления, аккумуляторные блоки питания и другие изделия).

Уменьшением тока короткого замыкания по сравнению с током уставки разработчиками таких источников питания преследовались две цели: снижение выделяемой на ограничителе тока мощности в режиме короткого замыкания выходных выводов и некоторое повышение искробезопасной мощности, нашедшее экспериментальное подтверждение (за счет уменьшения тока разряда в начальной стадии). Однако данные положительные качества получены за счет ухудшения потребительской характеристики источника питания. Для потребителей, которые при включении питания используют ток больше, чем в установившемся режиме, создаются неблагоприятные условия при запуске. К ним относятся широко используемые в последнее время и питаемые от источников, не отключающихся при коммутации, DC-DC преобразователи.

Для расчетной оценки воспламеняющей способности разрядов на выходных зажимах источника питания резистор нагрузки RH заменен моделью разряда. Скорость коммутации, равная 0,046 м/с, принята самой низкой, которая должна быть наиболее опасной для анализируемой цепи.

Результаты анализа переходных процессов (рис. 3) показывают, что ток разряда Ir увеличивается с течением времени в диапазоне до 0,7 мс. Связано это с частью нагрузочной характеристики источника питания, на которой выходное сопротивление имеет отрицательное значение. В конечной стадии разряда плавный характер снижения тока обусловлен высоким внутренним сопротивлением источника питания, а имеющийся выброс напряжения разряда Ur - низкой скоростью действия силового ограничителя. Однако импульс напряжения не приводит к резкому увеличению энергии разряда, на основании чего можно сделать вывод о его несущественном влиянии на искробезопасность выходной цепи источника питания.

Энергия Wr, выделившаяся в разряд, с течением времени плавно возрастает, достигая значения 2,52 мДж, большего, чем минимальная воспламеняющая W, равная 1,95 мДж.

Рис. 3 Зависимости тока Ir, напряжения Ur, энергии Wr разрядаи минимальной воспламеняющей энергии W от времени

Изменение скорости коммутации в диапазоне от 0,046 до 0,3 м/с приводит к уменьшению коэффициента искробезопасности по энергии от 1,29 до 0,59. В данном диапазоне между коэффициентом искробезопасности и логарифмом скорости коммутации существует зависимость, близкая к линейной (коэффициент корреляции равен 0,999). Примечательно, что коэффициент искробезопасности по энергии превышает 1,0 только в узком диапазоне скорости коммутации до 0,09 м/с.

При экспериментальной проверке во взрывной камере воспламенения 47 %-й водородно-воздушной смеси разрядами в анализируемой цепи не наблюдалось, что, наиболее вероятно, было связано с отсутствием в цикле испытаний разрядов со скоростью коммутации в диапазоне 0,046…0,09 м/с.

Необходимость снижения потерь мощности и отношения между токами уставки и короткого замыкания источников питания, не отключающихся при коммутации цепи, привела к разработке базовой схемы искробезопасного источника питания (рис. 4).

Рис. 4 Схема электрическая расчетная искробезопасного источника питания напряжением 12 В и с током уставки 1,5 А

Ограничение тока выходной цепи осуществляется транзистором VT4, управляемым узлом ограничения тока на транзисторах VT1…VT3 и резисторах R3…R5. Резистор R2 служит для подачи открывающего напряжения на затвор транзистора VT4, а узел на стабилитроне VD1, диоде VD2 и резисторе R1 - для его ограничения. Питание происходит от источника напряжения V1, который в реальных блоках питания представляет импульсный стабилизатор напряжения.

Изменение сопротивления резистора R3 позволяет получить семейство нагрузочных характеристик источника (рис. 5).

Как следует из рис. 5, нагрузочная характеристика данного источника питания более жесткая, чем приведенного на рис. 1. Так, при токе нагрузки 1,5 А падение напряжения на элементах схемы равно 0,14 В. Схема искрозащиты выполняет роль ограничителя тока, поэтому ток короткого замыкания практически равен току уставки, что свидетельствует о высоких потребительских свойствах источника. С изменением сопротивления резистора R3 от 2,2 до 4,0 кОм ток уставки снижается от 1,71 до 1,35 А. В оговоренном диапазоне между этими параметрами существует близкая к линейной обратно пропорциональная зависимость (R = -0,996).

При выходном токе 1,5 А данный источник питания передает в нагрузку мощность 17,8 Вт. Потери мощности в элементах источника при этом равны 0,28 Вт (КПД 98 %).

Рис. 5 Зависимость выходного напряжения источника питания от тока нагрузки

Изменение тока уставки источника возможно также вариацией сопротивления резистора R4. Так, диапазону его увеличения от 0,025 до 0,1 Ом соответствует снижение тока уставки от 3,0 до 0,75 А. Между логарифмами сопротивления резистора R4 и тока уставки существует линейная обратно пропорциональная зависимость (R = -1). Таким образом, увеличение сопротивления резистора R4 приводит к снижению во столько же раз тока уставки.

Описанные исследования показали, что в разработанном искробезопасном источнике питания - низкие потери энергии и хорошие управляемость и потребительские свойства.

Для расчетной оценки искробезопасности выходной цепи разработанного источника питания сопротивление нагрузки заменено моделью разряда. Графики переходных процессов (рис. 6) показывают, что в течение разряда его ток остается постоянным и находится на уровне тока уставки. Имеющиеся высокочастотные колебания тока разряда, вероятно, вызваны низкой устойчивостью расчетной модели схемы в области ограничения выходного тока. В конечной стадии разряда наблюдается более быстрое, чем показанное на рис. 3, снижение силы тока. Это обусловлено меньшим внутренним сопротивлением источника питания. Кривая роста напряжения на разряде имеет участок, близкий к линейному, на большей части длительности разряда и быстрый подъем амплитудой около 0,1 В в конце разряда до напряжения питания 12 В. Энергия разряда с течением времени возрастает, достигая значения 3,3 мДж, что превышает значение минимальной воспламеняющей энергии (1,95 мДж).

Коэффициент искробезопасности по энергии изменяется в пределах от 1,69 до 0,76 в диапазоне скорости коммутации от 0,046 до 0,3 м/с. При скорости коммутации менее 0,18 м/с значения коэффициента искробезопасности по энергии превышают 1,0. Многократные испытания на искробезопасность анализируемого источника питания с помощью взрывной камеры в большинстве случаев показали воспламенение 47 %-й водородно-воздушной смеси с вероятностью менее 10-3. Иногда воспламенения смеси не наблюдалось, что, вероятно, было связано с отклонением условий проведения испытаний. При снижении тока уставки на 10 % воспламенения взрывоопасной смеси не наблюдалось.

Рис. 6 Зависимости тока Ir, напряжения Ur, энергии Wr разряда и минимальной воспламеняющей энергии W от времени

Результаты исследования скорости роста напряжения на разрядах и разработанные рекомендации по ограничению скорости возрастания выходного напряжения искробезопасных источников питания [3] использованы в источнике напряжением 24 В и током уставки 0,6 А. Скорость роста выходного напряжения в диапазоне его увеличения от нуля до 20,6 В равна 2,3·105 В/с. Длительность этого временного участка 84 мкс. Второй участок длительностью 70 мкс характеризуется меньшей скоростью роста выходного напряжения (50 кВ/с). Общая продолжительность восстановления напряжения источника 154 мкс при средней скорости роста напряжения 1,5·105 В/с.

Проведенные исследования и разработанное на их основе техническое решение построения искробезопасного источника питания позволили обеспечить искробезопасность его выходной цепи при испытании во взрывной камере с применением 47 %-й водородно-воздушной смеси - взрывы не наблюдались. Это свидетельствует о возможности применения ограничения скорости роста выходного напряжения источника питания для повышения его искробезопасной мощности.

Выводы

1. Исследовано влияние параметров искробезопасного источника питания, не отключающегося при коммутации цепи, на его выходную вольт-амперную характеристику. Показана возможность расчетной оценки искробезопасности таких источников питания.

2. Установлена необходимость уменьшения потерь мощности и отношения между токами уставки и короткого замыкания источников питания, не отключающихся при коммутации цепи.

Список литературы

1. А.с. 1259235 СССР, МКИ Е 21 F 9/00. Стабилизатор напряжения искробезопасного источника питания нагрузки / Б.М. Кириченко, В.И. Курышко, В.Г. Густилин. - № 3856524/22-0; заявл. 11.03.85; опубл. в 1986, Бюл. № 35.

2. Диденко В.П. Развитие искрозащиты как фактор снижения издержек производства в угольной промышленности / В.П. Диденко //Старопромислові регіони Західної і Східної Європи в умовах інтеграції: зб. наук. пр. ДонНУ. - Донецьк, 2003. - С. 300-340.

3. Диденко В.П. Исследование скорости изменения напряжения на разрядах для совершенствования искробезопасных источников питания / В.П. Диденко // Уголь Украины. - 2009. - № 1-2. - С. 35-37.

4. Кириченко Б.М. Обеспечение искробезопасности рудничных электрических цепей: обзор / Б.М. Кириченко, Э.Г. Коган, А.З. Куфман. - М.: ЦНИЭИуголь, 1986. - 57 с.

Размещено на Allbest.ru