一种本质安全Buck电路的火花放电恒功率灭弧方法 |
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| 申请号 | CN201611103769.1 | 申请日 | 2016-12-05 | 公开(公告)号 | CN106383545A | 公开(公告)日 | 2017-02-08 |
| 申请人 | 北方工业大学; | 发明人 | 孟庆海; 刘丛伟; 赵彥锦; 陈鹏; 王进己; 焦政国; 袁明华; 李帅; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种本质安全Buck 电路 的火花放电恒功率灭弧方法，属于防爆电气安全技术领域。所述本质安全Buck电路包括控制电路、Buck电路、火花放电恒功率电路、起弧 触发电路 和封 锁 电路，封锁电路包括输出封锁电路和控制封锁电路；输出封锁电路与Buck电路电连接，控制封锁电路分别与控制电路和Buck电路电连接；起弧触发电路分别与火花放电恒功率电路、输出封锁电路、控制封锁电路电连接；火花放电恒功率电路与Buck电路电连接。本发明实现了电感开路处的火花放电恒功率控制，使得电火花放电功率小于最小点燃功率、电火花放电 能量 小于最小点燃能量，从而实现了 电弧 功率和电弧能量均小于最小点燃值的要求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种本质安全Buck电路的火花放电恒功率灭弧方法，所述本质安全Buck电路包括控制电路和Buck电路，其特征在于，还包括火花放电恒功率电路、起弧触发电路和封锁电路，所述封锁电路包括输出封锁电路和控制封锁电路；所述输出封锁电路与所述Buck电路电连接，所述控制封锁电路分别与所述控制电路和所述Buck电路电连接；所述起弧触发电路分别与所述火花放电恒功率电路、输出封锁电路、控制封锁电路电连接；所述火花放电恒功率电路与所述Buck电路电连接。 |
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| 说明书全文 | 一种本质安全Buck电路的火花放电恒功率灭弧方法技术领域[0001] 本发明涉及防爆电气安全技术领域，特别涉及一种本质安全Buck电路的火花放电恒功率灭弧方法。 背景技术[0002] 应用于爆炸性气体环境的本质安全电路，按GB3836.4-2000标准定义为：在本标准规定条件(包括正常工作和规定的故障条件)下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路，其具体表现为：在IEC(International Electrotechnical Commission，国际电工委员会)火花试验装置上进行规定条件的检测试验，电路的任何一处出现短路、开路和接地三种情况下均不能点燃规定的爆炸性气体。 [0003] 对于本质安全Buck电路，最危险的放电形式之一是电感开路处的火花放电(也称为电弧放电)。电感开路处的火花放电能量来源于两处：一是电源、二是储能元件电感和电容。目前常采用电火花动态监测与关断、短路保护电路等灭弧方法来减小电火花能量。但是，上述方法的原理均以减小电火花能量为目标，并未涉及电火花功率。众所周知，能量是功率与时间的积分，同样大小的放电能量既可能对应较大的放电功率与较短的放电时间，也可能对应较小的放电功率与较长的放电时间。在实际检测中，曾出现过“小”火花能够引爆瓦斯，而“大”火花却不能引爆瓦斯的“矛盾”现象，这说明防止火花引爆需要首先满足功率限制条件，然后再满足能量限制条件。因此，需要一种首先限制电火花功率，然后再限制电火花能量的灭弧方法。 发明内容[0004] 为了解决现有本质安全Buck电路未采用减小电火花功率来灭弧的问题，本发明提供了一种本质安全Buck电路的火花放电恒功率灭弧方法，所述本质安全Buck电路包括控制电路和Buck电路，还包括火花放电恒功率电路、起弧触发电路和封锁电路，所述封锁电路包括输出封锁电路和控制封锁电路；所述输出封锁电路与所述Buck电路电连接，所述控制封锁电路分别与所述控制电路和所述Buck电路电连接；所述起弧触发电路分别与所述火花放电恒功率电路、输出封锁电路、控制封锁电路电连接；所述火花放电恒功率电路与所述Buck电路电连接。 [0005] 所述Buck电路包括电源、开关晶体管、二极管、电感、电容和电阻；所述电源的正向端与所述开关晶体管的漏极电连接，所述开关晶体管的源极与所述二极管的阴极电连接，所述电感的一端与所述二极管的阴极电连接，所述电感的另一端通过分流器与所述电容的一端电连接，所述电容的另一端与所述二极管的阳极电连接，所述二极管的阳极与所述电源的负向端电连接，所述电阻与所述电容并联。 [0006] 所述控制封锁电路包括第二晶闸管、第三晶闸管和反向器；所述反向器的输出端分别与所述第二晶闸管的门极和所述第三晶闸管的门极电连接；所述第二晶闸管的阳极与所述电阻的一端电连接；所述第三晶闸管的阴极与所述开关晶体管的栅极电连接。 [0007] 所述控制电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第二电容、第三电容、第一运算放大器、第一限幅器、第一三角载波和第一比较器；所述第一电阻的一端与所述第二晶闸管的阴极电连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端电连接；所述第二电阻的另一端与所述第一运算放大器的反向输入端电连接；所述第三电阻的一端与所述第一运算放大器的反向输入端电连接，所述第三电阻的另一端接地；所述第一运算放大器的同向输入端接给定电压，所述第一运算放大器的输出端与所述第四电阻的一端电连接，所述第四电阻的另一端与所述第三电容的一端电连接；所述第三电容的另一端与所述第一运算放大器的反向输入端电连接；所述第二电容与所述第二电阻并联；所述第一运算放大器的输出端与所述第一限幅器的输入端电连接，所述第一限幅器的输出端与所述第一比较器的一输入端电连接；所述第一三角载波的输出端与所述第一比较器的另一输入端电连接；所述第一比较器的输出端与所述第三晶闸管的阳极电连接。 [0008] 所述火花放电恒功率电路包括第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第二比较器、第二三角载波、第二限幅器、乘法器和第四晶闸管；所述第五电阻的一端与所述第二运算放大器的同向输入端电连接，所述第五电阻的另一端与所述电感电连接；所述第六电阻的一端与所述第二运算放大器的同向输入端电连接，所述第六电阻的另一端接地；所述第七电阻的一端与所述第二运算放大器的反向输入端电连接，所述第七电阻的另一端分别与所述电容和所述电阻电连接；所述第八电阻的一端与所述第二运算放大器的反向输入端电连接，所述第八电阻的另一端与所述第二运算放大器的输出端电连接；所述第九电阻的一端与所述第三运算放大器的同向输入端电连接，所述第九电阻的另一端通过所述分流器的一端与所述电感电连接；所述第十电阻的一端与所述第三运算放大器的同向输入端电连接，所述第十电阻的另一端接地；所述第十一电阻的一端与所述第三运算放大器的反向输入端电连接，所述第十一电阻的另一端通过所述分流器的另一端与所述电感电连接；所述第十二电阻的一端与所述第三运算放大器的反向输入端电连接，所述第十二电阻的另一端与所述第三运算放大器的输出端电连接；所述第二运算放大器的输出端与所述乘法器的一输入端电连接，所述第三运算放大器的输出端与所述乘法器的另一输入端电连接；所述乘法器的输出端与所述第四运算放大器的反向输入端电连接，所述第四运算放大器的同向输入端接给定功率；所述第四运算放大器的输出端与所述第二限幅器的输入端电连接，所述第二限幅器的输出端与所述第二比较器的一输入端电连接；所述第二三角载波的输出端与所述第二比较器的另一输入端电连接；所述第二比较器的输出端与所述第四晶闸管的阳极电连接，所述第四晶闸管的阴极与所述开关晶体管的栅极电连接。 [0009] 所述输出封锁电路包括第十三电阻、第十四电阻、第一晶闸管和第一电容；所述第十四电阻与所述第一晶闸管串联后，再与所述电阻并联；所述第一电容的一端与所述第一晶闸管的门极电连接，所述第一电容的另一端与所述第一晶闸管的阴极电连接；所述第十三电阻的一端与所述第一晶闸管的门极电连接。 [0010] 所述起弧触发电路为基本RS触发器；所述基本RS触发器的输入端S与所述第二运算放大器的输出端电连接，所述基本RS触发器的输入端R接高电平；所述基本RS触发器的输出端Q分别与所述第四晶闸管的门极、所述第十三电阻的另一端和所述反向器的输入端电连接。 [0011] 所述第二晶闸管、第三晶闸管和第四晶闸管均为双向晶闸管。 [0012] 所述开关晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管。 [0013] 本发明提供的本质安全Buck电路的火花放电恒功率灭弧方法，通过增加火花放电恒功率电路、起弧触发电路和封锁电路来实现电感开路处的火花放电恒功率控制，使得电火花放电功率小于最小点燃功率、电火花放电能量小于最小点燃能量，从而实现了电弧功率和电弧能量均小于最小点燃值的要求，以及电路结构完备，同时兼顾正常运行与开路故障，保证了电感电路的本质安全性能。附图说明 [0014] 图1是现有具有控制电路的本质安全Buck电路原理示意图； [0016] 图3是本发明实施例本质安全Buck电路的火花放电恒功率灭弧电路原理示意图。 具体实施方式[0017] 下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。 [0018] 图1为现有具有控制电路的本质安全Buck电路原理示意图。Buck电路包括电源E、开关晶体管M1、二极管D、电感L、电容C和电阻R；电源E的正向端与开关晶体管M1的漏极电连接，开关晶体管M1的源极与二极管D的阴极电连接，电感L的一端与二极管D的阴极电连接，电感L的另一端与电容C的一端电连接，电容C的另一端与二极管D的阳极电连接，二极管D的阳极与电源E的负向端电连接，电阻R与电容C并联。控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C2、电容C3、运算放大器A1、限幅器U3、三角载波U2和比较器U1；电阻R1的一端与电阻R的一端电连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端电连接；电阻R2的另一端与运算放大器A1的反向输入端电连接；电阻R3的一端与运算放大器A1的反向输入端电连接，电阻R3的另一端接地；运算放大器A1的同向输入端接给定电压，运算放大器A1的输出端与电阻R4的一端电连接，电阻R4的另一端与电容C3的一端电连接；电容C3的另一端与运算放大器A1的反向输入端电连接；电容C2与电阻R2并联；运算放大器A1的输出端与限幅器U3的输入端电连接，限幅器U3的输出端与比较器U1的一输入端电连接；三角载波U2的输出端与比较器U1的另一输入端电连接；比较器U1的输出端与开关晶体管M1的栅极电连接。R1、R2、R4、C2、C3构成PID调节器。在正常工作时，输出电压U0经过电阻R1、R2、R3的分压后，得到采集电压UR3，UR3与给定电压Vref通过运算放大器A1进行比较输出，运算放大器A1的输出结果经过限幅器U3的信号限幅后，与三角载波U2经过比较器U1，调制成PWM波，控制开关晶体管M1的占空比，实现稳定的电压输出U0。在实际应用中，开关晶体管M1可以为NMOS晶体管或PMOS晶体管。 [0019] 图2为本发明实施例本质安全Buck电路的火花放电恒功率灭弧原理框图。本发明实施例是在图1所示具有控制电路的本质安全Buck电路能量限制方法的基础上，通过增加火花放电恒功率电路、起弧触发电路和封锁电路来实现电感开路处的火花放电恒功率控制，使得火花放电首先满足放电功率小于最小点燃功率，然后切除电源，再满足放电能量小于最小点燃能量，即首先限制电火花放电功率，然后再限制电火花放电能量。其中：电感L的另一端通过分流器FL与电容C的一端电连接；封锁电路包括输出封锁电路和控制封锁电路，输出封锁电路与Buck电路电连接，控制封锁电路分别与控制电路和Buck电路电连接；起弧触发电路分别与火花放电恒功率电路、输出封锁电路、控制封锁电路电连接；火花放电恒功率电路与Buck电路电连接。 [0020] 参见图3，火花放电恒功率电路包括运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大器A4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、比较器U4、三角载波U5、限幅器U6、乘法器U8和晶闸管S4。电阻R5的一端与运算放大器A2的同向输入端电连接，电阻R5的另一端与电感L电连接(连接点为N1)；电阻R6的一端与运算放大器A2的同向输入端电连接，电阻R6的另一端接地；电阻R7的一端与运算放大器A2的反向输入端电连接，电阻R7的另一端分别与电容C和电阻R电连接(连接点分别为N2、N3)；电阻R8的一端与运算放大器A2的反向输入端电连接，电阻R8的另一端与运算放大器A2的输出端电连接；电阻R9的一端与运算放大器A3的同向输入端电连接，电阻R9的另一端通过分流器FL的一端与电感L电连接；电阻R10的一端与运算放大器A3的同向输入端电连接，电阻R10的另一端接地；电阻R11的一端与运算放大器A3的反向输入端电连接，电阻R11的另一端通过分流器FL的另一端与电感L电连接；电阻R12的一端与运算放大器A3的反向输入端电连接，电阻R12的另一端与运算放大器A3的输出端电连接；运算放大器A2的输出端与乘法器U8的一输入端电连接，运算放大器A3的输出端与乘法器U8的另一输入端电连接；乘法器U8的输出端与运算放大器A4的反向输入端电连接，运算放大器A4的同向输入端接给定功率；运算放大器A4的输出端与限幅器U6的输入端电连接，限幅器U6的输出端与比较器U4的一输入端电连接；三角载波U5的输出端与比较器U4的另一输入端电连接；比较器U4的输出端与晶闸管S4的阳极电连接，晶闸管S4的阴极与开关晶体管M1的栅极电连接。在实际应用中，晶闸管S4为双向晶闸管。 [0021] 参见图3，输出封锁电路包括电阻R13、电阻R14、晶闸管S1和电容C1；电阻R14与晶闸管S1串联后，再与电阻R并联；电容C1的一端与晶闸管S1的门极电连接，电容C1的另一端与晶闸管S1的阴极电连接；电阻R13的一端与晶闸管S1的门极电连接。控制封锁电路包括晶闸管S2、晶闸管S3和反向器U7；反向器U7的输出端分别与晶闸管S2的门极和晶闸管S3的门极电连接；晶闸管S2的阳极与电阻R的一端电连接，晶闸管S2的阴极与电阻R1串联；晶闸管S3的阳极与比较器U1的输出端电连接；晶闸管S3的阴极与开关管M1的栅极电连接。起弧触发电路为基本RS触发器U9；基本RS触发器U9的输入端S与运算放大器A2的输出端电连接，基本RS触发器U9的输入端R接高电平，基本RS触发器U9的输出端Q分别与晶闸管S4的门极、电阻R13的另一端和反向器U7的输入端电连接。在实际应用中，晶闸管S2和晶闸管S3均为双向晶闸管。 [0022] 参见图2和图3，当出现电感L断开时，将产生开路火花G。在图示电感L的右端、电容C和电阻R的上端，分别引出端点N1、N2(N3)，并且在N1右侧紧邻增加分流器FL。电弧电压，即端点N1和N2(N3)两端的电压，通过端点N1、N2和N3测量得到，其经过电阻R5、R6、R7、R8和运算放大器A2所构成的整形电路。电弧电流，与分流器FL两端的电压相对应，通过分流器FL测量得到，其经过电阻R9、R10、R11、R12和运算放大器A3所构成的整形电路。电弧电压和电弧电流作为输入信号进入火花放电恒功率电路。运算放大器A2和运算放大器A3的输出经过乘法器U8，得到电弧功率。电弧功率与给定功率Pref通过运算放大器A4进行比较输出。运算放大器A4的输出结果经过限幅器U6的信号限幅，与三角载波U5，经过比较器U4，调制成PWM波。晶闸管S4被触发后，即可以控制开关晶体管M1的占空比，实现火花放电的恒功率控制。起弧触发电路，电弧电压所对应的运算放大器A2的输出，当电弧电压数值达到最小建弧电压的一半时，触发基本RS触发器U9，输出高电平。触发器U9的高电平输出分成三路：1)第一路进入输出封锁电路，封锁电压输出；第一路经过电阻R13和电容C1所构成的晶闸管触发电路，触发晶闸管S1；Buck电路的输出被晶闸管S1和电阻R14短接，电阻R14的作用是防止短接时电容放电的影响，电阻R14的阻值为0.1Ω。2)第二路进入控制封锁电路，封锁控制电路；第二路经过反向器U7，变成低电平；为实现火花放电恒功率控制与正常控制的隔离，在正常控制电路中串联晶闸管S2和S3；此时，晶闸管S2和S3因反向器U7输出低电平而关断，使控制电路与开关晶体管M1之间被断开。3)第三路进入火花放电恒功率电路，触发晶闸管S4，比较器U4输出PWM波，控制开关晶体管M1的占空比，实现火花放电的恒功率控制。需要说明的是：本质安全Buck电路在正常运行时，火花G没有形成，端点N1、N2(N3)之间是短接的，进入火花放电恒功率电路的电压为零，基本RS触发器U9的输出为低电平，这样晶闸管S1和晶闸管S4均被关断，而晶闸管S2和晶闸管S3被导通，电路正常工作。 [0023] 本发明实施例的火花放电恒功率电路，通过采集电感开路处的电火花的电压和电流，经过信号整形和计算得到电火花的功率，与给定功率进行比较，比较结果通过PWM调制方式控制开关晶体管的占空比，实现开路火花放电的恒功率控制。当火花放电恒功率电路检测到火花电压达到最小建弧电压的一半时，通过起弧触发电路，同步触发输出封锁电路和控制封锁电路，保证火花放电恒功率电路去控制开关晶体管。待电火花功率稳定以后，立即切除电源。在整个放电过程中，保证了放电功率小于最小点燃功率，同时放电能量小于最小点燃能量，实现了电火花功率和电火花能量均小于最小点燃值的要求，从而保证了电路的本质安全性能。在正常运行时，控制封锁电路是直通的，不影响控制电路的正常运行；输出封锁电路对于电压输出相当于开路；火花放电恒功率电路对开关晶体管而言是开路；这种同步封锁方式，使得电路结构完备，同时兼顾正常运行与开路故障。 [0024] 需要特别说明的是：本发明实施例火花放电恒功率是指Buck电路电感处发生开路时，所产生的电弧放电火花功率被控制为恒功率，与Buck电路的负载输出恒功率相比，两者是不同的概念。前者以安全为目标，后者以性能为目标。 [0025] 本发明实施例提供的本质安全Buck电路的火花放电恒功率灭弧方法，通过增加火花放电恒功率电路、起弧触发电路和封锁电路来实现电感开路处的火花放电恒功率控制，使得电火花放电功率小于最小点燃功率、电火花放电能量小于最小点燃能量，从而实现了电弧功率和电弧能量均小于最小点燃值的要求，以及电路结构完备，同时兼顾正常运行与开路故障，保证了电感电路的本质安全性能。 [0026] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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