CN202309537U - 具有宽电压范围及ia等级的防爆电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，包括AC/DC电源变换模块，该AC/DC电源变换模块将具有宽范围的交流输入电压转换为恒定的直流电压输出；以及本安输出保护模块，本安输出保护模块将取样的输出电流处理成与输出电流成线性关系的电压值后，将该电压值与AC/DC电源变换模块输出的电压一起加到本安输出保护模块的保护电路输入端，经过保护电路的处理以实现过流、过压、短路及轻载保护。本实用新型防爆电源能提高防爆电源的输入电压变化适应范围，使其能充分适应波动范围比常规更大的供电输入。提高防爆电源的本安防爆级别，使其能在比常规更危险的地方使用。

Description

具有宽电压范围及ia等级的防爆电源

技术领域

本实用新型涉及一种应用爆炸危险性气体环境中的交直流电源变换领域，更具体地说，涉及一种用于安装在危险场所(如矿山、化工、冶金、石油、环保等场)，向本质安全型电气供电设备供电的具有宽电压范围及ia等级的防爆电源。

背景技术

在矿山、化工、冶金、石油、环保等领域中，为确保工作人员的生命安全和生产装置的财产安全，已经将防爆技术应用于各个行业及相关专业，形成一系列的行业、国家和国际标准，并随着工业的发展而发展。对于自动化仪表、控制装置等，最常用的防爆形式是本安型、隔爆型和增安型。由于本安型防爆形式与其他防爆形式相比，具有结构简单、适用范围广、容易操作、维护方便等特点，因此这种本安防爆技术得到了更为广泛的应用。

煤炭工业是我国重要的基础产业，我国煤炭资源丰富，在未来相当长的时期内，以煤为主的能源供应格局不会改变。我国煤炭工业“十五”和“十一五”时期的重要发展目标是煤炭产业结构调整，实施大集团战略，淘汰落后生产线，提高煤矿生产技术装备水平和采煤机械化程度。按照这一目标要求，各煤矿企业集团必须积极推进采煤工艺改革和技术改造，做到壁式正规化开采。加快提升煤炭生产和设备制造技术水平，采用高新技术和先进适用技术，加快高产高效矿井建设。提高煤矿装备现代化、系统自动化、管理信息化水平，淘汰落后的技术装备与工艺，推动煤炭工业科技进步和生产发展。提高煤炭重大技术装备研发和制造能力，促进重大装备制造国产化，尽快达到世界先进水平。

隔爆兼本质安全型防爆电源是一个非常关键的设备，利用隔爆兼本质安全型防爆电源可组成煤矿井下先进的控制系统。随着我国煤炭工业结构升级步伐的加快，国家关于煤炭工业的宏观调控及重大设备国产化政策的进一步推进，“十二五”期间国内将重点研制程控自动化的煤机设备，这就需要配套研制关联的、先进的隔爆兼本质安全型防爆电源。

在煤矿自动化控制设备领域，经常需要直流供电电源，特别是能适应宽范围输入及ia等级的防爆电源需求量最多。煤矿井下给自动控制设备的供电电压一般为AC127V，而井上的供电电压多为AC220V，同时井下各种采煤机械设备的功率一般较大，很多未采用中压软启动设备，且地面到地下配电线路长，在电机启动和工作过程中，电网大幅度跌落，极限情况时可跌落到只有正常供电电压的50％，这将导致井下供电电压不稳定而使设备工作不正常，因此需要研制宽范围的直流防爆供电电源，特别是供电电压范围为AC60V～AC240V的防爆电源，能提高终端产品对供电电压大幅度变化的抵御和适应能力，实现系统的稳定、可靠运行，在井下最受欢迎。再者，煤矿井下环境恶劣，存在瓦斯、煤尘等多种危险性、爆炸性物质，特别是高瓦斯矿井，对防爆电源的防爆要求很高，目前绝大多数企业生产的防爆电源，其本安防爆等级为ib，因此研制ia等级的防爆电源，提高产品在高瓦斯矿井中运行的防爆等级，在煤矿井下显得尤为重要。

发明内容

本实用新型的目的是提供具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，本实用新型防爆电源的目的是提高防爆电源的输入电压变化适应范围，使其能充分适应波动范围比常规更大的供电输入。提高防爆电源的本安防爆级别，使其能在比常规更危险的地方使用。提高防爆电源的带载启动能力，使其能在额定负载下带载启动。提高防爆电源的供电恢复能力，使其在过载保护后当故障消除时能自动恢复供电。

实现上述目的的技术方案如下：

具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，包括：AC/DC电源变换模块，该AC/DC电源变换模块将具有宽范围的交流输入电压转换为恒定的直流电压输出；以及

本安输出保护模块，本安输出保护模块将取样的输出电流处理成与输出电流成线性关系的电压值后，将该电压值与AC/DC电源变换模块输出的电压一起加到本安输出保护模块的保护电路输入端，经过保护电路的处理以实现过流、过压、短路及轻载保护。

采用了上述方案，本实用新型防爆电源能提高防爆电源的输入电压变化适应范围，使其能充分适应60-240V波动范围的供电输入。本实用新型防爆电源由外部输入DC12.6V直流电压，经过取样电阻获得一个与输出电流成线性的微电压值，经过电流检测电路处理后获得一个0-10V的电压值，该电压值与输出电流成线性关系。该电压值与直流本安输出电压一起加到保护电路的输入端，每级保护电路根据这两个电压值与基准电压值的比较，实现过流、过压、短路及轻载保护，控制对应的电子开关产生保护动作，实现本安输出电压的保护。

附图说明

图1表示实用新型防爆电源外观及内部布置图；

图2表示本实用新型防爆电源电路框图；

图3表示本实用新型防爆电源AC/DC电压变换模块的原理图；

图4表示本实用新型的本安输出保护模块三级保护电路的框图；

图5表示本实用新型本安输出保护模块单级保护电路框图；

图6表示本实用新型本安输出保护模块的原理图。

具体实施方式

参照图1，表示宽范围ia等级的防爆电源装配在隔爆箱内中的机械结构剖面图，防爆电源交流电压的引入采用大喇叭嘴1和交流接线端子3，防爆电源本安输出保护模块采用直流本安接线端子4和小喇叭嘴2，隔爆箱体内装有二个独立的AC/DC灌封电源模块5，构成独立的两路电源输出。防爆电源的具体电路结构如下：

参照图2，防爆电源由AC/DC电源变换模块10和本安输出保护模块20。其中，AC/DC电源变换模块将具有宽范围的交流输入电压转换为恒定的直流电压输出，AC/DC电源变换模块可接收60～240V的输入电压，在本实施例中，输入AC127V交流电压，输出为12.6V直流电压。本安输出保护模块，本安输出保护模块20将取样的输出电流处理成与输出电流成线性关系的电压值后，将该电压值与AC/DC电源变换模块输出的电压一起加到本安输出保护模块的保护电路输入端，经过保护电路的处理以实现过流、过压、短路及轻载保护。本安输出保护模块20输入12.6V直流电压，输出12.4V直流电压。AC/DC电源变换模块10和本安输出保护模块之间采用2根导线连接。

参照图3，AC/DC电源变换模块包括：EMC抗干扰滤波电路、输入整流滤波电路、开关电源芯片、高频开关变压器、电压反馈电路、输出整流滤波电路以及反馈整流滤波电路。

参照图3，EMC抗干扰滤波电路主要由电阻、共模扼流圈、差模抑制电容、共模抑制电容组成，电阻用于消除可能在滤波器中出现的静电积累，共模扼流圈的两个线圈匝数相等，对差模电流和主电流所产生的磁通是方向相反、互相抵消的，但对共模干扰信号，能够得到一个大的电感量呈现高阻抗，以获得最大的滤波效果，因此对其有良好的抑制作用，差模抑制电容被用来衰减差模干扰，共模抑制电容用来衰减共模干扰。

参照图3，输入整流滤波电路将宽范围的交流输入电压进行整流及滤波形成直流电压。输入整流滤波电路主要由桥式直流桥堆BD1和滤波电容C5组成，输入整流滤波电路把50Hz的交流工频电压变成直流。

参照图3，开关电源芯片U1将输入整流滤波电路输出的直流电压进行开通和关断，输出高频脉冲电压，开关电源芯片为TOPXXX系列芯片。

参照图3，高频开关变压器T1将开关电源芯片输入的高频脉冲电压变换为低压的脉冲电压输出。

参照图3，电压反馈电路检测高频开关变压器输出的脉冲电压误差信号，经反馈整流滤波后反馈到开关电源芯片，通过开关电源芯片对输出电压进行精确的调整，使输出电压保持恒定。电压反馈电路由误差放大器、光电隔离耦合器U2组成。误差放大器由三端稳压器TL431和电阻R15、电阻R16组成。高频开关变压器的输出电压经R15，R16分压后得到取样电压，与三端稳压器TL431内部2.50V基准电压源进行比较之后，输出误差电流信号(三端稳压器TL431内部包含2.50V基准电压源、误差放大器和开关式晶体管驱动器，用来作为开关电源芯片的外部误差放大器)。再通过PC817型光电隔离耦合器U2流入开关电源芯片的控制端，直接控制输出占空比，获得稳定电压输出。改变电阻R15与电阻R16的分压比，可以调整输出电压的标称值。控制环路的频率响应由与光电隔离耦合器U2发射极连接的电阻R11和电容C15的大小所决定，R11的阻值范围是6.2Ω～15Ω。通过电压反馈电路，当交流输入电压在AC60～240V范围内变化、负载或环境条件改变时能及时反馈，检测出输出电压的变化量并输送至开关电源芯片，以对输出电压进行精确的调整，使输出电压保持恒定。

参照图3，反馈整流滤波电路与高频开关变压器T1的偏置绕组连接，反馈整流滤波电路由二极管D5、电阻R10、电容C13组成，其中二极管D5、电容C13用来对变压器偏置绕组耦合到的脉冲电压进行整流和平滑滤波以减少其直流输出电压的纹波，同时防止空载到满载的瞬态期间偏置电压的下降。电阻R10与电容C13一起构成尖峰电压滤波器，用来实现漏感尖峰滤波，使偏置电压在负载较重或变化很大时仍能保持恒定。

参照图3，输出整流滤波电路将高频开关变压器T1输出的电压进行整流和平滑滤波以减少其直流输出电压的纹波。输出整流滤波电路由二极管D4、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、共模扼流圈L2组成。

参照图3，AC/DC电源变换模块10的工作过程如下：当外部127V交流输入电压从防爆电源的大喇叭嘴引入至AC/DC电源变换模块时，首先由EMC抗干扰滤波电路对其进行抗干扰滤波处理，然后进行整流滤波，输出DC180左右的直流电压，通过开关电源芯片U1的开通和关断，在高频开关变压器T1的初级绕组得到频率为132KHZ的高频高压脉冲电压，通过高频开关变压器T1的磁场耦合，在高频开关变压器T1次级绕组和补偿级绕组分别得到频率为132KHZ的高频低压脉冲电压，次级绕组的感应电压经输出整流滤波电路进行整流和滤波处理后输出12.6V的直流电压，补偿级绕组感应电压经二极管整流滤波电路后输出4.8-5.8V的直流控制电压。当出现输入电压大幅度变化、负载变化、温度变化等因数时，通过电压反馈电路检测到输出电压的改变，控制电压改变，电压反馈电路检测的变化量输送至开关电源芯片触发脉冲宽度改变，以保证输出电压的稳定。

通过以上的分析可以得出，由于AC/DC电源变换模块10的作用，能使本实用新型防爆电源的交流输入电压在AC60～240V范围内变化、负载或环境条件改变时能及时反馈、检测并进行闭环调整，使输出电压保持恒定。

参照图4，本实用新型的本安输出保护模块由三级结构相同的保护电路组成，为了便于说明，取其中的一级保护电路进行说明。

参照图5，为第一级保护电路的电路方框图，其包括基准电压输出电路21，短路保护检测电路22，过压保护检测电路27、电流检测装置，过流保护检测电路24，轻载保护检测电路25，单稳态触发器电路U20，电子开关。下面对各部分电路进行详细说明：

参照图6，(本安输出保护模块的三级结构相同的保护电路的原理图，为了便于说明，取其中的一级保护电路进行说明)，基准电压输出电路21提供基准比较电压值。基准电压输出电路由三端稳压器PW1及第一电阻R17、第二电阻R18和第四电阻R20组成，第一电阻R17、第二电阻R18和第四电阻R20依次串联，三端稳压器PW1的调整端连接在第一电阻17与第二电阻18之间。基准电压输出电路21为各后级的各保护检测电路提供精密基准比较电压。

图6示意出了第一级过压保护检测电路27的结构，该过压保护检测电路27接收来自于本安输出保护模块输出端的电压，判断本安输出保护模块输出端的电压是否过压。过压保护检测电路由电阻R19、R21、比较器U1A、单稳态触发器电路U20、电子开关Q1组成，其过压保护工作过程是一旦本安输出保护模块的输出端VO、V-出现高压，由采样电阻R19、R21采得电压，经比较器U1A比较后输出低电平，由单稳态触发器电路U20输出高电平控制Q1截止，实现第一级输出过压保护。第二级过压保护检测电路和第三级过压保护检测电路的结构与第一级过压保护检测电路相同，通过三级过压保护检测电路的作用，实现多级过压保护。

图6示意出了第一级短路保护检测电路22的结构。该短路保护检测电路22接收来自于本安输出保护模块输出端的电压，判断本安输出保护模块输出端是否短路。该短路保护检测电路由电阻R22、电阻R23、电阻R25、比较器U1C、单稳态触发器电路U20、电子开关Q1组成，电阻R22、电阻R23、电阻R25构成分压电阻网络和路基准电压输出电路21组成短路保护基准比较电压，其短路保护工作过程是一旦本安输出保护模块的输出端VO、V-出现短路，比较器U1C比较后输出低电平，由单稳态触发器电路U20输出高电平控制电子开关Q1截止，实现第一级短路保护。第二级短路保护检测电路和第三级短路保护检测电路的结构与第一级短路保护检测电路相同，通过三级短路保护检测电路的作用，实现多级短路保护。

图6示意出了第一级电流检测装置的结构。电流检测装置将来自于本安输出保护模块输出端的电流处理后获得一个0-10V的电压值，该电压值与输出电流成线性关系。电流检测装置由电流取样器和电流检测电路23组成。电流取样器为取样电阻R31，经过取样电阻R31获得一个与输出电流成线性的微电压值。电流检测电路由电阻R30、电阻R40、高端电流检测芯片U30组成，电流检测电路将取样电阻输出的微电压值处理后获得一个0-10V的电压值，该电压值与输出电流成线性关系。

图6示意出了第一级过流保护检测电路24的结构。过流保护检测电路24接收来自于电流检测装置输出的电压，判断本安输出保护模块输出端的电流是否过流。该过流保护电路由电阻R30、电阻R40、高端电流检测芯片U30、比较器U1B、单稳态触发器电路U20、电子开关Q1组成，其过流保护工作过程是一旦本安输出保护模块的输出端VO、V-出现过流，由采样电阻R31采得电压，通过电阻R30、电阻R40、高端电流检测芯片U30放大，再经过比较器U1B比较后输出低电平，由单稳态触发器电路U20输出高电平控制Q1截止，实现第一级过流保护。过流保护期间由单稳态触发器电路U2定时发脉冲进行检测，尝试恢复供电，一旦过流故障消除时，单稳态触发器电路U2就自动输出低电平控制电子开关Q1开通，恢复电源供电。

图6示意出了第一级轻载保护检测电路25的结构。轻载保护检测电路25接收来自于电流检测装置输出的电压，判断本安输出保护模块输出端的电流是否轻载。轻载保护检测电路25电路由电阻R22、电阻R23、电阻R25、比较器U1D、单稳态触发器电路U20、电子开关Q1组成，电阻R22、电阻R23、电阻R25组成的分压电阻网络和基准电压输出电路21组成轻载保护基准比较电压，其轻载保护工作过程是一旦本安输出保护模块的输出端VO、V-出现轻载，经比较器U1D比较后输出低电平，由单稳态触发器电路U2输出高电平控制电子开关Q1截止，实现第一级轻载保护。第二级轻载保护检测电路和第三级轻载保护检测电路的结构与第一级轻载保护检测电路相同，通过三级轻载保护检测电路的作用，实现多级轻载保护。

单稳态触发器电路U20根据过压保护检测电路、短路保护检测电路、过流保护检测电路、轻载保护检测电路提供的电信号，输出控制开关电平信号。所述单稳态触发器为555定时器。

电子开关Q1根据单稳态触发器电路U2提供的控制信号进行导通或关断。

本安输出保护模块20的工作过程为：基准电压电路21产生标准的基准电压，用于给过压保护检测电路27、短路保护检测电路22、过流保护检测电路24、轻载保护检测电路25提供基准比较电压。本安输出保护模块20输出电压直接反馈到过压保护检测电路27的输入端，当本安输出保护模块20过压时，过压保护检测电路27输出低电平，使单稳态触发器电路U2输出高电平，电子开关Q1断开，实现本安输出端过压保护。本安输出保护模块20输出电压直接反馈到短路保护检测电路22的输入端，当本安输出保护模块20出端短路时，短路保护检测电路22输出低电平，使单稳态触发器电路U2输出高电平，电子开关Q1断开，实现本安输出保护模块20输出端短路保护。通过电流检测电路23检测本安输出保护模块20输出端电流的大小，其输出电压连接到过流保护检测电路24的输入端；当本安输出保护模块20输出端过流时，过流保护检测电路24输出低电平，使单稳态触发器电路U2输出高电平，电子开关Q1断开(暂态)，实现本安输出保护模块20输出端过流保护。电子开关Q1断开时间由单稳态触发器电路U20的延时电路决定，当延时电路延时时间到时，由于这时过流保护检测电路已输出高电平，因此这时单稳态触发器将输出低电平，电子开关接通(稳态)；当本安输出端过流时该保护电路会周期性地出现上述电子开关断开和接通过程，目的是当过流保护后电路能持续检测输出负载电流的变化，当过流故障消除时本实用新型防爆电源能自动重新恢复供电。电流检测电路23的输出电压同时连接到轻载保护检测电路25的输入端，当本安输出保护模块20输出端轻载时，轻载保护检测电路25输出低电平，使单稳态触发器电路输出高电平，电子开关断开，实现本安输出端轻载保护。

对于本领域技术人员来说由以上描述可得出一系列的改进，这些改进应纳入诸从属权利要求的保护范围内。防爆电源模块数量、外观尺寸、形状及安装位置的改变，并不脱离从属权利要求的保护范围。AC/DC电压变换模块中开关电源芯片U1型号的改变，开关频率132KHZ的改变，光电隔离耦合器U2型号的改变，三端稳压器U3型号的改变，电压反馈检测及控制电路的改变，高频开关变压器T1的改变，输出电压V+大小的改变，并不脱离从属权利要求的保护范围。本安输出保护电路中高端电流检测芯片U30型号的改变，三端稳压器PW1型号的改变，比较器U1型号的改变，单稳态触发器电路U20型号的改变，电子开关Q1型号的改变，并不脱离从属权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，其特征在于，包括：

AC/DC电源变换模块，该AC/DC电源变换模块将具有宽范围的交流输入电压转换为恒定的直流电压输出；以及

本安输出保护模块，本安输出保护模块将取样的输出电流处理成与输出电流成线性关系的电压值后，将该电压值与AC/DC电源变换模块输出的电压一起加到本安输出保护模块的保护电路输入端，经过保护电路的处理以实现过流、过压、短路及轻载保护。

2.根据权利要求1所述的具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，其特征在于：所述AC/DC电源变换模块包括：输入整流滤波电路，将宽范围的交流输入电压进行整流及滤波形成直流电压；以及

开关电源芯片，将输入整流滤波电路输出的直流电压进行开通和关断，输出高频脉冲电压；以及

高频开关变压器，将开关电源芯片输入的高频脉冲电压变换为低压的脉冲电压输出；以及

电压反馈电路，检测高频开关变压器输出的脉冲电压误差信号，经反馈整流滤波后反馈到开关电源芯片；以及

输出整流滤波电路，将高频开关变压器输出的脉冲电压进行整流和平滑滤波以减少其直流输出电压的纹波。

3.根据权利要求2所述的具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，其特征在于：所述AC/DC电源变换模块还包括一个EMC抗干扰滤波电路，该EMC抗干扰滤波电路的输出端与输入整流滤波电路的输入端连接。

4.根据权利要求2所述的具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，其特征在于：所述电压反馈电路由光电隔离耦合器和误差放大器组成。

5.根据权利要求2至4任意一项所述的具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，其特征在于：所述AC/DC电源变换模块还包括一个与高频开关变压器的 偏置绕组连接的反馈整流滤波电路。

6.根据权利要求5所述的具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，其特征在于：反馈整流滤波电路由整流滤波器和尖峰电压滤波器组成。

7.根据权利要求1所述的具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，其特征在于，本安输出保护模块包括：基准电压输出电路，提供基准比较电压值；

以及过压保护检测电路，接收来自于本安输出保护模块输出端的电压，判断本安输出保护模块输出端的电压是否过压；以及

短路保护检测电路，接收来自于本安输出保护模块输出端的电压，判断本安输出保护模块输出端是否短路；以及

电流检测装置，将来自于本安输出保护模块输出端的电流处理后获得一个0-10V的电压值，该电压值与输出电流成线性关系；以及

过流保护检测电路，接收来自于电流检测装置输出的电压，判断本安输出保护模块输出端的电流是否过流；以及

轻载保护检测电路，接收来自于电流检测装置输出的电压，判断本安输出保护模块输出端的电流是否轻载；以及

单稳态触发器电路，根据过压保护检测电路、短路保护检测电路、过流保护检测电路、轻载保护检测电路提供的电信号，输出开关电平信号；以及

电子开关，根据单稳态触发器电路提供的控制信号进行导通或关断。

8.根据权利要求7所述的具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，其特征在于，所述电流检测装置包括：电流取样器，经过取样电阻获得一个与输出电流成线性的微电压值；以及

电流检测电路，电流检测电路将取样电阻输出的微电压值处理后获得一个0-10V的电压值，该电压值与输出电流成线性关系。

9.根据权利要求7所述的具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，其特征在于：所述基准电压输出电路由三端稳压器及第一电阻、第二电阻和第四电阻组成，第一电阻、第二电阻和第四电阻依次串联，三端稳压器的调整端连接在第一电阻与第二电阻之间。

10.根据权利要求7所述的具有宽电压范围及ia等级的防爆电源，其特征在于：所述单稳态触发器为555定时器。 

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