PL215120B1

PL215120B1 - Protecting system of the spark-proof circuit with voltaic separation

Info

Publication number: PL215120B1
Application number: PL386594A
Authority: PL
Inventors: Witalij Skoropacki
Original assignee: Glowny Instytut Gornictwa
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2013-10-31
Also published as: PL386594A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ ochronny z separacją galwaniczną, do zabezpieczenia iskrobezpiecznych obwodów elektrycznych funkcjonujących w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, na przykład w obecności gazów lub pary cieczy palnych, zwłaszcza w obiektach przemysłu węglowego i petrochemicznego.The subject of the invention is a protective system with galvanic separation for the protection of intrinsically safe electrical circuits operating in potentially explosive atmospheres, for example in the presence of flammable gases or vapors, especially in coal and petrochemical industries.

Układy ochronne z separacją galwaniczną stanowią alternatywę klasycznych barier Zenera, a w niektórych przypadkach są niezastąpione. Stosowanie układów ochronnych z separacją galwaniczną ułatwia spełnienie wymagań Dyrektywy ATEX w stosunku do uziemienia terminali w strefie zagrożonej wybuchem, zapewnia możliwość zasilania kilku obwodów iskrobezpiecznych z jednego źródła zasilania, realizację zdalnego iskrobezpiecznego zasilania z wykorzystaniem prądu przemiennego, jak również iskrobezpieczne zdalne zasilanie, z wykorzystaniem jednego toru przewodowego (macierzystego lub pochodnego), odbiorników energii elektrycznej rozproszonych w wyrobiskach kopalnianych, za pomocą odrębnych kanałów zasilania z wykorzystaniem ortogonalnych nośników energii elektrycznej, dla zwiększenia iskrobezpiecznej energii elektrycznej dostarczonej do tych odbiorników.Protective circuits with galvanic separation are an alternative to classic Zener barriers, and in some cases are irreplaceable. The use of protective systems with galvanic separation makes it easier to meet the requirements of the ATEX Directive in relation to the grounding of terminals in an explosive zone, it provides the possibility of supplying several intrinsically safe circuits from one power source, the implementation of a remote intrinsically safe power supply using alternating current, as well as intrinsically safe remote power supply using one wire track (parent or derivative), electric energy receivers dispersed in mine workings, by means of separate supply channels using orthogonal electric energy carriers, to increase the intrinsically safe electricity supplied to these receivers.

Znany jest, na przykład z Katalogu MTL Instruments - Bariery separujące serii MTL 3042, www.mtl-inst.com, sposób iskrobezpiecznego zasilania, według którego energia źródła prądu stałego w obwodzie wejściowym jest przetwarzana w energię prądu przemiennego, następuje separacja galwaniczna między obwodem wejściowym i obwodem wyjściowym, a iskrobezpieczeństwo obwodu wyjściowego zapewnia się drogą ograniczenia prądu w obwodzie wejściowym.For example, from the MTL Instruments catalog - MTL 3042 separating barriers, www.mtl-inst.com, the intrinsically safe power supply method is known, whereby the energy of a DC source in the input circuit is converted into AC energy, there is galvanic separation between the input circuit and the output circuit, and the intrinsic safety of the output circuit is provided by limiting the current in the input circuit.

Wadą tego sposobu jest niska iskrobezpieczna moc przekazywana do obciążenia, ponieważ w trybie awaryjnym dokonuje się tylko ograniczenie energii doprowadzanej do obciążenia, bez separacji energetycznej źródła zasilania.The disadvantage of this method is the low intrinsically safe power transferred to the load, because in emergency mode only the energy supplied to the load is limited, without energy separation of the power source.

Znany jest również, na przykład z rosyjskiego opisu patentowego nr RU 2029876, sposób iskrobezpiecznego zasilania, według którego w obwodzie wejściowym energia źródła prądu stałego również jest przetwarzana w energię prądu przemiennego wysokiej częstotliwości, zatem wysokoczęstotliwościowy prąd przemienny jest różniczkowany i przekazywany z wyjściowego do iskrobezpiecznego obwodu z wykorzystaniem operacji galwanicznej separacji i prostowania, przy czym iskrobezpieczeństwo obwodu wyjściowego zapewnia się drogą kontroli częstotliwości prądu przemiennego w chwili powstania komutacji awaryjnej w obwodzie wyjściowym, to znaczy, że w przypadku odchylenia częstotliwości prądu przemiennego od wartości ustalonej następuje ograniczenie energii wysokoczęstotliwościowego prądu przemiennego przekazywanego do obwodu wyjściowego.There is also known, for example, from the Russian patent description No. RU 2029876, a method of intrinsically safe power supply, according to which in the input circuit the energy of the DC source is also converted into high-frequency alternating current energy, therefore the high-frequency alternating current is differentiated and transferred from the output to the intrinsically safe circuit with the use of galvanic separation and rectification operation, where the intrinsic safety of the output circuit is ensured by controlling the frequency of the alternating current at the moment of emergency commutation in the output circuit, i.e. in the event of a deviation of the frequency of the alternating current from the predetermined value, the energy of the high-frequency alternating current transmitted to the output circuit.

Sposób ten jest technicznie realizowany w postaci układu ochronnego zawierającego przetwornicę prądu stałego w prąd przemienny, ogranicznik prądu i transformator separujący, włączony na wyjściu przetwornicy, przy czym została zastosowana dwutaktowa przetwornica z dwoma kluczami tranzystorowymi, których tryb pracy jest zależny od napięcia prądu przemiennego na elemencie pomiarowym w postaci rezystancji indukcyjnej. Napięcie prądu przemiennego na rezystancji indukcyjnej przez mostek prostowniczy, ograniczający rezystor i drugi transformator sprzężenia zwrotnego jest doprowadzane do baz wymienionych tranzystorów. Wzrost prądu obciążenia powyżej wartości ustalonej, powoduje zwiększenie częstotliwości pracy przetwornicy, wskutek czego wzrasta napięcie prądu na rezystancji indukcyjnej, co powoduje zmianę trybu pracy kluczy tranzystorowych i zwiększenie ich rezystancji.This method is technically implemented in the form of a protection system consisting of a DC to AC converter, a current limiter and an isolating transformer, connected at the converter output, whereby a two-step converter with two transistor keys was used, the operating mode of which depends on the AC voltage on the element. in the form of inductive resistance. The AC voltage on the inductive resistance through the rectifier bridge, limiting the resistor and the second feedback transformer, is fed to the bases of said transistors. The increase of the load current above the set value causes the increase of the frequency of the converter operation, as a result of which the voltage of the current on the inductive resistance increases, which changes the operating mode of the transistor keys and increases their resistance.

Wadą takiego układu ochronnego jest jego niezgodność z normą PN-EN 60079-11 Atmosfery wybuchowe - Część 11: Urządzenia przeciwwybuchowe iskrobezpieczne „i”, która wymaga, aby wszystkie elementy elektroniczne tworzące układ ochronny zapewniający poziom iskrobezpieczeństwa „ia” były klasyfikowane jako elementy nieuszkadzalne. W przypadku spełnienia wymagań tej normy w stosunku do trybu pracy i konstrukcji elementów elektronicznych procedura certyfikacyjna dopuszcza dwa dowolne policzalne uszkodzenia. Tak więc, w przypadku wystąpienia uszkodzenia w postaci zwarcia rezystancji indukcyjnej, układ ochronny traci swoją zdolność zabezpieczającą.The disadvantage of such a protective system is its non-compliance with the PN-EN 60079-11 standard Explosive atmospheres - Part 11: Intrinsically safe explosion-proof devices "i", which requires that all electronic components that make up the protective system ensuring the level of intrinsically safe "ia" should be classified as intrinsically safe. If the requirements of this standard are met in relation to the operation mode and design of electronic components, the certification procedure allows any two quantifiable damage. Thus, in the event of a fault in the form of an inductive resistance short circuit, the protective circuit loses its protective capacity.

W układzie ochronnym obwodu iskrobezpiecznego z separacją galwaniczną, wykonanym w postaci czwórnika z zaciskami wejściowymi dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciskami wyjściowymi dla przyłączenia iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, mającym konwerter prądu stałego na prąd przemienny wysokiej częstotliwości w postaci dwutaktowej przetwornicy transformatorowej, zawierającej dwa tranzystory i transformator separujący, którego wyjściowe uzwojenie jest podłączone do zacisków wyjściowych, według wynalazku, dodatni zacisk wejściowyIn the protection system of an intrinsically safe circuit with galvanic separation, made in the form of a cross with input terminals for connecting the non-intrinsically safe part of the electric circuit and output terminals for connecting the intrinsically safe electric circuit, having a DC to high-frequency alternating current converter in the form of a two-step transformer converter, containing two transistors and an isolating transformer, the output winding of which is connected to the output terminals, according to the invention, the positive input terminal

PL 215 120 B1 jest związany z wspólnie połączonymi końcem pierwszego uzwojenia i początkiem drugiego uzwojenia transformatora separującego, którego początek pierwszego uzwojenia, poprzez szeregowo połączone pierwszą indukcyjność i pojemność, jest związany z kolektorem pierwszego tranzystora. Obwód z szeregowo połączonych pierwszej indukcyjności i pojemności jest zbocznikowany za pomocą drugiej indukcyjności, do której jest podłączony równolegle most prostowniczy, którego ujemny biegun wyjściowy jest związany z ujemnym zaciskiem wejściowym, a dodatni biegun wyjściowy, poprzez pierwszy rezystor, jest związany z bazą drugiego tranzystora. Kolektor drugiego tranzystora jest związany z końcem drugiego uzwojenia transformatora separującego, a emitery obu tranzystorów są wspólnie podłączone do ujemnego zacisku wejściowego, który z kolei, poprzez drugi rezystor i trzeci rezystor, jest związany z dodatnim zaciskiem wejściowym, a poprzez drugi rezystor i czwarty rezystor ze wspólnie połączonymi końcem pierwszego uzwojenia sprzężenia zwrotnego i początkiem drugiego uzwojenia sprzężenia zwrotnego transformatora separującego. Początek pierwszego uzwojenia sprzężenia zwrotnego transformatora separującego jest związany z bazą drugiego tranzystora, a koniec jego drugiego uzwojenia sprzężenia zwrotnego jest związany z bazą pierwszego tranzystora.The PL 215 120 B1 is associated with the interconnected end of the first winding and the beginning of the second winding of the isolation transformer, the beginning of the first winding, through the series connected first inductance and capacitance, is associated with the collector of the first transistor. The circuit of the series connected first inductance and capacitance is bypassed by a second inductance to which a rectifier bridge is connected in parallel, the negative output pole of which is associated with the negative input terminal, and the positive output pole, through the first resistor, is associated with the base of the second transistor. The collector of the second transistor is tied to the end of the second winding of the isolation transformer, and the emitters of both transistors are jointly connected to the negative input terminal, which in turn, through a second resistor and a third resistor, is tied to the positive input terminal, and through a second resistor and a fourth resistor to the interconnected ends of the first feedback winding and the beginning of the second feedback winding of the isolation transformer. The start of the first feedback winding of the isolation transformer is tied to the base of the second transistor, and the end of its second feedback winding is tied to the base of the first transistor.

W układzie według wynalazku wyeliminowano wady znanego układu ochronnego obwodu iskrobezpiecznego oraz zapewniono jego zdolności ochronne przy powstaniu komutacji awaryjnej w obciążeniu typu „zwarcie” lub „rozwarcie”.In the system according to the invention, the disadvantages of the known intrinsically safe circuit protection system are eliminated and its protective capabilities are ensured in the event of emergency commutation in a "short-circuit" or "opening" type load.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku, przedstawiającym układ wewnętrznych połączeń poszczególnych elementów układu ochronnego obwodu iskrobezpiecznego z separacją galwaniczną.The subject of the invention is shown in an exemplary embodiment in the drawing showing the system of internal connections of individual elements of the protection system of the intrinsically safe circuit with galvanic separation.

Układ ochronny obwodu iskrobezpiecznego z separacją galwaniczną, jest wykonany w postaci czwórnika z dodatnim zaciskiem wejściowym 1 i ujemnym zaciskiem wejściowym 2, dla przyłączania nieiskrobezpiecznego źródła zasilania oraz zaciskami wyjściowymi 3 i 4 dla przyłączania iskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego. Dodatni zacisk wejściowy 1 związany jest z wspólnie połączonymi końcem pierwszego uzwojenia I i początkiem drugiego uzwojenia II transformatora separującego Tr. Początek pierwszego uzwojenia I transformatora separującego Tr, poprzez szeregowo połączone pierwszą indukcyjność L1 i pojemność C, związany jest z kolektorem pierwszego tranzystora T1. Obwód z szeregowo połączonych pierwszej indukcyjności L1 i pojemności C jest zbocznikowany za pomocą drugiej indukcyjności L2, do której jest podłączony równolegle most prostowniczy P, którego ujemny biegun wyjściowy związany jest z ujemnym zaciskiem wejściowym 2, a dodatni biegun wyjściowy, poprzez pierwszy rezystor R1, związany jest z bazą drugiego tranzystora T2, którego kolektor jest związany z końcem drugiego uzwojenia II transformatora separującego Tr. Ujemny zacisk wejściowy 2 jest związany bezpośrednio z emiterami obu tranzystorów T1 i T2, poprzez drugi rezystor R2 i trzeci rezystor R3 z dodatnim zaciskiem wejściowym 1, a poprzez drugi rezystor R2 i czwarty rezystor R4 ze wspólnie połączonymi końcem uzwojenia pierwszego sprzężenia zwrotnego III i początkiem drugiego uzwojenia sprzężenia zwrotnego IV transformatora separującego Tr, którego wyjściowe uzwojenie V jest związane z zaciskami wyjściowymi 3 i 4. Początek pierwszego uzwojenia sprzężenia zwrotnego III transformatora separującego Tr związany jest z bazą drugiego tranzystora T2, a koniec jego drugiego uzwojenia sprzężenia zwrotnego IV jest związany z bazą pierwszego tranzystora T1.The protection system of the intrinsically safe circuit with galvanic separation is made in the form of a cross with a positive input terminal 1 and a negative input terminal 2 for connecting a non-intrinsically safe power source and output terminals 3 and 4 for connecting the intrinsically safe part of the electric circuit. The positive input terminal 1 is associated with the interconnected end of the first winding I and the beginning of the second winding II of the isolation transformer Tr. The beginning of the first winding I of the separation transformer Tr, through the series connected first inductance L1 and capacitance C, is related to the collector of the first transistor T1. The circuit of the series connected first inductance L1 and capacitance C is bypassed by the second inductance L2, to which is connected in parallel a rectifier bridge P, the negative output pole of which is associated with the negative input terminal 2, and the positive output pole, through the first resistor R1, bound it is with the base of the second transistor T2, the collector of which is associated with the end of the second winding II of the separation transformer Tr. The negative input terminal 2 is connected directly to the emitters of both transistors T1 and T2, through the second resistor R2 and the third resistor R3 with the positive input terminal 1, and through the second resistor R2 and the fourth resistor R4 with the jointly connected end of the first feedback winding III and the beginning of the second feedback winding IV of the separation transformer Tr, the output winding V of which is related to the output terminals 3 and 4. The beginning of the first feedback winding III of the separation transformer Tr is related to the base of the second transistor T2, and the end of its second feedback winding IV is related to the base the first transistor T1.

Energia prądu stałego jest przetwarzana w energię prądu przemiennego wysokiej częstotliwości i przez transformator separujący Tr jest przekazywana do uzwojenia wyjściowego V tego transformatora. W stanie normalnej pracy spadek napięcia na szeregowym obwodzie rezonansowym pierwszej indukcyjności L1 i pojemności C jest minimalny i nie narusza trybu pracy dwutaktowej przetwornicy. W przypadku awaryjnego wzrostu prądu w obciążeniu częstotliwość pracy dwutaktowej przetwornicy zrośnie. Powoduje to wzrost spadku napięcia na wspomnianym szeregowym obwodzie, wskutek czego zostaje przesunięty punkt pracy drugiego tranzystora T2, co prowadzi do asymetrii pracy obu tranzystorów T1 i T2. Asymetria pracy tych tranzystorów powoduje zmniejszenie amplitudy lub zerwanie generowanych sygnałów periodycznych, a tym samym przerwanie przekazywania energii elektrycznej do obwodu chronionego. W przypadku gwałtownego spadku prądu w obciążeniu częstotliwość pracy dwutaktowej przetwornicy maleje. Powoduje to również wzrost spadku napięcia prądu przemiennego na obwodzie rezonansowym pierwszej indukcyjności L1 i pojemności C, co w sposób podobny prowadzi do ograniczenia energii elektrycznej przekazywanej do obwodu chronionego.The DC energy is converted into HF AC energy and is transferred through the isolation transformer Tr to the V output winding of this transformer. In the normal operation state, the voltage drop on the series resonant circuit of the first inductance L1 and the capacitance C is minimal and does not violate the two-step converter operation mode. In the event of an emergency increase in current in the load, the frequency of the two-stroke converter will increase. This causes an increase in the voltage drop on said series circuit, as a result of which the operating point of the second transistor T2 is shifted, which leads to an asymmetry in the operation of both transistors T1 and T2. The work asymmetry of these transistors reduces the amplitude or breaks the generated periodic signals, and thus interrupts the transmission of electricity to the protected circuit. In the event of a sudden drop in current in the load, the operating frequency of the two-stroke converter is reduced. It also causes an increase in the AC voltage drop on the resonant circuit of the first inductance L1 and the capacitance C, which similarly leads to a limitation of the electric energy transmitted to the protected circuit.

Claims

The protection system of the intrinsically safe circuit with galvanic separation, made in the form of a cross with input terminals for connecting the non-intrinsically safe part of the electric circuit and output terminals for connecting the intrinsically safe electric circuit, having a DC to high frequency AC converter in the form of a two-step transformer converter, containing two transistors and a transformer the separating transformer, the output winding of which is connected to the output terminals, characterized in that the positive input terminal (1) is associated with the interconnected end of the first winding (I) and the beginning of the second winding (II) of the separating transformer (Tr), whose beginning of the first winding ( I), through the series connected first inductance (L1) and capacitance (C), is related to the collector of the first transistor (T1), and the circuit with the series-connected first inductance (L1) and capacitance (C) is bypassed by the second inductance Bone (L2), to which a rectifier bridge (P) is connected in parallel, the negative output pole of which is associated with the negative input terminal (2), and the positive output pole, through the first resistor (R1), is associated with the base of the second transistor (T2) , the collector of which is associated with the end of the second winding (II) of the isolation transformer (Tr), and the emitters of both transistors (T1 and T2) are connected together to the negative input terminal (2), which, in turn, through the second resistor (R2) and the third a resistor (R3), is associated with the positive terminal (1), and through the second resistor (R2) and the fourth resistor (R4) to the mutually connected end of the first feedback winding (III) and the beginning of the second feedback winding (IV) of the separating transformer ( Tr), the beginning of the first feedback winding (III) of this transformer is related to the base of the second transistor (T2), and the end of its second feedback winding (IV) is related to the bases ą of the first transistor (T1).