礦用變頻器本質(zhì)安全型電路設(shè)計(jì)探析

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摘要：針對(duì)礦用變頻器本質(zhì)安全型電路遠(yuǎn)程通訊的數(shù)據(jù)失真、抗干擾能力差等問題，分析了本質(zhì)安全型電路的設(shè)計(jì)原理及要求，并介紹了一種礦用變頻器本質(zhì)安全型通訊電路設(shè)計(jì)，為類似電路設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全型電路；限制能量；隔離；遠(yuǎn)程通訊

0引言

隨著我國(guó)大力發(fā)展綠色、低碳經(jīng)濟(jì)，越來(lái)越多煤礦井下選用變頻器作為刮板輸送機(jī)的電控設(shè)備，通過集中監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭、機(jī)尾驅(qū)動(dòng)部負(fù)載均衡，不同工況調(diào)速運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。變頻器的集中監(jiān)控系統(tǒng)，通常放置在順槽的設(shè)備列車上，距離變頻器至少500m的距離，從變頻器到集中監(jiān)控系統(tǒng)不失真地傳輸模擬信號(hào)是非常困難的，即使傳輸數(shù)字信號(hào)比如頻率信號(hào)對(duì)傳輸線路的抗干擾性要求也很高，且這些信號(hào)傳輸電路均為本質(zhì)安全型電路，電壓和電流的安全值受到限制，還需要考慮現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)安全型電路與非本質(zhì)安全型電路2種電路間的相互隔離。本文重點(diǎn)闡述了本質(zhì)安全型電路的設(shè)計(jì)原理及要求，并介紹一種礦用變頻器本質(zhì)安全型通訊電路，該電路簡(jiǎn)捷可靠，既保證了信號(hào)傳輸?shù)母咚?、高效，又使本質(zhì)安全型與非本質(zhì)安全型電路得到了有效隔離，在變頻器通訊過程中起到了良好的效果。

1本質(zhì)安全型電路的設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)要求

（1）本質(zhì)安全型電路設(shè)計(jì)原理

本質(zhì)安全電路是指在規(guī)定條件下，包括正常工作和規(guī)定的條件下產(chǎn)生的任何電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。它將可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)能量限制在不能產(chǎn)生點(diǎn)燃的水平，在煤礦井下起到了很好的防爆效果。含有本質(zhì)安全型電路的電氣設(shè)備可劃分為單一式和復(fù)合式2種，其設(shè)計(jì)原理也有所不同。全部由本質(zhì)安全電路組成的電氣設(shè)備被稱為單一式本質(zhì)安全型設(shè)備，如便攜式儀器儀表。該類電路設(shè)計(jì)原理主要是限制電路的電壓、電流和最大功率，限制電容和電感大小。如：降低供電電源電壓，采用低電壓電氣元件；采用限流電阻或利用導(dǎo)線電阻來(lái)降低本安電路的短路故障電流；采用分流安全器、并聯(lián)限壓器等電氣件來(lái)保證電路本質(zhì)安全性能不失效。復(fù)合式本質(zhì)安全型電氣設(shè)備是電氣設(shè)備的部分電路是本質(zhì)安全電路，其余部分是非本安型，如礦用隔爆兼本安型變頻器。這類設(shè)備在同一隔爆外殼內(nèi)含有本安與非本安2種電路，非本質(zhì)安全型電路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)影響到本質(zhì)安全型電路，因此設(shè)計(jì)時(shí)需注意2種電路間的相互隔離。隔離是人們分析和評(píng)價(jià)本質(zhì)安全電路性能時(shí)一個(gè)重要的技術(shù)信息，如符合要求的電氣間隙、爬電距離，或依靠電氣元件實(shí)現(xiàn)電氣隔離等。一般采用以下電氣件進(jìn)行有效電氣隔離：選擇變壓器進(jìn)行隔離，在本質(zhì)安全型變壓器的原副邊繞組加銅質(zhì)屏蔽層，和變壓器鐵芯同時(shí)接地（防爆形式不要求接地時(shí)除外），且變壓器繞組應(yīng)用浸漬或澆封等方法加強(qiáng)絕緣；利用快速熔斷器和晶體穩(wěn)壓二極管組成隔離柵或用晶體管組成限能器加以隔離，保證本質(zhì)安全電路在高電壓情況下的本質(zhì)安全性能。

（2）本質(zhì)安全型電路設(shè)計(jì)要求

①火花點(diǎn)燃要求安全火花的電流數(shù)值小，電壓低，試驗(yàn)表明，能點(diǎn)燃瓦斯空氣混合物的最小電火花能量為0.5mJ，可以按照GB3836.4-2010的規(guī)定，對(duì)有關(guān)電壓、電流和電路參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定，確定電阻電路、電容電路、電感電路的臨界點(diǎn)燃參數(shù)。如：電阻電路（理想狀態(tài)下）的臨界點(diǎn)燃參數(shù)約為50VA，取安全系數(shù)1.5，即直流電阻電路故障狀態(tài)的安全火花系數(shù)約為33VA；②電氣間隙、爬電距離要求本質(zhì)安全型電路（包括通過澆封化合物、固體絕緣、復(fù)合間距）的電氣間隙、爬電距離和最小相比漏電起痕指數(shù)（CTI）應(yīng)符合GB3836.4-2010的規(guī)定；③介電強(qiáng)度要求本質(zhì)安全電路和電氣設(shè)備機(jī)架或可靠接地的部件之間、本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路之間、各自獨(dú)立的本質(zhì)安全電路之間或其他電隔離元件等都應(yīng)承受符合GB3836.4-2010規(guī)定的介電強(qiáng)度要求；④溫度要求外殼、導(dǎo)線及元件等最高表面溫度不應(yīng)超過150℃；⑤其他設(shè)備內(nèi)導(dǎo)線一般選用銅導(dǎo)線，對(duì)于銅導(dǎo)線其最高導(dǎo)線自熱溫度的最大允許電流必須符合規(guī)定。導(dǎo)線的電流密度不宜過大，導(dǎo)線的截面積應(yīng)有余量。

2礦用變頻器本質(zhì)安全型通訊電路設(shè)計(jì)

本文的RS-485通訊隔離本安接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用高速光耦合器HCPL0601和DC/DC電源轉(zhuǎn)換器B0505S，信號(hào)傳輸高速、高效，簡(jiǎn)化了電路，且本安與非本安電路有效隔離，很好地實(shí)現(xiàn)了變頻器的遠(yuǎn)程通訊。

（1）電路信號(hào)分析

電路由DC/DC變換電路、輸入485信號(hào)變換驅(qū)動(dòng)電路光電隔離、輸出485信號(hào)變換驅(qū)動(dòng)電路以及過壓保護(hù)電路幾部分組成。標(biāo)準(zhǔn)的RS-485差分輸入信號(hào)A和B從P1端子的3、4管腳引入，最終分別連接至U6（SP485）的6、7管腳，U6將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平信號(hào)輸出。當(dāng)端電平為A>B時(shí)，表示邏輯電平“1”，通過U1增強(qiáng)型低功耗半雙工RS-485收發(fā)器SP485轉(zhuǎn)換后，RO為高電平“1”，此時(shí)U3高速光耦隔離接口芯片HCPL0601的內(nèi)部的發(fā)光二極管不導(dǎo)通，即邏輯電平為“0”，U3的6腳輸出為高電平“1”，邏輯電平“1”在U6（SP485）的信號(hào)輸入端為高電平，通過U4增強(qiáng)型低功耗半雙工RS-485收發(fā)器SP485進(jìn)行電平變換后，得到高電平，即U4的第6、7管腳為A>B的狀態(tài)；當(dāng)485端電平為A<B時(shí)，表示邏輯電平“0”，信號(hào)變換方向同理。增強(qiáng)型低功耗半雙工RS-485收發(fā)器U4（SP485）的信號(hào)控制端電路分析：由SP485的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知RE為數(shù)據(jù)接收使能（低電平有效），而DE為數(shù)據(jù)發(fā)送使能（高電平有效），當(dāng)U1的1腳邏輯電平為“0”時(shí)，U3的第6管腳的邏輯電平為“0”，此時(shí)，U5邏輯非門電路芯片74AH1G04的輸入引腳2腳同樣為“0”，而U5的輸出引腳4腳同樣為“1”，從而控制U6的DE引腳進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)。此時(shí)，由于U5的第4引腳為高電平，會(huì)給電容C7進(jìn)行充電，當(dāng)U1的1腳邏輯電平為“1”時(shí)，U3的第6管腳的邏輯電平為“1”，而U5的輸出引腳4腳同樣為“0”，此時(shí)由于電容需要放電，并且電容的放電時(shí)間大于10/波特率s，故可以維持?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送時(shí)驅(qū)動(dòng)U4的DE管腳的電壓。

（2）電路本質(zhì)安全性能分析

電路采用DC/DC電源轉(zhuǎn)換器B0505S，無(wú)需采用2套直流電源供電，簡(jiǎn)化了電路。B0505S是輸入為直流+5V、輸出為+5V的隔離型DC/DC電源模塊，是專門針對(duì)PCB上分布式電源系統(tǒng)中需要與輸入電源隔離且輸出精度要求較高的電源應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)，工作溫度-40~85℃，電磁兼容性好，可持續(xù)短路保護(hù)，隔離電壓3kVDC無(wú)需外加元件。HCPL0601是一種高速光耦隔離接口芯片，下降沿延時(shí)和上升沿延時(shí)時(shí)的典型值分別是10ns和24ns，保證了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的快速性，適合高速邏輯接口、輸入和輸出緩沖及傳統(tǒng)長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器無(wú)法承受環(huán)境的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器。最大波特率10Mbps，(高速)最大功率損耗8mW。HCPL0601光電耦合器為結(jié)合CaAsP發(fā)光二極管和鋯增益光檢測(cè)器的光學(xué)耦合邏輯門器件，使能輸入允許檢測(cè)器可以被選通。檢測(cè)器芯片輸出為集電極開路肖基特鉗位晶體管，內(nèi)置頻比可以保證5000V/μs的高共模抑制能力。這個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)帶來(lái)最佳交流和直流電路隔離并兼容TTL，光電耦合器的交流和直流參數(shù)可在-40~85℃內(nèi)得到保證，帶來(lái)無(wú)障礙的系統(tǒng)性能。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在煤礦井下有爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的電氣設(shè)備，應(yīng)考慮其使用環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，在保證其性能的同時(shí)，采用本質(zhì)安全型電路設(shè)計(jì)，做好設(shè)備的日常維護(hù)和失爆防治工作，能更好地發(fā)揮電氣設(shè)備的性能，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉開元.礦用防爆電氣設(shè)備的安全性能分析［J］.山西焦煤科技，2014（S1）:131-132＋136.

［2］張力.淺談本質(zhì)安全電路的分析與評(píng)價(jià)［J］.電氣防爆，2010（2）:1-4.

作者：杜卿 單位： 中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司 張家口恒洋電器有限公司