礦用變頻器本質安全型電路設計探析

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摘要：針對礦用變頻器本質安全型電路遠程通訊的數據失真、抗干擾能力差等問題，分析了本質安全型電路的設計原理及要求，并介紹了一種礦用變頻器本質安全型通訊電路設計，為類似電路設計提供參考。

關鍵詞：本質安全型電路；限制能量；隔離；遠程通訊

0引言

隨著我國大力發(fā)展綠色、低碳經濟，越來越多煤礦井下選用變頻器作為刮板輸送機的電控設備，通過集中監(jiān)控系統，實現機頭、機尾驅動部負載均衡，不同工況調速運行，達到節(jié)能降耗的目的。變頻器的集中監(jiān)控系統，通常放置在順槽的設備列車上，距離變頻器至少500m的距離，從變頻器到集中監(jiān)控系統不失真地傳輸模擬信號是非常困難的，即使傳輸數字信號比如頻率信號對傳輸線路的抗干擾性要求也很高，且這些信號傳輸電路均為本質安全型電路，電壓和電流的安全值受到限制，還需要考慮現場本質安全型電路與非本質安全型電路2種電路間的相互隔離。本文重點闡述了本質安全型電路的設計原理及要求，并介紹一種礦用變頻器本質安全型通訊電路，該電路簡捷可靠，既保證了信號傳輸的高速、高效，又使本質安全型與非本質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本質安全型電路的設計原理及設計要求

（1）本質安全型電路設計原理

本質安全電路是指在規(guī)定條件下，包括正常工作和規(guī)定的條件下產生的任何電火花和熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。它將可能產生的電火花或熱效應能量限制在不能產生點燃的水平，在煤礦井下起到了很好的防爆效果。含有本質安全型電路的電氣設備可劃分為單一式和復合式2種，其設計原理也有所不同。全部由本質安全電路組成的電氣設備被稱為單一式本質安全型設備，如便攜式儀器儀表。該類電路設計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線電阻來降低本安電路的短路故障電流；采用分流安全器、并聯限壓器等電氣件來保證電路本質安全性能不失效。復合式本質安全型電氣設備是電氣設備的部分電路是本質安全電路，其余部分是非本安型，如礦用隔爆兼本安型變頻器。這類設備在同一隔爆外殼內含有本安與非本安2種電路，非本質安全型電路發(fā)生故障時，會影響到本質安全型電路，因此設計時需注意2種電路間的相互隔離。隔離是人們分析和評價本質安全電路性能時一個重要的技術信息，如符合要求的電氣間隙、爬電距離，或依靠電氣元件實現電氣隔離等。一般采用以下電氣件進行有效電氣隔離：選擇變壓器進行隔離，在本質安全型變壓器的原副邊繞組加銅質屏蔽層，和變壓器鐵芯同時接地（防爆形式不要求接地時除外），且變壓器繞組應用浸漬或澆封等方法加強絕緣；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，保證本質安全電路在高電壓情況下的本質安全性能。

（2）本質安全型電路設計要求

①火花點燃要求安全火花的電流數值小，電壓低，試驗表明，能點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，對有關電壓、電流和電路參數的數據進行評定，確定電阻電路、電容電路、電感電路的臨界點燃參數。如：電阻電路（理想狀態(tài)下）的臨界點燃參數約為50VA，取安全系數1.5，即直流電阻電路故障狀態(tài)的安全火花系數約為33VA；②電氣間隙、爬電距離要求本質安全型電路（包括通過澆封化合物、固體絕緣、復合間距）的電氣間隙、爬電距離和最小相比漏電起痕指數（CTI）應符合GB3836.4-2010的規(guī)定；③介電強度要求本質安全電路和電氣設備機架或可靠接地的部件之間、本質安全電路和非本質安全電路之間、各自獨立的本質安全電路之間或其他電隔離元件等都應承受符合GB3836.4-2010規(guī)定的介電強度要求；④溫度要求外殼、導線及元件等最高表面溫度不應超過150℃；⑤其他設備內導線一般選用銅導線，對于銅導線其最高導線自熱溫度的最大允許電流必須符合規(guī)定。導線的電流密度不宜過大，導線的截面積應有余量。

2礦用變頻器本質安全型通訊電路設計

本文的RS-485通訊隔離本安接口電路設計簡單，采用高速光耦合器HCPL0601和DC/DC電源轉換器B0505S，信號傳輸高速、高效，簡化了電路，且本安與非本安電路有效隔離，很好地實現了變頻器的遠程通訊。

（1）電路信號分析

電路由DC/DC變換電路、輸入485信號變換驅動電路光電隔離、輸出485信號變換驅動電路以及過壓保護電路幾部分組成。標準的RS-485差分輸入信號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將差分信號轉換為TTL電平信號輸出。當端電平為A>B時，表示邏輯電平“1”，通過U1增強型低功耗半雙工RS-485收發(fā)器SP485轉換后，RO為高電平“1”，此時U3高速光耦隔離接口芯片HCPL0601的內部的發(fā)光二極管不導通，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）的信號輸入端為高電平，通過U4增強型低功耗半雙工RS-485收發(fā)器SP485進行電平變換后，得到高電平，即U4的第6、7管腳為A>B的狀態(tài)；當485端電平為A<B時，表示邏輯電平“0”，信號變換方向同理。增強型低功耗半雙工RS-485收發(fā)器U4（SP485）的信號控制端電路分析：由SP485的數據手冊可知RE為數據接收使能（低電平有效），而DE為數據發(fā)送使能（高電平有效），當U1的1腳邏輯電平為“0”時，U3的第6管腳的邏輯電平為“0”，此時，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引腳進行發(fā)送數據。此時，由于U5的第4引腳為高電平，會給電容C7進行充電，當U1的1腳邏輯電平為“1”時，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”，此時由于電容需要放電，并且電容的放電時間大于10/波特率s，故可以維持數據發(fā)送時驅動U4的DE管腳的電壓。

（2）電路本質安全性能分析

電路采用DC/DC電源轉換器B0505S，無需采用2套直流電源供電，簡化了電路。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PCB上分布式電源系統中需要與輸入電源隔離且輸出精度要求較高的電源應用場合而設計，工作溫度-40~85℃，電磁兼容性好，可持續(xù)短路保護，隔離電壓3kVDC無需外加元件。HCPL0601是一種高速光耦隔離接口芯片，下降沿延時和上升沿延時時的典型值分別是10ns和24ns，保證了驅動信號的快速性，適合高速邏輯接口、輸入和輸出緩沖及傳統長線驅動器無法承受環(huán)境的長線驅動器。最大波特率10Mbps，(高速)最大功率損耗8mW。HCPL0601光電耦合器為結合CaAsP發(fā)光二極管和鋯增益光檢測器的光學耦合邏輯門器件，使能輸入允許檢測器可以被選通。檢測器芯片輸出為集電極開路肖基特鉗位晶體管，內置頻比可以保證5000V/μs的高共模抑制能力。這個獨特設計帶來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可在-40~85℃內得到保證，帶來無障礙的系統性能。

3結語

綜上所述，在煤礦井下有爆炸性危險場所的電氣設備，應考慮其使用環(huán)境的特殊性和復雜性，在保證其性能的同時，采用本質安全型電路設計，做好設備的日常維護和失爆防治工作，能更好地發(fā)揮電氣設備的性能，促進煤礦安全生產。

參考文獻：

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

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

作者：杜卿 單位： 中煤張家口煤礦機械有限責任公司 張家口恒洋電器有限公司