專利名稱：一種提高本安開關(guān)電源性能的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境的本安開關(guān)電源，特別是一種提高本安開關(guān)電源性能的方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前國際上普遍采用的防爆類型有隔爆型、增安型、本質(zhì)安全型等等。比較各種防爆形式可知，本質(zhì)安全型電氣設(shè)備從電路的電氣參數(shù)設(shè)計(jì)保證了防爆的要求，省去了厚重的防爆外殼，有著安全程度高，體積小，重量輕，攜帶維護(hù)方便和造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，因此本質(zhì)型安全電路被廣泛應(yīng)用。大功率電氣設(shè)備的廣泛使用，增加了對大功率本安開關(guān)電源的需求。又由于本質(zhì)安全的特殊要求，當(dāng)本安電源采取并聯(lián)方式提高本安電源的功率時(shí)，會由于電流不均衡造成本安電源失效的問題，所以無法通過多個(gè)本安電源通過并聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)功率的提高。 此外，當(dāng)本安電源在滿載運(yùn)行情況下出現(xiàn)短路故障時(shí)電流變化率較大，本安開關(guān)電源的EMI 效果較差。目前為實(shí)現(xiàn)輸出本質(zhì)安全而提出的方法有(1)采用分流元件，如電感的分流元件，分流電容等，但是此方法只能用于本安電路中的元器件；(2)采用保護(hù)性組件，如進(jìn)行過流，過壓保護(hù)，但是目前多采用恒流型本安電源，發(fā)熱嚴(yán)重。(3 )對電氣設(shè)備中元件參數(shù)進(jìn)行限制，但是必須對所有的元器件故障狀態(tài)下所存儲的能量作出詳細(xì)計(jì)算，設(shè)計(jì)過程復(fù)雜且需模型準(zhǔn)確。雖然采用了各種方法來提高本安開關(guān)電源的功率，但是目前本安開關(guān)電源的功率停留在IOW左右的級別，仍然無法滿足工業(yè)現(xiàn)場的功率要求。又因?yàn)楸Ｗo(hù)方法中應(yīng)用了電力電子器件，導(dǎo)致了 EMI效果較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種提高本安開關(guān)電源性能的方法及裝置，解決目前本安開關(guān)電源功率較小，本安開關(guān)電源的EMI效果較差的問題。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的采用電感檢測電流變化率的方法，使主電路截止，同時(shí)通過電感來延遲短路時(shí)電流變化的時(shí)間，使得在電壓降為零后電流才開始上升，從而減少故障時(shí)的放電能量，同時(shí)電感控制短路時(shí)電流變化率，降低了 EMI的影響；采用由運(yùn)算放大器及電阻構(gòu)成的電流微分測量器，對輸入信號進(jìn)行檢測并放大，運(yùn)算放大器的輸出端通過邏輯門與驅(qū)動電路的輸入端連接，驅(qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的斷開與閉合；第一開關(guān)與限流電感串聯(lián)連接，限流電感延遲電流變化的時(shí)間，使電壓降為零時(shí)電流才開始上升；電流微分測量器檢測電流變化率，電感的兩端接在電流微分測量器的輸入端，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，即在電容性點(diǎn)燃情況下，電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電流微分測量器檢測到該信號并放大，放大器輸出信號使得驅(qū)動電路驅(qū)動第二開關(guān)閉合，第一開關(guān)斷開； 當(dāng)電路斷開時(shí)，即在電感性點(diǎn)燃情況下，限流電感與二極管形成內(nèi)部環(huán)路，吸收限流電感上的尖峰電壓，阻止限流電感上能量的釋放。
本發(fā)明的裝置包括電流微分測量器、驅(qū)動電路、第一開關(guān)、第二開關(guān)、電感、限流電感和二極管，電流微分測量器與驅(qū)動電路的輸入端連接，驅(qū)動電路的輸出端同時(shí)與第一開關(guān)和第二開關(guān)的控制端連接，第一開關(guān)連接在電流微分測量器和限流電感之間，與限流電感為串聯(lián)連接，第二開關(guān)的一端連接在第一開關(guān)和限流電感之間，第二開關(guān)的另一端通過電阻R接地，限流電感與二極管并聯(lián)連接，并聯(lián)連接的限流電感與二極管通過負(fù)載電阻接地；
電源的負(fù)極接地，正極連接電感，然后依次連接第一開關(guān)，限流電感，負(fù)載電阻、最后接地，當(dāng)負(fù)載發(fā)生電容性點(diǎn)燃的情況下，第二開關(guān)閉合將限流電感接地；所述的電流微分測量器，運(yùn)放Ul的一個(gè)輸入端接在電感的正端，另一輸入端分別通過電阻TP1接在運(yùn)放U2的一個(gè)輸入端，通過電阻弋及電阻慫接在運(yùn)放U3的一個(gè)輸入端；運(yùn)放U2的一個(gè)輸入端接在電感的負(fù)端，另一輸入端通過電阻A及慫接在運(yùn)放U3的一個(gè)輸入端，此輸入端通過電阻冬接地，運(yùn)放U3的另一輸入端通過電阻/P4接在運(yùn)放U3輸出端上；運(yùn)放U3輸出端與第一邏輯門 U4及第二邏輯門U5連接，再分別接到二個(gè)驅(qū)動電路的輸入端，二個(gè)驅(qū)動電路的輸出端分別與第一開關(guān)和第二開關(guān)的控制端相連接。有益效果，由于采用了上述方案電流微分測量器的運(yùn)算放大器對信號進(jìn)行檢測并放大，動算放大器的輸出端通過邏輯門接在二個(gè)開關(guān)的驅(qū)動電路輸入端，驅(qū)動電路產(chǎn)生的信號驅(qū)動二個(gè)開關(guān)的斷開與閉合；第一開關(guān)串接限流電感，利用限流電感延遲電流變化的時(shí)間，使電壓降為零時(shí)電流才開始上升，降低了故障時(shí)的放電能量，提高輸出功率；電流微分測量器檢測電流變化率，電感L1的兩端接到電流微分測量器的輸入端，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)， 即在電容性點(diǎn)燃情況下，電流微分測量器di/di變化很大，電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電流微分測量器檢測到該信號并放大，運(yùn)算放大器輸出信號使得驅(qū)動電路驅(qū)動第二開關(guān)閉合， 第一開關(guān)斷開；第一開關(guān)斷開，切斷電源向短路故障點(diǎn)的能量傳輸；第二開關(guān)閉合接入電阻R在電源內(nèi)部消耗一部分電感L的儲能，減少對故障點(diǎn)的能量釋放，軟開關(guān)方法進(jìn)一步減少了電容性點(diǎn)燃時(shí)能量釋放，從而提高了電源輸出功率，使本安開關(guān)電源的應(yīng)用范圍更加廣泛；當(dāng)電路斷開時(shí)，即在電感性點(diǎn)燃情況下，電感L與二極管D形成內(nèi)部環(huán)路，將電感上的尖峰電壓吸收，阻止電感上能量的釋放；本發(fā)明的方法，可以提高電容性點(diǎn)燃情況下的功率，而不影響原來電感性點(diǎn)燃的功率。解決目前本安開關(guān)電源功率較小，本安開關(guān)電源的 EMI效果較差的問題，達(dá)到了本發(fā)明的目的。優(yōu)點(diǎn)該方法能夠使檢測速度大大提高，同時(shí)使用電感來延遲電流變化，從而減少故障時(shí)的放電能量，有效地避免爆炸的發(fā)生，提高了本安開關(guān)電源的功率，增強(qiáng)了本安系統(tǒng)安全性和可靠性；又因?yàn)殡姼械膽?yīng)用使得電流變化率下降，從而降低了 EMI干擾。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。圖2是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)圖。圖3是火花放電能量曲線圖。圖中1、電流微分測量器；2、驅(qū)動電路；3、限流電感；RL、負(fù)載電阻；Q1、第一開關(guān)； Q2、第二開關(guān)；D、二極管；U4、非門；U5、與門；Li、電感。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 采用電感檢測電流變化率的方法，使主電路截止，同時(shí)通過電感來延遲短路時(shí)電流變化的時(shí)間，使得在電壓降為零后電流才開始上升，從而減少故障時(shí)的放電能量，同時(shí)電感控制短路時(shí)電流變化率，降低了 EMI的影響；
本發(fā)明的具體方法為電流微分測量器1由運(yùn)算放大器及電阻構(gòu)成，對輸入信號進(jìn)行檢測并放大，運(yùn)算放大器的輸出端通過邏輯門與驅(qū)動電路的輸入端連接，驅(qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號控制第一開關(guān)Ql和第二開關(guān)Q2的斷開與閉合；第一開關(guān)Ql與限流電感3串聯(lián)連接，限流電感延遲電流變化的時(shí)間，使電壓降為零時(shí)電流才開始上升；電流微分測量器1檢測電流變化率，電感L1的兩端接在電流微分測量器1的輸入端，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，即在電容性點(diǎn)燃情況下，電感L1兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電流微分測量器檢測到該信號并放大，放大器輸出信號使得驅(qū)動電路驅(qū)動第二開關(guān)Q2閉合，第一開關(guān)Ql斷開；當(dāng)電路斷開時(shí)，即在電感性點(diǎn)燃情況下，限流電感3與二極管D形成內(nèi)部環(huán)路，吸收限流電感3上的尖峰電壓，阻止限流電感3上能量的釋放。該裝置包括電流微分測量器1、驅(qū)動電路2、第一開關(guān)Q1、第二開關(guān)Q2、電感L1、限流電感3和二極管D，電流微分測量器1與驅(qū)動電路2的輸入端連接，驅(qū)動電路2的輸出端同時(shí)與第一開關(guān)Ql和第二開關(guān)Q2的控制端連接，第一開關(guān)Ql連接在電流微分測量器1和限流電感3之間，與限流電感3為串聯(lián)連接，第二開關(guān)Q2的一端連接在第一開關(guān)Ql和限流電感之間，第二開關(guān)Q2的另一端通過電阻R接地，限流電感3與二極管D并聯(lián)連接，并聯(lián)連接的限流電感L與二極管D通過負(fù)載電阻RL接地。電源的負(fù)極接地，正極連接電感Z1，然后依次連接第一開關(guān)Ql，限流電感3，負(fù)載電阻禮、最后接地，當(dāng)負(fù)載發(fā)生電容性點(diǎn)燃的情況下，第二開關(guān)Q2閉合將限流電感3接地； 所述的電流微分測量器，運(yùn)放Ul的一個(gè)輸入端接在電感、的正端，另一輸入端分別通過電阻ZP1接在運(yùn)放U2的一個(gè)輸入端，通過電阻弋及電阻慫接在運(yùn)放U3的一個(gè)輸入端；運(yùn)放U2 的一個(gè)輸入端接在電感L工的負(fù)端，另一輸入端通過電阻&及慫接在運(yùn)放U3的一個(gè)輸入端，此輸入端通過電阻冬接地，運(yùn)放U3的另一輸入端通過電阻/P4接在其輸出端上；該輸出端與第一邏輯門U4及第二邏輯門U5連接，再分別接到二個(gè)驅(qū)動電路的輸入端，二個(gè)驅(qū)動電路的輸出端與分別與第一開關(guān)Ql和第二開關(guān)Q2的控制端相連接，控制二個(gè)開關(guān)的開通與斷開。在圖3中，曲線(1)是電壓變化曲線，曲線(2)是未加電感時(shí)電流變化曲線，曲線 (3)是加入電感時(shí)電流變化曲線。單斜線構(gòu)成的區(qū)域與交叉線構(gòu)成的區(qū)域之和是未加電感時(shí)的放電量，交叉線構(gòu)成的區(qū)域是加入電感時(shí)的放電量，圖中豎線表示發(fā)生短路故障的時(shí)刻。
權(quán)利要求
1.一種提高本安開關(guān)電源性能的方法，其特征是采用電感檢測電流變化率的方法， 使主電路截止，同時(shí)通過電感來延遲短路時(shí)電流變化的時(shí)間，使得在電壓降為零后電流才開始上升，從而減少故障時(shí)的放電能量，同時(shí)電感控制短路時(shí)電流變化率，降低了 EMI的影響；采用由運(yùn)算放大器及電阻構(gòu)成的電流微分測量器，對輸入信號進(jìn)行檢測并放大，運(yùn)算放大器的輸出端通過邏輯門與驅(qū)動電路的輸入端連接，驅(qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的斷開與閉合；第一開關(guān)與限流電感串聯(lián)連接，限流電感延遲電流變化的時(shí)間，使電壓降為零時(shí)電流才開始上升；電流微分測量器檢測電流變化率，電感的兩端接在電流微分測量器的輸入端，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，即在電容性點(diǎn)燃情況下，電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電流微分測量器檢測到該信號并放大，放大器輸出信號使得驅(qū)動電路驅(qū)動第二開關(guān)閉合，第一開關(guān)斷開；當(dāng)電路斷開時(shí)，即在電感性點(diǎn)燃情況下，限流電感與二極管形成內(nèi)部環(huán)路，吸收限流電感上的尖峰電壓，阻止限流電感上能量的釋放。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的提高本安開關(guān)電源性能的裝置，其特征是該裝置包括電流微分測量器、驅(qū)動電路、第一開關(guān)、第二開關(guān)、電感、限流電感和二極管，電流微分測量器與驅(qū)動電路的輸入端連接，驅(qū)動電路的輸出端同時(shí)與第一開關(guān)和第二開關(guān)的控制端連接，第一開關(guān)連接在電流微分測量器和限流電感之間，與限流電感為串聯(lián)連接，第二開關(guān)的一端連接在第一開關(guān)和限流電感之間，第二開關(guān)的另一端通過電阻R接地，限流電感與二極管并聯(lián)連接，并聯(lián)連接的限流電感與二極管通過負(fù)載電阻接地；電源的負(fù)極接地，正極連接電感，然后依次連接第一開關(guān)，限流電感，負(fù)載電阻、最后接地，當(dāng)負(fù)載發(fā)生電容性點(diǎn)燃的情況下，第二開關(guān)閉合將限流電感接地；所述的電流微分測量器，運(yùn)放Ul的一個(gè)輸入端接在電感的正端，另一輸入端分別通過電阻TP1接在運(yùn)放U2的一個(gè)輸入端，通過電阻弋及電阻慫接在運(yùn)放U3的一個(gè)輸入端；運(yùn)放U2的一個(gè)輸入端接在電感的負(fù)端，另一輸入端通過電阻A及慫接在運(yùn)放U3的一個(gè)輸入端，此輸入端通過電阻冬接地，運(yùn)放U3的另一輸入端通過電阻/P4接在運(yùn)放U3輸出端上；運(yùn)放U3輸出端與第一邏輯門 U4及第二邏輯門U5連接，再分別接到二個(gè)驅(qū)動電路的輸入端，二個(gè)驅(qū)動電路的輸出端分別與第一開關(guān)和第二開關(guān)的控制端相連接。
全文摘要
一種提高本安開關(guān)電源性能的方法及裝置，屬于爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境的本安開關(guān)電源。采用電感檢測電流變化率的方法，使主電路截止，同時(shí)通過電感來延遲短路時(shí)電流變化的時(shí)間，使得在電壓降為零后電流才開始上升，從而減少故障時(shí)的放電能量，同時(shí)電感控制短路時(shí)電流變化率，降低了EMI的影響；該裝置的電流微分測量器與驅(qū)動電路的輸入端連接，驅(qū)動電路的輸出端與開關(guān)的控制端連接，第一開關(guān)與限流電感為串聯(lián)連接，第二開關(guān)通過負(fù)載電阻接地，限流電感與二極管并聯(lián)連接，并聯(lián)連接的限流電感與二極管通過電阻RL接地。優(yōu)點(diǎn)該方法及裝置提高了本安開關(guān)電源的功率，增強(qiáng)了本安系統(tǒng)安全性和可靠性；電流變化率下降，降低了EMI干擾。
文檔編號H02M1/44GK102237785SQ20111019685
公開日2011年11月9日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者于月森, 伍小杰, 馮海兵, 史雯, 左東升, 左蘭, 張望, 戚文艷, 李世光, 謝冬瑩 申請人:中國礦業(yè)大學(xué), 徐州寶迪電氣有限公司