矿用变频器本质安全型电路设计探析

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摘要：针对矿用变频器本质安全型电路远程通讯的数据失真、抗干扰能力差等问题，分析了本质安全型电路的设计原理及要求，并介绍了一种矿用变频器本质安全型通讯电路设计，为类似电路设计提供参考。

关键词：本质安全型电路；限制能量；隔离；远程通讯

0引言

随着我国大力发展绿色、低碳经济，越来越多煤矿井下选用变频器作为刮板输送机的电控设备，通过集中监控系统，实现机头、机尾驱动部负载均衡，不同工况调速运行，达到节能降耗的目的。变频器的集中监控系统，通常放置在顺槽的设备列车上，距离变频器至少500m的距离，从变频器到集中监控系统不失真地传输模拟信号是非常困难的，即使传输数字信号比如频率信号对传输线路的抗干扰性要求也很高，且这些信号传输电路均为本质安全型电路，电压和电流的安全值受到限制，还需要考虑现场本质安全型电路与非本质安全型电路2种电路间的相互隔离。本文重点阐述了本质安全型电路的设计原理及要求，并介绍一种矿用变频器本质安全型通讯电路，该电路简捷可靠，既保证了信号传输的高速、高效，又使本质安全型与非本质安全型电路得到了有效隔离，在变频器通讯过程中起到了良好的效果。

1本质安全型电路的设计原理及设计要求

（1）本质安全型电路设计原理

本质安全电路是指在规定条件下，包括正常工作和规定的条件下产生的任何电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。它将可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平，在煤矿井下起到了很好的防爆效果。含有本质安全型电路的电气设备可划分为单一式和复合式2种，其设计原理也有所不同。全部由本质安全电路组成的电气设备被称为单一式本质安全型设备，如便携式仪器仪表。该类电路设计原理主要是限制电路的电压、电流和最大功率，限制电容和电感大小。如：降低供电电源电压，采用低电压电气元件；采用限流电阻或利用导线电阻来降低本安电路的短路故障电流；采用分流安全器、并联限压器等电气件来保证电路本质安全性能不失效。复合式本质安全型电气设备是电气设备的部分电路是本质安全电路，其余部分是非本安型，如矿用隔爆兼本安型变频器。这类设备在同一隔爆外壳内含有本安与非本安2种电路，非本质安全型电路发生故障时，会影响到本质安全型电路，因此设计时需注意2种电路间的相互隔离。隔离是人们分析和评价本质安全电路性能时一个重要的技术信息，如符合要求的电气间隙、爬电距离，或依靠电气元件实现电气隔离等。一般采用以下电气件进行有效电气隔离：选择变压器进行隔离，在本质安全型变压器的原副边绕组加铜质屏蔽层，和变压器铁芯同时接地（防爆形式不要求接地时除外），且变压器绕组应用浸渍或浇封等方法加强绝缘；利用快速熔断器和晶体稳压二极管组成隔离栅或用晶体管组成限能器加以隔离，保证本质安全电路在高电压情况下的本质安全性能。

（2）本质安全型电路设计要求

①火花点燃要求安全火花的电流数值小，电压低，试验表明，能点燃瓦斯空气混合物的最小电火花能量为0.5mJ，可以按照GB3836.4-2010的规定，对有关电压、电流和电路参数的数据进行评定，确定电阻电路、电容电路、电感电路的临界点燃参数。如：电阻电路（理想状态下）的临界点燃参数约为50VA，取安全系数1.5，即直流电阻电路故障状态的安全火花系数约为33VA；②电气间隙、爬电距离要求本质安全型电路（包括通过浇封化合物、固体绝缘、复合间距）的电气间隙、爬电距离和最小相比漏电起痕指数（CTI）应符合GB3836.4-2010的规定；③介电强度要求本质安全电路和电气设备机架或可靠接地的部件之间、本质安全电路和非本质安全电路之间、各自独立的本质安全电路之间或其他电隔离元件等都应承受符合GB3836.4-2010规定的介电强度要求；④温度要求外壳、导线及元件等最高表面温度不应超过150℃；⑤其他设备内导线一般选用铜导线，对于铜导线其最高导线自热温度的最大允许电流必须符合规定。导线的电流密度不宜过大，导线的截面积应有余量。

2矿用变频器本质安全型通讯电路设计

本文的RS-485通讯隔离本安接口电路设计简单，采用高速光耦合器HCPL0601和DC/DC电源转换器B0505S，信号传输高速、高效，简化了电路，且本安与非本安电路有效隔离，很好地实现了变频器的远程通讯。

（1）电路信号分析

电路由DC/DC变换电路、输入485信号变换驱动电路光电隔离、输出485信号变换驱动电路以及过压保护电路几部分组成。标准的RS-485差分输入信号A和B从P1端子的3、4管脚引入，最终分别连接至U6（SP485）的6、7管脚，U6将差分信号转换为TTL电平信号输出。当端电平为A>B时，表示逻辑电平“1”，通过U1增强型低功耗半双工RS-485收发器SP485转换后，RO为高电平“1”，此时U3高速光耦隔离接口芯片HCPL0601的内部的发光二极管不导通，即逻辑电平为“0”，U3的6脚输出为高电平“1”，逻辑电平“1”在U6（SP485）的信号输入端为高电平，通过U4增强型低功耗半双工RS-485收发器SP485进行电平变换后，得到高电平，即U4的第6、7管脚为A>B的状态；当485端电平为A<B时，表示逻辑电平“0”，信号变换方向同理。增强型低功耗半双工RS-485收发器U4（SP485）的信号控制端电路分析：由SP485的数据手册可知RE为数据接收使能（低电平有效），而DE为数据发送使能（高电平有效），当U1的1脚逻辑电平为“0”时，U3的第6管脚的逻辑电平为“0”，此时，U5逻辑非门电路芯片74AH1G04的输入引脚2脚同样为“0”，而U5的输出引脚4脚同样为“1”，从而控制U6的DE引脚进行发送数据。此时，由于U5的第4引脚为高电平，会给电容C7进行充电，当U1的1脚逻辑电平为“1”时，U3的第6管脚的逻辑电平为“1”，而U5的输出引脚4脚同样为“0”，此时由于电容需要放电，并且电容的放电时间大于10/波特率s，故可以维持数据发送时驱动U4的DE管脚的电压。

（2）电路本质安全性能分析

电路采用DC/DC电源转换器B0505S，无需采用2套直流电源供电，简化了电路。B0505S是输入为直流+5V、输出为+5V的隔离型DC/DC电源模块，是专门针对PCB上分布式电源系统中需要与输入电源隔离且输出精度要求较高的电源应用场合而设计，工作温度-40~85℃，电磁兼容性好，可持续短路保护，隔离电压3kVDC无需外加元件。HCPL0601是一种高速光耦隔离接口芯片，下降沿延时和上升沿延时时的典型值分别是10ns和24ns，保证了驱动信号的快速性，适合高速逻辑接口、输入和输出缓冲及传统长线驱动器无法承受环境的长线驱动器。最大波特率10Mbps，(高速)最大功率损耗8mW。HCPL0601光电耦合器为结合CaAsP发光二极管和锆增益光检测器的光学耦合逻辑门器件，使能输入允许检测器可以被选通。检测器芯片输出为集电极开路肖基特钳位晶体管，内置频比可以保证5000V/μs的高共模抑制能力。这个独特设计带来最佳交流和直流电路隔离并兼容TTL，光电耦合器的交流和直流参数可在-40~85℃内得到保证，带来无障碍的系统性能。

3结语

综上所述，在煤矿井下有爆炸性危险场所的电气设备，应考虑其使用环境的特殊性和复杂性，在保证其性能的同时，采用本质安全型电路设计，做好设备的日常维护和失爆防治工作，能更好地发挥电气设备的性能，促进煤矿安全生产。

参考文献：

［1］刘开元.矿用防爆电气设备的安全性能分析［J］.山西焦煤科技，2014（S1）:131-132＋136.

［2］张力.浅谈本质安全电路的分析与评价［J］.电气防爆，2010（2）:1-4.

作者：杜卿 单位： 中煤张家口煤矿机械有限责任公司 张家口恒洋电器有限公司