矿用本质安全型开关电源的研究

矿用本质安全型电源主要为矿井中的监测、通信等设备供电,是矿用电气设备的关键部件,对于煤矿安全生产有着至关重要的作用。而矿用开关电源相比较于矿用线性电源,又有着体积小、重量轻,效率高等多种优点,因而有着很广阔的应用前景。针对传统的矿用本质安全型开关电源,存在输出功率小,电路动态响应慢等问题,本课题基于动态电弧识别及关断(Dynamic Arc Recognition and Termination,DART)技术,对矿用本质安全型开关电源进行深入的研究。本文的主要工作如下:针对传统的本质安全型开关电源输出采用限压限流等保护措施,存在响应慢、输出功率小的问题,本课题采用DART技术,检测电路动态参数,电流变化率,提前预知电路故障状态。当电流变化率超过系统规定的临界值而将系统迅速过渡到安全状态,大大缩短了电源的响应时间,此时产生的电弧能量远远小于最小点燃能量。本课题详细分析了 DART技术基本原理,进一步详细讨论了由DART技术发展形成的Power-i系统。另一方面,煤矿中的一些关键设备需要不间断供电,基于此本课题设计了一款矿用输出型本质安全开关电源。宽电压60VAC-180VAC交流输入,直流输出18V/1.3A,采用在线式不间断电源结构,前级输入端采用反激变换器,储能部分采用锂电池,通过双向DC/DC变换器与母线进行能量交换,后级输出部分采用升降压变换器。在Matlab软件中对离散系统进行控制环路补偿设计,在Simulink软件中对电路进行仿真,制作实验样机,验证电路设计。最后,设计了一款基于DART技术的保护电路,电路具有软启动、自恢复等功能。在Pspice仿真软件中对电路参数进行仿真实验;制作实验样机,对于阻性负载,额定输出18V/1.3A,电路在5μs网内实现保护,电弧能量0.1073mJ,远小于最小点燃能量,满足设计要求。