1、防爆试验收稿日期 2023 02 16作者简介范志磊(1996)，男，研究生，研究方向为电气安全。电子开关控制火花时限模拟负载特性分析及仿真范志磊(北方工业大学电气与控制工程学院，北京100144)关键词 模拟负载;软起动;回转器;本质安全 摘要基于国家标准 GB/T 3836 322021 中的 Power i 检测系统分析了模拟负载特性，得到负载直流和交流状态下的两种不同特性，直流状态时的软起动特性及电路中非线性元件的等效电路各参数之间的关系，软起动时间与电路参数间的量化特征，交流时体现出的回转器特性。经过 Multisim 仿真验证了两种特性的正确性，对于 Power i 装置在本质安全
2、电路的应用具有重要意义。中图分类号TD684 文献标识码A 文章编号 1004 9118(2023)01 0030 06DOI:10 14023/j cnki dqfb 2023 01 008Analysis and Simulation of Artificial Load Characteristics ofSpark Time Controlled by Electronic SwitchFan zhi-lei(North China University of Technology，Beijing，100144)Key words:artificial load;soft start;
3、gyrator;intrinsically safeAbstract:Based on the Power i detection system in GB/T 3836 32 2021，the artificial loadcharacteristics are analyzed，and two different characteristics of the load under DC and AC condi-tions are obtained The soft start characteristics under DC conditions，the relationship bet
4、ween theparameters of the equivalent circuit of the nonlinear components in the circuit，and the quantitativecharacteristics between the soft start time and the circuit parameters is introduced The gyrator char-acteristics reflected in AC The two characteristics is verified by Multisim simulation，whi
5、ch are ofgreat significance for the application of Power i device in intrinsically safe circuits0引言工作于爆炸性环境的电气电子设备必须满足防爆安全性能的要求，在众多的防爆类型中，本质安全型是其中一种防爆型式，即在正常工作或规定的故障下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物。GB/T 3836 3220211 规定了电子控制火花时限维持本质安全水平的 Power i 设备相关技术要求，研究人员根据 Power i 技术原理2 设计出一种可以动态识别电弧及关断技术，即DAT 保护电路。类似这
6、种截流型保护电路有许03电气防爆 2023 年 2 月第 1 期多，通过在开关电源输出端接入截流型保护电路，可以快速检测故障并切断电源能量，进而出现了输出本质安全型开关电源3。但目前并没有对这种装置合理的检测系统，而且当输出发生故障而产生电弧时，DAT 电路检测到电弧电流变化率超过预先设置的临界值，迅速切断电源，使得产生的电弧能量低于最小点燃能量。但 DAT 电路仍存在一些不足，软起动时电流变化率较大容易造成保护电路误操作4。开关电源具有转换效率高、输入动态范围宽且体积小、重量轻等优点。煤炭、石油化工等爆炸性环境的电源普遍采用高效绿色开关电源，软起动电路又是本质安全开关电源必不可少的一部分，因
7、此对模拟负载进行研究分析5。1基于 Power i 系统的模拟负载当本安电源的输出端发生故障时，会在故障点产生电火花，如果不能及时并且彻底地切断供电电源能量的供给，那么电火花消耗的能量可能不断地得到补充，从而引爆危险气体。Power i系统，其核心思想就是在本质安全开关电源的输出端引入一个用于识别电气系统故障(例如一个火花)的快速关断功能，在故障发生之初的非常短的时间内切断供电，并立即确保能量处于安全范畴之内。如图 1 所示，为 Power i 系统保护电路的示意图，其中 V0是前级变换器的输出电压，V1是 Power i 系统保护电路的输出。保护电路分别含有电流检测部分、电流变化率检测部分以
8、及软启动部分。图 1Power i 系统保护电路原理Power i 系统通过限制电压和电流，同时通过电子控制火花时限提供保护，实现本质安全的一种方式。Power i 不依靠限制功率，而是依靠限制时间。这意味着根据不同功能要求可以提供更大的功率输出。但是只依靠检测电路电流变化率的方法，很容易造成系统正常启动时，系统自动关断，极易陷入故障，并且将潜在故障隐藏，此时外接模拟负载可以起到保护系统正常启动的作用，同时，调节模拟负载以获得 Power i 系统的最大输出功率，此过程是 Power i 装置评定系数必不可少的一部分如图 2 所示。图 2Power i 装置评定系数试验设备2模拟负载直流特性分
9、析模拟负载中具有良好的软起动特性，如图 3所示为模拟负载电路原理图。图 3模拟负载电路原理图2 1等效电路分析模拟负载中有三种非线性元件，包括 MOS管、三极管和稳压管，理论上来说 MOS 管6 和三极管有三种工作状态，稳压管有两种工作状态，当电源电压不足以使 MOS 管的 VGS达到门极驱动电压阈值时截止，此时三极管也处于截止状态。当电源电压足够 MOS 管导通时，var的阻值太小也会导致三极管截止。当三极管处于放大状态、MOS 管处于恒流区时，稳压管 D2 和 D3 截止，如图 4 所示为模拟负载软起动过程中的等效直流电路，此时三极管和 MOS 管分别处于放大区和恒流区，稳压管 D1 处于
10、稳压状态，D2 只在软起动过13防爆试验电子开关控制火花时限模拟负载特性分析及仿真程中处于稳压状态，软起动结束后 D2 截止，D3起到防止 MOS 管被击穿的作用。图 4模拟负载等效直流电路其中 on是 MOS 管导通状态下的内阻，与VGS的数值有关。经过查 IF530 数据手册，发现on在当前电压等级下取值几乎不超过 0.1，所以下面计算中将它的阻值忽略。三极管基极电压:UB=Z11+Z1(E UZ1)(1)其中 Z1为稳压管 D1 线性化电阻。MOS 管门级电压:UGS=(5+6)Z25+6+Z2(5+6)Z25+6+Z2+4()65+6()(E UZ2)(2)其中 Z2为稳压管 D2 线
11、性化电阻。流过三极管基极的电流:I IZ1+IZ2=E1Z1(1+Z1)+E UZ24+Z2(3)当时 UGS UGS(th)，MOS 管正常工作，三极管处于截止状态，由于此时 C2 仍在充电状态，电感开始充电，三极管缓慢从截止导通。漏极电压和电流 ID:UDS=E ID(var+on)(4)ID=IDSVGSVGS(th)1()2(5)式中 IDS是 VG=2 VGS(th)时的 ID。当 MOS 管的门极电压达到 VGS(th)时，电路开始软起动，此时软起动时间为电容 C2在软起动过程中的充电时间。电容充电公式:v(t)=V0+(V1 V0)1 e tC2()(6)式中 v(t)是 t 时
12、刻电容 C2的电压值，V0是电容上的初始电压值，V1是最终充到的电压值。电容 C2充电过程电压波形如图 5 所示:图 5软起动过程中 MOS 管门极电压变化波形漏极电流:iD(t)=IDSVGS(th)+(V1 VGS(th)1 e tC2()VGS(th)12(7)查阅 IF530 手册，VGS(th)=4 V，经过 matlab计算仿真得到漏极电流随着软起动时间的变化波形，如图 6 所示。图 6软起动电流变化波形三极管和稳压管组成的串联稳压电路开始工作:Ie=UB UBE UDS2(8)如表 1 所示晶体管和稳压管在负载中的工作状态。表 1非线性元件工作状态MOS 管门级电压MOS 管三极
13、管稳压管 D2VGS VGS(th)关断截止正常工作VDS VGS VGS(th)可变电阻区放大阻断VDS=VGS VGS(th)夹断区放大阻断VDS VGS VGS(th)恒流区放大阻断23电气防爆 2023 年 2 月第 1 期如图 7 所示为模拟负载电路仿真图。模拟开关电源软起动过程，开始时开关 S 断开，接入模拟负载时突然闭合开关 S，通过调节 var观察模拟负载软起动过程。图 7模拟负载仿真电路图经过仿真发现:开始启动时 MOS 管是一直工作在恒流区，而三极管是处于截止状态的，经过给电感充电，一段时间后 MOS 管的门级驱动电压达到 UGS(th)，此时三极管仍然处于断开状态，而三极
14、管 UCE是由 MOS 管的门级驱动电压所提供的，形成三极管集电极和发射极与 MOS 管的回路，电感的存在使缓慢达到三极管的导通状态下的电压值，即从截止区到饱和区，最终到放大区以实现串联稳压的作用，当然这里认为 MOS 管是理想的。三极管和 MOS 管处于放大区和恒流区时，调节的阻值实现对负载的电压和电流调节，当然电阻尽量取值不要低于 1，容易导致三极管短路。三极管的基极电压主要取决于电源电压。当 E=24 V，时，软起动时两端的电流变化波形如图 8 所示。观察示波器发现电流是缓慢上升并且电流变化率是随时间减小的，软起动时间大约 300 ms，相比较不加模拟负载而言，负载可以大大减小开关电源启
15、动时的故障率。3交流状态下负载的回转器特性分析回转器是特勒根在 1948 年首先提出来的，与电阻、电感、电容和变压器等一样被视为理想电路基本元器件。3 1回转器端口特性及实现电路回转器属于线性定常网络，能实现阻抗逆变，但不满足互易定理。回转器不仅仅是一种理想电路元件的模型，还可依据其不同的等效电路模型采用实际的不同电路器件加以实现。图 8软起动仿真波形图(a)模拟电感电路(b)等效电路图 9由一个运放组成的模拟电感电路及其等效电路由一个运放组成的模拟电感电路及其等效电路如图 9 所示。如图(a)所示电路，A 为理想运算放大器，C 为电容，可以得到以下方程:Ii=Ui 1Ii2+Ui 1Ii U
16、o1jC(9)Ui=Uo(10)将式(10)代入式(9)，整理后得:Ui=(1+2+jC12)Ii(11)因此可以得到该电路的输入阻抗 Zi:Zi=UiIi=1+2+jC12(12)从式(10)中可以看出，图 10(a)所示电路的输入阻抗为电阻和电感串联，如图 10(b)所示，其中电阻部分 =1+2，电感部分 L=12C。L即定义为模拟电感。如图 10(b)是一种常见的回转器电路，回转器是一种线性非互易的多端元件，其电路符号如图(a)所示，可视为 1 个端口。回转器的端口电33防爆试验电子开关控制火花时限模拟负载特性分析及仿真压、电流关系可用下列方程表示:I1=gU2，I2=gU1或:U1=rI2，U2=rI1(13)式中:g和r=1/g 分别为回转电导和回转电阻，简称回转常数，用矩阵可表示为:I1I2=0g g0U1U2(14)回转器属于线性定常网络，能实现阻抗逆变，但不满足互易定理。回转器不仅仅是一种理想电路元件的模型，还可依据其不同的等效电路模型采用实际的不同电路器件加以实现。采用运算放大器实现回转器的电路如图 10(b)所示。(a)回转器的电路符号图(b)双运放的回转器电路原理
