УДК 621.3.064.4

 

ВЫБОР УСТАВОК ИСКРОБЕЗОПАСНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПО ДОПУСТИМЫМ ПАРАМЕТРАМ НАГРУЗКИ

 

И.А. Бершадский, канд. техн. наук, доц., Е.А. Кравец, магистрант группи ЭСЭм-11.

(Украина, г. Донецк, Донецкий национальный технический университет)

 

На современных предприятиях горнодобывающей и химической промышленности в технологических процессах применяются взрывоопасные и токсические вещества, поэтому на данных предприятиях существуют участки с наличием взрывоопасной среды или есть вероятность появления этой среды в случае аварийной ситуации. Повышение надежности управления технологических процессов взрывоопасных производств является важной задачей при разработке новых технологий и модернизации существующих.

В настоящее время реализация этой задачи возможна с помощью «интеллектуальных» барьеров искробезопасности, особенность которых заключается в наличии дополнительных функций, направленных на: диагностику линий связи и датчика; контроль работоспособности основных блоков барьера; анализ полученных значений с точки зрения искробезопасности; адаптацию к изменениям параметров подключенного оборудования. Благодаря этим функциям повышается надежность в работе устройств взрывоопасных производств, уменьшается человеческий фактор. Недостатком использования является его настройка по графикам, регламентируемым ГОСТом, в  цепи с линейным ограничителем.

С этой целью проведено исследование системы DART в программе Micro-Cap, при использовании которого рассчитываются нужные параметры (табл. 1); нет необходимости в использовании графиков допустимых значений,  что значительно снижает уровень погрешности и расширяет область применения «интеллектуальных» устройств искробезопасности. Исследования проведены на примере коммутации активно-индуктивной нагрузки искробезопасного источника питания типа ИПИ-24-3 (номинальное выходное напряжение 24 В, сила номинального выходного тока 3 А) с маркировкой взрывозащиты Иb по ГОСТ 12.2.020-76, выполненного по комбинированной схеме (рис. 1): с токовой отсечкой и c отключением по производной силы тока нагрузки. ИПИ-24-3 состоит из двух функциональных узлов: преобразователя напряжения сети 127…220 В в напряжение постоянного тока 12 В или 24 В и барьера искрозащиты.

Барьер искрозащиты состоит из двух силовых ключей с независимым управлением, обеспечивающим дублирование, шунта для измерения силы тока нагрузки источника и схемы управления. Для обеспечения требуемого быстродействия при ограничении силы тока на заданном уровне используются две независимые схемы сравнения, которые переводят ключи в линейный режим работы. Ограничение силы тока достигается за счет управления электрическим сопротивлением ключей. Быстродействие схем гарантирует ограничение силы тока в случае короткого замыкания за время 2...3 мкс.

Сигнал от шунта подается также на схемы дифференцирования и сравнения, реализующие компараторы. При превышении модулем скорости изменения силы тока нагрузки заданного значения 1 А/мс они воздействуют на соответствующие силовые ключи и разрывают цепь питания нагрузки. Быстродействие схем – не менее 5...7 мкс. Таким образом, при коммутации цепи нагрузки энергия источника питания почти полностью рассеивается в сопротивлениях силовых ключей и не выделяется в электрическом разряде.

Контроллер переводит барьер во включенное состояние и обеспечивает плавное включение ключей со скоростью изменения силы тока, меньшей, чем порог срабатывания схем сравнения, следит за тепловой нагрузкой ключей, не допуская их перегрева, а также контролирует напряжение на нагрузке. Он может приоритетно отключать силовые ключи и

включать их, если нет запрета на это со стороны схем сравнения. Анализируя входные сигналы, контроллер вычисляет мощность тепловой нагрузки силовых ключей и при необходимости отключает их на время паузы.

Расчетная схема цепи барьера искрозащиты показана на рисунке 1. Цепи дублирования и сервисных функций микроконтроллера не показаны, поскольку в коммутации нагрузки они не участвуют. В схеме имеются основной V1 (24 В) и вспомогательные источники напряжения V2 и V3 (5 В) для питания цепей защиты. Транзисторный ключ Х3 на полевом MOSFET-транзисторе IRL205_IR представлен корректной SPICE-моделью. Узел токовой защиты моделируется транзистором Q4, компараторы X1 и X2 обеспечивают в течение 4,7 мкс подачу отключающего сигнала на ключ Х3.

Нагрузка индуктивностью LH и сопротивлением RH отключается в момент времени c_br. Модель разряда в цепи состоит из ключа SW1, управляемого по времени, резистора RD, сопротивление которого отражает динамическую инерционную модель слаботочного разряда [2], и вспомогательной цепи (источника EI и индуктивности LI=1 Гн, рисунок 1). Резистор R0 используется для контроля силы выходного тока источника, а резистор R2 - для устранения коллизий в программе при подключении индуктивности к источнику напряжения.

На стадии проектирования и разработки целесообразно применять метод бескамерной тепловой оценки искробезопасности схем с требуемыми искробезопасными параметрами, применение которого актуально при сопоставлении различных способов обеспечения искробезопасности, в частности, измерительных органов узлов отключения при коммутации, в том числе источника питания типа ИПИ 24-3.

 

Таблица 1 - Результаты исследования

Iуст, А

I, А

R, Ом

L0MAX, мкГн

T, мкс

W, мДж

W мДж

Pср, Вт

3.3

4.95

5.5

95

19.5

649

698

13.6

2.5

3.75

6.5

105

20.4

664

679

12.8

2

3

8.65

180

17

738

753

12

1.5

2.25

11.5

290

18

662

714

10.4

1

1.5

17.5

611

19

603

625

8.71

 

Рисунок 1 –Схема расчетная по разрядам размыкания барьера искрозащиты источника питания типа ИПИ-24-3

 

Перечень ссылок

1.  Бершадский И.А., Дубинский А.А. Тестирование метода бескамерной тепловой оценки искробезопасности схемы источника питания // Взрывозащищенное электрооборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. - Донецк: УкрНИИВЭ, 2011.- С.230-240.

2.  Ковалев А.П. Моделирование параметров разряда и расчетная оценка искробезопасности при размыкании электрической цепи / А.П. Ковалев, И.А. Бершадский, З.М.Иохельсон // Электричество.– 2009.- №11.– С. 62-69.