礦用本安型傳感器浪涌仿真與整改思路范文

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摘要：以煤礦本安型傳感器為試驗(yàn)對(duì)象，利用ADS仿真軟件對(duì)浪涌抗擾度試驗(yàn)進(jìn)行模擬;針對(duì)試驗(yàn)中施加正向浪涌干擾，傳感器端電壓出現(xiàn)反向缺口復(fù)位重啟的現(xiàn)象，通過(guò)變量掃描仿真分析探討了模型中各參數(shù)對(duì)反向缺口的影響。仿真結(jié)果表明：傳感器的4種等效模型不影響仿真波形，但TVS會(huì)加速缺口的產(chǎn)生，作為輔助設(shè)備參與試驗(yàn)的供電電源內(nèi)阻會(huì)對(duì)端電壓波形產(chǎn)生較大影響，而置于TVS前端的電感和二極管都對(duì)反向電壓缺口有改善作用。

關(guān)鍵詞：煤礦本安型傳感器；電磁兼容；浪涌抗擾度；仿真分析；參數(shù)掃描分析

煤礦井下巷道呈條狀分布、空間有限，各種大型或高頻電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾影響著礦井監(jiān)控和通信系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常工作[1-2]。浪涌作為一種常見(jiàn)的干擾形式，是開(kāi)關(guān)電源設(shè)備、變頻設(shè)備等大功率設(shè)備的啟停引起的一種瞬態(tài)的過(guò)電壓和短路電流，對(duì)電子設(shè)備的破壞也最為嚴(yán)重[3]。目前對(duì)礦井浪涌的電磁特性及防爆殼體對(duì)浪涌屏蔽效能等方面研究取得了部分成果[4-8]，但對(duì)煤礦產(chǎn)品特別是本安型設(shè)備的浪涌抗干擾設(shè)計(jì)方面的文章較少，大都是一些綜述性或通用性的整改建議[9-11]。與非煤行業(yè)相比，煤礦本安型設(shè)備以性能判據(jù)A通過(guò)浪涌抗擾度試驗(yàn)仍是各廠家公認(rèn)的難點(diǎn)，這從最新的標(biāo)準(zhǔn)[12]和通知[13]對(duì)浪涌抗擾度試驗(yàn)要求僅為判據(jù)B可以體現(xiàn)。其原因一方面是受制于煤礦安規(guī)[14-17]的特殊要求[18]；另一方面是各企業(yè)技術(shù)人員整改時(shí)，大都直接移植其他領(lǐng)域成熟的防護(hù)電路來(lái)作試探性的測(cè)試，對(duì)試驗(yàn)機(jī)理和瞬態(tài)過(guò)程研究不深，以至于無(wú)法準(zhǔn)確把握整改方向。為此以本安型傳感器為研究對(duì)象，針對(duì)電源端口浪涌抗擾度試驗(yàn)的具體問(wèn)題，利用仿真軟件對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析研究。

1浪涌抗擾度試驗(yàn)現(xiàn)象及仿真模型建立

1.1試驗(yàn)現(xiàn)象按照標(biāo)準(zhǔn)[19-20]要求，進(jìn)行傳感器直流電源端口浪涌抗擾度試驗(yàn)，傳感器作為被試設(shè)備（EUT），穩(wěn)壓源作為輔助設(shè)備（AE），采用發(fā)生器直接注入的方式進(jìn)行，試驗(yàn)電壓為線-線1kV（3級(jí)），正負(fù)各5次，脈沖間隔時(shí)間1min。在傳感器初級(jí)整改后，仍會(huì)在正向浪涌抗擾度試驗(yàn)中出現(xiàn)復(fù)位重啟，通過(guò)示波器對(duì)傳感器電源入口電壓捕捉發(fā)現(xiàn)，在施加+1kV浪涌干擾時(shí)，傳感器電源端電壓出現(xiàn)近500μs的反向電壓缺口，穩(wěn)壓源輸出電壓也出現(xiàn)下降。正是此缺口造成了傳感器的短時(shí)斷電復(fù)位。為解決這一問(wèn)題，利用ADS軟件對(duì)該試驗(yàn)進(jìn)行仿真，以便分析各電路參數(shù)對(duì)反向缺口的影響，理清后續(xù)整改思路。

1.2仿真模型建立浪涌抗擾度試驗(yàn)仿真模型由發(fā)生器、耦合去耦網(wǎng)絡(luò)（CDN）、被試設(shè)備（EUT）、輔助設(shè)備（AE）4部分組成。

2仿真模型參數(shù)變量分析

在仿真模型中，發(fā)生器和CDN模型參數(shù)是確定的，EUT和AE的參數(shù)并不確定，了解各參數(shù)對(duì)波形的變化影響，有助于后續(xù)傳感器電路的整改設(shè)計(jì)。將傳感器等效電路中保護(hù)器件TVS去除，分別在傳感器等效為純電阻R等效、RC等效、LR等效、LRC等效的4種情況下進(jìn)行仿真，傳感器仿真波形如圖2。如圖2（a），傳感器電源端口電壓與浪涌發(fā)生器輸出電壓基本同步，隨著發(fā)生器浪涌電壓回落0軸振蕩一起振蕩，因沒(méi)有鉗位器件存在，所以幅度更大，出現(xiàn)的反向電壓缺口也都在500μs左右，與圖2（b）加入TVS時(shí)的波形比較可得，TVS的引入在鉗位浪涌高壓保護(hù)傳感器的同時(shí)也加速電壓反向缺口的產(chǎn)生。

3仿真整改思路探討

第2節(jié)中，對(duì)Li的掃描仿真分析顯示，位于TVS后端的電感雖然無(wú)力減小反向缺口，但其缺口波形呈現(xiàn)出了些許變化。因電感對(duì)高壓不敏感，且電感本安參數(shù)取值較電容相對(duì)寬裕，可從實(shí)際電路設(shè)計(jì)和整改出發(fā)，考慮將TVS前端串入電感，再次進(jìn)行仿真。

4結(jié)語(yǔ)

1）浪涌抗擾度試驗(yàn)中，本安型設(shè)備受儲(chǔ)能元件容量限制，無(wú)法與CDN中大電容大電感抗衡，浪涌干擾的反向振蕩會(huì)引起反向電壓缺口，電壓型防護(hù)器件會(huì)加速這種缺口的到來(lái)。2）本安型傳感器浪涌抗擾度試驗(yàn)中，為其供電的輔助設(shè)備參數(shù)可能會(huì)影響試驗(yàn)的最終結(jié)果。3）本安允許的條件下，在電壓型浪涌防護(hù)器件外部串聯(lián)電感，有助于緩解反向缺口。4）浪涌抗擾度試驗(yàn)中，二極管的應(yīng)用對(duì)于改善反向缺口具有重要作用，但需要注意其選型。

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作者：張子良1，2，3單位：1．煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，3．北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心