Взрывозащищенный источник бесперебойного электропитания

Полезная модель относится к взрывозащищенным источникам бесперебойного электропитания искробезопасного электрооборудования, применяемого для автоматизации взрывоопасных промышленных объектов. При реализации полезной модели достигается следующий технический результат: расширение функциональных возможностей устройства и областей его применения, улучшение технических параметров. Заявляемое устройство содержит взрывонепроницаемую оболочку, внутри которой размещены аккумулятор и электронный блок, включающий функциональные узлы: интерфейс, два импульсных преобразователя переменного напряжения в постоянное, диодную схему ИЛИ, искрозащитную группу элементов. Указанный технический результат достигается за счет введения в электронный блок новых функциональных узлов: второй диодной схемы ИЛИ, зарядного устройства, импульсного преобразователя постоянного напряжения в стабилизированное постоянное, блокирующего диода, применения интерфейса - цифрового последовательного, а также изменения принципа работы электронного блока.

Полезная модель относится к взрывозащищенным источникам бесперебойного электропитания (в дальнейшем ЕхИП, где Ех - взрывозащищенный, ИП - источник питания) искробезопасного электрооборудования, применяемого для автоматизации взрывоопасных промышленных объектов [1] (опасных по воспламенению горючих газов, паров, пыли, волокон в смеси с воздухом), то есть ЕхИП могут сертифицироваться как взрывозашищенное электрооборудование группы I и группы П.

Известен источник БПИС12/1,8-С [Приложение к сертификату соответствия NPOCC RU. ME92.B00594. Негосударственный фонд Межотраслевой орган сертификации «Сертиум» РОСС RU.0001.IIME92]. Конструктивно источник выполнен в металлическом корпусе, внутри корпуса расположен аккумулятор и электронный блок, имеющий в составе сетевой трансформатор на частоту 50 Гц. Электронный блок заключен в дополнительную оболочку, внутренний объем которой заполнен компаундом. Вся внутренняя конструкция источника дополнительно заполнена кварцевым наполнителем.

Известное устройство БПИС12/1,8-С обладает низкими техническими (потребительскими) параметрами и ограниченными функциональными возможностями.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели (прототипом) является источник бесперебойного электропитания шахтный (далее ИБПШ-02) [Патент на полезную модель 86360 RU]. Он предназначен для бесперебойного электропитания искробезопасного электрооборудования, устанавливаемого в подземных выработках угольных шахт и их наземных сооружениях, опасных по взрыву смеси газа метана и угольной пыли с воздухом и сертифицируется как взрывозащищенное электрооборудование группы I.

Прототип состоит из металлической взрывонепроницаемой оболочки, в которой размещены электронный блок и аккумулятор. Электронный блок содержит трехбитовый интерфейс, два импульсных преобразователя переменного напряжения в постоянное с ШИМ-управлением и безтрансформаторным входом, диодную схему ИЛИ, искрозащитную группу элементов. Технические характеристики ИБПШ-02:

- выходное напряжение постоянного тока uq, В:(10,5-14);

- максимальный ток нагрузки 1 о, А:1,7;

- маркировка взрывозащиты:PBExd[ia]I/POExsiaI;

- коэффициент полезного действия, %:52;

- максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку ро, Вт:17,5.

Прототип обладает низкими техническими параметрами, ограниченными функциональными возможностями и областью применения, а именно:

- напряжение на выходе изменяется в пределах (14Л-10,5) В, при этом мощность ро, отдаваемая в нагрузку, при 1₀=1,7 А и uq=10,5 В (при работе от аккумулятора) равна 17,5 Вт, в то время как при напряжении на выходе uq=14 В (при работе от сети) при том же токе нагрузки источник мог бы отдать мощность 23,8 Вт;

- согласно техническому регламенту при применении герметизированных необслуживаемых свинцовокислотных аккумуляторов их зарядный ток, не приводящий к выделению через защитный клапан взрывоопасного водорода (100% работа внутреннего механизма рекомбинации газа), не должен превосходить значения О,1С (С - это емкость аккумулятора) - в прототипе в возможном режиме холостого хода зарядный ток не менее 0,29С;

- у прототипа уровень взрывозащиты при работе от сети РВ (взрывозащищенный) - нет РО (особовзрывозащищенный);

- прототип относится к электрооборудованию группы I (рудничное), он не может применяться как электрооборудование группы II (не рудничное);

- информационные выходы (трехбитовый интерфейс) о состоянии работы прототипа ограничены дискретными сигналами типа «сухой» контакт.

Предлагаемая полезная модель позволяет решить следующие задачи: расширить арсенал существующих ЕхИП как группы I (рудничных), так и группы II (не рудничных).

Реализованная полезная модель будет иметь лучшие технические параметры, расширенные функциональные возможности и область применения.

Указанный технический результат достигается за счет введения в электронный блок новых функциональных узлов и изменения принципа работы электронного блока.

Сущность полезной модели поясняется на фиг.1.

Заявляемая полезная модель состоит из взрывонепроницаемой оболочки 1, имеющей четыре кабельных ввода КВ1КВ4 и внутри которой размещены электронный блок 2 и аккумулятор 3; электронный блок 2 состоит из функциональных узлов: интерфейса 4, двух импульсных преобразователей 5 и 6 переменного напряжения в постоянное, диодной схемы ИЛИ 7, искрозащитной группы элементов 8, у которой первый выход - основной, а второй выход - информационный и отличается от прототипа тем, что применен интерфейс 4 другого типа, а именно - цифровой последовательный; импульсные преобразователи 5 и 6 не имеют ШИМ-управления и выполнены с двумя выходными напряжениями, причем, первое выходное напряжение подано на первый выход, второе выходное напряжение - на второй выход, а третий выход - информационный; аккумулятор 3 имеет два выхода, причем, на первый выход подано выходное постоянное напряжение, а второй выход - информационный; в электронный блок 2 введены новые функциональные узлы: вторая диодная схема ИЛИ 9, зарядное устройство 10, у которого на первый выход подано выходное постоянное напряжение, а второй выход - информационный, импульсный преобразователь 11 постоянного напряжения в стабилизированное постоянное, которое подано на первый выход, а второй выход - информационный, блокирующий диод 12; при этом, первое сетевое напряжение переменного тока частоты 50 Гц через кабельный ввод KB 1 поступает на вход импульсного преобразователя 5, первый выход которого соединен с первым входом диодной схемы ИЛИ 7; второе сетевое напряжение переменного тока частоты 50 Гц через кабельный ввод КВ2 поступает на вход импульсного преобразователя 6, первый выход которого соединен со вторым входом диодной схемы ИЛИ 7, выход которой соединен с входом импульсного преобразователя 11, с этим же входом соединен катод блокирующего диода 12, анод которого соединен с первым выходом аккумулятора 3; второй выход импульсного преобразователя 5 соединен с первым входом диодной схемы ИЛИ 9, второй выход импульсного преобразователя 6 соединен с вторым входом диодной схемы ИЛИ 9, выход которой соединен с входом зарядного устройства 10, первый выход которого соединен с входом аккумулятора 3; первый выход импульсного преобразователя 11 соединен с входом искрозащитной группы элементов 8, первый выход которой через кабельный ввод КВ3 соединяется с нагрузкой; входы интерфейса 4 соединяются с соответствующими информационными выходами функциональных узлов: импульсного преобразователя 5, импульсного преобразователя 6, импульсного преобразователя 11, зарядного устройства 10, аккумулятора 3, искрозащитной группы элементов 8; выход интерфейса 4 через кабельный ввод КВ4 соединяется с внешним устройством.

Рассмотрим работу полезной модели в нормальном режиме. В импульсных преобразователях 5 и 6 сетевые напряжения с частотой 50 Гц выпрямляется, выпрямленные напряжения преобразуются в переменное с частотой 50 кГц, которое приложено к первичной обмотке разделительного трансформатора, имеющего две вторичные обмотки. Напряжения вторичных обмоток выпрямляются и подаются соответственно на первый и второй выходы преобразователей, первые выходы которых соединены с первым и вторым входами диодной схемы ИЛИ 7, с выхода которой напряжение подается на вход импульсного преобразователя 11, на этот же вход через блокирующий диод 12 подается, также, напряжение с первого выхода аккумулятора 3, при этом необходимое условие - напряжение аккумулятора меньше напряжения на выходе диодной схемы ИЛИ 7. Тогда при наличии напряжения в одной или двух сетях блокирующий диод 12 заперт и импульсный преобразователь 11 потребляет ток от выхода диодной схемы ИЛИ 7, при пропадании напряжения в обеих сетях - от первого выхода аккумулятора 3. Возможность такой работы определяется большим диапазоном входного напряжения преобразователя 11-(9÷36) В. В результате на выходе ЕхИП будет стабилизированное напряжение 12 В независимо от колебаний напряжения в сетях или разряде аккумулятора 3. Со вторых выходов преобразователей 5 и 6 подается напряжение на первый и второй входы диодной схемы ИЛИ 9, с выхода которой напряжение поступает на вход зарядного устройства 10, выполненного в виде импульсного понижающего стабилизатора и заряжающего аккумулятор 3 по стандарту I-U. Режим работы зарядного устройства 10 с аккумулятором 3 - буферный. В зарядном устройстве 10 осуществляется автоматическая защита от глубокого разряда аккумулятора. Ток заряда аккумулятора 3 настраивается на величину 0,1С и не зависит от режима работы ЕхИП (холостого хода или под нагрузкой).

Интерфейс 4 имеет в составе цифровой микроконтроллер с аналоговыми и цифровыми портами, снабженный цифровым последовательным интерфейсом. Позволяет осуществлять развитый мониторинг работы ЕхИП с верхнего уровня АСУ ТП с выполнением функций:

- визуализация режима работы (от сети или аккумулятора);

- визуализация степени разряда - заряда аккумулятора;

- поиск и локализация неисправностей.

Функции искрозащитной группы элементов 8: защита выхода ЕхИП и внешних нагрузок от перегрузки по току, от тока короткого замыкания, минимизация энергии, выделяющейся в искровом промежутке, при коротком замыкании на выходе ЕхИП. Схема искрозащитной группы элементов 8 выполнена по принципу порогового устройства. Величина установленного порога определяет величину тока ограничения при перегрузке и коротком замыкании. Если ток нагрузки превышает ток ограничения, то нагрузка отключается. Один из основных параметров - энергия, выделяющаяся в искровом промежутке при коротком замыкании выхода ЕхИП, имеющего мощность 24 Вт - не более 15 мкДж (микроджоулей), что определяет применимость искрозащитной группы элементов 8 в ЕхИП групп I, IIА, IIВ, IIС [3]. Искрозащитная группа элементов 8 имеет два исполнения. Первое исполнение: монтаж узла на общей печатной плате, покрытой лаком. Маркировка взрывозащиты ЕхИП с таким исполнением: РВ Ex d [ia] I / РО Ex d ia I, 1 Ex d [ia] IIС T6 / 0 Ex d ia IIС T6. Второе исполнение: искрозащитной группы элементов 8 выполнена как отдельный монолитный блок, герметизированный компаундом и имеющий выводы для монтажа на печатную плату. Маркировка взрывозащиты ЕхИП с таким исполнением: РО Ex d s [ia] I, 0 Ex d s [ia] IIС T6.

Рассмотрим работу полезной модели в динамическом режиме. При коротком замыкании или перегрузке по току на выходе ЕхИП срабатывает пороговое устройство искрозащитной группы элементов 8, находящееся до этого в нормальном состоянии, и отключает выход искрозащитной группы элементов 8 от нагрузки. При этом запускается генератор, входящий в состав искрозащитной группы элементов 8, который вырабатывает восстанавливающие импульсы, возвращающие пороговое устройство в нормальное состояние. Если при этом короткое замыкание или перегрузка кратковременны, то ЕхИП останется в нормальном режиме работы. При продолжительном по времени коротком замыкании или перегрузке, генератор будет вырабатывать последовательность импульсов, при этом на каждый импульс будет срабатывать на короткое время пороговое устройство. После устранения причин короткого замыкания или перегрузки нормальная работа ЕхИП восстановится, таким образом, автоматически.

Преимущества предлагаемой полезной модели по сравнению с представленным прототипом:

- выходное стабилизированное напряжение U₀ как при колебаниях напряжения в сети (при работе от сети), так и при разряде аккумулятора (при работе от аккумулятора);

- ток заряда аккумулятора равен 0,1C независимо от режима работы;

- может сертифицироваться как электрооборудование группы I (рудничное) и электрооборудование группы II (нерудничное);

- возможность сертификации с уровнем взрывозащиты РО (особовзрывозащищенное) для группы I; 0 (особовзрывозащищенное) для группы II;

- наличие интерфейса цифрового последовательного позволяет встраивать ЕхИП в АСУ технологическими объектами в качестве подсистемы электропитания с возможностью организации развитого мониторинга работы подсистемы с верхнего уровня АСУ.

Пример конкретной реализации устройства.

В качестве корпуса применена взрывонепроницаемая оболочка типа OЭAB-3,1B1,5-ExdIU/ExdIIBU.ZAM.ПИНЮ.301191.004 ТУ, которая выпускается заводом ОАО «ВЭЛАН» г.Зеленокумск. Функциональные узлы электронного блока выполнены на стандартной элементной базе. Номенклатура аккумуляторов (герметизированных необслуживаемых свинцовокислотных) широко представлена на рынке такими фирмами, как FIAMM, Sonnenschein, CSB, TUDOR, Europower, Yusa и т.д. При реализации применен аккумулятор типа HR 1234W F2 фирмы CSB на 12 B емкостью 9 A-час.

Технические характеристики реализованного устройства:

Примечание. В квадратных скобках, для сравнения, приведены параметры прототипа ИБПШ-02.

Реализованное заявляемое устройство по сравнению с прототипом имеет стабильное выходное напряжение, больший максимальный ток нагрузки, большую мощность, больший к.п.д..

ЛИТЕРАТУРА

1. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». - 2-ое изд., с изм. - М.:ФГУП «НТЦ» по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004. - 28 с.

2. ГОСТ Р 51330.0-99 Электрооборудование взрывозащищенное. Общие положения.

3. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть II. Искробезопасная электрическая цепь i.

1. Взрывозащищенный источник бесперебойного электропитания, состоящий из имеющей четыре кабельных ввода взрывонепроницаемой оболочки, внутри которой размещены электронный блок и аккумулятор; электронный блок состоит из функциональных узлов: интерфейса, первого и второго импульсных преобразователей, преобразующих переменное напряжение в постоянное, диодной схемы ИЛИ, искрозащитной группы элементов, имеющей первый выход - основной и второй выход - информационный, отличающийся тем, что интерфейс - цифровой последовательный; первый и второй импульсные преобразователи выполнены с двумя основными выходами - первым и вторым, а третий выход - информационный; аккумулятор имеет первый выход - основной, а второй выход - информационный; в электронный блок введены новые функциональные узлы: вторая диодная схема ИЛИ; зарядное устройство, у которого первый выход - основной, а второй выход - информационный; третий импульсный преобразователь, преобразующий постоянное напряжение в стабилизированное постоянное, у которого первый выход - основной, а второй выход - информационный; блокирующий диод; при этом к входу первого импульсного преобразователя через первый кабельный ввод подключена первая внешняя сеть, первый выход первого импульсного преобразователя соединен с первым входом первой диодной схемы ИЛИ; к входу второго импульсного преобразователя через второй кабельный ввод подключена вторая внешняя сеть, первый выход второго импульсного преобразователя соединен с вторым входом первой диодной схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом третьего импульсного преобразователя и катодом блокирующего диода, анод которого соединен с первым выходом аккумулятора; второй выход первого импульсного преобразователя соединен с первым входом второй диодной схемы ИЛИ, с вторым входом которой соединен второй выход второго импульсного преобразователя, с выходом второй диодной схемы ИЛИ соединен вход зарядного устройства, первый выход которого соединен с входом аккумулятора; первый выход третьего импульсного преобразователя соединен с входом искрозащитной группы элементов, первый выход которой через третий кабельный ввод соединен с нагрузкой; входы интерфейса соединены с соответствующими информационными выходами функциональных узлов, а выход интерфейса через четвертый кабельный ввод соединен с внешним устройством.

2. Источник питания по п.1, отличающийся тем, что искрозащитная группа элементов выполнена в виде отдельного монолитного блока, герметизированного заливкой компаундом.