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基于后備電源的消防應急卷簾門控制系統方案設計

發布者:BlissfulJoy最新更新時間:2025-05-12 來源: eepw關鍵字:后備電源  控制系統 手機看文章 掃描二維碼
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火災的預防和阻斷是一個關乎到生命財產安全的重要問題[1]。消防卷簾門的使用可以大大降低火災的蔓延,為救援工作爭取時間。火災發生時遠程控制信號的丟失將降低系統的可靠性,因此需要設計一款就地控制卷簾門動作的系統,能自動關閉以隔離火源。當火災發生電網斷電時,系統中的后備電源工作,可自動將防火卷簾門關閉,阻斷火災的蔓延。若火災時有人誤被關入,也可通過就地手動控制打開防火卷簾門,門打開到頂后還能自動再關閉,進行火災的再次阻斷。該系統結構明確,就地控制大大提高了系統工作的安全性、可靠性。



1   系統總體方案設計

圖1 所示為該系統的整體結構框圖。它由主控電路、掉電自動投切控制電路、備用電源調相控制電路和備用控制電路組成。沒有火災時,主控電路控制消防卷簾電機作為日常普通卷簾門使用,同時電網給掉電自動投切電路中的鎳鉻電池充電。當火災發生時主控電路失電,掉電自動投切電路中的鎳鉻電池為備控電路提供能量,實現自動閉門功能。

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圖2 所示為掉電自動投切控制電路結構框圖。它由EMI(電磁干擾)濾波電路、開關電源電路、充電及自動投切電路、逆變電路和正弦波發生電路組成。EMI 濾波電路濾除電路中的差模和共模干擾;開關電源電路輸出穩定的直流電源為后續的鎳鉻電池充電。正常時逆變電路不工作,當發生火災時電網斷電,鎳鉻電池通過自動投切電路給后續的逆變電路提供能量,并通過正弦波發生電路最終輸出380V 交流電。

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2   整體電路設計

圖3 為該系統的整體電路圖。比如白天的時候商場營業,主控電路工作。合上斷路器QS1、QS2,卷簾門電機正常使用。按下SB3 按鈕,卷簾門電機M 反轉,卷簾門進入打開的過程,達到上限位SQ2 時,電機M停轉。晚上的時候,商場關門,按下SB2 按鈕,卷簾門電機M 正轉,卷簾門進入關閉的過程,達到下限位SQ1時,電機M停轉。期間若斷路器QS1 一直處于合閘狀態,電網電壓給掉電自動投切控制電路IC1 提供電壓,電路中的蓄電池E 進行充電,但輸出端無輸出,后續電路不工作。當白天發生火災時,電網掉電。掉電自動投切控制電路IC1 開始工作,卷簾門電機M 由蓄電池E 供電,掉電自動投切控制電路IC1 從輸出端輸出的交流電經過備用電源調相電路IC2 后,可得到三相電壓。由于白天卷簾門已開,上限位開關SQ2 一直處于閉合狀態,因此,線圈KM4 得電,主觸點閉合。卷簾門電機M 正轉,卷簾門進入關閉的過程,達到下限位SQ1 時,電機M停轉。此時通過防火卷簾門的關閉隔離了火災。若此時有人被誤關入,可通過按下按鈕SB5 讓電機M 反轉來打開卷簾門。卷簾門上行壓到上限位開關SQ2 后又將電機M切換為正轉,關閉卷簾門。消防卷簾門電機型號為FJJ412-3P-(SXS)。

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3   掉電自動投切電路設計

3.1 EMI濾波電路

該EMI 濾波電路[2] 濾除電網中的高頻干擾信號,同時也保證后續電路產生的高頻信號不流入電網中。壓敏電阻RV1 為MYL1-250 型。當電網電壓高于250 V時壓敏電阻RV1 擊穿短路。互感濾波器L1 和L2 消除共模干擾。電容C1、C2、C3、C4 為高頻濾波電容。電容C1 和電容C4 濾除差模干擾,電容C2 和電容C3 濾除共模干擾。互感濾波器L1 和L2 為磁環電感0.4 mH。EMI濾波電路如圖4 所示。

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3.2 開關電源電路

圖5 所示為開關電源電路。控制芯片采用TEA1523P,該芯片將PWM(脈沖寬度調制)控制與電力MOSFET管(金屬- 氧化物半導體場效應晶體管)集成,縮小了開關電源的體積和復雜性[3]。經過EMI 濾波的交流電Ui 送入整流橋U1 進行橋式整流,再經過電容C5 濾波后,得到300V 左右的直流電。該直流電通過高頻變壓器T1 的1、2 腳和電感L3 后進入控制電路U2的8 腳,電路啟動工作,則高頻變壓器T1 的二次側感應出電壓。高頻變壓器T1 的3、4 腳感應電壓經二極管VD2 整流和電阻R5 限流及C7 電容濾波后,得到20 V電壓送入控制電路U2 的1 腳,并取代8 腳的電壓,使得電路U2 由啟動狀態進入到正常工作狀態。

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該電路的振蕩頻率由3腳外接的R2、C8 決定。振蕩頻率f =103 kHz ( 其中,image.pngimage.png為3 腳的振蕩電阻和電容)。高頻變壓器T1 的5、6 腳感應電壓經過VD3 整流和C10 濾波后,得到16.4 V左右的直流電壓。LED 為指示燈。

光耦U3 和穩壓器U4 組成取樣反饋電路,用來控制U2 的4 腳電壓的變化,來達到穩壓的目的。當輸出電壓增高時,經過電阻R11、R12 的分壓電壓也升高,在穩壓器U4 的R 腳電壓升高,使得K 腳電壓下降,則光耦U3 的3 腳輸出電流升高,U2 的4 腳電壓升高,此時U2內部就進行調節,PWM 波的寬度減小,占空比減小,則高頻變壓器T1 的儲能下降,5、6 腳的輸出電壓下降,達到穩壓目的。

電阻R11、R12的阻值由分壓公式image.pngimage.png得出。VS1 起到過壓保護作用,當高頻變壓器T1 的3、4 腳輸出電壓超過22 V,或者高頻變壓器T1 的1、2 腳輸入電壓超過380 V 時,U2 停止工作,過壓保護功能工作。電阻R3 起到過流保護作用。電阻R4與U2 中5 腳的內部電路形成高頻變壓器退磁電路。電阻R10 和C12 防止浪涌電流。穩壓充電電路中的熱敏電阻RT1 為負溫度系數,型號為NTC2.5D-13,防止開機瞬間的浪涌電路沖擊。高頻變壓器T1 磁芯選擇EE20;1、2 腳間線圈匝數188 匝,線徑0.26mm;3、4 腳間線圈匝數30 匝,線徑0.40 mm;5、6腳間線圈匝數19 匝,線徑0.40 mm,三股并繞;氣隙為1.24 mm。

3.3 充電及自動投切電路

充電及自動投切電路[4] 是該系統進行電能切換的樞紐,其電路如圖6 所示。該電路與后續的電路配合工作,可以完成卷簾門消防隔火的功能,工作原理大致如下:沒有火災時,Uo 對鎳鉻電池E 進行充電,VT3 截止,鎳鉻電池E 不為其后電路提供量,后續的逆變電路無法工作,高頻變壓器T2 無輸出,消防卷簾門電機M 不工作。當有火災時,電網斷電,鎳鉻電池E 可以給后續電路供電,VT3 導通,后面的逆變電路進行工作,高頻變壓器T2 有輸出,消防卷簾門電機M 自動工作,隔離火源。當火情消除,電網系統恢復供電,電網上有電壓后,VT3 又截止,消防卷簾門電機M 不工作。

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3.4 逆變電路

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3.5 正弦波發生電路

正弦波發生電路如圖8 所示。高頻變壓器T2 的三路輸出,接同樣參數的正弦波發生電路。該電路采用2 階定K 型歸一化低通濾波器[7]。采用5.1 mH 電感和4.7 μF電容組成截止頻率為1.027 kHz,特征阻抗為33Ω 的濾波器( 其中,M = 1.027 kHz/(1/2 π),K = 33 Ω/1 Ω,L’ =(1 H*K)/M,C’ = 1 F/(K*M)), 濾除其中高頻分量,進而獲得220 V、50 Hz 的正弦波電壓。

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4   備用電源調相電路設計

正弦波發生電路的各路輸出需要接調相電路的輸入,目的在于為備控電路提供相位差120 度的三相交流電。備用電源調相電路的核心如圖9 所示。

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電容C21 和電阻R31 構成相位超前電路。電容C22 和電阻R30 構成相位滯后電路。當電容C21 和C22 的容值相等,電阻R30 和R31 的阻值相等時,3、4 端子可輸出與1、2 端子電壓值大小相等,而相位相差 ±(0-180)度的有效電壓[8]。當此電路中的電容C21 = C22 = C = 100 uF,電阻R30 = R31 = R = 54.9 Ω 時,3、4 端子輸出的電壓與1、2 端子輸入的電壓相位相差±120 度(φ34 = ∠ ? 2arctan ωRC,φ43 = ∠2arctan ωRC )。為了保證電路的參數一致性,正弦波發生電路的第一路輸出可接一組備用電源調相電路,第二路輸出可接兩組串聯的備用電源調相電路,第三路輸出可接三組串聯的備用電源調相電路。

5   結束語

系統搭建的具有后備電源的消防應急卷簾門控制電路,輸入采用EMI 濾波,達到抗干擾的目的。充電電路以TEA1523P、PC817、TL431A 為核心,達到穩定充電的目的,同時具備過壓保護、過流保護、短路保護及過熱保護等功能。逆變采用SG3525 芯片,其輸出動、穩態特性均較好。其中2 階定K 型歸一化低通濾波器和備用電源調相電路結構簡單,容易實現,具有一定的實用價值。

參考文獻:

[1] 楊晨,馬峻.某大型商業綜合體火災蔓延路徑分析與消防應對措施[J].建筑安全, 2021,36(4):36-40.

[2] 劉春華.經典電子電路300例[M].北京:中國電力出版社,2015.

[3] 黃海宏,王瑩,王海欣.基于TEA1523P的開關電源設計[J].電力電子技術,2007,40(6):65-67.

[4] 劉春華.經典電子電路300例[M].北京:中國電力出版社,2015.

[5] 張德樹,吳乃海.基于SG3525A的小功率逆變器的設計與實現[J].長春工程學院學報(自然科學版),2018,19(4):14-18.

[6] 王天鳳.基于SG3525的推挽式逆變電路設計與實現[J].儀表技術,2020,4:4-6.

[7] 劉硯濤,劉玉蓓,尹偉.LC濾波器設計方法介紹及其仿真特性比較[J].電子測量技術,2010,33(5):17-21.

[8] 林志琦,紹建波,李嚴軍.一種寬范圍的移相電路[J].長春工業大學學報,2019,40(1):20-25.


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