基于后備電源的消防應急卷簾門控制系統(tǒng)方案設計

火災的預防和阻斷是一個關乎到生命財產(chǎn)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?；馂陌l(fā)生時遠程控制信號的丟失將降低系統(tǒng)的可靠性，因此需要設計一款就地控制卷簾門動作的系統(tǒng)，能自動關閉以隔離火源。當火災發(fā)生電網(wǎng)斷電時，系統(tǒng)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(tǒng)結構明確，就地控制大大提高了系統(tǒng)工作的安全性、可靠性。

1   系統(tǒng)總體方案設計

圖1 所示為該系統(tǒng)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(wǎng)給掉電自動投切電路中的鎳鉻電池充電。當火災發(fā)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(xiàn)自動閉門功能。

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(fā)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(wěn)定的直流電源為后續(xù)的鎳鉻電池充電。正常時逆變電路不工作，當發(fā)生火災時電網(wǎng)斷電，鎳鉻電池通過自動投切電路給后續(xù)的逆變電路提供能量，并通過正弦波發(fā)生電路最終輸出380V 交流電。

2   整體電路設計

圖3 為該系統(tǒng)的整體電路圖。比如白天的時候商場營業(yè)，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(tài)，電網(wǎng)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(xù)電路不工作。當白天發(fā)生火災時，電網(wǎng)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(jīng)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(tài)，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）。

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(wǎng)中的高頻干擾信號，同時也保證后續(xù)電路產(chǎn)生的高頻信號不流入電網(wǎng)中。壓敏電阻RV₁ 為MYL1-250 型。當電網(wǎng)電壓高于250 V時壓敏電阻RV1 擊穿短路?；ジ袨V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?；ジ袨V波器L₁ 和L₂ 為磁環(huán)電感0.4 mH。EMI濾波電路如圖4 所示。

3.2 開關電源電路

圖5 所示為開關電源電路?？刂菩酒捎肨EA1523P，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(jīng)過EMI 濾波的交流電U_i 送入整流橋U₁ 進行橋式整流，再經(jīng)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(jīng)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(tài)進入到正常工作狀態(tài)。

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，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(jīng)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(wěn)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(wěn)壓的目的。當輸出電壓增高時，經(jīng)過電阻R₁₁、R₁₂ 的分壓電壓也升高，在穩(wěn)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(jié)，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(wěn)壓目的。

電阻R₁₁、R₁₂的阻值由分壓公式得出。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(wěn)壓充電電路中的熱敏電阻RT₁ 為負溫度系數(shù)，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(shù)188 匝，線徑0.26mm；3、4 腳間線圈匝數(shù)30 匝，線徑0.40 mm；5、6腳間線圈匝數(shù)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(tǒng)進行電能切換的樞紐，其電路如圖6 所示。該電路與后續(xù)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，U_o 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(xù)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(wǎng)斷電，鎳鉻電池E 可以給后續(xù)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(wǎng)系統(tǒng)恢復供電，電網(wǎng)上有電壓后，VT₃ 又截止，消防卷簾門電機M 不工作。

3.4 逆變電路

3.5 正弦波發(fā)生電路

正弦波發(fā)生電路如圖8 所示。高頻變壓器T₂ 的三路輸出，接同樣參數(shù)的正弦波發(fā)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。

4   備用電源調相電路設計

正弦波發(fā)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。

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(shù)一致性，正弦波發(fā)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(lián)的備用電源調相電路，第三路輸出可接三組串聯(lián)的備用電源調相電路。

5   結束語

系統(tǒng)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(wěn)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(wěn)態(tài)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(xiàn)，具有一定的實用價值。

參考文獻：

[1] 楊晨,馬峻.某大型商業(yè)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(jīng)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(jīng)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(xiàn)[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(xiàn)[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(yè)大學學報,2019,40(1):20-25.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）