基于后备电源的消防应急卷帘门控制系统方案设计

火灾的预防和阻断是一个关乎到生命财产安全的重要问题^[1]。消防卷帘门的使用可以大大降低火灾的蔓延，为救援工作争取时间。火灾发生时远程控制信号的丢失将降低系统的可靠性，因此需要设计一款就地控制卷帘门动作的系统，能自动关闭以隔离火源。当火灾发生电网断电时，系统中的后备电源工作，可自动将防火卷帘门关闭，阻断火灾的蔓延。若火灾时有人误被关入，也可通过就地手动控制打开防火卷帘门，门打开到顶后还能自动再关闭，进行火灾的再次阻断。该系统结构明确，就地控制大大提高了系统工作的安全性、可靠性。

1   系统总体方案设计

图1 所示为该系统的整体结构框图。它由主控电路、掉电自动投切控制电路、备用电源调相控制电路和备用控制电路组成。没有火灾时，主控电路控制消防卷帘电机作为日常普通卷帘门使用，同时电网给掉电自动投切电路中的镍铬电池充电。当火灾发生时主控电路失电，掉电自动投切电路中的镍铬电池为备控电路提供能量，实现自动闭门功能。

图2 所示为掉电自动投切控制电路结构框图。它由EMI（电磁干扰）滤波电路、开关电源电路、充电及自动投切电路、逆变电路和正弦波发生电路组成。EMI 滤波电路滤除电路中的差模和共模干扰；开关电源电路输出稳定的直流电源为后续的镍铬电池充电。正常时逆变电路不工作，当发生火灾时电网断电，镍铬电池通过自动投切电路给后续的逆变电路提供能量，并通过正弦波发生电路最终输出380V 交流电。

2   整体电路设计

图3 为该系统的整体电路图。比如白天的时候商场营业，主控电路工作。合上断路器QS₁、QS₂，卷帘门电机正常使用。按下SB₃ 按钮，卷帘门电机M 反转，卷帘门进入打开的过程，达到上限位SQ₂ 时，电机M停转。晚上的时候，商场关门，按下SB₂ 按钮，卷帘门电机M 正转，卷帘门进入关闭的过程，达到下限位SQ₁时，电机M停转。期间若断路器QS₁ 一直处于合闸状态，电网电压给掉电自动投切控制电路IC1 提供电压，电路中的蓄电池E 进行充电，但输出端无输出，后续电路不工作。当白天发生火灾时，电网掉电。掉电自动投切控制电路IC₁ 开始工作，卷帘门电机M 由蓄电池E 供电，掉电自动投切控制电路IC₁ 从输出端输出的交流电经过备用电源调相电路IC₂ 后，可得到三相电压。由于白天卷帘门已开，上限位开关SQ₂ 一直处于闭合状态，因此，线圈KM₄ 得电，主触点闭合。卷帘门电机M 正转，卷帘门进入关闭的过程，达到下限位SQ₁ 时，电机M停转。此时通过防火卷帘门的关闭隔离了火灾。若此时有人被误关入，可通过按下按钮SB₅ 让电机M 反转来打开卷帘门。卷帘门上行压到上限位开关SQ₂ 后又将电机M切换为正转，关闭卷帘门。消防卷帘门电机型号为FJJ412-3P-（SXS）。

3   掉电自动投切电路设计

3.1 EMI滤波电路

该EMI 滤波电路^[2] 滤除电网中的高频干扰信号，同时也保证后续电路产生的高频信号不流入电网中。压敏电阻RV₁ 为MYL1-250 型。当电网电压高于250 V时压敏电阻RV1 击穿短路。互感滤波器L₁ 和L₂ 消除共模干扰。电容C₁、C₂、C₃、C₄ 为高频滤波电容。电容C₁ 和电容C₄ 滤除差模干扰，电容C₂ 和电容C₃ 滤除共模干扰。互感滤波器L₁ 和L₂ 为磁环电感0.4 mH。EMI滤波电路如图4 所示。

3.2 开关电源电路

图5 所示为开关电源电路。控制芯片采用TEA1523P，该芯片将PWM（脉冲宽度调制）控制与电力MOSFET管（金属- 氧化物半导体场效应晶体管）集成，缩小了开关电源的体积和复杂性^[3]。经过EMI 滤波的交流电U_i 送入整流桥U₁ 进行桥式整流，再经过电容C₅ 滤波后，得到300V 左右的直流电。该直流电通过高频变压器T₁ 的1、2 脚和电感L₃ 后进入控制电路U₂的8 脚，电路启动工作，则高频变压器T₁ 的二次侧感应出电压。高频变压器T₁ 的3、4 脚感应电压经二极管VD₂ 整流和电阻R₅ 限流及C₇ 电容滤波后，得到20 V电压送入控制电路U₂ 的1 脚，并取代8 脚的电压，使得电路U₂ 由启动状态进入到正常工作状态。

该电路的振荡频率由3脚外接的R₂、C₈ 决定。振荡频率f =103 kHz ( 其中，为3 脚的振荡电阻和电容）。高频变压器T₁ 的5、6 脚感应电压经过VD₃ 整流和C₁₀ 滤波后，得到16.4 V左右的直流电压。LED 为指示灯。

光耦U₃ 和稳压器U₄ 组成取样反馈电路，用来控制U₂ 的4 脚电压的变化，来达到稳压的目的。当输出电压增高时，经过电阻R₁₁、R₁₂ 的分压电压也升高，在稳压器U₄ 的R 脚电压升高，使得K 脚电压下降，则光耦U₃ 的3 脚输出电流升高，U₂ 的4 脚电压升高，此时U₂内部就进行调节，PWM 波的宽度减小，占空比减小，则高频变压器T₁ 的储能下降，5、6 脚的输出电压下降，达到稳压目的。

电阻R₁₁、R₁₂的阻值由分压公式得出。VS₁ 起到过压保护作用，当高频变压器T₁ 的3、4 脚输出电压超过22 V，或者高频变压器T₁ 的1、2 脚输入电压超过380 V 时，U₂ 停止工作，过压保护功能工作。电阻R₃ 起到过流保护作用。电阻R₄与U₂ 中5 脚的内部电路形成高频变压器退磁电路。电阻R₁₀ 和C₁₂ 防止浪涌电流。稳压充电电路中的热敏电阻RT₁ 为负温度系数，型号为NTC2.5D-13，防止开机瞬间的浪涌电路冲击。高频变压器T₁ 磁芯选择EE20；1、2 脚间线圈匝数188 匝，线径0.26mm；3、4 脚间线圈匝数30 匝，线径0.40 mm；5、6脚间线圈匝数19 匝，线径0.40 mm，三股并绕；气隙为1.24 mm。

3.3 充电及自动投切电路

充电及自动投切电路^[4] 是该系统进行电能切换的枢纽，其电路如图6 所示。该电路与后续的电路配合工作，可以完成卷帘门消防隔火的功能，工作原理大致如下：没有火灾时，U_o 对镍铬电池E 进行充电，VT₃ 截止，镍铬电池E 不为其后电路提供量，后续的逆变电路无法工作，高频变压器T₂ 无输出，消防卷帘门电机M 不工作。当有火灾时，电网断电，镍铬电池E 可以给后续电路供电，VT₃ 导通，后面的逆变电路进行工作，高频变压器T₂ 有输出，消防卷帘门电机M 自动工作，隔离火源。当火情消除，电网系统恢复供电，电网上有电压后，VT₃ 又截止，消防卷帘门电机M 不工作。

3.4 逆变电路

3.5 正弦波发生电路

正弦波发生电路如图8 所示。高频变压器T₂ 的三路输出，接同样参数的正弦波发生电路。该电路采用2 阶定K 型归一化低通滤波器^[7]。采用5.1 mH 电感和4.7 μF电容组成截止频率为1.027 kHz，特征阻抗为33Ω 的滤波器（ 其中，M = 1.027 kHz/(1/2 π)，K = 33 Ω/1 Ω，L’ =（1 H*K）/M，C’ = 1 F/（K*M））， 滤除其中高频分量，进而获得220 V、50 Hz 的正弦波电压。

4   备用电源调相电路设计

正弦波发生电路的各路输出需要接调相电路的输入，目的在于为备控电路提供相位差120 度的三相交流电。备用电源调相电路的核心如图9 所示。

电容C₂₁ 和电阻R₃₁ 构成相位超前电路。电容C₂₂ 和电阻R₃₀ 构成相位滞后电路。当电容C₂₁ 和C₂₂ 的容值相等，电阻R₃₀ 和R₃₁ 的阻值相等时，3、4 端子可输出与1、2 端子电压值大小相等，而相位相差 ±（0-180）度的有效电压^[8]。当此电路中的电容C₂₁ = C₂₂ = C = 100 uF，电阻R₃₀ = R₃₁ = R = 54.9 Ω 时，3、4 端子输出的电压与1、2 端子输入的电压相位相差±120 度（φ₃₄ = ∠ − 2arctan ωRC，φ43 = ∠2arctan ωRC ）。为了保证电路的参数一致性，正弦波发生电路的第一路输出可接一组备用电源调相电路，第二路输出可接两组串联的备用电源调相电路，第三路输出可接三组串联的备用电源调相电路。

5   结束语

系统搭建的具有后备电源的消防应急卷帘门控制电路，输入采用EMI 滤波，达到抗干扰的目的。充电电路以TEA1523P、PC817、TL431A 为核心，达到稳定充电的目的，同时具备过压保护、过流保护、短路保护及过热保护等功能。逆变采用SG3525 芯片，其输出动、稳态特性均较好。其中2 阶定K 型归一化低通滤波器和备用电源调相电路结构简单，容易实现，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1] 杨晨,马峻.某大型商业综合体火灾蔓延路径分析与消防应对措施[J].建筑安全, 2021,36(4):36-40.

[2] 刘春华.经典电子电路300例[M].北京:中国电力出版社,2015.

[3] 黄海宏,王莹,王海欣.基于TEA1523P的开关电源设计[J].电力电子技术,2007,40(6):65-67.

[4] 刘春华.经典电子电路300例[M].北京:中国电力出版社,2015.

[5] 张德树,吴乃海.基于SG3525A的小功率逆变器的设计与实现[J].长春工程学院学报(自然科学版),2018,19(4):14-18.

[6] 王天凤.基于SG3525的推挽式逆变电路设计与实现[J].仪表技术,2020,4:4-6.

[7] 刘砚涛,刘玉蓓,尹伟.LC滤波器设计方法介绍及其仿真特性比较[J].电子测量技术,2010,33(5):17-21.

[8] 林志琦,绍建波,李严军.一种宽范围的移相电路[J].长春工业大学学报,2019,40(1):20-25.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年2月期）